Что, если композиты из армированного стекловолокном полимера (GFRP) можно будет компостировать в конце срока их службы в дополнение к доказанным за десятилетия преимуществам снижения веса, прочности и жесткости, коррозионной стойкости и долговечности? Вкратце, в этом и заключается привлекательность технологии ABM Composite.
Биоактивное стекло, высокопрочные волокна.
Основанная в 2014 году компания Arctic Biomaterials Oy (Тампере, Финляндия) разработала биоразлагаемое стекловолокно, изготовленное из так называемого биоактивного стекла, которое Ари Рослинг, директор по исследованиям и разработкам ABM Composite, описывает как «специальную формулу, разработанную в 1960-х годах, которая позволяет стеклу разлагаться в физиологических условиях. При попадании в организм стекло распадается на составляющие его минеральные соли, выделяя натрий, магний, фосфаты и т. д., создавая таким образом условия, стимулирующие рост костей».
«Он имеет схожие свойства сбесщелочное стекловолокно (Е-стекло)». Рослинг сказал: «Но это биоактивное стекло сложно производить и превращать в волокна, и до сих пор его использовали только в виде порошка или замазки. Насколько нам известно, ABM Composite была первой компанией, которая начала производить из него высокопрочное стекловолокно в промышленных масштабах, и теперь мы используем эти стекловолокна ArcBiox X4/5 для армирования различных видов пластиков, в том числе биоразлагаемых полимеров».
Медицинские имплантаты
Регион Тампере, расположенный в двух часах езды к северу от Хельсинки, Финляндия, с 1980-х годов является центром производства биоразлагаемых полимеров биологического происхождения для медицинского применения. Рослинг описывает: «Один из первых коммерчески доступных имплантатов, изготовленных из этих материалов, был произведен в Тампере, и именно так появилась компания ABM Composite! которое теперь является нашим медицинским подразделением».
«Существует множество биоразлагаемых, биорассасывающихся полимеров для имплантатов». Он продолжает: «Но их механические свойства далеки от натуральной кости. Нам удалось усовершенствовать эти биоразлагаемые полимеры, чтобы придать имплантату такую же прочность, как и натуральная кость». Рослинг отметил, что стекловолокно ArcBiox медицинского назначения с добавлением ABM может улучшить механические свойства биоразлагаемых полимеров PLLA на 200–500%.
В результате имплантаты ABM Composite обладают более высокими характеристиками, чем имплантаты, изготовленные из неармированных полимеров, а также являются биорассасывающимися и способствуют формированию и росту кости. ABM Composite также использует методы автоматического размещения волокон/прядей для обеспечения оптимальной ориентации волокон, включая укладку волокон по всей длине имплантата, а также размещение дополнительных волокон в потенциально слабых местах.
Бытовое и техническое применение
Благодаря растущему медицинскому подразделению ABM Composite осознает, что биоразлагаемые полимеры также могут использоваться для изготовления кухонной посуды, столовых приборов и других предметов домашнего обихода. «Эти биоразлагаемые полимеры обычно имеют плохие механические свойства по сравнению с пластиками на основе нефти». Рослинг сказал: «Но мы можем укрепить эти материалы нашими биоразлагаемыми стекловолокнами, что сделает их фактически хорошей альтернативой коммерческим пластикам на основе ископаемого топлива для широкого спектра технических применений».
В результате ABM Composite увеличила свое техническое подразделение, в котором сейчас работают 60 человек. «Мы предлагаем более устойчивые решения по окончании срока службы (EOL)». Рослинг говорит: «Наше ценное предложение состоит в том, чтобы использовать эти биоразлагаемые композиты в промышленных процессах компостирования, где они превращаются в почву». Традиционное E-стекло инертно и не разлагается в таких установках для компостирования.
Волоконные композиты ArcBiox
Компания ABM Composite разработала различные формы стекловолокна ArcBiox X4/5 для композитных материалов, откороткие волокнаи составы для литья под давлением длянепрерывные волокнадля таких процессов, как текстильное и пултрузионное формование. Серия ArcBiox BSGF сочетает в себе биоразлагаемые стеклянные волокна с полиэфирными смолами на биологической основе и доступна в общетехнологических сортах, а также в сортах ArcBiox 5, одобренных для использования в контакте с пищевыми продуктами.
