Tänk om glasfiberförstärkta polymerkompositer (GFRP) kunde komposteras vid slutet av sin livslängd, förutom de årtionden av bevisade fördelar med viktminskning, styrka och styvhet, korrosionsbeständighet och hållbarhet? Det är i ett nötskal överklagandet av ABM Composites teknologi.
Bioaktivt glas, höghållfasta fibrer
Arctic Biomaterials Oy (Tammerfors, Finland) grundades 2014 och har utvecklat en biologiskt nedbrytbar glasfiber tillverkad av så kallat bioaktivt glas, vilket Ari Rosling, FoU-direktör på ABM Composite, beskriver som ”en speciell formulering utvecklad på 1960-talet som tillåter glas att brytas ned under fysiologiska förhållanden. När glaset förs in i kroppen bryts det ner till sina beståndsdelar mineralsalter, frigör natrium, magnesium, fosfater, etc., vilket skapar ett tillstånd som stimulerar bentillväxt."
"Den har liknande egenskaper somalkalifri glasfiber (E-glas).” Rosling sa: "Men detta bioaktiva glas är svårt att tillverka och dra till fibrer, och hittills har det bara använts som pulver eller kitt. Så vitt vi vet var ABM Composite det första företaget att tillverka höghållfasta glasfibrer av det i industriell skala, och vi använder nu dessa ArcBiox X4/5 glasfibrer för att förstärka olika typer av plaster, inklusive biologiskt nedbrytbara polymerer”.
Medicinska implantat
Tammerforsregionen, två timmar norr om Helsingfors, Finland, har varit ett centrum för biobaserade biologiskt nedbrytbara polymerer för medicinska tillämpningar sedan 1980-talet. Rosling beskriver: ”Ett av de första kommersiellt tillgängliga implantaten tillverkade med dessa material tillverkades i Tammerfors, och det var så ABM Composite började! som nu är vår medicinska affärsenhet”.
"Det finns många biologiskt nedbrytbara, bioabsorberbara polymerer för implantat." Han fortsätter, "men deras mekaniska egenskaper är långt ifrån naturligt ben. Vi kunde förbättra dessa biologiskt nedbrytbara polymerer för att ge implantatet samma styrka som naturligt ben. Rosling noterade att ArcBiox-glasfibrer av medicinsk kvalitet med tillägg av ABM kan förbättra de mekaniska egenskaperna hos biologiskt nedbrytbara PLLA-polymerer med 200 % till 500 %.
Som ett resultat ger ABM Composites implantat högre prestanda än implantat gjorda med oförstärkta polymerer, samtidigt som de är bioabsorberbara och främjar benbildning och tillväxt. ABM Composite använder också automatiserade tekniker för placering av fibrer/trådar för att säkerställa optimal fiberorientering, inklusive att lägga fibrer längs hela implantatets längd, samt att placera ytterligare fibrer på potentiellt svaga ställen.
Hushålls- och tekniska applikationer
Med sin växande medicinska affärsenhet inser ABM Composite att biobaserade och biologiskt nedbrytbara polymerer också kan användas för köksutrustning, bestick och andra hushållsartiklar. "Dessa biologiskt nedbrytbara polymerer har vanligtvis dåliga mekaniska egenskaper jämfört med petroleumbaserad plast." Rosling sa: "Men vi kan förstärka dessa material med våra biologiskt nedbrytbara glasfibrer, vilket gör dem praktiskt taget till ett bra alternativ till fossilbaserad kommersiell plast för ett brett spektrum av tekniska tillämpningar".
Som ett resultat av detta har ABM Composite utökat sin tekniska affärsenhet som nu sysselsätter 60 personer. "Vi erbjuder mer hållbara end-of-life-lösningar (EOL)." Rosling säger, "Vårt värdeförslag är att lägga dessa biologiskt nedbrytbara kompositer i industriella komposteringsoperationer där de förvandlas till jord." Traditionellt E-glas är inert och bryts inte ned i dessa komposteringsanläggningar.
