Was wäre, wenn Verbundwerkstoffe aus glasfaserverstärktem Polymer (GFK) am Ende ihrer Nutzungsdauer kompostiert werden könnten, zusätzlich zu den jahrzehntelang bewährten Vorteilen wie Gewichtsreduzierung, Festigkeit und Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit? Das ist, kurz gesagt, der Reiz der Technologie von ABM Composite.
Bioaktives Glas, hochfeste Fasern
Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finnland) wurde 2014 gegründet und hat eine biologisch abbaubare Glasfaser aus sogenanntem bioaktivem Glas entwickelt, die Ari Rosling, F&E-Direktor bei ABM Composite, als „eine in den 1960er Jahren entwickelte spezielle Formulierung, die es Glas ermöglicht.“ unter physiologischen Bedingungen abgebaut werden. Beim Einbringen in den Körper zerfällt das Glas in seine Mineralsalzbestandteile, wobei Natrium, Magnesium, Phosphate usw. freigesetzt werden und so ein Zustand entsteht, der das Knochenwachstum stimuliert.“
„Es hat ähnliche Eigenschaften wiealkalifreie Glasfaser (E-Glas).“ Rosling sagte: „Aber dieses bioaktive Glas ist schwierig herzustellen und zu Fasern zu verarbeiten, und bisher wurde es nur als Pulver oder Kitt verwendet. Soweit wir wissen, war ABM Composite das erste Unternehmen, das daraus hochfeste Glasfasern im industriellen Maßstab herstellte, und wir verwenden diese ArcBiox X4/5-Glasfasern nun zur Verstärkung verschiedener Arten von Kunststoffen, darunter auch biologisch abbaubare Polymere.“
Medizinische Implantate
Die Region Tampere, zwei Stunden nördlich von Helsinki, Finnland, ist seit den 1980er Jahren ein Zentrum für biobasierte biologisch abbaubare Polymere für medizinische Anwendungen. Rosling beschreibt: „Eines der ersten kommerziell erhältlichen Implantate aus diesen Materialien wurde in Tampere hergestellt, und so entstand ABM Composite!“ das ist jetzt unser medizinischer Geschäftsbereich.“
„Es gibt viele biologisch abbaubare und bioresorbierbare Polymere für Implantate.“ Er fährt fort: „Aber ihre mechanischen Eigenschaften sind weit von denen natürlicher Knochen entfernt.“ Wir konnten diese biologisch abbaubaren Polymere verbessern, um dem Implantat die gleiche Festigkeit wie natürlicher Knochen zu verleihen.“ Rosling stellte fest, dass ArcBiox-Glasfasern medizinischer Qualität mit der Zugabe von ABM die mechanischen Eigenschaften biologisch abbaubarer PLLA-Polymere um 200 bis 500 % verbessern können.
Dadurch bieten die Implantate von ABM Composite eine höhere Leistung als Implantate aus unverstärkten Polymeren, sind gleichzeitig bioabsorbierbar und fördern die Knochenbildung und das Knochenwachstum. ABM Composite verwendet außerdem automatisierte Faser-/Strangplatzierungstechniken, um eine optimale Faserausrichtung sicherzustellen, einschließlich der Verlegung von Fasern entlang der gesamten Länge des Implantats sowie der Platzierung zusätzlicher Fasern an potenziell schwachen Stellen.
Haushaltliche und technische Anwendungen
Mit seinem wachsenden medizinischen Geschäftsbereich erkennt ABM Composite, dass biobasierte und biologisch abbaubare Polymere auch für Küchengeschirr, Besteck und andere Haushaltsgegenstände verwendet werden können. „Diese biologisch abbaubaren Polymere haben im Vergleich zu erdölbasierten Kunststoffen typischerweise schlechte mechanische Eigenschaften.“ Rosling sagte: „Aber wir können diese Materialien mit unseren biologisch abbaubaren Glasfasern verstärken, was sie für eine Vielzahl technischer Anwendungen praktisch zu einer guten Alternative zu kommerziellen Kunststoffen auf fossiler Basis macht.“
Infolgedessen hat ABM Composite seinen technischen Geschäftsbereich vergrößert, der nun 60 Mitarbeiter beschäftigt. „Wir bieten nachhaltigere End-of-Life (EOL)-Lösungen.“ Rosling sagt: „Unser Wertversprechen besteht darin, diese biologisch abbaubaren Verbundstoffe in industrielle Kompostierungsbetriebe zu bringen, wo sie in Erde umgewandelt werden.“ Herkömmliches E-Glas ist inert und wird in diesen Kompostieranlagen nicht abgebaut.
ArcBiox-Faserverbundwerkstoffe
ABM Composite hat verschiedene Formen von ArcBiox X4/5-Glasfasern für Verbundwerkstoffanwendungen entwickeltkurz geschnittene Fasernund Spritzgussmassen zuEndlosfasernfür Prozesse wie Textil- und Pultrusionsformen. Die ArcBiox BSGF-Reihe kombiniert biologisch abbaubare Glasfasern mit biobasierten Polyesterharzen und ist in allgemeinen Technologiequalitäten und ArcBiox 5-Qualitäten erhältlich, die für den Einsatz in Anwendungen mit Lebensmittelkontakt zugelassen sind.