Компания ABM Composite также исследовала различные биоразлагаемые полимеры на биологической основе, включая полимолочную кислоту (PLA), PLLA и полибутиленсукцинат (PBS). На диаграмме ниже показано, как стекловолокно X4/5 может повысить производительность и конкурировать со стандартными полимерами, армированными стекловолокном, такими как полипропилен (ПП) и даже полиамид 6 (PA6).
ABM Composite также исследовала различные биоразлагаемые полимеры на биологической основе, включая полимолочную кислоту (PLA), PLLA и полибутиленсукцинат (PBS). На диаграмме ниже показано, как стекловолокно X4/5 может повысить производительность и конкурировать со стандартными полимерами, армированными стекловолокном, такими как полипропилен (ПП) и даже полиамид 6 (PA6).
Долговечность и компостируемость
Если эти композиты биоразлагаемы, как долго они прослужат? «Наши стеклянные волокна X4/5 не растворяются за пять минут или за ночь, как сахар, и, хотя их свойства со временем ухудшаются, это не будет так заметно». Рослинг говорит: «Для эффективного разложения нам необходимы повышенные температуры и влажность в течение длительного периода времени, как это происходит in vivo или в промышленных компостных кучах. Например, мы протестировали чашки и миски из нашего материала ArcBiox BSGF, и они выдержали до 200 циклов мытья посуды без потери функциональности. Происходит некоторое ухудшение механических свойств, но не до такой степени, что использование чашек становится небезопасным».
Однако важно, чтобы, когда эти композиты утилизируются по истечении срока их полезного использования, они действительно соответствовали стандартным требованиям, необходимым для компостирования, и компания ABM Composite провела серию испытаний, чтобы доказать, что они соответствуют этим стандартам. «Согласно стандартам ISO (для промышленного компостирования), биоразложение должно происходить в течение 6 месяцев, а разложение — в течение 3 месяцев/90 дней». Рослинг говорит: «Разложение означает помещение тестируемого образца/продукта в биомассу или компост. через 90 дней техник исследует биомассу с помощью сита. через 12 недель не менее 90 процентов продукта должно пройти через сито 2х2 мм».
Биодеградацию определяют путем измельчения первичного материала в порошок и измерения общего количества CO2, выделившегося через 90 дней. Это оценивает, какая часть углерода в процессе компостирования преобразуется в воду, биомассу и CO2. «Чтобы пройти испытание на промышленное компостирование, необходимо получить 90 процентов от теоретических 100 процентов CO2 в процессе компостирования (в зависимости от содержания углерода)».
Рослинг утверждает, что ABM Composite соответствует требованиям по разложению и биоразложению, а испытания показали, что добавление стекловолокна X4 действительно улучшает биоразлагаемость (см. таблицу выше), которая, например, составляет только 78% для неармированной смеси PLA. Он объясняет: «Однако, когда были добавлены наши 30% биоразлагаемого стекловолокна, биоразложение увеличилось до 94%, в то время как скорость разложения осталась хорошей».
В результате ABM Composite продемонстрировала, что ее материалы могут быть сертифицированы как компостируемые в соответствии со стандартом EN 13432. Испытания, которые ее материалы прошли на сегодняшний день, включают ISO 14855-1 для окончательной аэробной биоразлагаемости материалов в контролируемых условиях компостирования, ISO 16929 для аэробной биоразлагаемости. контролируемое разложение, ISO DIN EN 13432 для химических требований и OECD 208 для испытаний на фитотоксичность, ISO DIN EN 13432.
CO2 выделяется при компостировании
Во время компостирования CO2 действительно выделяется, но некоторая его часть остается в почве и затем утилизируется растениями. Компостирование изучалось на протяжении десятилетий как промышленный процесс, так и как процесс посткомпостирования, который выделяет меньше CO2, чем другие альтернативы утилизации отходов, и компостирование до сих пор считается экологически чистым процессом, сокращающим выбросы углекислого газа.
