Sẽ thế nào nếu vật liệu composite polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP) có thể được ủ thành phân hữu cơ khi hết thời hạn sử dụng, bên cạnh những lợi ích đã được chứng minh qua nhiều thập kỷ về giảm trọng lượng, độ bền và độ cứng, khả năng chống ăn mòn và độ bền? Nói tóm lại, đó chính là sức hấp dẫn của công nghệ ABM Composite.
Kính hoạt tính sinh học, sợi có độ bền cao
Được thành lập vào năm 2014, Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Phần Lan) đã phát triển một loại sợi thủy tinh phân hủy sinh học được làm từ cái gọi là thủy tinh hoạt tính sinh học, mà Ari Rosling, giám đốc R&D tại ABM Composite, mô tả là "một công thức đặc biệt được phát triển vào những năm 1960 cho phép thủy tinh phân hủy trong điều kiện sinh lý. Khi được đưa vào cơ thể, thủy tinh phân hủy thành các muối khoáng cấu thành, giải phóng natri, magiê, phốt phát, v.v., do đó tạo ra một điều kiện kích thích sự phát triển của xương".
“Nó có những đặc tính tương tự nhưsợi thủy tinh không kiềm (E-glass).” Rosling cho biết, “Nhưng loại thủy tinh hoạt tính sinh học này rất khó sản xuất và kéo thành sợi, và cho đến nay nó chỉ được sử dụng dưới dạng bột hoặc bột trét. Theo như chúng tôi biết, ABM Composite là công ty đầu tiên sản xuất sợi thủy tinh có độ bền cao từ nó ở quy mô công nghiệp, và hiện chúng tôi đang sử dụng các sợi thủy tinh ArcBiox X4/5 này để gia cố nhiều loại nhựa khác nhau, bao gồm cả polyme phân hủy sinh học”.
Cấy ghép y tế
Khu vực Tampere, cách Helsinki, Phần Lan hai giờ về phía bắc, đã trở thành trung tâm của các loại polyme phân hủy sinh học có nguồn gốc sinh học dùng cho các ứng dụng y tế kể từ những năm 1980. Rosling mô tả, “Một trong những loại cấy ghép thương mại đầu tiên được làm bằng những vật liệu này đã được sản xuất tại Tampere, và đó là cách ABM Composite bắt đầu! hiện là đơn vị kinh doanh y tế của chúng tôi”.
“Có nhiều loại polyme phân hủy sinh học, có thể hấp thụ sinh học dùng cho cấy ghép.” Ông tiếp tục, “nhưng tính chất cơ học của chúng khác xa so với xương tự nhiên. Chúng tôi đã có thể tăng cường các loại polyme phân hủy sinh học này để giúp cấy ghép có cùng độ bền như xương tự nhiên”. Rosling lưu ý rằng sợi thủy tinh ArcBiox cấp y tế với việc bổ sung ABM có thể cải thiện tính chất cơ học của polyme PLLA phân hủy sinh học từ 200% đến 500%.
Kết quả là, các implant của ABM Composite có hiệu suất cao hơn các implant được làm bằng polyme không gia cố, đồng thời cũng có khả năng hấp thụ sinh học và thúc đẩy quá trình hình thành và phát triển xương. ABM Composite cũng sử dụng các kỹ thuật đặt sợi/sợi tự động để đảm bảo định hướng sợi tối ưu, bao gồm đặt sợi dọc theo toàn bộ chiều dài của implant, cũng như đặt thêm sợi tại các điểm có khả năng yếu.
Ứng dụng gia dụng và kỹ thuật
Với đơn vị kinh doanh y tế đang phát triển, ABM Composite nhận ra rằng polyme có nguồn gốc sinh học và phân hủy sinh học cũng có thể được sử dụng cho đồ dùng nhà bếp, dao kéo và các đồ gia dụng khác. “Những polyme có nguồn gốc sinh học này thường có tính chất cơ học kém so với nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ.” Rosling cho biết, “Nhưng chúng tôi có thể gia cố những vật liệu này bằng sợi thủy tinh phân hủy sinh học của mình, khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế tốt cho nhựa thương mại có nguồn gốc từ hóa thạch cho nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau”.
