นักวิจัยฟินแลนด์พัฒนา ‘เรซินชีวภาพ’ จากเศษไม้ ทนทานกว่าเรซินจากปิโตรเลียมถึง 76% และรีไซเคิลได้ 100% แบบ Closed-loop

ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา อุตสาหกรรมการผลิตทั่วโลกต้องเผชิญกับทางเลือกที่ดูเหมือนไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้ นั่นคือการเลือกระหว่าง ประสิทธิภาพ กับ ความยั่งยืน วัสดุที่ทนทานและราคาถูกมักมาพร้อมกับต้นทุนทางสิ่งแวดล้อมที่สูง ในขณะที่วัสดุจากธรรมชาติมักแพ้ทางด้านคุณสมบัติทางกลและต้นทุนการผลิต

แต่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Oulu ประเทศฟินแลนด์ กำลังพิสูจน์ให้เห็นว่าทางเลือกนั้นอาจไม่จำเป็นต้องมีอีกต่อไป พวกเขาพัฒนา เรซินชีวภาพ ที่ไม่เพียงแค่ "พอใช้ได้" แต่ยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าคู่แข่งจากน้ำมันในหลายมิติ และนั่นอาจเป็นจุดพลิกเกมที่อุตสาหกรรมวัสดุคอมโพสิตรอคอยมานาน

ทำไมเรซินโพลีเอสเตอร์และเรซินอีพ็อกซีถึงสำคัญขนาดนี้?

ก่อนจะเข้าใจว่านวัตกรรมนี้สำคัญแค่ไหน ต้องเข้าใจก่อนว่าวัสดุทั้งสองชนิดนี้อยู่ในชีวิตประจำวันของเรามากแค่ไหน

เรซินโพลีเอสเตอร์ คือสารยึดเกาะหลักในวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยใยแก้ว พบได้ในทุกที่ตั้งแต่ตัวถังเรือและแผงรถยนต์ ไปจนถึงแผ่นหลังคา อ่างอาบน้ำ และอุปกรณ์สุขภัณฑ์ต่างๆ ส่วน เรซินอีพ็อกซี นั้นเป็นตัวเลือกหลักสำหรับงานที่ต้องการความแข็งแกร่งสูงสุด ทั้งกาวโครงสร้าง สารเคลือบป้องกัน ใบพัดกังหันลม โครงสร้างเครื่องบิน ไปจนถึงอุปกรณ์กีฬาระดับสูงอย่างไม้เทนนิสและจักรยานแข่ง

ตลาดเรซินคอมโพสิตระดับโลกมีมูลค่าหลายหมื่นล้านดอลลาร์และกำลังเติบโตต่อเนื่องตามความต้องการในภาคพลังงานหมุนเวียนและการขนส่ง ทว่าวัสดุเหล่านี้ล้วนผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเกือบทั้งหมด

ปัญหาใหญ่ที่อุตสาหกรรมเลี่ยงไม่ได้

ความท้าทายด้านความยั่งยืนของเรซินโพลีเอสเตอร์และเรซินอีพ็อกซีแบบเดิมมีอยู่สองระดับ

ระดับแรกคือ การผลิต เนื่องจากทั้งสองชนิดต้องอาศัยน้ำมันดิบเป็นสารตั้งต้น ใช้พลังงานสูงในกระบวนการผลิต และปล่อยคาร์บอนจำนวนมาก ในยุคที่ทั่วโลกกำลังเร่งลด Carbon Footprint เรซินฟอสซิลจึงกลายเป็นจุดอ่อนสำคัญในห่วงโซ่อุปทานของหลายอุตสาหกรรม

ระดับที่สองและร้ายแรงกว่าคือ การรีไซเคิล เพราะเมื่อเรซินบ่มตัวแล้ว โมเลกุลจะสร้างโครงข่ายเชื่อมขวางที่แน่นหนามาก ไม่สามารถหลอมซ้ำหรือละลายได้ง่ายๆ ยิ่งไปกว่านั้น การแยกเรซินออกจากเส้นใยแก้วหรือเส้นใยคาร์บอนที่ฝังอยู่ภายในเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน แพง และมีเพียงโรงงานเฉพาะทางบางแห่งเท่านั้นที่ทำได้ในระดับอุตสาหกรรม ผลก็คือวัสดุคอมโพสิตจำนวนมหาศาลทั่วโลกจบชีวิตในหลุมฝังกลบ

