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四川星浩宇复合材料有限公司

 SICHUAN XINGHAOYU COMPOSITE MATERIALS CO., LTD

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可生物吸收和可降解的玻璃纤维、可堆肥的复合材料部件
来源:中国玻璃纤维 | 作者:转载 | 发布时间: 222天前 | 197 次浏览 | 分享到:
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由ABM Composite（上左）制造的可生物吸收骨固定植入物以及采用ArcBiox BGF30-B1长纤维技术（LFT）配混物制成的汽车制动踏板（右），该配混物是由ArcBiox X4可降解玻璃纤维增强的聚乳酸（PLA）。ArcBiox BGF30-B1 通过了德国 DIN CERTCO/TUV 依据EN 13432 标准进行的工业堆肥试验（图片来源：ABM Composite）


      如果玻纤增强聚合物（GFRP）复合材料在提供几十年来久经考验的减重、强度和刚度、耐腐蚀性和耐久性等方面的优势外，在使用寿命结束时还能堆肥，那会怎样呢？这，正是ABM Composite公司的技术所带来的吸引力。

生物活性玻璃、高强度纤维

     创立于2014年的Arctic Biomaterials Oy（芬兰坦佩雷）开发了一种由所谓的生物活性玻璃制成的可降解玻璃纤维，ABM Composite的研发总监Ari Rosling介绍说：“这是在1960年代开发的一种特殊配方，可使玻璃在生理条件下降解。当进入人体时，玻璃会分解成其成分矿物盐，释放出钠、镁、磷酸盐等，从而创造一种刺激骨骼生长的条件。”

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典型属性（图片来源：ABM Composite）


   “它的特性类似于无碱玻纤（E-glass）。” Rosling说道，“但这种生物活性玻璃很难制造和拉丝制成纤维，以前，它仅用作粉末或腻子。据我们所知，ABM Composite是第一家在工业水平上用它制造高强度玻璃纤维的公司，现在我们使用这些ArcBiox X4/5玻璃纤维来增强不同类型的塑料，包括可生物降解的聚合物。”

医疗植入物

     位于芬兰赫尔辛基以北2小时车程处的坦佩雷地区，自1980年代以来一直是面向医疗应用的生物基可生物降解聚合物中心。Rosling介绍说：“使用这些材料制造的第一批商业化的植入物之一就是在坦佩雷生产的，ABM Composite就是这样起步的，它现在是我们的医疗业务部门。”

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图片来源：ABM Composite


     “有很多可生物降解、可生物吸收的聚合物用于植入物。”他继续说道，“但它们的机械性能与天然骨骼相去甚远。我们能够增强这些可生物降解的聚合物，以便使植入物具有与天然骨骼相同的强度。”Rosling指出，添加ABM的医用级ArcBiox玻璃纤维可以使可生物降解的左旋聚乳酸（PLLA）聚合物的机械性能提高200%-500%。

      因此，与采用未增强聚合物制成的植入物相比，ABM Composite的植入物具有更高的性能，同时还具有生物可吸收性，并能促进骨骼的形成和生长。ABM Composite还使用自动化的纤维/股线铺放技术来确保纤维的最佳取向，包括沿整个植入物长度铺放纤维，以及在潜在的薄弱点处铺放额外的纤维。

家用和技术应用

    随着医疗业务部门的不断壮大，ABM Composite认识到生物基和可生物降解的聚合物还能用于厨具、餐具和其他家居用品。“在这方面，与石油基塑料相比，这些可生物降解聚合物的机械性能通常较差。”Rosling说道，“但我们可以用我们的可降解玻璃纤维来增强这些材料，使它们实际上成为化石基商用塑料的良好替代品而适用于广泛的技术应用领域。”

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图片来源：ABM Composite


     因此，ABM Composite增加了其技术业务部门，该部门现已拥有60名员工。“我们提供更可持续的报废（EOL）方案。”Rosling表示，“我们的价值主张是，将这些可生物降解的复合材料放入工业堆肥操作中，在那里它们会变成土壤。”传统的E玻璃是惰性的，在这些堆肥设施中不会降解。

