유리 섬유 강화 폴리머(GFRP) 복합재가 수십 년간 입증된 중량 감소, 강도 및 강성, 내식성 및 내구성의 이점에 더해 유효 수명이 끝난 후 퇴비화될 수 있다면 어떨까요? 한마디로 ABM Composite 기술의 매력이다.
생체 활성 유리, 고강도 섬유
2014년에 설립된 Arctic Biomaterials Oy(핀란드 탐페레)는 소위 생체 활성 유리로 만든 생분해성 유리 섬유를 개발했습니다. ABM Composite의 R&D 이사인 Ari Rosling은 이를 "유리를 허용하는 1960년대에 개발된 특수 제제"라고 설명합니다. 생리학적 조건 하에서 분해될 수 있습니다. 유리가 체내에 유입되면 구성 미네랄 염으로 분해되어 나트륨, 마그네슘, 인산염 등을 방출하여 뼈 성장을 자극하는 조건을 만듭니다.”
“그것은 비슷한 속성을 가지고 있습니다무알칼리 유리섬유(E-glass).” Rosling은 “그러나 이 생리활성 유리는 제조가 어렵고 섬유로 끌어들이기가 어려워 지금까지는 분말이나 퍼티로만 사용되어 왔다. 우리가 아는 한, ABM Composite는 산업 규모로 고강도 유리 섬유를 만든 최초의 회사였으며 현재는 이러한 ArcBiox X4/5 유리 섬유를 사용하여 생분해성 폴리머를 포함한 다양한 유형의 플라스틱을 강화하고 있습니다.”
의료용 임플란트
핀란드 헬싱키에서 북쪽으로 2시간 거리에 있는 탐페레 지역은 1980년대부터 의료용 바이오 기반 생분해성 폴리머의 중심지였습니다. Rosling은 이렇게 설명합니다. “이러한 재료로 만든 최초의 상용 임플란트 중 하나가 Tampere에서 생산되었으며 이것이 ABM Composite가 시작된 방법입니다! 지금은 우리의 의료 사업부가 되었습니다.”
“임플란트용 생분해성, 생체흡수성 폴리머가 많이 있습니다.” 그는 계속해서 말합니다. “그러나 그들의 기계적 특성은 자연 뼈와는 거리가 멀습니다. 우리는 임플란트에 자연 뼈와 동일한 강도를 부여하기 위해 이러한 생분해성 폴리머를 강화할 수 있었습니다.” Rosling은 ABM을 첨가한 의료용 ArcBiox 유리 섬유가 생분해성 PLLA 폴리머의 기계적 특성을 200% ~ 500% 향상시킬 수 있다고 지적했습니다.
결과적으로 ABM Composite의 임플란트는 강화되지 않은 폴리머로 만든 임플란트보다 더 높은 성능을 제공하는 동시에 생체 흡수성이 있고 뼈 형성과 성장을 촉진합니다. ABM Composite는 또한 자동화된 섬유/가닥 배치 기술을 사용하여 임플란트의 전체 길이를 따라 섬유를 배치하고 잠재적으로 약한 지점에 추가 섬유를 배치하는 등 최적의 섬유 방향을 보장합니다.
가정용 및 기술 애플리케이션
의료 사업 부문이 성장하면서 ABM Composite는 바이오 기반 및 생분해성 폴리머가 주방용품, 수저류 및 기타 가정용품에도 사용될 수 있다는 사실을 인식하고 있습니다. "이러한 생분해성 폴리머는 일반적으로 석유 기반 플라스틱에 비해 기계적 특성이 열악합니다." Rosling은 "그러나 우리는 생분해성 유리 섬유로 이러한 재료를 강화할 수 있어 광범위한 기술 응용 분야에서 화석 기반 상업용 플라스틱에 대한 사실상 좋은 대안이 될 수 있습니다"라고 말했습니다.
그 결과, ABM Composite는 기술 사업부를 늘려 현재 60명의 직원을 고용하고 있습니다. "우리는 보다 지속 가능한 수명 종료(EOL) 솔루션을 제공합니다." Rosling은 "우리의 가치 제안은 이러한 생분해성 복합재를 토양으로 변하는 산업용 퇴비화 작업에 투입하는 것입니다."라고 말했습니다. 전통적인 E-유리는 비활성이며 이러한 퇴비화 시설에서 분해되지 않습니다.
ArcBiox 섬유 복합재
ABM Composite는 복합 응용 분야를 위한 다양한 형태의 ArcBiox X4/5 유리 섬유를 개발했습니다.단축섬유및 사출 성형 화합물연속섬유섬유 및 인발 성형과 같은 공정에 사용됩니다. ArcBiox BSGF 제품군은 생분해성 유리 섬유와 바이오 기반 폴리에스테르 수지를 결합하고 일반 기술 등급과 식품 접촉 응용 분야에 사용하도록 승인된 ArcBiox 5 등급으로 제공됩니다.