วิทยาศาสตร์เบื้องหลัง: เมื่อขี้เลื่อยกลายเป็นวัสดุประสิทธิภาพสูง

นี่คือจุดที่ทีมวิจัยจาก Oulu เข้ามาเปลี่ยนสมการ

สารตั้งต้นหลักของเรซินอีพ็อกซีแบบเดิมคือ ไดกลีซิดิลอีเทอร์ของบิสฟีนอล เอ ซึ่งเป็นสารที่สังเคราะห์จากปิโตรเคมี ทีมวิจัยแทนที่โครงหลักนี้ด้วย ไดอีพ็อกไซด์จากเฟอร์ฟูรัล ที่ได้จากการแปรรูปชีวมวลลิกโนเซลลูโลส หรือก็คือชีวมวลที่ประกอบด้วยเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนิน อย่างเช่น ขี้เลื่อยและฟางข้าว ที่เป็นของเสียจากอุตสาหกรรมป่าไม้และการเกษตร

เฟอร์ฟูรัลเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่ได้จากการย่อยสลายเฮมิเซลลูโลสในชีวมวล และเมื่อนำไปผ่านกระบวนการเคมีเพิ่มเติมจะได้ไดอีพ็อกไซด์ที่ทำหน้าที่เป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานของระบบเรซินอีพ็อกซีใหม่นี้ กุญแจสำคัญอยู่ที่โครงสร้างวงแหวนฟิวแรน ที่มีทั้งความแข็งแกร่งทางกลและคุณสมบัติที่ สามารถสลายตัวได้ทางเคมีเมื่อต้องการ

สำหรับเรซินโพลีเอสเตอร์ชีวภาพ ทีมวิจัยใช้แนวทางเดียวกันคือการทดแทนสารตั้งต้นฟอสซิลด้วยอนุพันธ์จากชีวมวลที่ให้สมบัติเทียบเท่าหรือดีกว่า

ผลลัพธ์ที่พิสูจน์ตัวเอง

• ความแข็งแรงดึงสูงกว่าถึง 76% เมื่อเทียบกับเรซินโพลีเอสเตอร์เชิงพาณิชย์แบบเดิม ตามที่ Mikko Salonen นักวิจัยระดับปริญญาเอกประจำทีมเปิดเผย
• วัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยใยแก้วที่ใช้เรซินอีพ็อกซีชีวภาพรุ่นใหม่ แสดงให้เห็นความแข็งแรงดัดและความเหนียวที่สูงกว่า เรซินอีพ็อกซีแบบดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญในการทดสอบ
• ที่สำคัญที่สุดในมิติความยั่งยืนคือ สามารถรีไซเคิลเชิงเคมีได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในเรซินชีวภาพที่มีสมรรถนะสูง

"นี่เป็นครั้งแรกที่เรามีเรซินชีวภาพประสิทธิภาพสูงที่สามารถรีไซเคิลเชิงเคมีได้สร้างระบบการผลิตวัสดุคอมโพสิตแบบวงกลมปิดอย่างแท้จริง อาจมีเรซินอีพ็อกซีชีวภาพอื่นๆ อยู่ แต่นี่เป็นการผสมผสานแรกที่รายงานว่าทำได้ทั้งสมรรถนะทางกลสูงและการรีไซเคิลเชิงเคมีพร้อมกัน" ทีมวิจัยระบุ

ความสามารถในการรีไซเคิลนี้หมายความว่าเมื่อใบพัดกังหันลมหรือตัวถังเรือสิ้นอายุการใช้งาน แทนที่จะจบลงที่หลุมฝังกลบ วัสดุเหล่านั้นสามารถนำกลับมาสกัดเป็นวัตถุดิบได้ใหม่ ซึ่งนั่นคือนิยามที่แท้จริงของ เศรษฐกิจหมุนเวียน ในโลกของวัสดุคอมโพสิต

ข้อได้เปรียบเชิงพาณิชย์ที่ทำให้นักลงทุนสนใจ

นวัตกรรมหลายอย่างติดกับดักที่ว่า "ดีแต่แพงเกินไปจะนำไปใช้จริง" แต่เรซินชีวภาพจาก Oulu มีข้อได้เปรียบในเชิงพาณิชย์อย่างน้อยสามด้านที่ต่างออกไป

