Điều gì sẽ xảy ra nếu vật liệu tổng hợp polyme gia cố bằng sợi thủy tinh (GFRP) có thể được làm phân trộn khi hết thời gian sử dụng, bên cạnh những lợi ích đã được chứng minh qua hàng thập kỷ về giảm trọng lượng, độ bền và độ cứng, khả năng chống ăn mòn và độ bền? Tóm lại, đó chính là sức hấp dẫn của công nghệ của ABM Composite.
Thủy tinh hoạt tính sinh học, sợi có độ bền cao
Được thành lập vào năm 2014, Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Phần Lan) đã phát triển một loại sợi thủy tinh có thể phân hủy sinh học được làm từ cái gọi là thủy tinh hoạt tính sinh học, mà Ari Rosling, giám đốc R&D tại ABM Composite, mô tả là “một công thức đặc biệt được phát triển vào những năm 1960 cho phép thủy tinh có thể bị thoái hóa trong điều kiện sinh lý. Khi đưa vào cơ thể, thủy tinh sẽ phân hủy thành các muối khoáng cấu thành, giải phóng natri, magie, phốt phát, v.v., từ đó tạo điều kiện kích thích sự phát triển của xương”.
“Nó có đặc tính tương tự nhưSợi thủy tinh không kiềm (E-glass).” Rosling cho biết: “Nhưng loại thủy tinh hoạt tính sinh học này rất khó sản xuất và kéo thành sợi, cho đến nay nó chỉ được sử dụng dưới dạng bột hoặc bột bả. Theo những gì chúng tôi biết, ABM Composite là công ty đầu tiên sản xuất sợi thủy tinh có độ bền cao từ nó ở quy mô công nghiệp và hiện chúng tôi đang sử dụng những sợi thủy tinh ArcBiox X4/5 này để gia cố nhiều loại nhựa khác nhau, bao gồm cả polyme phân hủy sinh học”.
Cấy ghép y tế
Vùng Tampere, cách Helsinki, Phần Lan hai giờ về phía bắc, là trung tâm sản xuất polyme phân hủy sinh học dựa trên sinh học cho các ứng dụng y tế kể từ những năm 1980. Rosling mô tả: “Một trong những bộ cấy ghép thương mại đầu tiên được làm bằng những vật liệu này được sản xuất ở Tampere và đó là cách ABM Composite bắt đầu! hiện là đơn vị kinh doanh y tế của chúng tôi”.
“Có rất nhiều loại polyme có khả năng phân hủy sinh học và hấp thụ sinh học để cấy ghép.” Anh ấy tiếp tục, “nhưng đặc tính cơ học của chúng khác xa với xương tự nhiên. Chúng tôi có thể tăng cường các polyme có khả năng phân hủy sinh học này để mang lại cho bộ phận cấy ghép sức bền tương tự như xương tự nhiên”. Rosling lưu ý rằng sợi thủy tinh ArcBiox cấp y tế khi bổ sung ABM có thể cải thiện tính chất cơ học của polyme PLLA phân hủy sinh học từ 200% đến 500%.
Kết quả là, bộ cấy ghép của ABM Composite mang lại hiệu suất cao hơn so với bộ cấy được làm bằng polyme không gia cố, đồng thời có khả năng hấp thụ sinh học và thúc đẩy quá trình hình thành và phát triển xương. ABM Composite cũng sử dụng kỹ thuật đặt sợi/sợi tự động để đảm bảo định hướng sợi tối ưu, bao gồm việc đặt sợi dọc theo toàn bộ chiều dài của bộ cấy, cũng như đặt thêm sợi vào những điểm có khả năng bị yếu.
Ứng dụng gia dụng và kỹ thuật
Với đơn vị kinh doanh y tế đang phát triển, ABM Composite nhận ra rằng các polyme có nguồn gốc sinh học và phân hủy sinh học cũng có thể được sử dụng cho đồ dùng nhà bếp, dao kéo và các đồ gia dụng khác. “Những polyme phân hủy sinh học này thường có đặc tính cơ học kém so với nhựa làm từ dầu mỏ”. Rosling cho biết: “Nhưng chúng tôi có thể gia cố những vật liệu này bằng sợi thủy tinh có thể phân hủy sinh học, khiến chúng gần như trở thành một lựa chọn thay thế tốt cho nhựa thương mại làm từ hóa thạch trong nhiều ứng dụng kỹ thuật”.