ABM Composite는 또한 PLA(폴리락트산), PLLA 및 PBS(폴리부틸렌 숙시네이트)를 포함한 다양한 생분해성 및 바이오 기반 폴리머를 조사했습니다. 아래 다이어그램은 X4/5 유리 섬유가 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아미드 6(PA6)과 같은 표준 유리 섬유 강화 폴리머와 경쟁하기 위해 어떻게 성능을 향상시킬 수 있는지 보여줍니다.
ABM Composite는 또한 PLA(폴리락트산), PLLA 및 PBS(폴리부틸렌 숙시네이트)를 포함한 다양한 생분해성 및 바이오 기반 폴리머를 조사했습니다. 아래 다이어그램은 X4/5 유리 섬유가 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아미드 6(PA6)과 같은 표준 유리 섬유 강화 폴리머와 경쟁하기 위해 어떻게 성능을 향상시킬 수 있는지 보여줍니다.
내구성 및 퇴비화 가능성
이러한 복합재가 생분해성이라면 얼마나 오래 지속됩니까? "우리의 X4/5 유리 섬유는 설탕처럼 5분 또는 하룻밤 만에 용해되지 않으며, 시간이 지나면서 그 특성이 저하되지만 눈에 띄지는 않습니다." Rosling은 “효과적으로 분해하려면 생체 내 또는 산업용 퇴비 더미에서 볼 수 있듯이 장기간에 걸쳐 높은 온도와 습도가 필요합니다. 예를 들어, ArcBiox BSGF 소재로 만든 컵과 그릇을 테스트한 결과 기능 저하 없이 최대 200회의 식기 세척 주기를 견딜 수 있었습니다. 기계적 특성이 약간 저하되기는 하지만 컵을 사용하기에 안전하지 않을 정도는 아닙니다.”
그러나 이러한 복합재를 수명이 다해 폐기하는 경우 퇴비화에 필요한 표준 요구 사항을 충족하는 것이 중요하며 ABM Composite는 이러한 표준을 충족하는지 입증하기 위해 일련의 테스트를 수행했습니다. “ISO 표준(산업용 퇴비화 기준)에 따르면 생분해는 6개월 이내에, 분해는 3개월/90일 이내에 이루어져야 합니다.” Rosling은 “분해란 테스트 샘플/제품을 바이오매스 또는 퇴비에 넣는 것을 의미합니다. 90일 후 기술자는 체를 사용하여 바이오매스를 검사합니다. 12주 후에는 제품의 최소 90%가 2mm × 2mm 체를 통과할 수 있어야 합니다.”
생분해는 원래 물질을 분말로 분쇄하고 90일 후에 방출된 CO2의 총량을 측정하여 결정됩니다. 이는 퇴비화 과정에서 얼마나 많은 탄소 함량이 물, 바이오매스 및 CO2로 변환되는지를 평가합니다. "산업용 퇴비화 테스트를 통과하려면 퇴비화 과정에서 이론적인 100% CO2의 90%가 달성되어야 합니다(탄소 함량 기준)."
Rosling은 ABM Composite가 분해 및 생분해 요구 사항을 충족했으며 테스트 결과 X4 유리 섬유를 추가하면 실제로 생분해성이 향상되는 것으로 나타났습니다(위 표 참조). 이는 예를 들어 강화되지 않은 PLA 혼합물의 경우 78%에 불과합니다. 그는 "그러나 30%의 생분해성 유리 섬유를 첨가했을 때 생분해도는 94%로 증가한 반면 분해율은 여전히 양호했습니다"라고 설명합니다.
결과적으로 ABM Composite는 EN 13432에 따라 해당 재료가 퇴비화 가능한 것으로 인증될 수 있음을 입증했습니다. 현재까지 해당 재료가 통과한 테스트에는 제어된 퇴비화 조건에서 재료의 최종 호기성 생분해성에 대한 ISO 14855-1, 호기성 생분해성에 대한 ISO 16929가 포함됩니다. 제어된 분해, 화학 요구 사항에 대한 ISO DIN EN 13432, 식물 독성 테스트에 대한 OECD 208, ISO DIN EN 13432.
퇴비화 과정에서 배출되는 CO2
퇴비를 만드는 동안 실제로 CO2가 방출되지만 일부는 토양에 남아 식물에 의해 활용됩니다. 퇴비화는 산업 공정과 다른 폐기물 처리 대안보다 적은 CO2를 방출하는 퇴비화 후 공정으로 수십 년 동안 연구되어 왔으며 퇴비화는 여전히 환경 친화적이고 탄소 발자국을 줄이는 공정으로 간주됩니다.
