生物可吸收和可降解玻璃纤维

美国《复合材料世界》网站于2023 年9 月8 日推文介绍了一种特异的玻璃纤维。内容如下。

生物活性玻璃，高强度纤维

芬兰北极生物材料公司（Arctic Biomaterials Oy，简称ABM, 位于Tampere）成立于2014 年。该公司开发了一种由生物活性玻璃制成的可降解玻璃纤维。ABM复合材料的研发总监Ari Rosling说：“这是20 世纪60 年代开发的一种特殊配方，使玻璃能够在生理条件下降解。当进入体内时，玻璃分解成其成分的矿物盐，释放出钠、镁、磷酸盐等。这就创造了一种促进骨骼生长的条件。”

Rosling说：“它的性能与E玻璃相似。但这种生物活性玻璃很难制造和拉成纤维。以前，它只被用作粉末或腻子。据我们所知，ABM是第一家以工业规模用它制造高强度玻璃纤维的公司，我们现在使用这些命名为ArcBiox X4/5 的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。”

纤维典型性能比较

医用植入物

Rosling说，公司所在地距离赫尔辛基以北2 小时车程，自20 世纪80 年代以来一直是医疗用生物基可降解聚合物的中心。“最早使用这些材料制成的商用植入物之一就是在Tampere生产的，ABM复合材料由此开始，它现在是我们的医疗业务部门。”

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。但它们的力学性能与天然骨骼相去甚远。我们能够增强这些聚合物，使植入物具有与天然骨相同的强度。添加ABM的医用级ArcBiox玻璃纤维可以使可生物降解的聚-L-乳酸（PLLA）聚合物的力学性能提高200%～500%。”

因此，ABM 复合材料植入物比那些由未增强聚合物制成的植入物具有更高的性能，同时也具有生物可吸收性，可促进骨的形成和生长。ABM复合材料还使用自动铺纤技术来确保纤维最佳定向，使纤维跨越整个植入物长度，以及在可能的弱点铺放更多的纤维。

家居和工业用途

在其医疗业务部门不断发展的同时，ABM认识到，可生物降解的生物基聚合物也能用于厨具、餐具和其他家居用品。Rosling说：“ 同样，与石油基塑料相比，这些可生物降解聚合物的力学性能往往较差。但我们可以用我们的可降解玻璃纤维来增强这些聚合物，使其在广泛的工业用途中成为化石基商品塑料的良好替代品。”

实例之一是汽车制动踏板，它采用长纤维技术（LFT）用ArcBiox X4 可降解玻璃纤维增强聚乳酸制成。

ABM因此增加了工业业务部门，目前已发展到总共60 名员工。Rosling指出：“我们提供了更可持续的报废产品解决方案。我们的价值主张是，我们可以把这些可生物降解的复合材料投入工业堆肥作业中，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开发了多种形式的ArcBiox X4/5 玻璃纤维用于复合材料，从短切纤维和注塑料到用于纺织和拉挤成型等工艺的连续纤维。其ArcBiox BSGF系列产品把可降解玻璃纤维与生物基聚酯树脂相结合，可提供通用级产品和ArcBiox 5 级可接触食品的产品。

ABM还研究用ArcBiox X4/5 玻璃纤维增强多种可生物降解聚合物，包括聚乳酸（PLA）、PLLA和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。研究结果显示了X4/5 玻璃纤维如何提高性能，可与标准玻璃纤维增强聚合物（如聚丙烯甚至聚酰胺6）相竞争。

Rosling指出，生物基聚丙烯和聚酰胺的产量正在迅速增加，但它们不会降解。“尽管生物基PLA和PBS会降解，但它们的力学性能和耐热性通常都很低。使用我们的可降解玻璃纤维即向前迈出了一大步，充分提高了它们的性能，从而实现了新的应用。”

耐久性与可堆肥性

如果这些复合材料是可生物降解的，那么它们怎么能耐久？ Rosling说：“我们的X4/5 玻璃纤维不像糖那样会在五分钟内或一夜之间溶解。它的性能会随着时间的推移而降低，但不会显著降低。为了有效降解，我们需要长时间提高温度和湿度，就像在身体内部或工业堆肥堆中发现的那样。例如，我们测试了用ArcBiox BSGF材料制成的杯子和碗，它们可以承受多达200 次洗碗循环而不会失去功能。虽然力学性能有所降低，但并没有降低到杯子无法再安全使用的程度。”