ด้านต้นทุน Juha Heiskanen สมาชิกทีมวิจัยระบุชัดเจนว่า "เรซินชีวภาพจะไม่มีความแตกต่างด้านราคาอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับเรซินฟอสซิล เพราะเมื่อสารเคมีแพลตฟอร์มชีวภาพถูกผลิตขึ้นแล้ว กระบวนการถัดไปสามารถใช้สายการผลิตของอุตสาหกรรมเคมีที่มีอยู่เดิมได้เลย" ซึ่งหมายความว่า ไม่ต้องลงทุนสร้างโรงงานใหม่

ด้านวัตถุดิบ การใช้ขี้เลื่อยและฟางข้าวซึ่งเป็นของเสียที่มีอยู่มหาศาลและราคาถูก ช่วยลดต้นทุนวัตถุดิบและลดปัญหาการจัดการวัสดุเหลือทิ้งจากการเกษตรไปพร้อมกัน

ด้านห่วงโซ่คุณค่า Heiskanen ชี้ว่า "การยกระดับวัตถุดิบชีวภาพให้กลายเป็นวัสดุและผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพสูงเปิดโอกาสสำคัญในการขยายเศรษฐกิจชีวภาพ" ซึ่งหมายถึงโอกาสในการสร้างห่วงโซ่คุณค่าใหม่ทั้งหมดตั้งแต่เกษตรกร ผู้ผลิตสารเคมี ไปจนถึงผู้ผลิตวัสดุคอมโพสิตขั้นสุดท้าย

มิติเชิงกลยุทธ์: ความมั่นคงด้านวัสดุและนโยบาย EU

งานวิจัยชิ้นนี้มีนัยสำคัญในระดับนโยบายด้วย โดยเฉพาะสำหรับยุโรปที่มีสำรองน้ำมันไม่ถึง 2% ของโลก การพึ่งพาเรซินฟอสซิลจากต่างประเทศไม่เพียงสร้างความเสี่ยงทางสิ่งแวดล้อม แต่ยังเป็นความเสี่ยงด้านความมั่นคงของห่วงโซ่อุปทานอีกด้วย

เรซินชีวภาพที่ผลิตได้จากชีวมวลภายในประเทศจึงสอดคล้องกับเป้าหมายหลักสองประการของ EU ได้แก่ การพึ่งพาตนเองด้านวัสดุ และ เป้าหมายเศรษฐกิจหมุนเวียน ตามกรอบนโยบาย Green Deal ของสหภาพยุโรป ซึ่งหมายความว่ามีแรงสนับสนุนเชิงนโยบายรอรับอยู่แล้ว หากเทคโนโลยีนี้พร้อมขยายสู่ระดับอุตสาหกรรม

จากแล็บสู่โรงงาน

แม้ผลลัพธ์จะน่าตื่นเต้น แต่ต้องยอมรับตามความจริงว่างานวิจัยนี้ยังอยู่ในขั้นทดสอบและพิสูจน์ผล การที่จะเห็นใบพัดกังหันลม ตัวถังเรือ หรือโครงสร้างเครื่องบินที่ทำจากวัสดุชีวภาพรีไซเคิลได้จริงในตลาดเชิงพาณิชย์คงต้องใช้เวลาอีกหลายปี

ทีมวิจัยได้จดสิทธิบัตรครอบคลุมงานวิจัยทั้งหมดแล้ว 3 ฉบับ และกำลังอยู่ระหว่างการมองหาพันธมิตรภาคอุตสาหกรรมเพื่อก้าวสู่การผลิตในระดับนำร่อง ผลการวิจัยฉบับสมบูรณ์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Composites Part B: Engineering แล้ว

สิ่งที่น่าจับตาต่อจากนี้คือใครจะเป็นพันธมิตรภาคอุตสาหกรรมรายแรกที่กล้านำเทคโนโลยีนี้ไปขยายผลในเชิงพาณิชย์ เพราะผู้ที่ทำได้เร็วที่สุดอาจเป็นผู้กำหนดมาตรฐานใหม่ของอุตสาหกรรมวัสดุคอมโพสิตทั้งอุตสาหกรรมได้เลย

ที่มา: University of Oulu, วารสาร Composites Part B: Engineering