ArcBiox fiberkompositer
ABM Composite har utvecklat olika former av ArcBiox X4/5 glasfibrer för kompositapplikationer, frånkortklippta fibreroch formsprutningsmassa tillkontinuerliga fibrerför processer som textil- och pultrusionsformning. ArcBiox BSGF-serien kombinerar biologiskt nedbrytbara glasfibrer med biobaserade polyesterhartser och finns i allmänna teknologikvaliteter och ArcBiox 5-kvaliteter godkända för användning i applikationer i kontakt med livsmedel.
ABM Composite har också undersökt en mängd olika biologiskt nedbrytbara och biobaserade polymerer inklusive polymjölksyra (PLA), PLLA och polybutylensuccinat (PBS). Diagrammet nedan visar hur X4/5-glasfibrer kan förbättra prestandan för att konkurrera med standardglasfiberförstärkta polymerer som polypropen (PP) och till och med polyamid 6 (PA6).
ABM Composite har också undersökt en mängd olika biologiskt nedbrytbara och biobaserade polymerer, inklusive polymjölksyra (PLA), PLLA och polybutylensuccinat (PBS). Diagrammet nedan visar hur X4/5-glasfibrer kan förbättra prestandan för att konkurrera med standardglasfiberförstärkta polymerer som polypropen (PP) och till och med polyamid 6 (PA6).
Hållbarhet & komposterbarhet
Om dessa kompositer är biologiskt nedbrytbara, hur länge håller de? "Våra X4/5 glasfibrer löser sig inte på fem minuter eller över natten som socker gör, och även om deras egenskaper kommer att försämras med tiden, kommer det inte att vara lika märkbart." Säger Rosling, "För att bryta ned effektivt behöver vi förhöjda temperaturer och luftfuktighet under långa tidsperioder, som finns in vivo eller i industriella komposthögar. Vi testade till exempel koppar och skålar gjorda av vårt ArcBiox BSGF-material, och de klarade upp till 200 diskcykler utan att förlora funktionalitet. Det finns en viss försämring av de mekaniska egenskaperna, men inte till den punkt där kopparna är osäkra att använda”.
Det är dock viktigt att när dessa kompositer kasseras vid slutet av sin livslängd, uppfyller de de standardkrav som krävs för kompostering, och ABM Composite har genomfört en serie tester för att bevisa att den uppfyller dessa standarder. "Enligt ISO-standarderna (för industriell kompostering) bör biologisk nedbrytning ske inom 6 månader och nedbrytning inom 3 månader/90 dagar". Rosling säger: "Sönderdelning innebär att man placerar testprovet/produkten i biomassan eller komposten. efter 90 dagar undersöker teknikern biomassan med hjälp av en sikt. efter 12 veckor ska minst 90 procent av produkten kunna passera genom en 2 mm × 2 mm sikt”.
Biologisk nedbrytning bestäms genom att mala det jungfruliga materialet till ett pulver och mäta den totala mängden CO2 som frigörs efter 90 dagar. Detta bedömer hur mycket av kolhalten i komposteringsprocessen som omvandlas till vatten, biomassa och CO2. "För att klara det industriella komposteringstestet måste 90 procent av den teoretiska 100 procenten CO2 från komposteringsprocessen uppnås (baserat på kolhalten)".
Rosling säger att ABM Composite har uppfyllt kraven på nedbrytning och biologisk nedbrytning, och tester har visat att tillsatsen av dess X4-glasfiber faktiskt förbättrar den biologiska nedbrytbarheten (se tabell ovan), vilket till exempel bara är 78 % för en oförstärkt PLA-blandning. Han förklarar, "Men när våra 30% biologiskt nedbrytbara glasfibrer tillsattes ökade den biologiska nedbrytningen till 94%, medan nedbrytningshastigheten förblev god".
Som ett resultat har ABM Composite visat att dess material kan certifieras som komposterbara enligt EN 13432. Tester som dess material hittills har klarat inkluderar ISO 14855-1 för den slutliga aerobiska biologiska nedbrytbarheten av material under kontrollerade komposteringsförhållanden, ISO 16929 för aerobic kontrollerad nedbrytning, ISO DIN EN 13432 för kemikaliekrav och OECD 208 för fytotoxicitetstestning, ISO DIN EN 13432.
