ΤΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΕΡΓΟ ΚΥΚΑ, ΠΡΟΟΔΟΣ ΕΡΓΑΣΙΩΝ

Πράσινα και ανακυκλώσιμα ή/και κομποστοποιήσιμα σύνθετα προϊόντα με βελτιωμένες ιδιότητες από απόβλητα βιομηχανικής κάνναβης στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας.

Αντικείμενο του έργου, που συγχρηματοδοτείται από το Πρόγραμμα ΕΣΠΑ, Πρόσκληση «ΕΡΕΥΝΩ – ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ – ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ» Β’ ΚΥΚΛΟΣ, είναι η κατασκευή νέων σύνθετων προϊόντων από την αξιοποίηση των αγροτικών αποβλήτων (κορμοί και κλαριά) που προκύπτουν από τον θερισμό της βιομηχανικής κάνναβης, και πολυμερών από ανανεώσιμες πηγές ή ανακυκλώσιμα υλικά, στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας.

Συγκεκριμένα, θα γίνει διαχωρισμός της εξωτερικής ίνας από το ξυλώδες εσωτερικό μέρος του κορμού του φυτού της βιομηχανικής κάνναβης με ειδικό μηχάνημα αποίνωσης.

Οι φυσικές και θερμικές ιδιότητες του ξυλώδους τμήματος και της ίνας, θα εξεταστούν με διάφορες μετρήσεις (πχ προσδιορισμός βαθμού κρυσταλλικότητας  και της επιφανειακής χημικής σύστασης (φάσματα C/O) με XRD και φασματοσκοπία XPS, θερμική συμπεριφορά με TGA & DSC) ώστε να εντοπιστούν οι βέλτιστες συνθήκες χρήσης τους κατά την παραγωγή σύνθετων προϊόντων. 

Το εσωτερικό ξυλώδες τμήμα θα τεμαχιστεί κατάλληλα προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή μοριοσανίδων αντί ξύλου (Wood Based Panels - WBP). Για την συγκόλλησή τους, θα αναπτυχθούν πολυμερή τύπου φαινόλης-φορμαλδεΰδης με αντικατάσταση της φαινόλης από πρωτεΐνη σόγιας ενώ ως συγκολλητικές ουσίες αναφοράς θα χρησιμοποιηθούν τυπικές ρητίνες φαινόλης-φορμαλδεΰδης και ουρίας-φορμαλδεΰδης. Η ανακύκλωσή τους θα αξιολογηθεί μέσω καταστροφής (τεμαχισμού) των έτοιμων σανίδων και επαναχρησιμοποίησή στους στην παραγωγή νέων σανίδων τόσο από κάνναβη όσο και από ξύλο, ως μέρος του νέου υλικού (ποσοστά αντικατάστασης 5-50%). 

Οι ίνες από το εξωτερικό μέρος του φλοιού θα χρησιμοποιηθούν ως ενισχυτικά υλικά ανακυκλωμένου πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας (HDPE) και βιο-πολυεστέρων από ανανεώσιμες πρώτες ύλες, προκειμένου να κατασκευαστούν σύνθετα προϊόντα αντίστοιχα των προϊόντων πλαστικό/ξύλο (Wood Plastic Composite-WPC). Η βιο-αποκοδόμησή τους θα ελεγχθεί μέσω συστηματικών μετρήσεων απώλειας μάζας κατά τον ενταφιασμό τους σε χώμα. Όλα τα WΒP όσο και τα WPC του έργου θα αξιολογηθούν πλήρως ως προς τις φυσικοχημικές και θερμικές τους ιδιότητες από τους εταίρους ακολουθώντας τα ανάλογα Ευρωπαϊκά πρότυπα.   

Τα προτεινόμενα προϊόντα τύπου WBP και WPC είναι καινοτόμα και θα κατασκευαστούν για πρώτη φορά στα πλαίσια αυτού του έργου. Τα προϊόντα τύπου WBP θα χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή επίπλων έκθεσης. Τα προϊόντα τύπου WPC εμφανίζουν καλό αισθητικό αποτέλεσμα με υψηλές μηχανικές αντοχές και χαμηλό κόστος συντήρησης, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για χρήση στην κατασκευή αντικειμένων, κατασκευές εσωτερικών και εξωτερικών χώρων, κουφωμάτων και φύλλων πόρτας, αλλά και στην αυτοκινητοβιομηχανία (εσωτερικά τμήματα αυτοκινήτων).