Do đó, ABM Composite đã tăng cường đơn vị kinh doanh kỹ thuật của mình, hiện có 60 người. “Chúng tôi cung cấp các giải pháp cuối đời (EOL) bền vững hơn.” Rosling cho biết: “Đề xuất giá trị của chúng tôi là đưa những vật liệu tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học này vào hoạt động ủ phân công nghiệp, nơi chúng biến thành đất”. Kính điện tử truyền thống có tính trơ và sẽ không bị phân hủy trong các cơ sở ủ phân này.
Vật liệu tổng hợp sợi ArcBiox
ABM Composite đã phát triển nhiều dạng sợi thủy tinh ArcBiox X4/5 khác nhau cho các ứng dụng composite, từsợi cắt ngắnvà các hợp chất ép phun đểsợi liên tụccho các quá trình như dệt và ép đùn. Dòng ArcBiox BSGF kết hợp sợi thủy tinh có thể phân hủy sinh học với nhựa polyester gốc sinh học và có sẵn ở các cấp công nghệ chung và cấp ArcBiox 5 được phê duyệt để sử dụng trong các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm.
ABM Composite cũng đã nghiên cứu nhiều loại polyme có nguồn gốc sinh học và phân hủy sinh học bao gồm Polylactic Acid (PLA), PLLA và Polybutylene Succinate (PBS). Sơ đồ bên dưới cho thấy sợi thủy tinh X4/5 có thể cải thiện hiệu suất như thế nào để cạnh tranh với các polyme gia cố bằng sợi thủy tinh tiêu chuẩn như polypropylen (PP) và thậm chí cả polyamit 6 (PA6).
ABM Composite cũng đã nghiên cứu nhiều loại polyme có nguồn gốc sinh học và phân hủy sinh học, bao gồm Polylactic Acid (PLA), PLLA và Polybutylene Succinate (PBS). Sơ đồ bên dưới cho thấy sợi thủy tinh X4/5 có thể cải thiện hiệu suất như thế nào để cạnh tranh với các polyme gia cố bằng sợi thủy tinh tiêu chuẩn như polypropylen (PP) và thậm chí cả polyamit 6 (PA6).
Độ bền & Khả năng phân hủy
Nếu những vật liệu tổng hợp này có khả năng phân hủy sinh học thì chúng sẽ tồn tại được bao lâu? “Sợi thủy tinh X4/5 của chúng tôi không hòa tan trong vòng 5 phút hoặc qua đêm như đường và mặc dù đặc tính của chúng sẽ suy giảm theo thời gian nhưng sẽ không đáng kể.” Rosling cho biết: “Để phân hủy hiệu quả, chúng ta cần nhiệt độ và độ ẩm cao trong thời gian dài, như được tìm thấy trong cơ thể sống hoặc trong các đống phân trộn công nghiệp. Ví dụ: chúng tôi đã thử nghiệm cốc và bát được làm từ vật liệu ArcBiox BSGF của chúng tôi và chúng có thể chịu được tới 200 chu trình rửa chén mà không bị mất chức năng. Có một số sự suy giảm về tính chất cơ học nhưng chưa đến mức gây mất an toàn khi sử dụng cốc”.
Tuy nhiên, điều quan trọng là khi những vật liệu tổng hợp này được thải bỏ khi hết thời gian sử dụng, chúng phải đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn cần thiết để làm phân trộn và ABM Composite đã thực hiện một loạt thử nghiệm để chứng minh rằng nó đáp ứng các tiêu chuẩn này. “Theo tiêu chuẩn ISO (đối với phân bón công nghiệp), quá trình phân hủy sinh học phải diễn ra trong vòng 6 tháng và phân hủy trong vòng 3 tháng/90 ngày”. Rosling nói: “Phân hủy có nghĩa là đặt mẫu/sản phẩm thử nghiệm vào sinh khối hoặc phân trộn. sau 90 ngày, kỹ thuật viên kiểm tra sinh khối bằng sàng. sau 12 tuần, ít nhất 90% sản phẩm có thể lọt qua sàng 2 mm × 2 mm”.
