Hva om glassfiberforsterket polymer (GFRP)-kompositter kunne komposteres ved slutten av levetiden, i tillegg til tiårene med påviste fordeler med vektreduksjon, styrke og stivhet, korrosjonsbestandighet og holdbarhet? Det er i et nøtteskall appellen til ABM Composites teknologi.
Bioaktivt glass, høyfaste fibre
Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finland) ble grunnlagt i 2014 og har utviklet en biologisk nedbrytbar glassfiber laget av såkalt bioaktivt glass, som Ari Rosling, FoU-direktør i ABM Composite, beskriver som «en spesiell formulering utviklet på 1960-tallet som gjør at glass kan nedbrytes under fysiologiske forhold. Når det introduseres i kroppen, brytes glasset ned til dets bestanddeler av mineralsalter, og frigjør natrium, magnesium, fosfater, etc., og skaper dermed en tilstand som stimulerer beinvekst."
"Den har lignende egenskaper somalkalifri glassfiber (E-glass)." Rosling sa: "Men dette bioaktive glasset er vanskelig å produsere og trekke til fibre, og til nå har det bare blitt brukt som pulver eller kitt. Så vidt vi vet var ABM Composite det første selskapet som laget høystyrkeglassfibre av det i industriell skala, og vi bruker nå disse ArcBiox X4/5 glassfibrene til å forsterke ulike typer plast, inkludert biologisk nedbrytbare polymerer”.
Medisinske implantater
Tammerfors-regionen, to timer nord for Helsingfors, Finland, har vært et senter for biobaserte biologisk nedbrytbare polymerer for medisinsk bruk siden 1980-tallet. Rosling beskriver: «Et av de første kommersielt tilgjengelige implantatene laget med disse materialene ble produsert i Tammerfors, og det var slik ABM Composite startet! som nå er vår medisinske forretningsenhet”.
"Det er mange biologisk nedbrytbare, bioabsorberbare polymerer for implantater." Han fortsetter, "men deres mekaniske egenskaper er langt fra naturlig ben. Vi var i stand til å forbedre disse biologisk nedbrytbare polymerene for å gi implantatet samme styrke som naturlig ben. Rosling bemerket at ArcBiox-glassfibre av medisinsk kvalitet med tillegg av ABM kan forbedre de mekaniske egenskapene til biologisk nedbrytbare PLLA-polymerer med 200 % til 500 %.
Som et resultat gir ABM Composites implantater høyere ytelse enn implantater laget med uforsterkede polymerer, samtidig som de er bioabsorberbare og fremmer beindannelse og vekst. ABM Composite bruker også automatiserte teknikker for plassering av fiber/tråder for å sikre optimal fiberorientering, inkludert legging av fibre langs hele lengden av implantatet, samt plassering av ekstra fibre på potensielt svake steder.
Husholdnings- og tekniske applikasjoner
Med sin voksende medisinske forretningsenhet anerkjenner ABM Composite at biobaserte og biologisk nedbrytbare polymerer også kan brukes til kjøkkenutstyr, bestikk og andre husholdningsartikler. "Disse biologisk nedbrytbare polymerene har vanligvis dårlige mekaniske egenskaper sammenlignet med petroleumsbasert plast." Rosling sa: "Men vi kan forsterke disse materialene med våre biologisk nedbrytbare glassfibre, noe som gjør dem praktisk talt et godt alternativ til fossilbasert kommersiell plast for et bredt spekter av tekniske bruksområder."
Som et resultat har ABM Composite økt sin tekniske forretningsenhet, som nå sysselsetter 60 personer. "Vi tilbyr mer bærekraftige end-of-life (EOL) løsninger." Rosling sier: "Vårt verdiforslag er å sette disse biologisk nedbrytbare komposittene inn i industrielle komposteringsoperasjoner der de blir til jord." Tradisjonelt E-glass er inert og vil ikke brytes ned i disse komposteringsanleggene.
