ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) 複合材料が、何十年にもわたって実証されてきた軽量化、強度と剛性、耐食性、耐久性という利点に加えて、耐用年数の終わりに堆肥化できたらどうなるでしょうか?一言で言えば、それが ABM Composite のテクノロジーの魅力です。
生体活性ガラス、高強度繊維
2014 年に設立された Arctic Biomaterials Oy (フィンランド、タンペレ) は、いわゆる生物活性ガラスから作られた生分解性ガラス繊維を開発しました。ABM Composite の研究開発ディレクターである Ari Rosling 氏は、これを「1960 年代に開発された特別な配合により、ガラスに生理学的条件下では分解される可能性があります。体内に導入されると、ガラスはその構成成分であるミネラル塩に分解され、ナトリウム、マグネシウム、リン酸塩などを放出し、骨の成長を刺激する状態を作り出します。」
「それに似た性質がある」無アルカリガラス繊維（Eガラス）」ロスリング氏は、「しかし、この生体活性ガラスは製造が難しく、繊維に引き込むのが難しく、これまでは粉末かパテとしてしか使用されていなかった。私たちが知る限り、ABM Composite は、高強度ガラス繊維を工業規模で製造した最初の企業であり、現在、これらの ArcBiox X4/5 ガラス繊維を使用して、生分解性ポリマーを含むさまざまな種類のプラスチックを強化しています。」
医療用インプラント
フィンランドのヘルシンキから北へ 2 時間のタンペレ地域は、1980 年代以来、医療用途のバイオベースの生分解性ポリマーの中心地となっています。 Rosling 氏は次のように説明しています。「これらの材料で作られた最初の市販インプラントの 1 つはタンペレで製造され、それが ABM コンポジットの始まりです。現在は当社の医療事業部門となっています。」
「インプラント用の生分解性、生体吸収性ポリマーは数多くあります。」彼は続けます、「しかし、その機械的特性は自然の骨とは程遠いものです。私たちは、インプラントに天然の骨と同じ強度を与えるために、これらの生分解性ポリマーを強化することができました。」 Rosling 氏は、ABM を添加した医療グレードの ArcBiox ガラス繊維は、生分解性 PLLA ポリマーの機械的特性を 200% ～ 500% 改善できると指摘しました。
その結果、ABM Composite のインプラントは、非強化ポリマーで作られたインプラントよりも高いパフォーマンスを提供すると同時に、生体吸収性があり、骨の形成と成長を促進します。また、ABM Composite は、インプラントの全長に沿ってファイバーを敷設したり、潜在的に弱い箇所に追加のファイバーを配置したりするなど、自動化されたファイバー/ストランド配置技術を使用して最適なファイバー配向を確保します。
家庭用および技術的用途
医療事業部門が成長する ABM Composite は、バイオベースおよび生分解性ポリマーが台所用品、カトラリー、その他の家庭用品にも使用できることを認識しています。 「これらの生分解性ポリマーは通常、石油ベースのプラスチックと比較して機械的特性が劣ります。」ロスリング氏は、「しかし、これらの材料を当社の生分解性ガラス繊維で強化することができ、事実上、幅広い技術用途において化石ベースの市販プラスチックの優れた代替品となる」と述べた。
その結果、ABM Composite は技術ビジネス部門を増員し、現在 60 名を雇用しています。 「当社は、より持続可能な製造終了 (EOL) ソリューションを提供します。」ロスリング氏は、「私たちの価値提案は、これらの生分解性複合材料を工業用堆肥化作業に投入し、そこで土に変えることです。」と述べています。従来の E ガラスは不活性であり、これらの堆肥化施設では分解されません。
ArcBiox 繊維複合材料
