นักวิจัยนาโนเทค สวทช. จับมือจุฬาฯ ต่อยอดไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกหอยแมลงภู่ ผสมขยะพลาสติกชีวภาพ (PLA) พัฒนา “Re-ECOFILA เส้นพลาสติกรักษ์โลกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติ” ย่อยสลายได้ 100% คุณภาพเทียบเท่าของที่มีในท้องตลาดในราคาที่ถูกกว่า
หวังทดแทนของนำเข้าราคาสูง สร้างโอกาสการเข้าถึงเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติของนักเรียน นักศึกษาและคนทั่วไป ตอบ BCG เศรษฐกิจหมุนเวียน-สีเขียว ช่วยคืนชีพขยะ PLA จัดการขยะเปลือกหอยแมลงภู่ในชุมชน ขับเคลื่อนเศรษฐกิจด้วยนวัตกรรมอย่างยั่งยืน
ดร. ชุติพันธ์ เลิศวชิรไพบูลย์ นักวิจัยจากทีมวิจัยการวินิจฉัยระดับนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุตอบสนองและเซ็นเซอร์ระดับนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า Re-ECOFILA มาจากงานวิจัย “เส้นพลาสติกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติผลิตจากขยะเปลือกหอยแมลงภู่และขยะพลาสติกชีวภาพ” ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง สวทช. โดยนาโนเทค และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย โดย ศาสตราจารย์ ดร. สนอง เอกสิทธิ์ ที่มีแนวคิดการใช้ประโยชน์ไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกหอยแมลงภู่ที่ได้ทำงานวิจัยมาก่อนหน้านั้น จากความเป็นไปได้สำหรับเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ โดยจะไปแทนที่แคลเซียมคาร์บอเนตจากหินปูนที่ใช้ในกระบวนการผลิตพอลิเมอร์
ข้อมูลจากกลุ่มสถิติการประมง กรมประมง กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ พบว่า ประเทศไทยผลิตหอยแมลงภู่เฉลี่ยมากกว่า 50,000 ตันต่อปี โดยน้ำหนักมากกว่าครึ่งเป็นน้ำหนักของเปลือกหอย ทำให้เกิดขยะเปลือกหอยสะสมเป็นจำนวนมากตามพื้นที่ชุมชนที่ประกอบอาชีพเลี้ยงหอยและแกะเนื้อหอยขาย ส่งผลเสียต่อคุณภาพชีวิตของคนในชุมชน ปัจจุบัน วิธีการเดียวที่จะนำเปลือกหอยแมลงภู่ไปใช้ประโยชน์คือ การรับซื้อในราคาถูกเพื่อนำไปถมที่
“แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ถูกใช้เป็นสารเติมแต่ง (additive) ในอุตสาหกรรมพอลิเมอร์ เพื่อลดต้นทุน โดยเติมแคลเซียมคาร์บอเนตจากหินปูนที่มีราคาถูกกว่า แต่เมื่อเรามีขยะจากเปลือกหอยแมลงภู่จำนวนมาก ซึ่งเปลือกหอยเป็นแหล่งแคลเซียมคาร์บอเนตที่มีความบริสุทธิ์สูง นอกจากจะสามารถใช้ทดแทนแคลเซียมคาร์บอเนตจากหินปูนได้แล้ว ยังช่วยในมิติของสิ่งแวดล้อมและคุณภาพชีวิตของประชาชนได้อีกด้วย ทีมวิจัยจึงได้พัฒนาวิธีการแปรรูปเปลือกหอยแมลงภู่เป็นไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตและนำไปใช้เป็นสารเติมแต่งใน PLA เพื่อฉีดเป็นเส้นพลาสติกสำหรับใช้ขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ” ดร. ชุติพันธ์กล่าว
ปัจจุบัน พอลิแลกติกแอซิด (polylactic acid: PLA) ซึ่งเป็นพลาสติกชีวภาพผลิตจากพืชนั้น มีการใช้งานที่แพร่หลายมากขึ้นโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการพิมพ์สามมิติ (3D printing) จากคุณสมบัติของ PLA ที่เหมาะสมสำหรับการฉีดขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ ได้แก่ มีจุดหลอมเหลวที่ต่ำ, มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างต่ำ (dimension stability) และมีค่าการไหลที่เหมาะสำหรับการฉีดขึ้นรูป โดยเฉพาะอุตสาหกรรมการพิมพ์สามมิติด้วยเทคนิค FDM (Fused Deposition Modeling) ซึ่งจะเป็นการหลอมเส้นพลาสติกให้กลายเป็นของเหลวแล้วฉีดออกมาเป็นเส้นด้วยหัวฉีด โดยเครื่องพิมพ์จะฉีดเส้นพลาสติกตามแนวระนาบและฉีดซ้อนทับเป็นชั้นไปเรื่อย ๆ จนกลายเป็นชิ้นงาน