ArcBiox纤维复合材料

      ABM Composite为复合材料应用而开发了各种形式的ArcBiox X4/5玻璃纤维，从短切纤维和注射成型配混料到用于纺织和拉挤成型等工艺的连续纤维。其ArcBiox BSGF系列将可降解玻璃纤维与生物基聚酯树脂相结合，提供通用技术级和ArcBiox 5级，被准许用于食品接触产品。

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ArcBiox X4/5 玻璃纤维有短切和连续两种形式，后者可用于织造和拉挤成型等工艺，如右下所示的与生物基聚酯树脂的结合（图片来源：ABM Composite）


      ABM Composite还研究了各种可生物降解和生物基的聚合物，包括聚乳酸（PLA）、PLLA和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。下图显示了 X4/5 玻璃纤维如何提高性能以便与标准玻纤增强聚合物如聚丙烯（PP）甚至聚酰胺 6（PA6）展开竞争。

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图片来源：ABM Composite


     Rosling表示，生物基PP和PA（其产量正在迅速增加）不会降解。“虽然生物基PLA和PBS会降解，但它们的机械性能和耐热性通常非常低。我们的可降解玻璃纤维向前迈出了一大步，充分提高了其性能，以实现新的应用。”

耐久性与可堆肥性

      如果这些复合材料是可生物降解的，它们如何才能经久耐用呢？“我们的 X4/5 玻璃纤维不像糖那样会在5分钟或一夜之间溶解，虽然其性能会随着时间的推移而降低，但不会那么明显。”Rosling 说道，“为了有效地降解，我们需要长时间升高的温度和湿度，就像在体内或工业堆肥堆中发现的那样。比如，我们测试了使用我们的ArcBiox BSGF 材料制成的杯子和碗，它们可以承受多达 200 次的洗碗循环而不会失去功能。虽然机械性能在一定程度上会降低，但并没有降低到杯子无法再安全使用的程度。”

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在工业堆肥测试期间，使用 X4 玻璃纤维的ArcBiox 材料符合在 90 天内分解成 <2 毫米的碎片以及生物降解 90%（以碳含量衡量）的标准要求。* 冷模注塑成型，**结晶材料热注塑成型。1. 符合UNI EN ISO 20200：2016标准、MP 2238 rev 0 2017标准，2．依据ISO 14855-1：2012 标准进行的氧生物降解性能测试（图片来源：ABM Composite）


      然而，重要的是，当这些复合材料在使用寿命结束后被处理时，它们确实符合堆肥所需的标准要求。ABM Composite进行了一系列的测试，以证明其符合这些标准。“根据 ISO 标准（工业堆肥），生物降解应在 6 个月内发生，并在 3 个月/90 天内分解。”Rosling 说道，“分解意味着将测试样品/产品放入生物质或堆肥中。90 天后，技术人员利用筛网对生物质进行检测。12 周后，至少 90% 的产品应该能够穿过 2毫米 × 2 毫米的筛网。”
      生物降解是通过将原始材料研磨成粉末并在90天后测量释放的CO2总量来确定的。这可以评估堆肥过程中有多少碳含量转化为水、生物质和CO2。“要通过工业堆肥测试，堆肥过程中理论上100% CO2的90%必须达到（根据碳含量计算）。”
      Rosling表示，ABM Composite已经通过了分解和生物降解要求，测试表明，添加其X4玻璃纤维实际上改善了生物降解性（见上表），比如，未增强的PLA混合物仅达到78%。他解释说：“但是，当添加我们的30%的可降解玻璃纤维时，生物降解率提高到94%，而分解率仍然很好。”

      因此，ABM Composite已经证明了其材料可依据EN 13432标准被认证为可堆肥。到目前为止，其材料已通过的测试包括：受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解能力（生物降解）的测试ISO 14855-1、有氧控制性分解测试 ISO 16929、化学要求测试 ISO DIN EN 13432、植物试验（生态毒性试验）OECD 208，ISO DIN EN 13432。