ABM Composite hat außerdem eine Vielzahl biologisch abbaubarer und biobasierter Polymere untersucht, darunter Polymilchsäure (PLA), PLLA und Polybutylensuccinat (PBS). Das folgende Diagramm zeigt, wie X4/5-Glasfasern die Leistung verbessern können, um mit standardmäßigen glasfaserverstärkten Polymeren wie Polypropylen (PP) und sogar Polyamid 6 (PA6) zu konkurrieren.
ABM Composite hat außerdem eine Vielzahl biologisch abbaubarer und biobasierter Polymere untersucht, darunter Polymilchsäure (PLA), PLLA und Polybutylensuccinat (PBS). Das folgende Diagramm zeigt, wie X4/5-Glasfasern die Leistung verbessern können, um mit standardmäßigen glasfaserverstärkten Polymeren wie Polypropylen (PP) und sogar Polyamid 6 (PA6) zu konkurrieren.
Haltbarkeit und Kompostierbarkeit
Wenn diese Verbundstoffe biologisch abbaubar sind, wie lange halten sie dann? „Unsere X4/5-Glasfasern lösen sich nicht wie Zucker innerhalb von fünf Minuten oder über Nacht auf, und obwohl sich ihre Eigenschaften mit der Zeit verschlechtern, ist dies nicht so auffällig.“ Rosling sagt: „Um effektiv abgebaut zu werden, benötigen wir über lange Zeiträume erhöhte Temperaturen und Luftfeuchtigkeit, wie sie unter natürlichen Bedingungen oder in industriellen Komposthaufen herrschen.“ Wir haben zum Beispiel Tassen und Schüsseln aus unserem ArcBiox BSGF-Material getestet, die bis zu 200 Spülzyklen ohne Funktionseinbußen überstanden haben. Es kommt zu einer gewissen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, jedoch nicht in dem Maße, dass die Verwendung der Becher unsicher wäre.“
Es ist jedoch wichtig, dass diese Verbundwerkstoffe, wenn sie am Ende ihrer Nutzungsdauer entsorgt werden, die für die Kompostierung erforderlichen Standardanforderungen erfüllen. ABM Composite hat eine Reihe von Tests durchgeführt, um nachzuweisen, dass es diese Standards erfüllt. „Gemäß den ISO-Standards (für industrielle Kompostierung) sollte der biologische Abbau innerhalb von 6 Monaten und die Zersetzung innerhalb von 3 Monaten/90 Tagen erfolgen.“ Rosling sagt: „Unter Zersetzung versteht man das Einbringen der Testprobe/des Testprodukts in die Biomasse oder den Kompost. Nach 90 Tagen untersucht der Techniker die Biomasse mit einem Sieb. Nach 12 Wochen sollten mindestens 90 Prozent des Produkts ein 2 mm × 2 mm Sieb passieren können.“
Der biologische Abbau wird bestimmt, indem das Neumaterial zu einem Pulver gemahlen und die Gesamtmenge an freigesetztem CO2 nach 90 Tagen gemessen wird. Dabei wird beurteilt, wie viel des Kohlenstoffgehalts des Kompostierungsprozesses in Wasser, Biomasse und CO2 umgewandelt wird. „Um den industriellen Kompostierungstest zu bestehen, müssen 90 Prozent der theoretischen 100 Prozent CO2 aus dem Kompostierungsprozess erreicht werden (basierend auf dem Kohlenstoffgehalt)“.
Laut Rosling hat ABM Composite die Anforderungen an Zersetzung und biologischen Abbau erfüllt, und Tests haben gezeigt, dass die Zugabe seiner X4-Glasfaser tatsächlich die biologische Abbaubarkeit verbessert (siehe Tabelle oben), die beispielsweise bei einer unverstärkten PLA-Mischung nur 78 % beträgt. Er erklärt: „Durch die Zugabe unserer zu 30 % biologisch abbaubaren Glasfasern stieg der biologische Abbau jedoch auf 94 %, während die Abbauraten gut blieben.“
Dadurch hat ABM Composite gezeigt, dass seine Materialien gemäß EN 13432 als kompostierbar zertifiziert werden können. Zu den Tests, die seine Materialien bisher bestanden haben, gehören ISO 14855-1 für die endgültige aerobe biologische Abbaubarkeit von Materialien unter kontrollierten Kompostierungsbedingungen und ISO 16929 für aerobe kontrollierte Zersetzung, ISO DIN EN 13432 für chemische Anforderungen und OECD 208 für Phytotoxizitätstests, ISO DIN EN 13432.
Bei der Kompostierung freigesetztes CO2
Bei der Kompostierung wird zwar CO2 freigesetzt, ein Teil verbleibt jedoch im Boden und wird dann von Pflanzen verwertet. Kompostierung wird seit Jahrzehnten untersucht, sowohl als industrieller Prozess als auch als Nachkompostierungsprozess, der weniger CO2 freisetzt als andere Abfallentsorgungsalternativen, und Kompostierung gilt immer noch als umweltfreundlicher und den CO2-Fußabdruck reduzierender Prozess.
