Co by było, gdyby kompozyty z polimerów wzmocnionych włóknem szklanym (GFRP) można było kompostować po zakończeniu ich okresu użytkowania, oprócz udowodnionych od dziesięcioleci korzyści w postaci zmniejszenia masy, wytrzymałości i sztywności, odporności na korozję i trwałości? Tak w skrócie wygląda atrakcyjność technologii ABM Composite.
Bioaktywne szkło, włókna o wysokiej wytrzymałości
Założona w 2014 roku firma Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finlandia) opracowała biodegradowalne włókno szklane wykonane z tak zwanego szkła bioaktywnego, które Ari Rosling, dyrektor ds. badań i rozwoju w ABM Composite, opisuje jako „specjalną formułę opracowaną w latach 60. XX wieku, która umożliwia szkło ulegać degradacji w warunkach fizjologicznych. Szkło wprowadzone do organizmu rozkłada się na zawarte w nim sole mineralne, uwalniając sód, magnez, fosforany itp., tworząc w ten sposób stan stymulujący wzrost kości.
„Ma podobne właściwości dowłókno szklane nie zawierające alkaliów (szkło E).” Rosling powiedziała: „Jednak to bioaktywne szkło jest trudne w produkcji i wciąganiu we włókna i do tej pory używano go jedynie w postaci proszku lub szpachli. O ile nam wiadomo, firma ABM Composite była pierwszą firmą, która wyprodukowała z niego na skalę przemysłową wysokowytrzymałe włókna szklane, a obecnie te włókna szklane ArcBiox X4/5 wykorzystujemy do wzmacniania różnego rodzaju tworzyw sztucznych, w tym polimerów biodegradowalnych”.
Implanty medyczne
Region Tampere, położony dwie godziny na północ od Helsinek w Finlandii, od lat 80. XX wieku jest ośrodkiem biodegradowalnych polimerów pochodzenia biologicznego do zastosowań medycznych. Rosling opisuje: „Jeden z pierwszych dostępnych na rynku implantów wykonanych z tych materiałów został wyprodukowany w Tampere i tak rozpoczęła się firma ABM Composite! która jest obecnie naszą medyczną jednostką biznesową”.
„Istnieje wiele biodegradowalnych i biowchłanialnych polimerów do implantów”. Kontynuuje: „ale ich właściwości mechaniczne są dalekie od naturalnych kości. Udało nam się ulepszyć te biodegradowalne polimery, aby zapewnić implantowi taką samą wytrzymałość jak naturalna kość”. Rosling zauważyła, że włókna szklane ArcBiox klasy medycznej z dodatkiem ABM mogą poprawić właściwości mechaniczne biodegradowalnych polimerów PLLA o 200–500%.
W rezultacie implanty ABM Composite zapewniają wyższą wydajność niż implanty wykonane z niewzmocnionych polimerów, a jednocześnie są biowchłanialne i sprzyjają tworzeniu i wzrostowi kości. ABM Composite wykorzystuje również techniki automatycznego umieszczania włókien/nici, aby zapewnić optymalną orientację włókien, w tym układanie włókien na całej długości implantu, a także umieszczanie dodatkowych włókien w potencjalnie słabych miejscach.
Zastosowania domowe i techniczne
Dzięki rosnącej jednostce biznesowej w branży medycznej firma ABM Composite zdaje sobie sprawę, że polimery pochodzenia biologicznego i biodegradowalne mogą być również stosowane w przyborach kuchennych, sztućcach i innych artykułach gospodarstwa domowego. „Te biodegradowalne polimery mają zazwyczaj słabe właściwości mechaniczne w porównaniu z tworzywami sztucznymi na bazie ropy naftowej”. Rosling powiedział: „Możemy jednak wzmocnić te materiały naszymi biodegradowalnymi włóknami szklanymi, dzięki czemu staną się praktycznie dobrą alternatywą dla komercyjnych tworzyw sztucznych na bazie paliw kopalnych w szerokim zakresie zastosowań technicznych”.
W rezultacie ABM Composite powiększyła swoją techniczną jednostkę biznesową, która zatrudnia obecnie 60 osób. „Oferujemy bardziej zrównoważone rozwiązania po wycofaniu z eksploatacji (EOL).” Rosling mówi: „Naszą propozycją wartości jest umieszczenie tych biodegradowalnych kompozytów w procesach kompostowania przemysłowego, w których zamieniają się w glebę”. Tradycyjne szkło typu E jest obojętne i nie ulega degradacji w kompostowniach.
Kompozyty włókniste ArcBiox
Firma ABM Composite opracowała różne formy włókien szklanych ArcBiox X4/5 do zastosowań kompozytowych, m.inkrótko cięte włóknai masy do formowania wtryskowegowłókna ciągłedo procesów takich jak tekstylia i formowanie pultruzyjne. Seria ArcBiox BSGF łączy w sobie biodegradowalne włókna szklane z biożywicami poliestrowymi i jest dostępna w klasach technologii ogólnej oraz klasach ArcBiox 5 zatwierdzonych do stosowania w zastosowaniach mających kontakt z żywnością.