Kết quả là, ABM Composite đã tăng cường đơn vị kinh doanh kỹ thuật của mình, hiện đang tuyển dụng 60 người. “Chúng tôi cung cấp các giải pháp cuối vòng đời (EOL) bền vững hơn.” Rosling cho biết, “Đề xuất giá trị của chúng tôi là đưa các vật liệu composite phân hủy sinh học này vào các hoạt động ủ phân công nghiệp, nơi chúng biến thành đất.” E-glass truyền thống là trơ và sẽ không phân hủy trong các cơ sở ủ phân này.
Vật liệu tổng hợp sợi ArcBiox
ABM Composite đã phát triển nhiều dạng sợi thủy tinh ArcBiox X4/5 khác nhau cho các ứng dụng composite, từsợi cắt ngắnvà các hợp chất ép phun đểsợi liên tụccho các quy trình như đúc dệt và đùn kéo. Dòng sản phẩm ArcBiox BSGF kết hợp sợi thủy tinh phân hủy sinh học với nhựa polyester sinh học và có sẵn ở các cấp công nghệ chung và cấp ArcBiox 5 được chấp thuận sử dụng trong các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm.
ABM Composite cũng đã nghiên cứu nhiều loại polyme phân hủy sinh học và polyme có nguồn gốc sinh học bao gồm Polylactic Acid (PLA), PLLA và Polybutylene Succinate (PBS). Sơ đồ bên dưới cho thấy cách sợi thủy tinh X4/5 có thể cải thiện hiệu suất để cạnh tranh với các loại polyme gia cường sợi thủy tinh tiêu chuẩn như polypropylene (PP) và thậm chí là polyamide 6 (PA6).
ABM Composite cũng đã nghiên cứu nhiều loại polyme phân hủy sinh học và polyme có nguồn gốc sinh học, bao gồm Polylactic Acid (PLA), PLLA và Polybutylene Succinate (PBS). Sơ đồ bên dưới cho thấy cách sợi thủy tinh X4/5 có thể cải thiện hiệu suất để cạnh tranh với các loại polyme gia cường sợi thủy tinh tiêu chuẩn như polypropylene (PP) và thậm chí là polyamide 6 (PA6).
Độ bền và khả năng phân hủy
Nếu những vật liệu composite này có thể phân hủy sinh học, chúng sẽ tồn tại được bao lâu? “Sợi thủy tinh X4/5 của chúng tôi không tan trong năm phút hoặc qua đêm như đường, và mặc dù các đặc tính của chúng sẽ bị phân hủy theo thời gian, nhưng chúng sẽ không dễ nhận thấy như vậy”. Rosling cho biết, “Để phân hủy hiệu quả, chúng tôi cần nhiệt độ và độ ẩm cao trong thời gian dài, như được tìm thấy trong cơ thể sống hoặc trong các đống phân ủ công nghiệp. Ví dụ, chúng tôi đã thử nghiệm các cốc và bát làm từ vật liệu ArcBiox BSGF của chúng tôi và chúng có thể chịu được tới 200 chu kỳ rửa chén mà không bị mất chức năng. Có một số sự phân hủy về các đặc tính cơ học, nhưng không đến mức các cốc không an toàn để sử dụng”.
Tuy nhiên, điều quan trọng là khi các vật liệu composite này được thải bỏ vào cuối vòng đời hữu ích của chúng, chúng phải đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn cần thiết cho quá trình ủ phân, và ABM Composite đã tiến hành một loạt các thử nghiệm để chứng minh rằng chúng đáp ứng các tiêu chuẩn này. “Theo các tiêu chuẩn ISO (đối với quá trình ủ phân công nghiệp), quá trình phân hủy sinh học phải diễn ra trong vòng 6 tháng và phân hủy trong vòng 3 tháng/90 ngày”. Rosling cho biết, “Phân hủy có nghĩa là đặt mẫu/sản phẩm thử nghiệm vào sinh khối hoặc phân trộn. Sau 90 ngày, kỹ thuật viên sẽ kiểm tra sinh khối bằng cách sử dụng một cái rây. Sau 12 tuần, ít nhất 90 phần trăm sản phẩm phải có thể lọt qua một cái rây 2 mm × 2 mm”.
