Cosa accadrebbe se i compositi polimerici rinforzati con fibra di vetro (GFRP) potessero essere compostati alla fine della loro vita utile, oltre ai decenni di comprovati vantaggi in termini di riduzione del peso, resistenza e rigidità, resistenza alla corrosione e durata? Questo, in poche parole, è il fascino della tecnologia ABM Composite.
Vetro bioattivo, fibre ad alta resistenza
Fondata nel 2014, Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finlandia) ha sviluppato una fibra di vetro biodegradabile realizzata con il cosiddetto vetro bioattivo, che Ari Rosling, direttore R&D di ABM Composite, descrive come "una formulazione speciale sviluppata negli anni '60 che consente al vetro di essere degradato in condizioni fisiologiche. Quando introdotto nel corpo, il vetro si decompone nei suoi sali minerali costituenti, rilasciando sodio, magnesio, fosfati, ecc., creando così una condizione che stimola la crescita delle ossa.
“Ha proprietà simili afibra di vetro priva di alcali (vetro E).” Rosling ha detto: “Ma questo vetro bioattivo è difficile da produrre e trasformare in fibre, e fino ad ora è stato utilizzato solo come polvere o mastice. Per quanto ne sappiamo, ABM Composite è stata la prima azienda a produrre fibre di vetro ad alta resistenza su scala industriale, e ora stiamo utilizzando queste fibre di vetro ArcBiox X4/5 per rinforzare vari tipi di plastica, compresi i polimeri biodegradabili”.
Impianti medici
La regione di Tampere, due ore a nord di Helsinki, in Finlandia, è un centro per i polimeri biodegradabili di origine biologica per applicazioni mediche sin dagli anni '80. Rosling descrive: “Uno dei primi impianti disponibili in commercio realizzati con questi materiali è stato prodotto a Tampere, ed è così che è iniziato ABM Composite! che ora è la nostra business unit medica”.
"Esistono molti polimeri biodegradabili e bioriassorbibili per gli impianti." E continua, “ma le loro proprietà meccaniche sono lontane da quelle dell’osso naturale. Siamo riusciti a potenziare questi polimeri biodegradabili per conferire all’impianto la stessa resistenza dell’osso naturale”. Rosling ha osservato che le fibre di vetro ArcBiox di grado medico con l'aggiunta di ABM possono migliorare le proprietà meccaniche dei polimeri PLLA biodegradabili dal 200% al 500%.
Di conseguenza, gli impianti ABM Composite offrono prestazioni più elevate rispetto agli impianti realizzati con polimeri non rinforzati, pur essendo bioriassorbibili e favorendo la formazione e la crescita ossea. ABM Composite utilizza inoltre tecniche di posizionamento automatizzato di fibre/trefoli per garantire un orientamento ottimale delle fibre, compresa la posa delle fibre lungo l'intera lunghezza dell'impianto, nonché il posizionamento di fibre aggiuntive in punti potenzialmente deboli.
Applicazioni domestiche e tecniche
Con la crescita della sua business unit medica, ABM Composite riconosce che i polimeri di origine biologica e biodegradabili possono essere utilizzati anche per stoviglie, posate e altri articoli per la casa. “Questi polimeri biodegradabili hanno in genere proprietà meccaniche scadenti rispetto alle plastiche a base di petrolio”. Rosling ha affermato: “Ma possiamo rinforzare questi materiali con le nostre fibre di vetro biodegradabili, rendendoli praticamente una buona alternativa alla plastica commerciale a base fossile per un’ampia gamma di applicazioni tecniche”.
Di conseguenza, ABM Composite ha ampliato la propria business unit tecnica, che ora impiega 60 persone. "Offriamo soluzioni di fine vita (EOL) più sostenibili." Rosling afferma: “La nostra proposta di valore è quella di inserire questi compositi biodegradabili in operazioni di compostaggio industriale dove si trasformano in terreno”. Il vetro E tradizionale è inerte e non si degrada in questi impianti di compostaggio.
Compositi in fibra ArcBiox
ABM Composite ha sviluppato varie forme di fibre di vetro ArcBiox X4/5 per applicazioni composite, dafibre cortee composti per stampaggio a iniezionefibre continueper processi come lo stampaggio tessile e per pultrusione. La gamma ArcBiox BSGF combina fibre di vetro biodegradabili con resine poliestere di origine biologica ed è disponibile in gradi tecnologici generali e gradi ArcBiox 5 approvati per l'uso in applicazioni a contatto con gli alimenti.
