새로운 화학 방법이 사용된 고무를 고부가가치 수지로 전환

고무는 전 세계적으로 거대한 시장을 가진 매우 가치 있는 소재입니다. 그 사용은 수백 년 전부터였지만 주로 나무에서 얻는 천연 고무에 제한되었습니다. 고무를 내구성 있고 다재다능하게 만드는 현대적인 가황 공정은 1839년까지 개발되지 않았습니다.

화학자 찰스 구디어는 황 및 기타 화학 물질과 열을 처리하여 천연 또는 합성 고무를 개선한 가황 고무를 발명했습니다.

탄성, 유연성, 인성, 인장 강도, 노화 저항성, 불투과성, 충격 흡수 및 내열성 같은 고유한 특성 때문에 고무는 자동차, 건설, 산업, 의료, 소비재 및 포장 분야에서 매우 가치가 있습니다.

하지만 고무 폐기물은 거대한 폐기물 위기에 기여하는 주요 문제로, 환경, 인간 건강 및 경제에 도전을 제기합니다. 폐기물 발생 증가 문제는 도시화, 경제 발전 및 인구 증가의 산물입니다.

특히 타이어는 고무 폐기물의 주요 원천입니다. 전 세계 폐타이어 생산량은 연간 총 고형 폐기물의 2%를 차지합니다.

심각한 고무 폐기물 문제

전 세계적으로 매년 약 10억 개의 타이어가 폐기되며, 수백만 개가 매립지에 들어갑니다. 영국만 해도 연간 약 3,700만 개의 자동차 및 트럭 타이어가 폐기되는 것으로 추정됩니다. 한편 미국에서는 2021년에 2억 7,400만 개 이상의 타이어가 폐기되었으며, 그 중 약 20%가 처리 시설에 버려졌습니다.

이는 단순히 공간 문제만은 아닙니다. 이러한 폐기물의 축적은 환경 위험을 초래합니다.

고무 제품에는 항산화제와 항오존제 등 다양한 화학 물질이 포함되어 있어 환경으로 침출되어 건강 위험을 초래할 수 있습니다. 특히 타이어와 같은 고무 폐기물을 매립지에 부적절하게 처리하면 유해 물질 및 중금속 침출로 인해 지하수 오염까지 일어날 수 있습니다.

비생분해성이라는 특성 때문에 고무는 환경에 장기간 남아 수세기 동안 오염과 시각적 눈부심을 유발합니다. 또한 고무는 매우 인화성이 높아 폐타이어가 쌓이면 큰 화재 위험을 초래하고 유해 오염 물질을 대기 중으로 방출합니다.

2020년 영국 정부 지원 연구는 타이어 입자가 주요하고 추가적인 미세플라스틱 원천이며, 실제로 수역에서 크게 문서화되지 않은 미세플라스틱 원천일 수 있다고 제시했습니다.

이 연구는 타이어 입자가 대기를 통해 직접 바다로 이동하거나 빗물에 의해 하수구와 강으로 운반되어 물 처리 과정을 통과할 수 있음을 보여주는 최초의 연구였습니다.

“과학자들은 오래전부터 타이어 파편이 해양 환경에 숨은 위협을 가하고 있다고 의심해 왔지만, 수중 환경에서 그 양을 측정한 연구는 거의 없었습니다,” 라고 리처드 톰슨 OBE 교수는 말했습니다. 이 연구는 “미세플라스틱 원천으로서 타이어 마모의 중요성에 대한 실제 통찰을 제공한다”고 밝혔습니다.

이 모든 요인은 긴급한 조치와 지속 가능한 폐기물 관리 관행으로의 전환을 요구합니다.

효율적인 고무 폐기물 관리 솔루션의 필요성

특히 타이어에서 발생하는 고무 폐기물은 생산 증가와 제한된 수명으로 전 세계적으로 증가하는 문제이며, 효과적인 폐기물 관리 및 재활용 솔루션이 필요합니다.

“타이어 입자는 전 세계 미세플라스틱 오염의 가장 큰 원천 중 하나로 여겨지며,” “보다 개선된 차량 타이어 설계를 통한 보다 체계적인 솔루션이 필요합니다,” 라고 해양 연구소 소장인 리처드 톰슨 OBE FRS 교수가 말했습니다.

지난 해 플리머스 대학교와 뉴캐슬 대학교가 수행하고 영국 국립 고속도로청이 자금을 지원한 연구에 따르면 저류지가 타이어 오염을 완화하는 데 도움이 될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 연구는 또한 타이어 마모 입자가 다른 형태의 미세플라스틱보다 더 많이 발생했으며, 훨씬 더 큰 양으로 제거되었다고 언급했습니다.