Sự phân hủy sinh học được xác định bằng cách nghiền vật liệu nguyên chất thành bột và đo tổng lượng CO2 thải ra sau 90 ngày. Điều này đánh giá lượng carbon trong quá trình ủ phân được chuyển đổi thành nước, sinh khối và CO2. “Để vượt qua bài kiểm tra ủ phân công nghiệp, phải đạt được 90 phần trăm trong số 100 phần trăm CO2 lý thuyết từ quá trình ủ phân (dựa trên hàm lượng carbon)”.
Rosling cho biết ABM Composite đã đáp ứng được các yêu cầu về phân hủy và phân hủy sinh học, và các thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc bổ sung sợi thủy tinh X4 thực sự cải thiện khả năng phân hủy sinh học (xem bảng ở trên), ví dụ, chỉ đạt 78% đối với hỗn hợp PLA không gia cố. Ông giải thích, "Tuy nhiên, khi chúng tôi bổ sung 30% sợi thủy tinh phân hủy sinh học, khả năng phân hủy sinh học tăng lên 94%, trong khi tỷ lệ phân hủy vẫn ở mức tốt".
Kết quả là, ABM Composite đã chứng minh rằng vật liệu của công ty có thể được chứng nhận là có thể phân hủy theo tiêu chuẩn EN 13432. Các thử nghiệm mà vật liệu của công ty đã vượt qua cho đến nay bao gồm ISO 14855-1 về khả năng phân hủy sinh học hiếu khí cuối cùng của vật liệu trong điều kiện ủ phân có kiểm soát, ISO 16929 về phân hủy hiếu khí có kiểm soát, ISO DIN EN 13432 về yêu cầu hóa học và OECD 208 về thử nghiệm độc tính thực vật, ISO DIN EN 13432.
CO2 thải ra trong quá trình ủ phân
Trong quá trình ủ phân, CO2 thực sự được giải phóng, nhưng một số vẫn còn trong đất và sau đó được cây sử dụng. Quá trình ủ phân đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, vừa là một quá trình công nghiệp vừa là một quá trình sau ủ phân thải ra ít CO2 hơn các phương án xử lý chất thải khác, và ủ phân vẫn được coi là một quá trình thân thiện với môi trường và giảm lượng khí thải carbon.
Độc tính sinh thái liên quan đến việc thử nghiệm sinh khối được tạo ra trong quá trình ủ phân và các loại cây trồng bằng sinh khối này. “Điều này nhằm đảm bảo rằng việc ủ phân các sản phẩm này không gây hại cho cây đang phát triển.” Rosling cho biết. Ngoài ra, ABM Composite đã chứng minh rằng vật liệu của họ đáp ứng các yêu cầu về phân hủy sinh học trong điều kiện ủ phân tại nhà, cũng yêu cầu phân hủy sinh học 90%, nhưng trong khoảng thời gian 12 tháng, so với thời gian ngắn hơn đối với ủ phân công nghiệp.
Ứng dụng công nghiệp, sản xuất, chi phí và tăng trưởng trong tương lai
Vật liệu của ABM Composite được sử dụng trong một số ứng dụng thương mại, nhưng không thể tiết lộ thêm do các thỏa thuận bảo mật. Rosling cho biết: “Chúng tôi đặt hàng vật liệu phù hợp với các ứng dụng như cốc, đĩa lót, đĩa, dao kéo và hộp đựng thực phẩm”, “nhưng chúng cũng được sử dụng thay thế cho nhựa gốc dầu mỏ trong hộp đựng mỹ phẩm và các đồ gia dụng lớn. Gần đây, vật liệu của chúng tôi đã được chọn để sử dụng trong sản xuất các bộ phận trong các cơ sở máy móc công nghiệp lớn cần được thay thế sau mỗi 2-12 tuần. Các công ty này đã nhận ra rằng bằng cách sử dụng vật liệu gia cố sợi thủy tinh X4 của chúng tôi, các bộ phận cơ khí này có thể được sản xuất với khả năng chống mài mòn cần thiết và cũng có thể phân hủy sau khi sử dụng. Đây là một giải pháp hấp dẫn cho tương lai gần khi các công ty này phải đối mặt với thách thức đáp ứng các quy định mới về môi trường và phát thải CO2”.