堆肥过程中释放的CO2 

      在堆肥过程中，CO2确实被释放出来，但有些还留在土壤中，然后被植物利用。对堆肥的研究已有几十年，无论是工业过程还是后溯过程，释放的CO2要比其他废物处理替代方案少，堆肥仍被视为是一种环保和减少碳足迹的过程。

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ABM Composite还证明了在其堆肥材料中生长的植物没有毒性（上），并通过了家庭堆肥条件下需氧生物降解的要求（下）（图片来源：ABM Composite）


      生态毒性需要测试堆肥过程中形成的生物质以及使用该生物质种植的植物。“这是为了确保这些产品的堆肥不会对生长中的植物造成任何伤害。” Rosling说道。此外，ABM Composite已经证明了其材料在家庭堆肥条件下符合生物降解要求，这同样要求90%的生物降解度，但时间是在12个月内，而工业堆肥操作的时间较短。

工业应用、生产、成本和未来增长

      ABM Composite的材料被用于一系列的商业应用中，但更多的应用因保密协议而不能透露。“我们订制我们的材料，以适应杯子、碟盘、餐具和食品储藏盒等应用的要求。”Rosling 说道，“但它们还作为石油基塑料的替代品而被用于化妆品容器和大型家居用品中。最近，我们的材料被选中用于制造大型工业机械装置中的部件，这些部件每2-12周就需要更换一次。这些公司已经认识到，由于我们的 X4 玻璃纤维的增强作用，实际上制成的这类机械部件具有所需的耐磨性，而且在使用后还可以堆肥。这是近期一个有吸引力的解决方案，因为这些公司正面临着满足新的环保和CO2排放法规所带来的挑战。”
      Rosling补充道：“人们还越来越感兴趣在不同类型的织物和非织造布中使用我们的连续纤维来制造建筑用的结构部件。我们还发现，人们有兴趣将我们的可降解纤维与生物基但不可降解的PA或PP以及惰性的热固性材料一起使用。”

     目前，X4/5玻璃纤维比E-玻璃纤维贵，但产量也相对较小。ABM Composite正在寻求多种机会来扩大应用范围，以及便于随着需求的增长而将产量提升到2万吨/年，这也有助于降低成本。即便如此，Rosling表示，在许多情况下，满足可持续性和新的法规要求所带来的成本尚未得到充分考虑。与此同时，拯救地球的紧迫性正在增强。“社会已经在推动更多生物基产品的面世。”他解释道，“现在有很多激励措施推动循环技术向前发展，世界需要在此方面走得更快，我认为未来社会只会加大对生物基产品的推进力度。” 

LCA和可持续性优势

      Rosling表示，ABM Composite的材料每公斤可减少50%-60%的温室气体排放和对不可再生能源的用量。“我们正在利用环境足迹数据库 2.0、经认可的 GaBi 数据集以及依据ISO 14040 和 ISO 14044 中概述的方法对我们的产品进行 LCA（生命周期分析）计算。”

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左边的化石基聚合物与右边的ABM Composite的材料之间的差异。左边的橙色表示在EOL产品焚烧期间释放的不可再生CO2，右侧的绿色数据反映了在制造过程中被吸收到产品中的可再生CO2（图片来源：ABM Composite）


     “目前，当复合材料的生命周期结束时，需要大量的能源来焚烧或热解复合材料废物和EOL产品，切碎和堆肥是一个有吸引力的选择，这绝对是我们提供的重要价值主张之一，我们正在提供一种新型的循环性。”Rosling说道，“我们的玻璃纤维由已存在于土壤中的天然矿物成分制成。那么，为什么不对EOL复合材料部件进行堆肥，或者在焚烧后将不可降解的复合材料中的纤维进行溶解并用作肥料呢？这是真正引起全球兴趣的一种回收选择。”