生物可吸收和可降解玻璃纖維

美國《復合材料世界》網(wǎng)站于2023 年9 月8 日推文介紹了一種特異的玻璃纖維。內容如下。

生物活性玻璃，高強度纖維

芬蘭北極生物材料公司（Arctic Biomaterials Oy，簡稱ABM, 位于Tampere）成立于2014 年。該公司開發(fā)了一種由生物活性玻璃制成的可降解玻璃纖維。ABM復合材料的研發(fā)總監(jiān)Ari Rosling說：“這是20 世紀60 年代開發(fā)的一種特殊配方，使玻璃能夠在生理條件下降解。當進入體內時，玻璃分解成其成分的礦物鹽，釋放出鈉、鎂、磷酸鹽等。這就創(chuàng)造了一種促進骨骼生長的條件。”

Rosling說：“它的性能與E玻璃相似。但這種生物活性玻璃很難制造和拉成纖維。以前，它只被用作粉末或膩子。據(jù)我們所知，ABM是第一家以工業(yè)規(guī)模用它制造高強度玻璃纖維的公司，我們現(xiàn)在使用這些命名為ArcBiox X4/5 的玻璃纖維來增強不同類型的塑料，包括可生物降解的聚合物。”

纖維典型性能比較

醫(yī)用植入物

Rosling說，公司所在地距離赫爾辛基以北2 小時車程，自20 世紀80 年代以來一直是醫(yī)療用生物基可降解聚合物的中心。“最早使用這些材料制成的商用植入物之一就是在Tampere生產的，ABM復合材料由此開始，它現(xiàn)在是我們的醫(yī)療業(yè)務部門。”

Rosling指出：“有很多可生物降解和可生物吸收的聚合物用于植入物。但它們的力學性能與天然骨骼相去甚遠。我們能夠增強這些聚合物，使植入物具有與天然骨相同的強度。添加ABM的醫(yī)用級ArcBiox玻璃纖維可以使可生物降解的聚-L-乳酸（PLLA）聚合物的力學性能提高200%～500%。”

因此，ABM 復合材料植入物比那些由未增強聚合物制成的植入物具有更高的性能，同時也具有生物可吸收性，可促進骨的形成和生長。ABM復合材料還使用自動鋪纖技術來確保纖維最佳定向，使纖維跨越整個植入物長度，以及在可能的弱點鋪放更多的纖維。

家居和工業(yè)用途

在其醫(yī)療業(yè)務部門不斷發(fā)展的同時，ABM認識到，可生物降解的生物基聚合物也能用于廚具、餐具和其他家居用品。Rosling說：“ 同樣，與石油基塑料相比，這些可生物降解聚合物的力學性能往往較差。但我們可以用我們的可降解玻璃纖維來增強這些聚合物，使其在廣泛的工業(yè)用途中成為化石基商品塑料的良好替代品。”

實例之一是汽車制動踏板，它采用長纖維技術（LFT）用ArcBiox X4 可降解玻璃纖維增強聚乳酸制成。

ABM因此增加了工業(yè)業(yè)務部門，目前已發(fā)展到總共60 名員工。Rosling指出：“我們提供了更可持續(xù)的報廢產品解決方案。我們的價值主張是，我們可以把這些可生物降解的復合材料投入工業(yè)堆肥作業(yè)中，在那里它們會變成土壤。” 傳統(tǒng)的E玻璃是惰性的，在這些堆肥設施中不會降解。

ArcBiox纖維復合材料

ABM開發(fā)了多種形式的ArcBiox X4/5 玻璃纖維用于復合材料，從短切纖維和注塑料到用于紡織和拉擠成型等工藝的連續(xù)纖維。其ArcBiox BSGF系列產品把可降解玻璃纖維與生物基聚酯樹脂相結合，可提供通用級產品和ArcBiox 5 級可接觸食品的產品。

ABM還研究用ArcBiox X4/5 玻璃纖維增強多種可生物降解聚合物，包括聚乳酸（PLA）、PLLA和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。研究結果顯示了X4/5 玻璃纖維如何提高性能，可與標準玻璃纖維增強聚合物（如聚丙烯甚至聚酰胺6）相競爭。

Rosling指出，生物基聚丙烯和聚酰胺的產量正在迅速增加，但它們不會降解。“盡管生物基PLA和PBS會降解，但它們的力學性能和耐熱性通常都很低。使用我們的可降解玻璃纖維即向前邁出了一大步，充分提高了它們的性能，從而實現(xiàn)了新的應用。”

耐久性與可堆肥性

如果這些復合材料是可生物降解的，那么它們怎么能耐久？ Rosling說：“我們的X4/5 玻璃纖維不像糖那樣會在五分鐘內或一夜之間溶解。它的性能會隨著時間的推移而降低，但不會顯著降低。為了有效降解，我們需要長時間提高溫度和濕度，就像在身體內部或工業(yè)堆肥堆中發(fā)現(xiàn)的那樣。例如，我們測試了用ArcBiox BSGF材料制成的杯子和碗，它們可以承受多達200 次洗碗循環(huán)而不會失去功能。雖然力學性能有所降低，但并沒有降低到杯子無法再安全使用的程度。”