Rosling nói thêm, “Cũng có sự quan tâm ngày càng tăng trong việc sử dụng sợi liên tục của chúng tôi trong các loại vải và vải không dệt khác nhau để tạo ra các thành phần cấu trúc cho ngành xây dựng. Chúng tôi cũng thấy sự quan tâm trong việc sử dụng sợi phân hủy sinh học của chúng tôi với PA hoặc PP có nguồn gốc sinh học nhưng không phân hủy sinh học và vật liệu nhiệt rắn trơ”.
Hiện tại, sợi thủy tinh X4/5 đắt hơn E-glass, nhưng khối lượng sản xuất cũng tương đối nhỏ và ABM Composite đang theo đuổi một số cơ hội để mở rộng ứng dụng và tạo điều kiện tăng sản lượng lên 20.000 tấn/năm khi nhu cầu tăng, điều này cũng có thể giúp giảm chi phí. Mặc dù vậy, Rosling cho biết trong nhiều trường hợp, chi phí liên quan đến việc đáp ứng các yêu cầu về tính bền vững và các yêu cầu pháp lý mới vẫn chưa được xem xét đầy đủ. Trong khi đó, tính cấp thiết của việc cứu hành tinh đang ngày càng tăng. “Xã hội đã thúc đẩy nhiều sản phẩm có nguồn gốc sinh học hơn”. Ông giải thích, “Có rất nhiều động lực để thúc đẩy công nghệ tái chế, thế giới cần phải hành động nhanh hơn về vấn đề này và tôi nghĩ rằng xã hội sẽ chỉ tăng cường thúc đẩy các sản phẩm có nguồn gốc sinh học trong tương lai”.
LCA và lợi thế bền vững
Rosling cho biết vật liệu của ABM Composite giúp giảm lượng khí thải nhà kính và sử dụng năng lượng không tái tạo từ 50-60 phần trăm trên mỗi kilôgam. “Chúng tôi sử dụng Cơ sở dữ liệu dấu chân môi trường 2.0, bộ dữ liệu GaBi được công nhận và các phép tính LCA (Phân tích vòng đời) cho các sản phẩm của mình dựa trên phương pháp được nêu trong ISO 14040 và ISO 14044”.
“Hiện nay, khi vật liệu composite đạt đến cuối vòng đời của chúng, cần rất nhiều năng lượng để đốt hoặc nhiệt phân chất thải composite và các sản phẩm EOL, và việc cắt nhỏ và ủ phân là một lựa chọn hấp dẫn, và chắc chắn là một trong những giá trị cốt lõi mà chúng tôi cung cấp, và chúng tôi đang cung cấp một loại khả năng tái chế mới.” Rosling cho biết, “Sợi thủy tinh của chúng tôi được làm từ các thành phần khoáng chất tự nhiên vốn có trong đất. Vậy tại sao không ủ các thành phần composite EOL hoặc hòa tan sợi từ vật liệu composite không phân hủy sau khi đốt và sử dụng chúng làm phân bón? Đây là một lựa chọn tái chế thực sự có lợi cho toàn cầu”.
Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu mới Orisen Thượng Hải
M: +86 18683776368(cũng như WhatsApp)
Điện thoại: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Địa chỉ: SỐ 398 Đường New Green, Thị trấn Xinbang, Quận Songjiang, Thượng Hải
Thời gian đăng: 27-05-2024