Экотоксичность предполагает тестирование биомассы, полученной в процессе компостирования, и растений, выращенных из этой биомассы. «Это делается для того, чтобы компостирование этих продуктов не нанесло вреда растущим растениям». — сказал Рослинг. Кроме того, ABM Composite продемонстрировала, что ее материалы соответствуют требованиям к биоразложению в условиях домашнего компостирования, которые также требуют 90% биоразложения, но в течение 12-месячного периода по сравнению с более коротким периодом для промышленного компостирования.
Промышленное применение, производство, затраты и будущий рост
Материалы ABM Composite используются в ряде коммерческих приложений, но дополнительная информация не может быть раскрыта из-за соглашений о конфиденциальности. «Мы заказываем наши материалы для таких применений, как чашки, блюдца, тарелки, столовые приборы и контейнеры для хранения продуктов, — говорит Рослинг, — но они также используются в качестве альтернативы пластикам на основе нефти в косметических контейнерах и крупных предметах домашнего обихода. Совсем недавно наши материалы были выбраны для использования при производстве компонентов крупных промышленных машин, которые необходимо заменять каждые 2–12 недель. Эти компании признали, что, используя армирование из стекловолокна X4, эти механические детали могут быть изготовлены с необходимой износостойкостью, а также подлежат компостированию после использования. Это привлекательное решение на ближайшее будущее, поскольку перед этими компаниями стоит задача соблюдения новых экологических норм и норм по выбросам CO2».
Рослинг добавил: «Также растет интерес к использованию наших непрерывных волокон в различных типах тканей и нетканых материалов для изготовления конструкционных компонентов для строительной отрасли. Мы также видим интерес к использованию наших биоразлагаемых волокон с биоразлагаемыми, но не биоразлагаемыми ПА или ПП и инертными термореактивными материалами».
В настоящее время стекловолокно X4/5 дороже, чем стекло E, но объемы производства также относительно невелики, и ABM Composite использует ряд возможностей для расширения области применения и содействия увеличению производительности до 20 000 тонн в год по мере роста спроса. что также может помочь снизить затраты. Несмотря на это, Рослинг говорит, что во многих случаях затраты, связанные с обеспечением устойчивости и соблюдением новых нормативных требований, не были полностью учтены. Между тем, актуальность спасения планеты растет. «Общество уже настаивает на увеличении количества продуктов на биологической основе». Он объясняет: «Существует множество стимулов для продвижения вперед технологий переработки, миру необходимо двигаться в этом направлении быстрее, и я думаю, что в будущем общество будет только усиливать свое стремление к продуктам на биологической основе».
LCA и преимущество устойчивого развития
Рослинг говорит, что материалы ABM Composite сокращают выбросы парниковых газов и использование невозобновляемых источников энергии на 50-60 процентов на килограмм. «Мы используем базу данных экологического следа 2.0, аккредитованный набор данных GaBi и расчеты LCA (анализ жизненного цикла) для наших продуктов на основе методологии, изложенной в ISO 14040 и ISO 14044».
«В настоящее время, когда композиты достигают конца своего жизненного цикла, требуется много энергии для сжигания или пиролиза композитных отходов и продуктов EOL, а измельчение и компостирование являются привлекательным вариантом, и это определенно одно из ключевых предложений, которые мы предлагаем». и мы обеспечиваем новый тип вторичной переработки». Рослинг говорит: «Наше стекловолокно изготовлено из природных минеральных компонентов, которые уже присутствуют в почве. Так почему бы не компостировать компоненты композита EOL или не растворить волокна из неразлагаемых композитов после сжигания и использовать их в качестве удобрения? Это вариант переработки, представляющий реальный глобальный интерес».
Шанхайская компания Orisen New Material Technology Co., Ltd.
М: +86 18683776368 (также WhatsApp)
Т:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Адрес: № 398, Новая зеленая дорога, город Синьбан, район Сунцзян, Шанхай.
Время публикации: 27 мая 2024 г.