Κύριο πλεονέκτημα των νέων αυτών προϊόντων είναι το χαμηλότερο κόστος και βάρος, αλλά και η αυξημένη φιλικότητά τους στον άνθρωπο και το περιβάλλον αφού θα είναι δυνατή η κομποστοποίηση ή και ανακύκλωσή τους, ανταποκρινόμενα στις επιταγές της κυκλικής οικονομίας. 

Η ζήτηση και χρήση προϊόντων όπως αυτά που θα αναπτυχθούν στο έργο αυξάνεται και λόγω νομοθετικών ρυθμίσεων της Ευρωπαϊκής Ένωσης που απαιτεί την ενσωμάτωση όλο και περισσότερων ανακυκλώσιμων μερών στην κατασκευή προϊόντων.

ΚΑΝΝΑΒΙΟ

Η ΚΑΝΝΑΒΙΟ είναι υπεύθυνη για την παραγωγή βιομηχανικής κάνναβης, την συγκομιδή της και τον διαχωρισμό των επιμέρους υλικών (ίνας και ξύλου) του στελέχους των φυτών.

H ΚΑΝΝΑΒΙΟ καλλιέργησε βιομηχανική κάνναβη τις καλλιεργητικές περιόδους καλοκαίρι 2020 (θερισμός Αύγουστος 2020) και καλοκαίρι 2021 (θερισμός Αύγουστος 2021) και παρείχε ίνες και ξυλοτεμαχίδια από το βλαστό της που προήλθαν από τη χρήση ειδικού μηχανήματος αποΐνωσης που αγοράστηκε για το σκοπό αυτό.

Πιο συγκεκριμένα, η ΚΑΝΝΑΒΙΟ συνέλεξε τα στελέχη της βιομηχανικής κάνναβης που παραμένουν στο χωράφι ως αγροτικό απόβλητο μετά τον θερισμό του σπόρου και των ανθών.

Τα εναπομείναντα στελέχη κόπηκαν σε απόσταση 5 εκατοστών από το έδαφος από ειδικό αγροτικό μηχάνημα και παρέμειναν στο χωράφι για διάστημα 3-5 ημερών. Στη συνέχεια συλλέγονται χειρωνακτικά και αποθηκεύονται μέχρι να διαχωριστούν τα επιμέρους στοιχεία (ίνα και ξύλο).

Η ΚΑΝΝΑΒΙΟ ΚΟΙΝΣΕΠ αποφάσισε να αντικαταστήσει το αρχικώς προγραμματισμένο μηχάνημα αποΐνωσης με ένα άλλο μηχάνημα μικρότερης κλίμακας, χωρίς να επηρεαστεί καθόλου το φυσικό αντικείμενο του έργου.

Σε αυτό το πλαίσιο επιλέχθηκε τελικά η αγορά ενός καινοτόμου Ευρωπαϊκού προϊόντος, ενός μικρότερου, μετακινούμενου μηχανήματος (HurdMaster MD1000 Hemp Micro Decorticator, Latvia) που μπορεί να μεταφερθεί στο χωράφι και στις αποθήκες με μεγάλη ευκολία. Το μηχάνημα που αγοράστηκε από τη Λετονία, είναι στην ιδανική κλίμακα για τους σκοπούς του έργου, οικονομικά αποδοτικό και είναι μια νέα τεχνολογία (ευρεσιτεχνία) που έλαβε βραβείο καινοτομίας στο πρόσφατο συνέδριο της Ευρωπαϊκού Συνδέσμου Βιομηχανικής Κάνναβης (EIHA). Η αποστολή του ήταν άμεση από χώρα εντός της ΕΕ (Λετονία) και χωρίς καθυστερήσεις λόγω πανδημίας.

Αρχικά στάλθηκαν 52 κιλά ολόκληρων στελεχών σε εταίρο (ΕΠΕΞ) για πρώτες αναλύσεις των ιδιοτήτων των συλλεχθέντων στελεχών. Στη συνέχεια αγοράστηκε το μηχάνημα και πραγματοποιήθηκε ο διαχωρισμός των επιμέρους στοιχείων (ίνα και ξύλο) των στελεχών, από εξειδικευμένο προσωπικό. Αρχικά τα στελέχη σπάστηκαν και διαχωρίστηκαν τα επιμέρους στοιχεία από το μηχάνημα και στην συνέχεια το προσωπικό διαχώρισε τα θρυμματισμένα ξύλα που είχαν μείνει μέσα στις ίνες, καθαρίζοντας τις τελευταίες από κάθε πρόσθετο υλικό. Ακολούθησαν άλλες τέσσερεις αποστολές πρώτων υλών κάνναβης (σπασμένων και διαχωρισμένων υλικών) στους εταίρους του έργου, 74 κιλά τεμαχισμένα ξυλώδη στελέχη και 17 κιλά ίνα.

