Zapewnianie opłacalności biopochodnych termoplastycznych tworzyw sztucznych o obiegu zamkniętym dla przemysłu
Europejski sektor produkcyjny znajduje się pod rosnącą presją. Musi bowiem zmniejszyć swoją zależność od surowców otrzymywanych z paliw kopalnych przy jednoczesnym zachowaniu wydajności, opłacalności produkcji i skalowalności. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu VITAL(odnośnik otworzy się w nowym oknie) podjął to wyzwanie, opracowując praktyczne rozwiązania produkcyjne, które umożliwiają zastąpienie konwencjonalnych tworzyw sztucznych alternatywami opartymi na biotechnologii w istniejących środowiskach przemysłowych. „Przejście z materiałów opartych na paliwach kopalnych na nadające się do recyklingu materiały biopochodne nie jest już opcjonalne - to strategiczna konieczność”, uważa Lisa Wikström, koordynatorka projektu VITAL. Podstawą projektu VITAL było opracowanie nowych procesów spieniania polimerów pochodzenia biologicznego, takich jak kwas polimlekowy (PLA), poliuretan termoplastyczny (TPU) pochodzenia biologicznego i biopochodny poliamid. Spienianie polega na wprowadzaniu pęcherzyków gazu do polimeru podczas przetwarzania, zmniejszając zużycie materiału i wagę przy jednoczesnym zachowaniu właściwości strukturalnych.
Trzy łańcuchy wartości dla biotworzyw produkowanych w obiegu zamkniętym
Partnerzy projektu zajęli się procesami w trzech uzupełniających się łańcuchach wartości. Pierwszy z nich skupiał się na materiałach spienianych wykorzystywanych w technologii druku 3D. Zespół opracował nową głowicę drukującą pozwalającą na bezpośrednie przetwarzanie granulatów polimerowych, eliminując potrzebę produkcji filamentu i umożliwiając wykorzystanie azotu jako środka spieniającego. Pozwala to na dostosowanie gęstości części w każdej warstwie, co przekłada się na redukcję wagi nawet o 66 %. Skuteczność technologii została zademonstrowana przy pomocy wydrukowanej ściany działowej przeznaczonej do montażu na statkach wycieczkowych, wykonanej z nadającego się do recyklingu PLA. Drugi łańcuch wartości obejmował niskoenergetyczne spieniania kulek. Konwencjonalne spienianie opiera się na parze, której wytwarzanie jest energochłonne, w dodatku nie pozwala na wykorzystanie wielu biopochodnych tworzyw sztucznych. Zespół projektu VITAL zastąpił parę ogrzewaniem przy pomocy fal radiowych, zmniejszając zużycie energii nawet o 90 %. Dzięki zastosowaniu tego procesu badaczom z powodzeniem udało się wytwarzać nadające się do recyklingu pianki TPU z zawartością bioproduktów wynoszącą do 60 %. Proces ten został również pomyślnie przetestowany z wykorzystaniem PLA, co umożliwia nowe metody produkcji amortyzatorów i materiałów chroniących przed skutkami uderzeń na potrzeby motoryzacji, opakowań i wyrobów konsumenckich. Trzeci łańcuch wartości w ramach projektu VITAL skupił się na formowaniu wtryskowym pianki (FIM) - procesie produkcyjnym, który jest szczególnie istotny w przypadku tworzyw termoplastycznych nadających się do recyklingu mechanicznego. „Opracowaliśmy pionierskie rozwiązania w kilku obszarach, aby dostosować proces produkcyjny do biopochodnych tworzyw termoplastyczncyh oraz jak możemy je skutecznie poddawać recyklingowi. Ponadto przyglądaliśmy się temu, jak wykorzystanie cyfrowych bliźniaków i sterowania procesami przy pomocy algorytmów uczenia maszynowego może usprawnić te obszary”, mówi Wikström. Zespół projektu VITAL opracował nowe, wytrzymałe i ognioodporne rodzaje PLA, które są obecnie dostępne na rynku, a także zademonstrował ich zastosowanie na przemysłowych liniach formowania wtryskowego. Prototypowe rozwiązania obejmowały również system sterowania procesami oparty na algorytmach uczenia maszynowego, który zmniejszył zużycie energii, poprawił jakość elementów i pomógł w zmniejszeniu ilości odpadów. Badacze wyprodukowali elementy wnętrz pojazdów i komponenty lodówek przy użyciu form wykorzystywanych w produkcji elementów z konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Testy podzespołów pojazdów wykazały obiecujące rezultaty, jednak proces będzie wymagał dopracowania, z kolei niespienione części lodówek spełniły wymagania dotyczące osiągów i znacznie zmniejszyły emisję gazów cieplarnianych.
Od testów przemysłowych do komercjalizacji
Konsorcjum projektu VITAL, w którego skład wchodzą organizacje badawcze i partnerzy przemysłowi z sektorów motoryzacyjnego, elektronicznego i morskiego, zapewnia, że przypadki użycia odzwierciedlały rzeczywiste wymagania. Badaczom udało się osiągnąć obiecujące rezultaty w zakresie nowatorskich procesów spieniania biopochodnych termoplastycznych tworzyw sztucznych, co toruje drogę do rozwoju procesów wykorzystywanych w przetwórstwie przemysłowym, uzyskiwanie nowych właściwości materiałów oraz opracowania nowych rozwiązań. „Spienianie to skuteczny sposób na zmniejszenie wymaganej ilości materiału i wagi, a tym samym ograniczenie kosztów. Redukując masę materiału, zmniejszając zużycie energii i umożliwiając recykling, zespół projektu VITAL pokazuje, że ekologia i opłacalność nie muszą się wykluczać”, stwierdza Wikström.