ABM Composite は、複合用途向けにさまざまな形式の ArcBiox X4/5 ガラス ファイバーを開発しました。ショートカット繊維射出成形コンパウンドと連続繊維繊維や引抜成形などのプロセスに。 ArcBiox BSGF シリーズは、生分解性ガラス繊維とバイオベースのポリエステル樹脂を組み合わせたもので、一般的なテクノロジー グレードと、食品と接触する用途での使用が承認されている ArcBiox 5 グレードで入手可能です。
ABM Composite は、ポリ乳酸 (PLA)、PLLA、ポリブチレンサクシネート (PBS) など、さまざまな生分解性およびバイオベースのポリマーも調査しました。以下の図は、X4/5 ガラス繊維がどのように性能を向上させ、ポリプロピレン (PP) やポリアミド 6 (PA6) などの標準的なガラス繊維強化ポリマーと競合できるかを示しています。
ABM Composite は、ポリ乳酸 (PLA)、PLLA、ポリブチレンサクシネート (PBS) など、さまざまな生分解性およびバイオベースのポリマーも調査しました。以下の図は、X4/5 ガラス繊維がどのように性能を向上させ、ポリプロピレン (PP) やポリアミド 6 (PA6) などの標準的なガラス繊維強化ポリマーと競合できるかを示しています。
耐久性と堆肥化可能性
これらの複合材料が生分解性である場合、どれくらい長持ちしますか? 「当社の X4/5 ガラス繊維は、砂糖のように 5 分や一晩で溶けることはありません。時間の経過とともに特性は劣化しますが、それほど目立ちません。」ロスリング氏は、「効果的に分解するには、生体内や産業用堆肥の山に見られるような、長期間にわたる高温と湿度の上昇が必要です。たとえば、ArcBiox BSGF 素材で作られたカップとボウルをテストしたところ、機能を失うことなく最大 200 回の食器洗いサイクルに耐えることができました。機械的特性には多少の劣化がありますが、カップの使用が安全ではないほどではありません。」
ただし、これらの複合材が耐用年数の終わりに廃棄される場合、堆肥化に必要な標準要件を満たしていることが重要であり、ABM Composite はこれらの標準を満たしていることを証明するために一連のテストを実施しました。 「（産業用堆肥化に関する）ISO 規格によれば、生分解は 6 か月以内、分解は 3 か月/90 日以内に起こるはずです。」 Rosling 氏は次のように述べています。「分解とは、テストサンプル/製品をバイオマスまたは堆肥に入れることを意味します。 90 日後、技術者はふるいを使用してバイオマスを検査します。 12 週間後、製品の少なくとも 90 パーセントが 2 mm × 2 mm のふるいを通過できるはずです。」
生分解性は、未使用の材料を粉末に粉砕し、90 日後に放出される CO2 の総量を測定することによって決定されます。これは、堆肥化プロセスの炭素含有量が水、バイオマス、CO2 にどの程度変換されるかを評価します。 「工業用堆肥化試験に合格するには、堆肥化プロセスからの理論上の 100% CO2 のうち 90% を達成する必要があります (炭素含有量に基づく)。」
ロスリング氏によると、ABMコンポジットは分解と生分解の要件を満たしており、X4ガラス繊維の添加により実際に生分解性が向上することがテストで示されており（上の表を参照）、たとえば非強化PLAブレンドの場合、生分解性は78％にすぎない。 「しかし、生分解性ガラス繊維を 30% 添加すると、生分解性は 94% に増加しましたが、分解率は良好なままでした。」と彼は説明します。
その結果、ABM Composite は、その材料が EN 13432 に従って堆肥化可能であると認定できることを実証しました。その材料が現在までに合格したテストには、制御された堆肥化条件下での材料の最終好気性生分解性に関する ISO 14855-1、好気性に関する ISO 16929 が含まれます。分解の制御、化学要件については ISO DIN EN 13432、植物毒性については OECD 208テスト、ISO DIN EN 13432。
堆肥化時に排出されるCO2
堆肥化の際、確かに CO2 が放出されますが、一部は土壌に残り、植物によって利用されます。堆肥化は、産業プロセスとして、また他の廃棄物処理方法よりも CO2 排出量が少ない堆肥化後のプロセスとして数十年にわたって研究されており、堆肥化は今でも環境に優しく、二酸化炭素排出量を削減するプロセスであると考えられています。