Η ΚΑΝΝΑΒΙΟ συμμετέχει επίσης ενεργά στην διάδοση των αποτελεσμάτων του έργου με έκδοση Δελτίων Τύπου, παρουσίαση των αποτελεσμάτων σε κλαδικά συνέδρια και ημερίδες στην Ελλάδα και το εξωτερικό, αλλά και σχετικές αναρτήσεις στην ιστοσελίδα και τα δίκτυα κοινωνικής δικτύωσης της εταιρείας.

Σε αυτό το πλαίσιο, η ΚΑΝΝΑΒΙΟ διοργάνωσε το Σάββατο 22 Μαΐου 2021 στον Βόλο ένα εργαστήριο παραδοσιακής επεξεργασίας της κάνναβης και επίδειξης κατασκευής χειροποίητου χαρτιού.

Το εργαστήριο περιελάβανε παρουσίαση για τις ιδιότητες και τις χρήσεις της βιομηχανικής κάνναβης, καθώς και του εγχειρήματος της ΚΑΝΝΑΒΙΟ και του ερευνητικού έργου ΚΥΚΑ. Περιελάβανε επίσης επίδειξη και πρακτική εξάσκηση στο χειρωνακτικό σπάσιμο κορμών κάνναβης για διαχωρισμό της ίνας από το ξύλο με τον παραδοσιακό τρόπο με εργαλεία που κατασκευάστηκαν ειδικά για το σκοπό αυτό από τον συνεταιρισμό εργαζομένων ΡΟΚΑΝΙ, χρησιμοποιώντας ανακυκλωμένη ξυλεία. Στο τέλος, ακολούθησε ένα εργαστήριο επίδειξης και κατασκευής χειροποίητου χαρτιού από ίνες κάνναβης.

Στο εργαστήριο συμμετείχαν 15 άτομα από όλη την Ελλάδα και για την δημοσιοποίησή του εκδόθηκε ένα δελτίο τύπου (συνημμένο), στάλθηκε ηλεκτρονική ενημέρωση σε όλα τα μέλη και τους πελάτες της ΚΑΝΝΑΒΙΟ, αναρτήθηκαν ενημερώσεις στα κοινωνικά δίκτυα, ενώ παράχθηκε ένα σύντομο βίντεο για τα κοινωνικά δίκτυα καθώς και φωτογραφικό υλικό.

ΧΕΙΜΑΡ

Η CHIMAR έχει παρασκευάσει σε μεγάλες ποσότητες ρητίνες αναφοράς ουρίας- φορμαλδεΰδης και φαινόλης – φορμαλδεύδης και τις έχει παραδώσει στο ΕΠΕΞ για δοκιμή τους στην κατασκευή σανίδων με κάνναβη.

Παράλληλα, εργάζεται στην ανάπτυξη ρητινικών συστημάτων με πρωτεΐνη και έχει προχωρήσει στην κατασκευή μοριοσανίδων από ξύλο και κόλλες τύπου φαινόλης – φορμαλδεύδης όπου 25% της φαινόλης έχει αντικατασταθεί από πρωτεΐνη σόγιας. Οι σανίδες αυτές αξιολογήθηκαν για τις φυσικές και μηχανικές τους ιδιότητες με βάση τα ισχύοντα Ευρωπαϊκά με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Τέτοιες κόλλες σύντομα θα δοκιμαστούν και σε σανίδες από κάνναβη.

ΑΠΘ (ΕΧΤΠΧ και X. Op.Th.)

Στα πλαίσια του ΚΥΚΑ, η κύρια συνεισφορά του ΑΠΘ έγκειται στη σύνθεση και τη μελέτη σύνθετων υλικών με κάνναβη. Σύνθετα υλικά (composites) χαρακτηρίζονται όλα τα υλικά τα οποία αποτελούνται από τουλάχιστον δύο ευδιάκριτα χημικά συστατικά μέρη που έχουν μία διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ τους. Τυπικά έχουμε ένα υλικό, την μήτρα, στο οποίο προσθέτουμε ένα δεύτερο υλικό το οποίο θα ενισχύσει τις ιδιότητες της μήτρας. Συνήθως ο στόχος είναι να βελτιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες της αρχικής μήτρας, δηλαδή το τελικό υλικό να είναι πιο ανθεκτικό από το αρχικό. Το οπλισμένο σκυρόδεμα (μπετόν αρμέ) μπορεί να θεωρηθεί ένα σύνθετο υλικό, όπου ο οπλισμός, που συνήθως είναι από χάλυβα, έρχεται να ενισχύσει το σκυρόδεμα.