ArcBiox fiberkompositter
ABM Composite har utviklet ulike former for ArcBiox X4/5 glassfiber for komposittapplikasjoner, frakortkuttede fibreog sprøytestøpemasser tilkontinuerlige fibrefor prosesser som tekstil- og pultruderingsstøping. ArcBiox BSGF-serien kombinerer biologisk nedbrytbare glassfiber med biobasert polyesterharpiks og er tilgjengelig i generelle teknologikvaliteter og ArcBiox 5-kvaliteter godkjent for bruk i matkontaktapplikasjoner.
ABM Composite har også undersøkt en rekke biologisk nedbrytbare og biobaserte polymerer, inkludert polymelkesyre (PLA), PLLA og polybutylensuccinat (PBS). Diagrammet nedenfor viser hvordan X4/5 glassfiber kan forbedre ytelsen for å konkurrere med standard glassfiberforsterkede polymerer som polypropylen (PP) og til og med polyamid 6 (PA6).
ABM Composite har også undersøkt en rekke biologisk nedbrytbare og biobaserte polymerer, inkludert polymelkesyre (PLA), PLLA og polybutylensuksinat (PBS). Diagrammet nedenfor viser hvordan X4/5 glassfiber kan forbedre ytelsen for å konkurrere med standard glassfiberforsterkede polymerer som polypropylen (PP) og til og med polyamid 6 (PA6).
Holdbarhet og komposterbarhet
Hvis disse komposittene er biologisk nedbrytbare, hvor lenge vil de vare? "Våre X4/5-glassfibre løses ikke opp på fem minutter eller over natten som sukker gjør, og selv om egenskapene deres vil forringes over tid, vil det ikke være like merkbart." Sier Rosling, "For å degradere effektivt, trenger vi høye temperaturer og fuktighet over lange perioder, som finnes in vivo eller i industrielle komposthauger. For eksempel testet vi kopper og skåler laget av vårt ArcBiox BSGF-materiale, og de tålte opptil 200 oppvasksykluser uten å miste funksjonalitet. Det er en viss forringelse av de mekaniske egenskapene, men ikke til det punktet hvor koppene er utrygge å bruke”.
Det er imidlertid viktig at når disse komposittene kastes ved slutten av levetiden, oppfyller de standardkravene som kreves for kompostering, og ABM Composite har utført en rekke tester for å bevise at den oppfyller disse standardene. "I henhold til ISO-standardene (for industriell kompostering), bør biologisk nedbrytning skje innen 6 måneder og nedbrytning innen 3 måneder/90 dager". Rosling sier: "Dekomponering betyr å plassere testprøven/produktet i biomassen eller komposten. etter 90 dager undersøker teknikeren biomassen ved hjelp av en sil. etter 12 uker skal minst 90 prosent av produktet kunne passere gjennom en 2 mm × 2 mm sikt”.
Biologisk nedbrytning bestemmes ved å male det jomfruelige materialet til et pulver og måle den totale mengden CO2 som frigjøres etter 90 dager. Denne vurderer hvor mye av karboninnholdet i komposteringsprosessen som omdannes til vann, biomasse og CO2. "For å bestå den industrielle komposteringsprøven, må 90 prosent av den teoretiske 100 prosent CO2 fra komposteringsprosessen være oppnådd (basert på karboninnhold)".
Rosling sier at ABM Composite har oppfylt kravene til nedbrytning og biologisk nedbrytning, og tester har vist at tilsetningen av X4-glassfiberen faktisk forbedrer den biologiske nedbrytbarheten (se tabellen over), som for eksempel bare er 78 % for en uforsterket PLA-blanding. Han forklarer, "Men når våre 30% biologisk nedbrytbare glassfibre ble tilsatt, økte den biologiske nedbrytningen til 94%, mens nedbrytningshastigheten forble gode".
Som et resultat har ABM Composite vist at materialene kan sertifiseres som komposterbare i henhold til EN 13432. Tester som materialene har bestått til dags dato inkluderer ISO 14855-1 for endelig aerobisk biologisk nedbrytbarhet av materialer under kontrollerte komposteringsforhold, ISO 16929 for aerobic kontrollert dekomponering, ISO DIN EN 13432 for kjemiske krav, og OECD 208 for fytotoksisitetstesting, ISO DIN EN 13432.