生態毒性には、堆肥化プロセス中に生成されるバイオマスと、このバイオマスで栽培された植物のテストが含まれます。 「これは、これらの製品を堆肥化することで成長中の植物に悪影響を及ぼさないようにするためです。」ロスリング氏は語った。さらに、ABM コンポジットは、その材料が家庭用堆肥化条件下での生分解要件を満たしていることを実証しました。家庭用堆肥化条件でも 90% の生分解が必要ですが、工業用堆肥化の場合は短期間であるのに対し、12 か月以上かかります。
産業用途、生産、コスト、将来の成長
ABM Composite のマテリアルは多くの商用アプリケーションで使用されていますが、機密保持契約によりそれ以上は明らかにできません。 「私たちは、カップ、ソーサー、皿、カトラリー、食品保存容器などの用途に合わせて材料を注文しています」とロスリング氏は言います。「しかし、それらは化粧品容器や大型の家庭用品において、石油ベースのプラスチックの代替品としても使用されています。」最近では、2 ～ 12 週間ごとに交換する必要がある大型産業機械設備のコンポーネントの製造に当社の材料が使用されるようになりました。これらの企業は、当社の X4 ガラス繊維強化材を使用することで、これらの機械部品が必要な耐摩耗性を備えて製造でき、使用後は堆肥化できることを認識しています。これらの企業が新しい環境規制や二酸化炭素排出規制を満たすという課題に直面しているため、これは近い将来にとって魅力的なソリューションです。」
ロスリング氏はさらに、「建設業界向けの構造部品を製造するために、当社の連続繊維をさまざまな種類の布地や不織布に使用することへの関心も高まっています。また、当社の生分解性繊維を、バイオベースだが非生分解性の PA または PP および不活性熱硬化性材料と組み合わせて使用することにも関心が寄せられています。」
現在、X4/5 グラスファイバーは E グラスよりも高価ですが、生産量も比較的少ないため、ABM コンポジットは用途を拡大し、需要の増加に応じて年間 20,000 トンまでの増加を促進する多くの機会を追求しています。コスト削減にもつながる可能性があります。それでもロスリング氏は、多くの場合、持続可能性や新たな規制要件への対応に伴うコストが十分に考慮されていないと語る。一方で、地球を救う緊急性は高まっています。 「社会はすでに、より多くのバイオベース製品を求めています。」同氏は、「リサイクル技術を推進するには多くのインセンティブがあり、世界はこの点でより迅速に取り組む必要があり、社会は将来的にバイオベース製品への推進を強める一方だと思います。」と説明しています。
LCAとサステナビリティアドバンテージ
ロスリング氏によると、ABMコンポジットの材料は温室効果ガスの排出と非再生可能エネルギーの使用を1キログラム当たり50～60パーセント削減するという。 「当社は、ISO 14040 および ISO 14044 で概説されている方法論に基づいて、環境フットプリント データベース 2.0、認定された GaBi データセット、LCA (ライフ サイクル分析) 計算を製品に使用しています。」
「現在、複合材料がライフサイクルの終わりに達すると、複合廃棄物やEOL製品を焼却または熱分解するために多量のエネルギーが必要となります。そのため、破砕と堆肥化は魅力的な選択肢であり、これは間違いなく当社が提供する重要な価値提案の1つです。そして私たちは新しいタイプのリサイクル可能性を提供しています。」ロスリング氏は次のように述べています。「当社のグラスファイバーは、すでに土壌に存在する天然ミネラル成分から作られています。それでは、なぜ EOL 複合材コンポーネントを堆肥化したり、焼却後に非分解性複合材から繊維を溶解して肥料として使用したりしてはいけないのでしょうか?これは本当に世界的な関心のあるリサイクルの選択肢です。」
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投稿日時: 2024 年 5 月 27 日