W ramach projektu ABM Composite zbadano także różne biodegradowalne polimery pochodzenia biologicznego, w tym kwas polimlekowy (PLA), PLLA i bursztynian polibutylenu (PBS). Poniższy diagram pokazuje, jak włókna szklane X4/5 mogą poprawić wydajność, aby konkurować ze standardowymi polimerami wzmocnionymi włóknem szklanym, takimi jak polipropylen (PP), a nawet poliamid 6 (PA6).
Firma ABM Composite badała także różne biodegradowalne polimery pochodzenia biologicznego, w tym kwas polimlekowy (PLA), PLLA i bursztynian polibutylenu (PBS). Poniższy diagram pokazuje, jak włókna szklane X4/5 mogą poprawić wydajność, aby konkurować ze standardowymi polimerami wzmocnionymi włóknem szklanym, takimi jak polipropylen (PP), a nawet poliamid 6 (PA6).
Trwałość i kompostowalność
Jeśli te kompozyty ulegają biodegradacji, jak długo będą trwać? „Nasze włókna szklane X4/5 nie rozpuszczają się w ciągu pięciu minut ani w ciągu nocy tak jak cukier, i chociaż ich właściwości ulegną z czasem pogorszeniu, nie będzie to tak zauważalne”. Mówi Rosling: „Aby przeprowadzić skuteczną degradację, potrzebujemy podwyższonych temperatur i wilgotności przez długie okresy czasu, jak to ma miejsce in vivo lub w przemysłowych stosach kompostu. Na przykład przetestowaliśmy kubki i miski wykonane z naszego materiału ArcBiox BSGF i wykazały one, że wytrzymują do 200 cykli zmywania naczyń bez utraty funkcjonalności. Występuje pewna degradacja właściwości mechanicznych, ale nie do stopnia, w którym używanie przyssawek staje się niebezpieczne”.
Ważne jest jednak, aby po wyrzuceniu tych kompozytów po zakończeniu ich okresu użytkowania rzeczywiście spełniały standardowe wymagania wymagane do kompostowania, a firma ABM Composite przeprowadziła serię testów, aby udowodnić, że spełnia te standardy. „Według norm ISO (dla kompostowania przemysłowego) biodegradacja powinna nastąpić w ciągu 6 miesięcy, a rozkład w ciągu 3 miesięcy/90 dni”. Rosling mówi: „Rozkład oznacza umieszczenie badanej próbki/produktu w biomasie lub kompoście. po 90 dniach technik bada biomasę za pomocą sita. po 12 tygodniach co najmniej 90 procent produktu powinno przejść przez sito o wymiarach 2 mm × 2 mm”.
Biodegradację określa się poprzez zmielenie pierwotnego materiału na proszek i pomiar całkowitej ilości CO2 uwolnionego po 90 dniach. Pozwala ocenić, jaka część węgla powstająca w procesie kompostowania jest przekształcana w wodę, biomasę i CO2. „Aby przejść test kompostowania przemysłowego, należy osiągnąć 90 procent teoretycznych 100 procent CO2 z procesu kompostowania (w przeliczeniu na zawartość węgla)”.
Rosling twierdzi, że ABM Composite spełnił wymagania dotyczące rozkładu i biodegradacji, a testy wykazały, że dodatek włókna szklanego X4 faktycznie poprawia biodegradowalność (patrz tabela powyżej), która na przykład dla niewzmocnionej mieszanki PLA wynosi tylko 78%. Wyjaśnia: „Jednak gdy dodano nasze 30% biodegradowalne włókna szklane, biodegradacja wzrosła do 94%, podczas gdy tempo degradacji pozostało dobre”.
W rezultacie firma ABM Composite wykazała, że jej materiały mogą być certyfikowane jako nadające się do kompostowania zgodnie z normą EN 13432. Testy, które przeszły dotychczas jej materiały, obejmują normę ISO 14855-1 dotyczącą końcowej biodegradacji tlenowej materiałów w kontrolowanych warunkach kompostowania, ISO 16929 dotyczącą aerobowej biodegradacji kontrolowany rozkład, ISO DIN EN 13432 dla wymagań chemicznych i OECD 208 dla badań fitotoksyczności, ISO DIN EN 13432.
CO2 uwalniany podczas kompostowania
Podczas kompostowania CO2 rzeczywiście jest uwalniany, ale jego część pozostaje w glebie i jest następnie wykorzystywana przez rośliny. Kompostowanie bada się od dziesięcioleci, zarówno jako proces przemysłowy, jak i proces po kompostowaniu, który uwalnia mniej CO2 niż inne alternatywy unieszkodliwiania odpadów, a kompostowanie jest nadal uważane za proces przyjazny dla środowiska i zmniejszający ślad węglowy.