생태독성에는 퇴비화 과정에서 생산된 바이오매스와 이 바이오매스를 이용해 자라는 식물을 테스트하는 것이 포함됩니다. "이것은 이러한 제품을 퇴비로 만드는 것이 성장하는 식물에 해를 끼치지 않도록 하기 위한 것입니다." 로슬링이 말했다. 또한 ABM Composite는 해당 재료가 가정용 퇴비화 조건에서 생분해 요구 사항을 충족한다는 사실을 입증했습니다. 이 조건은 산업용 퇴비화의 짧은 기간에 비해 90% 생분해가 필요하지만 12개월에 걸쳐 이루어집니다.
산업 응용, 생산, 비용 및 미래 성장
ABM Composite의 재료는 다양한 상업용 응용 분야에 사용되지만 기밀 유지 계약으로 인해 더 많은 내용을 공개할 수 없습니다. Rosling은 “우리는 컵, 접시, 접시, 수저, 식품 보관 용기와 같은 응용 분야에 맞게 재료를 주문하지만 이러한 재료는 화장품 용기 및 대형 가정 용품에서 석유 기반 플라스틱의 대안으로도 사용됩니다. 최근에는 2~12주마다 교체해야 하는 대형 산업 기계 설비의 부품 제조에 사용하기 위해 당사의 소재가 선택되었습니다. 이들 회사는 X4 유리 섬유 강화재를 사용하여 이러한 기계 부품을 필요한 내마모성으로 만들 수 있고 사용 후 퇴비화할 수도 있다는 것을 인식했습니다. 이는 기업들이 새로운 환경 및 CO2 배출 규제를 충족해야 하는 과제에 직면하고 있는 가까운 미래에 매력적인 솔루션입니다.”
Rosling은 “건설 산업을 위한 구조 부품을 만들기 위해 다양한 유형의 직물과 부직포에 연속 섬유를 사용하는 것에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 우리는 또한 바이오 기반이지만 생분해되지 않는 PA 또는 PP 및 불활성 열경화성 재료와 함께 생분해성 섬유를 사용하는 데 관심을 보이고 있습니다.”
현재 X4/5 섬유유리는 E-유리보다 비싸지만 생산량도 상대적으로 적습니다. ABM Composite는 수요 증가에 따라 응용 분야를 확장하고 연간 20,000톤까지 늘릴 수 있는 다양한 기회를 추구하고 있습니다. 이는 비용 절감에도 도움이 될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 Rosling은 많은 경우 지속 가능성 및 새로운 규제 요구 사항을 충족하는 데 드는 비용이 완전히 고려되지 않았다고 말합니다. 동시에 지구를 구해야 한다는 긴급성이 커지고 있습니다. “사회는 이미 더 많은 바이오 기반 제품을 추진하고 있습니다.” 그는 "재활용 기술을 발전시키는 데에는 많은 인센티브가 있습니다. 세상은 이에 대해 더 빠르게 움직여야 하며 앞으로 사회는 바이오 기반 제품에 대한 추진을 더욱 늘릴 것이라고 생각합니다"라고 설명합니다.
LCA 및 지속 가능성의 이점
Rosling은 ABM Composite의 소재가 온실가스 배출과 재생 불가능한 에너지 사용을 킬로그램당 50~60%까지 줄여준다고 말합니다. "우리는 ISO 14040 및 ISO 14044에 설명된 방법론을 기반으로 환경 발자국 데이터베이스 2.0, 공인 GaBi 데이터 세트 및 제품에 대한 LCA(Life Cycle Analysis) 계산을 사용합니다."
“현재 복합재가 수명 주기에 도달하면 복합 폐기물 및 EOL 제품을 소각하거나 열분해하는 데 많은 에너지가 필요하며 파쇄 및 퇴비화는 매력적인 옵션이며 확실히 우리가 제공하는 핵심 가치 제안 중 하나입니다. 우리는 새로운 유형의 재활용성을 제공하고 있습니다.” Rosling은 “우리의 유리섬유는 이미 토양에 존재하는 천연 미네랄 성분으로 만들어졌습니다. 그렇다면 왜 EOL 복합 구성 요소를 퇴비화하거나 소각 후 비분해성 복합 구성 요소에서 섬유질을 용해하여 비료로 사용하는 것이 좋을까요? 이는 전 세계적으로 관심을 끄는 재활용 옵션입니다.”
상하이 오리센 신소재 기술 유한 회사
남: +86 18683776368(WhatsApp도 있음)
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Email: grahamjin@jhcomposites.com
주소: 상하이 송장구 신록로 신방진 NO.398
게시 시간: 2024년 5월 27일