Sự phân hủy sinh học được xác định bằng cách nghiền nguyên liệu thô thành bột và đo tổng lượng CO2 thải ra sau 90 ngày. Điều này đánh giá hàm lượng carbon của quá trình ủ phân được chuyển đổi thành nước, sinh khối và CO2. “Để vượt qua bài kiểm tra ủ phân công nghiệp, phải đạt được 90% lượng CO2 theo lý thuyết là 100% từ quá trình ủ phân (dựa trên hàm lượng carbon)”.
Rosling cho biết ABM Composite đã đáp ứng các yêu cầu về phân hủy và phân hủy sinh học, đồng thời các thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc bổ sung sợi thủy tinh X4 của nó thực sự cải thiện khả năng phân hủy sinh học (xem bảng trên), chẳng hạn như chỉ 78% đối với hỗn hợp PLA không gia cố. Ông giải thích: “Tuy nhiên, khi thêm 30% sợi thủy tinh có thể phân hủy sinh học của chúng tôi vào, tỷ lệ phân hủy sinh học tăng lên 94% trong khi tốc độ phân hủy vẫn ở mức tốt”.
Kết quả là, ABM Composite đã chứng minh rằng vật liệu của họ có thể được chứng nhận là có thể phân hủy theo EN 13432. Các thử nghiệm mà vật liệu của họ đã vượt qua cho đến nay bao gồm ISO 14855-1 về khả năng phân hủy sinh học hiếu khí cuối cùng của vật liệu trong điều kiện ủ phân có kiểm soát, ISO 16929 cho khả năng phân hủy sinh học hiếu khí. phân hủy có kiểm soát, ISO DIN EN 13432 cho các yêu cầu về hóa học và OECD 208 cho thử nghiệm độc tính tế bào, ISO DIN EN 13432.
CO2 thải ra trong quá trình ủ phân
Trong quá trình ủ phân, CO2 thực sự được giải phóng, nhưng một phần vẫn còn trong đất và sau đó được thực vật sử dụng. Quá trình ủ phân đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, vừa là một quy trình công nghiệp vừa là một quá trình sau quá trình ủ phân thải ra ít CO2 hơn các phương án xử lý chất thải khác, và việc ủ phân vẫn được coi là một quy trình thân thiện với môi trường và giảm lượng khí thải carbon.
Độc tính sinh thái liên quan đến việc kiểm tra sinh khối được tạo ra trong quá trình ủ phân và thực vật được trồng bằng sinh khối này. “Điều này nhằm đảm bảo rằng việc ủ phân các sản phẩm này không gây hại cho cây trồng.” Rosling nói. Ngoài ra, ABM Composite đã chứng minh rằng vật liệu của họ đáp ứng các yêu cầu phân hủy sinh học trong điều kiện ủ phân tại nhà, cũng yêu cầu phân hủy sinh học 90%, nhưng trong khoảng thời gian 12 tháng, so với thời gian ngắn hơn của phân bón công nghiệp.