ทีมวิจัยนาโนเทค-จุฬาฯ เริ่มจากพัฒนาวิธีการแปรรูปเปลือกหอยแมลงภู่เป็นไบโอแคลเซียมคาร์บอเนต โดยไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตที่ได้มีรูปร่างกลมและมีขนาดเฉลี่ยประมาณ 109 นาโนเมตร มีความบริสุทธิสูงโดยจากผลการวิเคราะห์ด้วย TGA พบว่า ไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตมีความบริสุทธิ์มากกว่าร้อยละ 98 โดยน้ำหนัก และจากผลการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Raman spectroscopy พบว่า ไบโอแคลเซียมมีอัญรูปเป็นอะราโกไนต์
ในช่วงแรก ทีมวิจัยได้นำพลาสติกชีวภาพหรือ PLA มาผสมกับไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกหอยแมลงภู่ที่เตรียมขึ้นมา จากนั้น นำไปแล้วฉีดขึ้นรูปเป็นเส้นพลาสติกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติ ผลที่ได้คือ เส้นพลาสติกที่มีคุณภาพดีมีคุณภาพเทียบเท่ากับเส้นพลาสติกที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ สามารถใช้งานได้กับเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ FDM ได้ทันที นับเป็นโอกาสทางการตลาดที่ใหญ่ ในขณะเดียวกันก็มองเห็นโอกาสในการนำขยะพลาสติกจากการพิมพ์สามมิติมาคืนชีพ ใช้ทดแทน PLA
ดร. ชุติพันธ์ กล่าวว่า เมื่อศึกษาข้อมูลด้านการพิมพ์สามมิติ ก็พบว่า ปริมาณขยะพลาสติกจากการพิมพ์สามมิติทั้งชิ้นส่วนที่ไม่ใช้แล้วและการเกิดขยะจากการกระบวนการพิมพ์ (การพิมพ์ support และการพิมพ์ที่ผิดพลาด) สืบเนื่องจากปัจจุบันที่เทคโนโลยีมีราคาถูกลง การใช้ที่ไม่ซับซ้อน สามารถเพิ่มกำลังการผลิตได้ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์อย่างรวดเร็ว (fast fashion) ทำให้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติถูกนำไปใช้ในวงกว้าง ไม่จำกัดเฉพาะการขึ้นรูปต้นแบบอีกต่อไป อาทิ การพิมพ์วัสดุสามมิติสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมเครื่องนุ่งห่ม เป็นต้น
“เราได้ทดลองนำขยะพลาสติกชีวภาพ หรือ Recycled PLA จากกระบวนการพิมพ์สามมิติมาใช้ โดยบดผสมกับไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกหอยแมลงภู่ แล้วฉีดขึ้นรูปเป็นเส้นพลาสติกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติ โดย Re-ECOFILA หรือเส้นพลาสติกที่ผลิตได้มีคุณภาพเทียบเท่ากับเส้นพลาสติกที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ สามารถใช้งานได้กับเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ FDM ได้ทันที อาจจะมีข้อจำกัดเรื่องสีของเส้นพลาสติกที่แตกต่างจากของทั่วไป แต่ก็เป็นอีกหนึ่งโอกาสทางการตลาด ด้วยข้อมูลจาก HSSMI ซึ่งเป็นบริษัทให้คำปรึกษาด้านการผลิตที่ด้วยกระบวนการที่ยั่งยืน พบว่า มีการใช้เครื่องพิมพ์สามมิติชนิด FDM ที่ต้องใช้เส้นพลาสติกโดยเฉพาะเส้นพลาสติกผลิตจาก PLA ถึง 66% ของจำนวนเครื่องพิมพ์สามมิติทั่วโลก” ดร. ชุติพันธ์กล่าว
เส้นพลาสติกที่ผลิตได้จากงานวิจัยนี้ ดร. ชุติพันธ์เผยว่า เป็นเส้นพลาสติกที่มีราคาไม่แพง คุณภาพเทียบเท่ากับเส้นพลาสติกที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ สามารถใช้งานได้กับเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ FDM ได้ทันที ซึ่งจะทำให้ต้นทุนการผลิตต่อชิ้นต่ำลง สามารถใช้นวัตกรรมนี้เพื่อผลิตเส้นพลาสติกราคาถูกสำหรับการใช้งานที่ไม่ต้องใช้ PLA คุณภาพสูง เพิ่มโอกาสและความสามารถในการแข่งขันให้ผู้ประกอบการได้อีกทางหนึ่ง ด้วยเป็นวัสดุทางเลือกที่สามารถลดต้นทุนการผลิตและค่าใช้จ่ายในการขึ้นรูปต้นแบบผลิตภัณฑ์ ในขณะเดียวกัน ยังเป็นการเพิ่มโอกาสให้นักเรียน นักศึกษาในสถานศึกษาและบุคคลทั่วไปให้สามารถเข้าถึงเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติได้ง่ายขึ้นจากวัสดุที่ราคาถูกลง เป็นประโยชน์ต่อการเรียนการสอนและการพัฒนาโครงงานและงานนวัตกรรมสำหรับนักเรียน นักศึกษา