Ekotoksyczność polega na badaniu biomasy powstałej w procesie kompostowania i roślin uprawianych z tą biomasą. „Ma to na celu zapewnienie, że kompostowanie tych produktów nie zaszkodzi rosnącym roślinom”. – powiedziała Rosling. Ponadto firma ABM Composite wykazała, że jej materiały spełniają wymagania dotyczące biodegradacji w warunkach kompostowania w warunkach domowych, które również wymagają biodegradacji w 90%, ale w okresie 12 miesięcy w porównaniu z krótszym okresem w przypadku kompostowania przemysłowego.
Zastosowania przemysłowe, produkcja, koszty i przyszły rozwój
Materiały ABM Composite są wykorzystywane w wielu zastosowaniach komercyjnych, ale więcej nie można ujawnić ze względu na umowy o zachowaniu poufności. „Zamawiamy nasze materiały do takich zastosowań, jak filiżanki, spodki, talerze, sztućce i pojemniki do przechowywania żywności” – mówi Rosling, „ale są one również stosowane jako alternatywa dla tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej w pojemnikach na kosmetyki i duże artykuły gospodarstwa domowego. Niedawno nasze materiały zostały wybrane do stosowania w produkcji elementów dużych instalacji maszyn przemysłowych, które wymagają wymiany co 2-12 tygodni. Firmy te uznały, że dzięki zastosowaniu naszego wzmocnienia z włókna szklanego X4 te części mechaniczne mogą być wykonane z wymaganą odpornością na zużycie, a także nadają się do kompostowania po użyciu. Jest to atrakcyjne rozwiązanie na najbliższą przyszłość, gdyż firmy te stoją przed wyzwaniem sprostania nowym regulacjom środowiskowym i emisyjnym CO2”.
Rosling dodała: „Rośnie również zainteresowanie wykorzystaniem naszych włókien ciągłych w różnych rodzajach tkanin i włóknin do wytwarzania elementów konstrukcyjnych dla przemysłu budowlanego. Widzimy również zainteresowanie wykorzystaniem naszych biodegradowalnych włókien z biodegradowalnymi, ale niebiodegradowalnymi PA lub PP oraz obojętnymi materiałami termoutwardzalnymi”.
Obecnie włókno szklane X4/5 jest droższe niż szkło typu E, ale wielkość produkcji jest również stosunkowo niewielka, a ABM Composite wykorzystuje szereg możliwości rozszerzenia zastosowań i ułatwienia zwiększenia produkcji do 20 000 ton/rok w miarę wzrostu popytu, co mogłoby również pomóc w obniżeniu kosztów. Mimo to Rosling twierdzi, że w wielu przypadkach nie w pełni wzięto pod uwagę koszty związane ze spełnieniem wymogów zrównoważonego rozwoju i nowych wymogów regulacyjnych. Tymczasem pilność ratowania planety rośnie. „Społeczeństwo już naciska na więcej produktów pochodzenia biologicznego”. Wyjaśnia: „Istnieje wiele zachęt do rozwijania technologii recyklingu, świat musi działać szybciej i myślę, że w przyszłości społeczeństwo tylko zwiększy swoje naciski na bioprodukty”.
Korzyści z LCA i zrównoważonego rozwoju
Rosling twierdzi, że materiały ABM Composite zmniejszają emisję gazów cieplarnianych i zużycie energii nieodnawialnej o 50–60 procent na kilogram. „Korzystamy z bazy danych śladu środowiskowego 2.0, akredytowanego zbioru danych GaBi i obliczeń LCA (analizy cyklu życia) dla naszych produktów w oparciu o metodologię przedstawioną w normach ISO 14040 i ISO 14044”.
„Obecnie, gdy cykl życia kompozytów dobiega końca, do spalenia lub pirolizy odpadów kompozytowych i produktów EOL potrzeba dużo energii, a rozdrabnianie i kompostowanie to atrakcyjna opcja i zdecydowanie jedna z kluczowych propozycji wartości, jakie oferujemy, i zapewniamy nowy rodzaj możliwości recyklingu.” Rosling mówi: „Nasze włókno szklane składa się z naturalnych składników mineralnych, które są już obecne w glebie. Dlaczego więc nie kompostować komponentów kompozytowych EOL lub nie rozpuścić włókien z niedegradowalnych kompozytów po spaleniu i wykorzystać je jako nawóz? Jest to opcja recyklingu ciesząca się prawdziwym zainteresowaniem na całym świecie”.
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (również WhatsApp)
T:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adres: nr 398 New Green Road Xinbang Town, dystrykt Songjiang, Szanghaj
Czas publikacji: 27 maja 2024 r