Ứng dụng công nghiệp, sản xuất, chi phí và tăng trưởng trong tương lai
Vật liệu của ABM Composite được sử dụng trong một số ứng dụng thương mại, nhưng không thể tiết lộ nhiều hơn do các thỏa thuận bảo mật. Rosling cho biết: “Chúng tôi đặt hàng các vật liệu của mình để phù hợp với các ứng dụng như cốc, đĩa, đĩa, dao kéo và hộp đựng thực phẩm,” nhưng chúng cũng được sử dụng thay thế cho nhựa gốc dầu mỏ trong hộp đựng mỹ phẩm và các đồ gia dụng lớn. Gần đây hơn, vật liệu của chúng tôi đã được chọn để sử dụng trong sản xuất các bộ phận trong hệ thống lắp đặt máy móc công nghiệp lớn cần được thay thế sau mỗi 2-12 tuần. Các công ty này đã nhận ra rằng bằng cách sử dụng vật liệu gia cố bằng sợi thủy tinh X4 của chúng tôi, các bộ phận cơ khí này có thể được chế tạo với khả năng chống mài mòn cần thiết và cũng có thể phân hủy sau khi sử dụng. Đây là giải pháp hấp dẫn trong thời gian tới khi các công ty này phải đối mặt với thách thức đáp ứng các quy định mới về môi trường và phát thải CO2”.
Rosling nói thêm: “Ngày càng có nhiều mối quan tâm đến việc sử dụng sợi liên tục của chúng tôi trong các loại vải và sản phẩm không dệt khác nhau để chế tạo các bộ phận kết cấu cho ngành xây dựng. Chúng tôi cũng nhận thấy sự quan tâm đến việc sử dụng sợi có khả năng phân hủy sinh học với vật liệu PA hoặc PP gốc sinh học nhưng không phân hủy sinh học và vật liệu nhiệt rắn trơ”.
Hiện tại, sợi thủy tinh X4/5 đắt hơn kính E, nhưng khối lượng sản xuất cũng tương đối nhỏ và ABM Composite đang theo đuổi một số cơ hội để mở rộng ứng dụng và tạo điều kiện tăng lên 20.000 tấn/năm khi nhu cầu tăng lên, điều này cũng có thể giúp giảm chi phí. Mặc dù vậy, Rosling nói rằng trong nhiều trường hợp, chi phí liên quan đến việc đáp ứng các yêu cầu về tính bền vững và quy định mới vẫn chưa được xem xét đầy đủ. Trong khi đó, tính cấp bách của việc cứu hành tinh ngày càng tăng. “Xã hội đang thúc đẩy nhiều sản phẩm dựa trên sinh học hơn.” Ông giải thích: “Có rất nhiều động lực để thúc đẩy công nghệ tái chế phát triển, thế giới cần phải tiến nhanh hơn về vấn đề này và tôi nghĩ xã hội sẽ chỉ tăng cường thúc đẩy các sản phẩm dựa trên sinh học trong tương lai”.
LCA và lợi thế bền vững
Rosling cho biết vật liệu của ABM Composite giúp giảm lượng khí thải nhà kính và sử dụng năng lượng không tái tạo được 50-60% mỗi kg. “Chúng tôi sử dụng Cơ sở dữ liệu dấu chân môi trường 2.0, bộ dữ liệu GaBi được công nhận và tính toán LCA (Phân tích vòng đời) cho các sản phẩm của mình dựa trên phương pháp được nêu trong ISO 14040 và ISO 14044”.
“Hiện tại, khi vật liệu tổng hợp đã hết vòng đời, cần rất nhiều năng lượng để đốt hoặc nhiệt phân chất thải tổng hợp và các sản phẩm EOL, đồng thời việc băm nhỏ và làm phân trộn là một lựa chọn hấp dẫn và chắc chắn đây là một trong những đề xuất giá trị quan trọng mà chúng tôi đưa ra, và chúng tôi đang cung cấp một loại khả năng tái chế mới.” Rosling cho biết: “Sợi thủy tinh của chúng tôi được làm từ các thành phần khoáng chất tự nhiên đã có trong đất. Vậy tại sao không ủ phân các thành phần hỗn hợp EOL, hoặc hòa tan sợi từ vật liệu tổng hợp không phân hủy sau khi đốt và sử dụng chúng làm phân bón? Đây là một lựa chọn tái chế thực sự được toàn cầu quan tâm”.
Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Orisen Thượng Hải
M: +86 18683776368(cũng là WhatsApp)
ĐT:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Địa chỉ: SỐ 398 Đường xanh mới Thị trấn Xinbang Quận Songjiang, Thượng Hải
Thời gian đăng: 27-05-2024