Unter Ökotoxizität versteht man die Prüfung der beim Kompostierungsprozess entstehenden Biomasse und der mit dieser Biomasse angebauten Pflanzen. „Damit soll sichergestellt werden, dass die Kompostierung dieser Produkte den wachsenden Pflanzen keinen Schaden zufügt.“ sagte Rosling. Darüber hinaus hat ABM Composite nachgewiesen, dass seine Materialien die Anforderungen an den biologischen Abbau unter Heimkompostierungsbedingungen erfüllen, die ebenfalls einen biologischen Abbau von 90 % erfordern, allerdings über einen Zeitraum von 12 Monaten, verglichen mit einem kürzeren Zeitraum bei der industriellen Kompostierung.
Industrielle Anwendungen, Produktion, Kosten und zukünftiges Wachstum
Die Materialien von ABM Composite werden in einer Reihe kommerzieller Anwendungen verwendet, weitere Informationen können jedoch aufgrund von Vertraulichkeitsvereinbarungen nicht bekannt gegeben werden. „Wir bestellen unsere Materialien für Anwendungen wie Tassen, Untertassen, Teller, Besteck und Lebensmittelbehälter“, sagt Rosling, „aber sie werden auch als Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen in Kosmetikbehältern und großen Haushaltsgegenständen verwendet.“ In jüngerer Zeit wurden unsere Materialien für die Herstellung von Komponenten in großen Industriemaschinenanlagen ausgewählt, die alle 2–12 Wochen ausgetauscht werden müssen. Diese Unternehmen haben erkannt, dass durch den Einsatz unserer X4-Glasfaserverstärkung diese mechanischen Teile mit der erforderlichen Verschleißfestigkeit hergestellt werden können und nach Gebrauch auch kompostierbar sind. Dies ist eine attraktive Lösung für die nahe Zukunft, da diese Unternehmen vor der Herausforderung stehen, neue Umwelt- und CO2-Emissionsvorschriften zu erfüllen.“
Rosling fügte hinzu: „Es besteht auch ein wachsendes Interesse an der Verwendung unserer Endlosfasern in verschiedenen Arten von Stoffen und Vliesstoffen zur Herstellung von Strukturbauteilen für die Bauindustrie. Wir sehen auch Interesse daran, unsere biologisch abbaubaren Fasern mit biobasierten, aber nicht biologisch abbaubaren PA- oder PP- und inerten duroplastischen Materialien zu verwenden.“
Derzeit ist X4/5-Glasfaser teurer als E-Glas, aber auch die Produktionsmengen sind relativ gering, und ABM Composite verfolgt eine Reihe von Möglichkeiten, um die Anwendungen zu erweitern und bei steigender Nachfrage eine Steigerung auf 20.000 Tonnen/Jahr zu ermöglichen. was auch dazu beitragen könnte, die Kosten zu senken. Dennoch, so Rosling, seien die Kosten, die mit der Erfüllung von Nachhaltigkeitsanforderungen und neuen regulatorischen Anforderungen verbunden seien, in vielen Fällen nicht vollständig berücksichtigt worden. Unterdessen wächst die Dringlichkeit, den Planeten zu retten. „Die Gesellschaft drängt bereits auf mehr biobasierte Produkte.“ Er erklärt: „Es gibt viele Anreize, Recyclingtechnologien voranzutreiben, die Welt muss hier schneller vorankommen und ich denke, dass die Gesellschaft ihren Vorstoß für biobasierte Produkte in Zukunft nur noch verstärken wird.“
LCA und Nachhaltigkeitsvorteil
Laut Rosling reduzieren die Materialien von ABM Composite die Treibhausgasemissionen und den Verbrauch nicht erneuerbarer Energie um 50–60 Prozent pro Kilogramm. „Wir verwenden die Environmental Footprint Database 2.0, den akkreditierten GaBi-Datensatz und LCA-Berechnungen (Life Cycle Analysis) für unsere Produkte basierend auf der in ISO 14040 und ISO 14044 beschriebenen Methodik.“
„Wenn Verbundwerkstoffe derzeit das Ende ihres Lebenszyklus erreichen, ist viel Energie erforderlich, um Verbundabfälle und EOL-Produkte zu verbrennen oder zu pyrolysieren, und die Zerkleinerung und Kompostierung ist eine attraktive Option und definitiv eines der wichtigsten Wertversprechen, die wir anbieten.“ und wir bieten eine neue Art der Recyclingfähigkeit.“ Rosling sagt: „Unsere Glasfasern werden aus natürlichen mineralischen Bestandteilen hergestellt, die bereits im Boden vorhanden sind. Warum also nicht EOL-Verbundkomponenten kompostieren oder Fasern aus nicht abbaubaren Verbundwerkstoffen nach der Verbrennung auflösen und als Dünger verwenden? Dies ist eine Recyclingoption von echtem globalen Interesse.“
Shanghai Orisen Neue Materialtechnologie Co., Ltd
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Email: grahamjin@jhcomposites.com
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. Mai 2024