然而，重要的是，當這些復合材料在報廢處理時，它們確實符合堆肥所需的標準。ABM進行了一系列測試，以證明它們符合這些標準。Rosling說：“根據(jù)ISO標準（工業(yè)堆肥標準），生物降解應在6 個月內發(fā)生，分解應在3 個月/90 天內發(fā)生。” “分解性能的測試方法是將測試樣品/產品放入生物質或堆肥中。90 天后，技術人員將生物質通過篩網(wǎng)進行測試。12 周后，至少90%的產品應能通過2 mm×2 mm的篩網(wǎng)。” 生物降解性能則是通過將原始材料研磨成粉末并測量90天后釋放的CO2總量來測定。這可以評估堆肥過程中有多少碳含量轉化為水、生物質和二氧化碳。Rosling說：“要通過工業(yè)堆肥測試，必須在堆肥過程中達到100%二氧化碳理論值（根據(jù)碳含量計算）的90%。”

Rosling說，ABM復合材料已經(jīng)達到了分解和生物降解的要求，測試表明，添加X4 玻璃纖維確實改善了生物降解性。“例如，未增強的PLA混合物僅達到78%，但在添加30%的可降解玻璃纖維后，生物降解性增加到94%，同時分解性保持良好。”

因此，ABM已經(jīng)證明其材料可以根據(jù)EN 13432標準認證為可堆肥材料。到目前為止，其材料已通過的測試包括：

? 受控好氧堆肥（生物降解）試驗ISO 14855-1

? 受控需氧分解試驗ISO 16929

? 化學要求ISO DIN EN 13432

? 植物試驗（生態(tài)毒性試驗）OECD 208，ISO DIN EN 13432

檢測生態(tài)毒性需要對堆肥過程中形成的生物質和使用這種生物質種植的植物進行測試。Rosling說：“這是為了確保這些產品的堆肥不會對生長中的植物造成任何傷害。” 此外，ABM 已經(jīng)證明，使用家庭堆肥條件，其材料滿足生物降解要求同樣需要90%的生物降解，但時間是在12 個月內，而工業(yè)堆肥作業(yè)的時間更短。

用途開發(fā)、生產成本和未來發(fā)展

ABM復合材料正在一些商業(yè)用途中獲得使用，還有更多的應用受到保密協(xié)議的保護。Rosling說：“我們已經(jīng)為杯子、盤子、餐具和食品儲藏箱等行業(yè)量身定制了材料。它們作為石油基塑料的替代品，也被用于化妝品容器和大型家用物品中。最近，我們被選取為大型工業(yè)機械設備供應零部件。這些零部件需要每2～12 周更換一次。公司已經(jīng)認識到，由于我們的X4 玻璃纖維的增強作用，這些機械零部件具有所需的耐磨損性，而且使用后仍然可以堆肥。這是一個有吸引力的近期解決方案，因為公司面臨著滿足新的環(huán)境和二氧化碳法規(guī)的挑戰(zhàn)。”

Rosling補充道：“人們也越來越希望在不同類型的紡織品和非織布中使用我們的連續(xù)纖維來制造建筑用途的結構部件。我們也看到了把我們的可降解纖維與不可降解的生物基聚酰胺或聚丙烯以及惰性熱固性材料一起使用的興趣。”

目前，X4/5 玻璃纖維比E玻璃纖維更貴，產量也較小。ABM正在尋求多種擴大應用的機會，隨著需求的增長，產量可以隨時擴展到20 000 噸/年。這也有助于降低成本。即便如此，Rosling指出，在許多情況下，可持續(xù)性和滿足新法規(guī)的成本尚未得到充分考慮。同時，拯救地球的緊迫性正在增加。他說：“社會已經(jīng)在推動研發(fā)更多的生物基產品。現(xiàn)在有很多激勵措施在促進循環(huán)利用技術的發(fā)展，世界需要它走得更快。我認為，未來社會只會加大對更多生物基產品的推動力度。”

生命周期分析與可持續(xù)優(yōu)勢

Rosling說，ABM復合材料可以減少每公斤材料產生的溫室氣體和使用的不可再生能源50%～60%。“我們正在使用環(huán)境足跡數(shù)據(jù)庫2.0、經(jīng)認可的GaBi數(shù)據(jù)集，并根據(jù)ISO 14040 和ISO 14044 標準中概述的方法，對我們的產品進行生命周期分析。”

Rosling還說：“目前，在復合材料壽命結束時，焚燒或熱解復合材料廢棄物需要大量的能源。” “切碎和堆肥是一種有趣的選擇。這絕對是我們提供的一大價值主張。我們正在提供一種新型的循環(huán)經(jīng)濟。我們的玻璃纖維是由土壤中已經(jīng)存在的天然礦物組分制成的。所以，為什么不對報廢復合材料進行堆肥處理，或者在焚燒后將我們的纖維從不可降解的復合材料中溶解出來，并將其用作肥料呢？這是一個真正引起全世界興趣的回收選擇。”