Πιο συγκεκριμένα, το ΑΠΘ θα ενσωματώσει διαφορετικά ποσοστά ινών από το εσωτερικό στέλεχος της κάνναβης σε πολυμερικές μήτρες και στη συνέχεια θα μελετήσει τις ιδιότητες των σύνθετων πολυμερικών υλικών ώστε να διαπιστωθεί εάν αυτά είναι κατάλληλα για να παραχθούν σύνθετα προϊόντα ανάλογα των τυπικών σύνθετων προϊόντων ξύλου/πλαστικού (WPC). Οι πολυμερικές μήτρες που θα μελετηθούν θα είναι φιλικά προς το περιβάλλον πολυμερή, συγκεκριμένα ένα βιοπροερχόμενο πολυμερές, ο πολυ(ηλεκτρικός αιθυλενεστέρας), και ένα ανακυκλωμένο πολυμερές, το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας. Τυπικά, τα πολυμερικά υλικά (τα λεγόμενα πλαστικά) είναι προϊόντα της πετροχημικής βιομηχανίας. Ωστόσο, έχει πλέον γίνει επιτακτική η ανάγκη για ενίσχυση της κυκλικής οικονομίας. Η χρήση βιοπροερχόμενων πολυμερών, δηλαδή πολυμερών που συντίθεται από πρώτες ύλες που παράγονται από βιομάζα, ή ανακυκλωμένων πολυμερών, σε συνδυασμό με την αξιοποίηση αγροτικών υπολειμμάτων (του εσωτερικού στελέχους της κάνναβης), ανταποκρίνεται πλήρως στις επιταγές ενός πιο βιώσιμου μοντέλου παραγωγής.

Τα σύνθετα προϊόντα θα παραχθούν με την τεχνική της ανάμιξης τήγματος, σε έναν διπλοκόχλιο εκβολέα. Το πολυμερές και οι ίνες κάνναβης αλέθονται και στη συνέχεια τροφοδοτούνται στον εκβολέα. Λόγω των δύο ετερόστροφων κοχλίων επιτυγχάνεται ανάμιξη των δύο στερεών. Παράλληλα αυξάνεται η θερμοκρασία μέχρι να λιώσει το πολυμερές, οπότε σχηματίζεται ένα ομοιογενές μίγμα. Κατά την έξοδο από τον εκβολέα, το μίγμα ψύχεται και στερεοποιείται, οπότε παραλαμβάνεται το τελικό σύνθετο πολυμερικό υλικό.

Μετά τη σύνθεση των υλικών θα ακολουθήσει η μελέτη των ιδιοτήτων τους. Αρχικά θα διερευνηθεί η χημική δομή των σύνθετων υλικών, με φασματοσκοπία υπέρυθρου, ώστε να ελεγχθεί ότι δεν έχει αλλοιωθεί η πολυμερική μήτρα από την κατεργασία στον εκβολέα. Με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ, λαμβάνουμε πληροφορίες για τους χημικούς δεσμούς των υλικών και τα στοιχεία που το αποτελούν (γίνεται στοιχειακή ανάλυση). Στη συνέχεια, θα μελετηθεί η θερμική συμπεριφορά των υλικών με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης και θερμοσταθμική ανάλυση. Η πρώτη τεχνική μας επιτρέπει να καθορίσουμε το θερμοκρασιακό παράθυρο στο οποίο μπορεί να μορφοποιηθεί το υλικό, ενώ η δεύτερη τη μέγιστη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να θερμανθεί το υλικό πριν να αρχίσει να καταστρέφεται η χημική του δομή. Με φασματοσκοπία ακτίνων Χ λαμβάνουμε πληροφορίες για την κρυσταλλικότητα των σύνθετων υλικών. Με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης θα μελετηθεί η ομοιογένεια του υλικού, δηλαδή πως έχουν κατανεμηθεί οι ίνες κάνναβης στην πολυμερική μήτρα. Επιπλέον θα διερευνηθούν οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών. Στα πλαίσια αυτών των δοκιμών, επιβάλλεται κάποια μηχανική καταπόνηση στο υλικό και καταγράφεται η συμπεριφορά του, με άλλα λόγια πόσο εύκολα θα σπάσει το υλικό. Τέλος θα μελετηθεί η αποικοδόμηση των σύνθετων υλικών στο έδαφος, ώστε να διαπιστωθεί εάν είναι βιοαποικοδομήσιμα. Τα αποτελέσματα όλων αυτών των χαρακτηρισμών θα αξιολογηθούν συνδυαστικά ώστε να κριθεί η καταλληλότητα των σύνθετων υλικών κάνναβης/πολυ(ηλεκτρικού αιθυλενεστέρα) και κάνναβης/ανακυκλωμένου πολυαιθυλενίου για την αντικατάσταση τυπικών σύνθετων προϊόντων ξύλο/πλαστικό (WPC).

