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[신기술소개] 콘스탄즈대(University of Konstanz): 바이오 오일 기반 새로운 분자설계법을 이용한 완전 재활용 가능한 플라스틱 개발

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Academic year: 2021

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공업화학 전망, 제24권 제2호, 2021

콘스탄즈대(University of Konstanz): 바이오 오일 기반 새로운 분자설계법을 이용한 완전 재활용 가능한 플라스틱 개발

플라스틱 생산은 원유 자원을 소비할 뿐만 아니라 대부분은 효과적으로 재활용되지 않으며 환경오염 물 질이다. 예컨대, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 전기 절연체, 파이프 및 세제 병을 포함한 다양한 응용 분야 에 탁월한 특성을 갖는다. HDPE는 용융 및 재처리를 통해 기계적으로 정기적으로 재활용되나, 미국 환경 보호국(US Environmental Protection Agency)에 따르면, 모든 플라스틱의 10% 미만과 HDPE병의 약 30%만이 혼합 플라스틱 폐기물 스트림에서 회수되어 재활용되고 있다(2018년)고 했다.

이러한 문제를 해결하기 위해 플라스틱의 구성 폴리머가 지속 가능하도록 재설계되어야 한다. 즉, 재활 용을 통해 플라스틱의 유용한 특성을 유지할 수 있고, 필요시 분자 구조를 완전히 분해할 수 있는 플라스틱 의 설계가 필요하다.

최근 콘스탄즈대의 Häußler 교수 연구팀은 이러한 기준을 모두 충족할 수 있는 잠재력이 있는 플라스틱 을 개발했다. Häußler 교수 연구팀은 식물이나 미세 조류에서 추출한 오일을 변형시키기 위해 고수익 화학 (반응 수율 95% 이상) 반응을 개발했고, 이를 기반으로 HDPE의 주요 특성이 많지만 완전한 폐쇄 루프 재 활용을 위해 설계된 플라스틱을 보고했다. 폴리머 사슬은 일정하게 배치된 탄산염 또는 에스테르 결합의 작 은 부분을 포함하므로, 물 또는 일반 알코올과의 잘 확립된 ‘용매 분해’ 반응을 사용해 폴리머 사슬의 완전 분해와 모노머의 거의 완전 회수(96 %) 및 폐쇄 루프 재활용을 가능하게 할 수 있다. 연구팀은 용매 분해 반응에서 단량체의 분리와 재중합을 통한 플라스틱의 특성을 유지하는 것이 가능하다는 것을 밝혔다.

Häußler 교수 연구팀은 단량체의 끝단에 화학 그룹을 선택적으로 붙이기 위해 고효율 촉매(반응 수율 80~90%)를 사용했고, 이러한 화학 그룹은 폴리머에서 원하는 ‘파단점’의 기초를 형성하게 하여, 이를 기 반으로 단량체를 중합할 수 있었다. 연구팀은 특히 중합 반응에서 특정 공단량체(diethylcarbonate)를 사용 해 폴리머를 합성하였고, 이를 통해 HDPE의 열적, 기계적 및 처리 특성과 일치하는 플라스틱을 만드는 데 성공하였다.

Häußler 교수 연구팀은 새로운 플라스틱이 사출 성형 및 3D 프린팅과 같은 일반적인 산업 기술을 사용 하여 가공될 수 있으며 착색제 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있음을 증명했다. 그들은 또한 새로운 플라스틱 이 음료수 병에 널리 사용되는 상용 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 기존 플라스틱과 혼합될 때 새로운 플라스틱의 용매 분해가 선택적으로 발생함을 보여주었다. 이러한 Häußler교수 연구팀의 개념 증 명은 새로운 플라스틱의 선택적 재활용 가능성을 암시한다.

이러한 연구 결과에도 불구하고, 여전히 초기 단계의 연구이므로, 폴리머-폴리머로의 재활용을 산업 규 모의 공정 및 제품으로 변환, 플라스틱 제조, 형성 및 재활용 산업 공정 개발, 경제성 고려 등이 여전히 필 요하다. 또한 새로운 플라스틱과 기존 폐기물 관리 시스템의 통합 상용성도 고려해야 한다.

정리하면, Häußler 연구팀의 결과는 완전 재활용 가능한 플라스틱의 개발이라는 점에서 매우 고무적이 다. Häußler 교수 연구팀은 본 결과를 바탕으로 수명주기 평가를 기반으로 하여 지속 가능성을 더욱 향상 시키는 연구를 할 예정이다.

연구성과는 SpringerNature 출판 그룹의 Nature 온라인판에 게재됐다(Nature, 590, 2021, https://doi.

org/10.1038/s41586-020-03149-9).

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KIC News, Volume 24, No. 2, 2021

KIC News, Volume 24, No. 2, 2021 55

Figure. 제시된 폐쇄 루프 재활용 개념. (1) 식물 또는 미세 조류 오일(

‘바이오 기반’, 상단 삽입)을 생물 정제하여 얻은 장쇄 지방족 빌딩 블록( ‘단량체’)을 중합하여 폴리에틸렌과 유사한 특성을 가진 폴리카보네이트와 폴리에스터 생성해 일반적인 사출 성형 진행 (2) 적층 제조(예: 3D 프린팅)에도 적합. (3) 폴리에틸렌과 유사한 폴리머의 인장 테스트 후 용매

분해 공정을 통해 기본 모노머로의 화학적 재활용 (4) 폴리머 주사슬에 존재하는 작용기에 의해 화학적 재활용.

회수된 단량체 이용, 초기 중합체와 동등한 특성을 가진 재료로 재중합(> 96% 재활용).

출처: NEWS AND VIEWS (17 February 2021) (https://www.nature.com/articles/d41586-021-00349-9)

작성: 손 희 상 (광운대학교)

참조

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