CO2 som frigörs vid kompostering
Vid kompostering frigörs visserligen CO2, men en del blir kvar i jorden och tas sedan tillvara av växter. Kompostering har studerats i decennier, både som en industriell process och som en efterkomposteringsprocess som frigör mindre CO2 än andra alternativ för avfallshantering, och kompostering anses fortfarande vara en miljövänlig och koldioxidavtrycksminskande process.
Ekotoxicitet innebär att man testar den biomassa som produceras under komposteringsprocessen och de växter som odlas med denna biomassa. "Detta är för att se till att kompostering av dessa produkter inte skadar de växande växterna." sa Rosling. Dessutom har ABM Composite visat att dess material uppfyller kraven på biologisk nedbrytning under hemkomposteringsförhållanden, som också kräver 90 % biologisk nedbrytning, men under en 12-månadersperiod, jämfört med en kortare period för industriell kompostering.
Industriella applikationer, produktion, kostnader och framtida tillväxt
ABM Composites material används i ett antal kommersiella tillämpningar, men fler kan inte avslöjas på grund av sekretessavtal. "Vi beställer våra material för att passa applikationer som koppar, fat, tallrikar, bestick och matförvaringsbehållare", säger Rosling, "men de används också som ett alternativ till petroleumbaserad plast i kosmetiska behållare och stora hushållsartiklar. På senare tid har våra material valts ut för användning vid tillverkning av komponenter i stora industriella maskininstallationer som behöver bytas ut var 2-12:e vecka. Dessa företag har insett att genom att använda vår X4 glasfiberförstärkning kan dessa mekaniska delar tillverkas med erforderlig slitstyrka och är även komposterbara efter användning. Detta är en attraktiv lösning för den närmaste framtiden då dessa företag står inför utmaningen att möta nya miljö- och koldioxidutsläppsbestämmelser”.
Rosling tillade, "Det finns också ett växande intresse för att använda våra kontinuerliga fibrer i olika typer av tyger och nonwovens för att tillverka strukturella komponenter för byggindustrin. Vi ser också intresse för att använda våra biologiskt nedbrytbara fibrer med biobaserade men icke biologiskt nedbrytbara PA eller PP och inerta härdplastmaterial”.
För närvarande är X4/5 glasfiber dyrare än E-glas, men produktionsvolymerna är också relativt små, och ABM Composite utövar ett antal möjligheter att utöka applikationerna och underlätta en upprampning till 20 000 ton/år när efterfrågan växer, vilket också skulle kunna bidra till att minska kostnaderna. Trots det säger Rosling att man i många fall inte helt har tagit hänsyn till kostnaderna för att möta hållbarhet och nya myndighetskrav. Samtidigt ökar behovet av att rädda planeten. "Samhället driver redan på för fler biobaserade produkter." Han förklarar, "Det finns många incitament att driva återvinningsteknik framåt, världen måste gå snabbare på detta och jag tror att samhället bara kommer att öka sin satsning på biobaserade produkter i framtiden".
LCA och Sustainability Advantage
Rosling säger att ABM Composites material minskar utsläppen av växthusgaser och användningen av icke-förnybar energi med 50-60 procent per kilogram. "Vi använder Environmental Footprint Database 2.0, den ackrediterade GaBi-datauppsättningen och LCA (Life Cycle Analysis)-beräkningar för våra produkter baserat på den metod som beskrivs i ISO 14040 och ISO 14044″.
"För närvarande, när kompositer når slutet av sin livscykel, krävs mycket energi för att förbränna eller pyrolysera kompositavfall och EOL-produkter, och fragmentering och kompostering är ett attraktivt alternativ, och det är definitivt ett av de viktigaste värdeförslagen vi erbjuder, och vi tillhandahåller en ny typ av återvinningsbarhet.” Rosling säger: "Vårt glasfiber är tillverkat av naturliga mineralkomponenter som redan finns i jorden. Så varför inte kompostera EOL-kompositkomponenter, eller lösa upp fibrer från icke-nedbrytbara kompositer efter förbränning och använda dem som gödningsmedel? Detta är ett återvinningsalternativ av verkligt globalt intresse”.
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (även WhatsApp)
T:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adress: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiang District, Shanghai
Posttid: 27 maj 2024