นอกจากนี้ นวัตกรรมเส้นพลาสติกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติผลิตจากขยะเปลือกหอยแมลงภู่และขยะพลาสติกชีวภาพ ยังเป็นการบริหารจัดการทรัพยากรตามแนวทางเศรษฐกิจชีวภาพ-เศรษฐกิจหมุนเวียน-เศรษฐกิจสีเขียว (BCG) สร้างมูลค่าให้กับขยะจากการพิมพ์สามมิติและขยะจากอุตสาหกรรมอาหารทะเล (Waste-to-Wealth) ส่งเสริมการจัดการของเสีย (waste management) ทั้งขยะเปลือกหอยสะสมในแหล่งชุมชนและขยะพลาสติก PLA ที่ไม่มีวิธีการจัดการอย่างเป็นรูปธรรม โดยนำมาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่สามารถสร้างมูลค่า ส่งผลให้มีการวางแผนการจัดการขยะอย่างเป็นระบบและมีประสิทธิภาพ กำจัดขยะเก่า และลดการสร้างขยะใหม่
“ที่สำคัญ ผลงานนี้ยังสามารถสร้างรายได้ให้กับชุมชนจากการขายเปลือกหอยแมลงภู่เหลือทิ้งจากการแปรรูปอาหารทะเลให้ภาคธุรกิจโดยการแปรรูปเบื้องต้น เช่นเดียวกับองค์ความรู้และเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นนี้ ก็สามารถถ่ายทอดให้ผู้ประกอบการไทยมีเทคโนโลยีการผลิตเส้นพลาสติกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติ ลดต้นทุนการผลิตด้วยการใช้สารเติมแต่งไบโอแคลเซียมคาร์บอเนต และเทคโนโลยีการนำขยะพลาสติก PLA กลับมาใช้ใหม่ ผลิตภัณฑ์สามารถจำหน่ายเป็นผลิตภัณฑ์กลางน้ำเพื่อนำไปใช้ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์อื่นๆ หรือผลิตเป็นสินค้าเพื่อจำหน่ายได้เชิงพาณิชย์ได้” นักวิจัยนาโนเทคกล่าว พร้อมชี้ว่า ปัจจุบัน เทคโนโลยีมีระดับความพร้อมอยู่ที่ TRL 6 เส้นพลาสติกที่ผลิตได้ถูกนำไปใช้กับเครื่องพิมพ์สามมิติและสามารถพิมพ์ชิ้นงานสามมิติได้ โดยคุณภาพของชิ้นงานเทียบเท่ากับชิ้นงานที่ถูกพิมพ์จากเส้นพลาสติกที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ โดยทีมวิจัยอยู่ระหว่างศึกษาความเป็นไปได้ของโมเดลธุรกิจ เพื่อทำให้นวัตกรรมเส้นพลาสติกที่พัฒนาขึ้นถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างเป็นรูปธรรมงานวิจัย
นอกจากนี้ ดร. ชุติพันธ์แย้มว่า เขาเตรียมต่อยอดการวิจัย เพื่อเพิ่มแอพพลิเคชันการใช้งานที่มีความต้องการทางการตลาดอีกมุมหนึ่ง จากนวัตกรรมรักษ์โลก ย่อยสลายได้ 100% ที่สามารถตอบโจทย์ลูกค้ากลุ่ม CRS เราจะเปลี่ยนมาใช้พลาสติก ABS หรือ Acrylonitrile Butadiene Styrene ที่มีความแข็งแรง ทนทาน นิยมใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างแพร่หลาย ผสมกับสารตัวเติมที่มีคุณสมบัติหน่วงไฟ (flame retardants) ที่เตรียมขึ้นใช้เองโดยมีสารตั้งต้นเป็นไบโอแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกหอยแมลงภู่ พัฒนาเป็นวัสดุที่มีสมบัติหน่วงไฟ สามารถประยุกต์ใช้เป็นผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ภายในบ้าน เฟอร์นิเจอร์ อุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อาทิ เช่น เคสคอมพิวเตอร์ที่ออกแบบให้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวและพิมพ์ผ่านเครื่องพิมพ์สามมิติ เป็นต้น ซึ่งจะเป็นอีก 1 ตลาดใหญ่ที่จะต่อยอดใช้ประโยชน์จากขยะเปลือกหอยแมลงภู่ในอนาคต
เส้นพลาสติกสำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติผลิตจากขยะเปลือกหอยแมลงภู่และขยะพลาสติกชีวภาพ ได้รับรางวัลเหรียญเงิน สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ และรางวัลพิเศษ (Special Prize) จาก Korea Invention Promotion Association สาธารณรัฐเกาหลี ในการประกวดสิ่งประดิษฐ์และนวัตกรรมระดับนานาชาติ ในเวที “Taiwan Innotech Expo 2023” (TIE 2023) เมื่อวันที่ 12 – 14 ตุลาคม 2566 ณ กรุงไทเป ไต้หวัน โดยได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.)