然而，重要的是，当这些复合材料在报废处理时，它们确实符合堆肥所需的标准。ABM进行了一系列测试，以证明它们符合这些标准。Rosling说：“根据ISO标准（工业堆肥标准），生物降解应在6 个月内发生，分解应在3 个月/90 天内发生。” “分解性能的测试方法是将测试样品/产品放入生物质或堆肥中。90 天后，技术人员将生物质通过筛网进行测试。12 周后，至少90%的产品应能通过2 mm×2 mm的筛网。” 生物降解性能则是通过将原始材料研磨成粉末并测量90天后释放的CO2总量来测定。这可以评估堆肥过程中有多少碳含量转化为水、生物质和二氧化碳。Rosling说：“要通过工业堆肥测试，必须在堆肥过程中达到100%二氧化碳理论值（根据碳含量计算）的90%。”

Rosling说，ABM复合材料已经达到了分解和生物降解的要求，测试表明，添加X4 玻璃纤维确实改善了生物降解性。“例如，未增强的PLA混合物仅达到78%，但在添加30%的可降解玻璃纤维后，生物降解性增加到94%，同时分解性保持良好。”

因此，ABM已经证明其材料可以根据EN 13432标准认证为可堆肥材料。到目前为止，其材料已通过的测试包括：

• 受控好氧堆肥（生物降解）试验ISO 14855-1

• 受控需氧分解试验ISO 16929

• 化学要求ISO DIN EN 13432

• 植物试验（生态毒性试验）OECD 208，ISO DIN EN 13432

检测生态毒性需要对堆肥过程中形成的生物质和使用这种生物质种植的植物进行测试。Rosling说：“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。” 此外，ABM 已经证明，使用家庭堆肥条件，其材料满足生物降解要求同样需要90%的生物降解，但时间是在12 个月内，而工业堆肥作业的时间更短。

用途开发、生产成本和未来发展

ABM复合材料正在一些商业用途中获得使用，还有更多的应用受到保密协议的保护。Rosling说：“我们已经为杯子、盘子、餐具和食品储藏箱等行业量身定制了材料。它们作为石油基塑料的替代品，也被用于化妆品容器和大型家用物品中。最近，我们被选取为大型工业机械设备供应零部件。这些零部件需要每2～12 周更换一次。公司已经认识到，由于我们的X4 玻璃纤维的增强作用，这些机械零部件具有所需的耐磨损性，而且使用后仍然可以堆肥。这是一个有吸引力的近期解决方案，因为公司面临着满足新的环境和二氧化碳法规的挑战。”

Rosling补充道：“人们也越来越希望在不同类型的纺织品和非织布中使用我们的连续纤维来制造建筑用途的结构部件。我们也看到了把我们的可降解纤维与不可降解的生物基聚酰胺或聚丙烯以及惰性热固性材料一起使用的兴趣。”

目前，X4/5 玻璃纤维比E玻璃纤维更贵，产量也较小。ABM正在寻求多种扩大应用的机会，随着需求的增长，产量可以随时扩展到20 000 吨/年。这也有助于降低成本。即便如此，Rosling指出，在许多情况下，可持续性和满足新法规的成本尚未得到充分考虑。同时，拯救地球的紧迫性正在增加。他说：“社会已经在推动研发更多的生物基产品。现在有很多激励措施在促进循环利用技术的发展，世界需要它走得更快。我认为，未来社会只会加大对更多生物基产品的推动力度。”

生命周期分析与可持续优势

Rosling说，ABM复合材料可以减少每公斤材料产生的温室气体和使用的不可再生能源50%～60%。“我们正在使用环境足迹数据库2.0、经认可的GaBi数据集，并根据ISO 14040 和ISO 14044 标准中概述的方法，对我们的产品进行生命周期分析。”

Rosling还说：“目前，在复合材料寿命结束时，焚烧或热解复合材料废弃物需要大量的能源。” “切碎和堆肥是一种有趣的选择。这绝对是我们提供的一大价值主张。我们正在提供一种新型的循环经济。我们的玻璃纤维是由土壤中已经存在的天然矿物组分制成的。所以，为什么不对报废复合材料进行堆肥处理，或者在焚烧后将我们的纤维从不可降解的复合材料中溶解出来，并将其用作肥料呢？这是一个真正引起全世界兴趣的回收选择。”