CO2 frigjort under kompostering
Ved kompostering frigjøres riktignok CO2, men noe blir liggende i jorda og blir så utnyttet av planter. Kompostering har blitt studert i flere tiår, både som en industriell prosess og som en etterkomposteringsprosess som frigjør mindre CO2 enn andre alternativer for avfallshåndtering, og kompostering anses fortsatt som en miljøvennlig og karbonfotavtrykksreduserende prosess.
Økotoksisitet innebærer å teste biomassen som produseres under komposteringsprosessen og plantene som dyrkes med denne biomassen. "Dette er for å sikre at kompostering av disse produktene ikke skader de voksende plantene." sa Rosling. I tillegg har ABM Composite vist at materialene oppfyller kravene til biologisk nedbrytning under hjemmekomposteringsforhold, som også krever 90 % biologisk nedbrytning, men over en 12-måneders periode, sammenlignet med en kortere periode for industriell kompostering.
Industrielle anvendelser, produksjon, kostnader og fremtidig vekst
ABM Composites materialer brukes i en rekke kommersielle applikasjoner, men flere kan ikke avsløres på grunn av konfidensialitetsavtaler. "Vi bestiller materialene våre for å passe til bruksområder som kopper, tallerkener, tallerkener, bestikk og matoppbevaringsbeholdere," sier Rosling, "men de brukes også som et alternativ til petroleumsbasert plast i kosmetiske beholdere og store husholdningsartikler. I nyere tid er materialene våre valgt for bruk i produksjon av komponenter i store industrielle maskininstallasjoner som må skiftes ut hver 2.-12. uke. Disse selskapene har erkjent at ved å bruke vår X4 glassfiberarmering, kan disse mekaniske delene lages med nødvendig slitestyrke og er også komposterbare etter bruk. Dette er en attraktiv løsning for nær fremtid, da disse selskapene står overfor utfordringen med å møte nye miljø- og CO2-utslippsregler.
Rosling la til, "Det er også økende interesse for å bruke våre kontinuerlige fibre i forskjellige typer stoffer og nonwovens for å lage strukturelle komponenter for byggeindustrien. Vi ser også interesse for å bruke våre biologisk nedbrytbare fibre med biobasert, men ikke-biologisk nedbrytbar PA eller PP og inerte herdematerialer.
For tiden er X4/5 glassfiber dyrere enn E-glass, men produksjonsvolumene er også relativt små, og ABM Composite forfølger en rekke muligheter for å utvide bruksområder og legge til rette for en opptrapping til 20 000 tonn/år ettersom etterspørselen vokser, som også kan bidra til å redusere kostnadene. Likevel sier Rosling at kostnadene knyttet til å oppfylle bærekraft og nye regulatoriske krav i mange tilfeller ikke har blitt vurdert fullt ut. I mellomtiden øker behovet for å redde planeten. "Samfunnet presser allerede på for flere biobaserte produkter." Han forklarer, "Det er mange insentiver for å presse resirkuleringsteknologier fremover, verden må bevege seg raskere på dette og jeg tror samfunnet bare vil øke presset for biobaserte produkter i fremtiden."
LCA og Sustainability Advantage
Rosling sier at ABM Composites materialer reduserer klimagassutslipp og bruk av ikke-fornybar energi med 50-60 prosent per kilo. "Vi bruker Environmental Footprint Database 2.0, det akkrediterte GaBi-datasettet og LCA (Life Cycle Analysis)-beregninger for produktene våre basert på metodikken skissert i ISO 14040 og ISO 14044″.
"For øyeblikket, når kompositter når slutten av livssyklusen, kreves det mye energi for å forbrenne eller pyrolysere komposittavfall og EOL-produkter, og makulering og kompostering er et attraktivt alternativ, og det er definitivt et av de viktigste verdiforslagene vi tilbyr, og vi tilbyr en ny type resirkulerbarhet.» Rosling sier: "Vårt glassfiber er laget av naturlige mineralkomponenter som allerede er tilstede i jorda. Så hvorfor ikke kompostere EOL-komposittkomponenter, eller løse opp fibre fra ikke-nedbrytbare kompositter etter forbrenning og bruke dem som gjødsel? Dette er et resirkuleringsalternativ av reell global interesse».
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368(også WhatsApp)
T:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adresse: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiang District, Shanghai
Innleggstid: 27. mai 2024