ABM Composite ha inoltre studiato una varietà di polimeri biodegradabili e di origine biologica, tra cui acido polilattico (PLA), PLLA e polibutilene succinato (PBS). Il diagramma seguente mostra come le fibre di vetro X4/5 possono migliorare le prestazioni per competere con i polimeri rinforzati con fibra di vetro standard come il polipropilene (PP) e persino la poliammide 6 (PA6).
ABM Composite ha inoltre studiato una varietà di polimeri biodegradabili e di origine biologica, tra cui acido polilattico (PLA), PLLA e polibutilene succinato (PBS). Il diagramma seguente mostra come le fibre di vetro X4/5 possono migliorare le prestazioni per competere con i polimeri rinforzati con fibra di vetro standard come il polipropilene (PP) e persino la poliammide 6 (PA6).
Durabilità e compostabilità
Se questi compositi sono biodegradabili, quanto dureranno? "Le nostre fibre di vetro X4/5 non si dissolvono in cinque minuti o durante la notte come fa lo zucchero e, sebbene le loro proprietà si degraderanno nel tempo, non saranno così evidenti." Rosling afferma: “Per degradarsi in modo efficace, abbiamo bisogno di temperature e umidità elevate per lunghi periodi di tempo, come si riscontra in vivo o nei cumuli di compost industriale. Ad esempio, abbiamo testato tazze e ciotole realizzate con il nostro materiale ArcBiox BSGF e hanno potuto resistere fino a 200 cicli di lavaggio senza perdere funzionalità. C'è un certo degrado delle proprietà meccaniche, ma non al punto da rendere le coppe pericolose da usare”.
Tuttavia, è importante che quando questi compositi vengono smaltiti alla fine della loro vita utile, soddisfino i requisiti standard necessari per il compostaggio e ABM Composite ha effettuato una serie di test per dimostrare che soddisfa questi standard. “Secondo le norme ISO (per il compostaggio industriale), la biodegradazione dovrebbe avvenire entro 6 mesi e la decomposizione entro 3 mesi/90 giorni”. Rosling afferma: “Decomposizione significa collocare il campione/prodotto da testare nella biomassa o nel compost. dopo 90 giorni il tecnico esamina la biomassa mediante un setaccio. dopo 12 settimane almeno il 90 per cento del prodotto dovrà poter passare attraverso un setaccio da 2 mm x 2 mm”.
La biodegradazione viene determinata macinando il materiale vergine in polvere e misurando la quantità totale di CO2 rilasciata dopo 90 giorni. Valuta quanta parte del carbonio contenuto nel processo di compostaggio viene convertito in acqua, biomassa e CO2. “Per superare il test del compostaggio industriale, è necessario raggiungere il 90% della quantità teorica di CO2 del 100% derivante dal processo di compostaggio (in base al contenuto di carbonio)”.
Rosling afferma che ABM Composite ha soddisfatto i requisiti di decomposizione e biodegradazione e i test hanno dimostrato che l'aggiunta della sua fibra di vetro X4 migliora effettivamente la biodegradabilità (vedi tabella sopra), che è solo del 78% per una miscela PLA non rinforzata, ad esempio. Spiega: "Tuttavia, quando sono state aggiunte le nostre fibre di vetro biodegradabili al 30%, la biodegradazione è aumentata al 94%, mentre i tassi di degradazione sono rimasti buoni".
Di conseguenza, ABM Composite ha dimostrato che i suoi materiali possono essere certificati come compostabili secondo la norma EN 13432. I test che i suoi materiali hanno superato fino ad oggi includono ISO 14855-1 per la biodegradabilità aerobica finale dei materiali in condizioni di compostaggio controllate, ISO 16929 per la biodegradabilità aerobica decomposizione controllata, ISO DIN EN 13432 per i requisiti chimici e OCSE 208 per i test di fitotossicità, ISO DIN EN 13432.
CO2 rilasciata durante il compostaggio
Durante il compostaggio, infatti, la CO2 viene rilasciata, ma una parte rimane nel terreno e viene poi utilizzata dalle piante. Il compostaggio è stato studiato per decenni, sia come processo industriale che come processo post-compostaggio che rilascia meno CO2 rispetto ad altre alternative di smaltimento dei rifiuti, e il compostaggio è ancora considerato un processo rispettoso dell’ambiente e che riduce l’impronta di carbonio.