Παράλληλα με τη σύνθεση και μελέτη των σύνθετων υλικών, το ΑΠΘ έχει αναλάβει με ίδιες τεχνικές τον χαρακτηρισμό του στελέχους κάνναβης και των σύνθετων θερμοσκληραινόμενων ρητινών με πρωτεΐνη σόγιας και ίνες κάνναβης που θα ετοιμάσει η CHIMAR, καθώς και την αξιολόγηση των τελικών μοριοσανίδων και προϊόντων τύπου WPC που θα κατασκευαστούν στα πλαίσια του έργου.

ΕΠΕΞ – ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ

Αντικείμενο του ΕΠΕΞ είναι η κατασκευή νέων σύνθετων προϊόντων (μοριοσανίδων) από τα ξυλώδη υπολείμματα κάνναβης. Το ΕΠΕΞ παρέλαβε το υλικό υπολειμμάτων και προχώρησε σε αξιολόγηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων (υπολογισμός ποσοστού υγρασίας, πυκνότητα στελεχών, εκχυλισμάτων, pH, προσδιορισμός ποσοστού εντεριώνης, ξυλώδους μέρους και ινών, ποσοστό προσρόφησης υγρασίας, ρίκνωση, διόγκωση).

Επόμενη φάση ήταν ο τεμαχισμός στελεχών φυτού και η παραγωγή ξυλοτεμαχιδίων, ενώ ακολούθησε ο έλεγχος του σχήματος και των διαστάσεων των ξυλοτεμαχιδίων με κοκκομετρική (κλασματική) ανάλυση. Στο θρυμματισμένο υλικό που παράχθηκε έγινε κλασματική ανάλυση με κοσκίνιση και από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, επιλέχθηκε ο καταλληλότερος τρόπος θρυμματισμού, με απώτερο στόχο τη χρήση των κατάλληλων κλασμάτων για την κατασκευή μοριοσανίδων.

Σε επόμενο στάδιο ακολούθησε η διαδικασία κατασκευής μοριοπλακών με διαφορετικές παραμέτρους, στις οποίες τα ξυλοτεμαχίδια των στελεχών κάνναβης (ίνες κάνναβης και ξυλώδες μέρος κάνναβης) συμμετείχαν σε διάφορες αναλογίες μίξης με τα ξυλοτεμαχίδια βιομηχανικής παραγωγής και με χρήση συγκολλητικών ουσιών, τις ρητίνες αναφοράς φαινόλη-φορμαλδεΰδη και ουρία-φορμαλδεΰδη.

Όλες οι μοριοπλάκες που αναπτύχθηκαν με τις διαφορετικές παραμέτρους κατασκευής (αναλογίες σε ίνες και ξυλώδες μέρος σε σχέση με το ξύλο) αλλά και με τις 2 διαφορετικές κόλλες αναφοράς (κόλλες ουρίας-φορμαλδεΰδης και φαινόλης- φορμαλδεΰδης) έδειξαν ότι υπάρχει δυνατότητα αξιοποίησης των υπολειμμάτων βιομηχανικής κάνναβης για τη δημιουργία σύνθετων προϊόντων. Οι μοριοπλάκες δείχνουν να είναι ο ιδανικότερος τρόπος αξιοποίησης των υπολειμμάτων κάνναβης αφού το προϊόν έχει μεγάλη κατανάλωση στην Ελλάδα, είναι φθηνό και η πρώτη ύλη απαιτεί μικρή δαπάνη ενέργειας για να φτάσει στην τελική μορφή παραγωγής

Σε επόμενο στάδιο θα πραγματοποιηθεί η αξιολόγηση των τελικών προϊόντων, με τον προσδιορισμό μηχανικών, υγροσκοπικών, θερμικών ιδιοτήτων των τελικών προϊόντων.

Το έργο «Πράσινα και ανακυκλώσιμα ή/και κομποστοποιήσιμα σύνθετα προϊόντα με βελτιωμένες ιδιότητες από απόβλητα βιομηχανικής κάνναβης στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας» (ΚΥΚΑ) υλοποιείται στο πλαίσιο της Δράσης ΕΡΕΥΝΩ-ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ-ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ με συγχρηματοδότηση από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης (ΕΤΠΑ) της Ευρωπαϊκής Ένωσης και εθνικούς πόρους μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία (ΕΠΑνΕΚ) (www.kyka-project.eu).