美國《復(fù)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(nèi)容如下。

生物活性玻璃，高強(qiáng)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(fù)合材料的研發(fā)總監(jiān)Ari Rosling說：“這是20 世紀(jì)60 年代開發(fā)的一種特殊配方，使玻璃能夠在生理?xiàng)l件下降解。當(dāng)進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，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(jìn)骨骼生長的條件?！?/p>

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?zhàn)印?jù)我們所知，ABM是第一家以工業(yè)規(guī)模用它制造高強(qiáng)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(qiáng)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(shí)車程，自20 世紀(jì)80 年代以來一直是醫(yī)療用生物基可降解聚合物的中心?！白钤缡褂眠@些材料制成的商用植入物之一就是在Tampere生產(chǎn)的，ABM復(fù)合材料由此開始，它現(xiàn)在是我們的醫(yī)療業(yè)務(wù)部門?！?/p>

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(xué)性能與天然骨骼相去甚遠(yuǎn)。我們能夠增強(qiáng)這些聚合物，使植入物具有與天然骨相同的強(qiáng)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(xué)性能提高200%～500%。”

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

家居和工業(yè)用途

在其醫(yī)療業(yè)務(wù)部門不斷發(fā)展的同時(shí)，ABM認(rèn)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(xué)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(qiáng)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?！?/p>

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

ABM因此增加了工業(yè)業(yè)務(wù)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(bào)廢產(chǎn)品解決方案。我們的價(jià)值主張是，我們可以把這些可生物降解的復(fù)合材料投入工業(yè)堆肥作業(yè)中，在那里它們會(huì)變成土壤?！?傳統(tǒng)的E玻璃是惰性的，在這些堆肥設(shè)施中不會(huì)降解。

ArcBiox纖維復(fù)合材料

ABM開發(fā)了多種形式的ArcBiox X4/5 玻璃纖維用于復(fù)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(chǎn)品把可降解玻璃纖維與生物基聚酯樹脂相結(jié)合，可提供通用級產(chǎn)品和ArcBiox 5 級可接觸食品的產(chǎn)品。

ABM還研究用ArcBiox X4/5 玻璃纖維增強(qiáng)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(jié)果顯示了X4/5 玻璃纖維如何提高性能，可與標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維增強(qiáng)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(chǎn)量正在迅速增加，但它們不會(huì)降解?！氨M管生物基PLA和PBS會(huì)降解，但它們的力學(xué)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(shí)現(xiàn)了新的應(yīng)用?！?/p>

耐久性與可堆肥性

如果這些復(fù)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(huì)在五分鐘內(nèi)或一夜之間溶解。它的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，但不會(huì)顯著降低。為了有效降解，我們需要長時(shí)間提高溫度和濕度，就像在身體內(nèi)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(dá)200 次洗碗循環(huán)而不會(huì)失去功能。雖然力學(xué)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(dāng)這些復(fù)合材料在報(bào)廢處理時(shí)，它們確實(shí)符合堆肥所需的標(biāo)準(zhǔn)。ABM進(jìn)行了一系列測試，以證明它們符合這些標(biāo)準(zhǔn)。Rosling說：“根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)（工業(yè)堆肥標(biāo)準(zhǔn)），生物降解應(yīng)在6 個(gè)月內(nèi)發(fā)生，分解應(yīng)在3 個(gè)月/90 天內(nèi)發(fā)生?！?“分解性能的測試方法是將測試樣品/產(chǎn)品放入生物質(zhì)或堆肥中。90 天后，技術(shù)人員將生物質(zhì)通過篩網(wǎng)進(jìn)行測試。12 周后，至少90%的產(chǎn)品應(yīng)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(zhuǎn)化為水、生物質(zhì)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(dá)到100%二氧化碳理論值（根據(jù)碳含量計(jì)算）的90%?！?/p>

Rosling說，ABM復(fù)合材料已經(jīng)達(dá)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(shí)改善了生物降解性?！袄纾丛鰪?qiáng)的PLA混合物僅達(dá)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(shí)分解性保持良好?！?/p>

因此，ABM已經(jīng)證明其材料可以根據(jù)EN 13432標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(yàn)ISO 14855-1

? 受控需氧分解試驗(yàn)ISO 16929

? 化學(xué)要求ISO DIN EN 13432

? 植物試驗(yàn)（生態(tài)毒性試驗(yàn)）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(zhì)和使用這種生物質(zhì)種植的植物進(jìn)行測試。Rosling說：“這是為了確保這些產(chǎn)品的堆肥不會(huì)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(shí)間是在12 個(gè)月內(nèi)，而工業(yè)堆肥作業(yè)的時(shí)間更短。

用途開發(fā)、生產(chǎn)成本和未來發(fā)展

ABM復(fù)合材料正在一些商業(yè)用途中獲得使用，還有更多的應(yīng)用受到保密協(xié)議的保護(hù)。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(jī)械設(shè)備供應(yīng)零部件。這些零部件需要每2～12 周更換一次。公司已經(jīng)認(rèn)識到，由于我們的X4 玻璃纖維的增強(qiáng)作用，這些機(jī)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(gè)有吸引力的近期解決方案，因?yàn)楣久媾R著滿足新的環(huán)境和二氧化碳法規(guī)的挑戰(zhàn)?！?/p>

Rosling補(bǔ)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(jié)構(gòu)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(chǎn)量也較小。ABM正在尋求多種擴(kuò)大應(yīng)用的機(jī)會(huì)，隨著需求的增長，產(chǎn)量可以隨時(shí)擴(kuò)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(shí)，拯救地球的緊迫性正在增加。他說：“社會(huì)已經(jīng)在推動(dòng)研發(fā)更多的生物基產(chǎn)品。現(xiàn)在有很多激勵(lì)措施在促進(jìn)循環(huán)利用技術(shù)的發(fā)展，世界需要它走得更快。我認(rèn)為，未來社會(huì)只會(huì)加大對更多生物基產(chǎn)品的推動(dòng)力度?！?/p>

生命周期分析與可持續(xù)優(yōu)勢

Rosling說，ABM復(fù)合材料可以減少每公斤材料產(chǎn)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(rèn)可的GaBi數(shù)據(jù)集，并根據(jù)ISO 14040 和ISO 14044 標(biāo)準(zhǔn)中概述的方法，對我們的產(chǎn)品進(jìn)行生命周期分析?！?/p>

Rosling還說：“目前，在復(fù)合材料壽命結(jié)束時(shí)，焚燒或熱解復(fù)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(jià)值主張。我們正在提供一種新型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。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(bào)廢復(fù)合材料進(jìn)行堆肥處理，或者在焚燒后將我們的纖維從不可降解的復(fù)合材料中溶解出來，并將其用作肥料呢？這是一個(gè)真正引起全世界興趣的回收選擇?！?/p>