L'ecotossicità prevede il test sulla biomassa prodotta durante il processo di compostaggio e sulle piante coltivate con tale biomassa. “Questo per garantire che il compostaggio di questi prodotti non danneggi le piante in crescita”. Rosling ha detto. Inoltre, ABM Composite ha dimostrato che i suoi materiali soddisfano i requisiti di biodegradazione in condizioni di compostaggio domestico, che richiedono anch’esse una biodegradazione del 90%, ma su un periodo di 12 mesi, rispetto a un periodo più breve per il compostaggio industriale.
Applicazioni industriali, produzione, costi e crescita futura
I materiali di ABM Composite vengono utilizzati in numerose applicazioni commerciali, ma altre non possono essere rivelate a causa degli accordi di riservatezza. “Ordiniamo i nostri materiali per adattarli ad applicazioni come tazze, piattini, piatti, posate e contenitori per alimenti”, afferma Rosling, “ma vengono utilizzati anche come alternativa alla plastica a base di petrolio in contenitori per cosmetici e articoli per la casa di grandi dimensioni. Più recentemente, i nostri materiali sono stati selezionati per l'utilizzo nella produzione di componenti di grandi impianti di macchinari industriali che devono essere sostituiti ogni 2-12 settimane. Queste aziende hanno riconosciuto che, utilizzando il nostro rinforzo in fibra di vetro X4, queste parti meccaniche possono essere realizzate con la resistenza all'usura richiesta e sono anche compostabili dopo l'uso. Si tratta di una soluzione interessante per il prossimo futuro poiché queste aziende devono affrontare la sfida di soddisfare le nuove normative ambientali e sulle emissioni di CO2”.
Rosling ha aggiunto: “C’è anche un crescente interesse nell’utilizzo delle nostre fibre continue in diversi tipi di tessuti e non tessuti per realizzare componenti strutturali per il settore edile. Stiamo anche riscontrando interesse nell’utilizzo delle nostre fibre biodegradabili con PA o PP di origine biologica ma non biodegradabili e materiali termoindurenti inerti”.
Al momento, la fibra di vetro X4/5 è più costosa del vetro E, ma anche i volumi di produzione sono relativamente piccoli e ABM Composite sta perseguendo una serie di opportunità per espandere le applicazioni e facilitare un aumento fino a 20.000 tonnellate/anno man mano che la domanda cresce, che potrebbe anche contribuire a ridurre i costi. Anche così, Rosling afferma che in molti casi i costi associati al rispetto della sostenibilità e ai nuovi requisiti normativi non sono stati pienamente considerati. Nel frattempo, cresce l’urgenza di salvare il pianeta. “La società sta già spingendo per più prodotti di origine biologica”. Spiega: "Ci sono molti incentivi per portare avanti le tecnologie di riciclo, il mondo deve muoversi più velocemente su questo fronte e penso che in futuro la società non farà altro che aumentare la sua spinta per i prodotti di origine biologica".
LCA e vantaggio di sostenibilità
Rosling afferma che i materiali di ABM Composite riducono le emissioni di gas serra e l'uso di energia non rinnovabile del 50-60% per chilogrammo. “Utilizziamo il database dell’impronta ambientale 2.0, il set di dati GaBi accreditato e i calcoli LCA (analisi del ciclo di vita) per i nostri prodotti basati sulla metodologia delineata nelle norme ISO 14040 e ISO 14044″.
"Attualmente, quando i compositi raggiungono la fine del loro ciclo di vita, è necessaria molta energia per incenerire o pirolizzare i rifiuti compositi e i prodotti EOL, e la triturazione e il compostaggio sono un'opzione interessante, ed è sicuramente una delle principali proposte di valore che offriamo, e stiamo fornendo un nuovo tipo di riciclabilità”. Rosling afferma: “La nostra fibra di vetro è composta da componenti minerali naturali già presenti nel terreno. Allora perché non compostare i componenti compositi EOL o sciogliere le fibre dei compositi non degradabili dopo l’incenerimento e utilizzarle come fertilizzante? Si tratta di un’opzione di riciclo di reale interesse globale”.
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Orario di pubblicazione: 27 maggio 2024