현재 저류지와 습지의 존재가 타이어에서 방출되는 입자 양을 평균 75% 감소시켜 강과 바다를 보호하는 것으로 밝혀졌습니다.

따라서 연구자들은 도로에서 강으로 흐르는 타이어 입자 흐름을 줄이기 위해 습지와 저류지 유지 관리를 주요 우선순위로 삼을 것을 권고했습니다.

“저류지와 습지는 주로 흐름을 완화하고 하류 홍수를 방지하기 위해 고속도로 프로젝트의 일환으로 구축되지만, 동시에 오염 물질을 제거하기 위해서도 사용됩니다. 영국 전략적 도로망의 일부 구간에 설치된 이러한 기존 배수 조치는 타이어 오염 확산을 차단할 가능성이 있습니다.”

— 플로렌스 파커-저드 부연구원

습지와 저류지의 유입수, 유출수 및 퇴적물에서 수집된 타이어 마모 입자의 총량에 대한 정확한 수치를 얻기 위해, 연구팀은 뉴캐슬 대학교의 제프 앳밋이 개발한 열분해-가스 크로마토그래피-질량 분석(Py-GC-MS) 방법을 사용했습니다. 이 방법은 환경 중 타이어 유래 입자를 식별하기 위해 개발되었습니다.

또 다른 유망한 해결책은 재활용으로, 고무 폐기물 처리의 환경 영향을 줄이고 재활용 재료로 새로운 제품을 만들 수 있습니다.

재활용 고무의 한 적용 분야는 건설로, 아스팔트 및 콘크리트 혼합물, 포장석, 놀이터 표면 등에 사용할 수 있습니다. 다른 적용 분야로는 인조 잔디 충전재, 스포츠 표면, 바닥 타일, 음향 절연재가 있습니다. 열처리 과정을 이용하면 폐고무를 연료나 다른 에너지 원으로 전환할 수도 있습니다.

열분해는 고무 폐기물을 유용하게 전환하는 인기 있는 공정입니다. 이 화학 공정에서는 고무를 고온 분해를 통해 재활용합니다. 산소가 없는 환경에서 유기 물질의 공유 결합을 분리합니다.

고무 폐기물을 열분해하면 재활용 탄소 블랙 나노입자(RCBN)와 오일/가스가 생성되며, 이는 시멘트 가마에서 대체 연료로 사용할 수 있습니다.

폐타이어를 열분해하여 얻은 재활용 고무 폐기물은 전기 전도성 콘크리트 생산에도 활용될 수 있습니다. 전도성 고무 폐기물은 항공우주, 군사 및 자동차 산업에서 사용되고 있습니다.

하지만 고무 폐기물 관리는 심각한 도전에 직면해 있습니다. 우선 전 세계적으로 발생하는 고무 폐기물의 방대한 양 때문에 효율적으로 관리하고 재활용하기가 매우 어렵습니다.

또한 고무 제품의 다양성과 복잡한 화학 조성 때문에 재활용 및 재사용이 어렵습니다. 널리 사용되는 열분해 공정조차도 단점이 있는데, 다이옥신 및 벤젠과 같은 유해 부산물을 생성하여 건강 및 환경 위험을 초래합니다.

효과적인 고무 폐기물 수집, 분류 및 재활용을 위한 인프라와 기술이 부족합니다. 전통적인 폐기물 관리 방식은 고무 폐기물을 수집, 소각 및 매립지에 처분하는 데 초점을 맞춥니다.

이러한 상황에서 고무 폐기물 증가 문제를 효과적으로 해결하기 위해 효율적인 폐기물 관리 기술을 개발하는 것이 필수적입니다.

‘지속 가능성 지표’가 플라스틱 오염을 억제하는 데 도움이 되는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.

고무 폐기물을 재활용하는 새로운 화학 공정

미국 에너지부(DOE) 자금 지원과 Nature에 발표된¹ 새로운 고무 폐기물 처리 기술을 소개했습니다.

타이어에 사용되는 다이엔 폴리머와 같은 상업용 다이엔 폴리머의 화학 재활용 전략이 부족한 상황에서, 고무 폐기물을 분해하기 위한 새로운 화학 방법이 개발되었습니다.

UNC 챕펠 힐 화학과 조교수인 알렉산드르 주코비치키 박사가 이끄는 연구팀은 C-H 아민화와 폴리머 백본 재배열 전략을 적용하여 폐고무를 에폭시 수지 전구체로 전환했습니다.

이 물질 분해는 전통적인 재활용 방법에 대한 혁신적이고 실용적이며 지속 가능한 대안을 제공하며, 고무 분해에 대한 기존 접근 방식의 과제를 극복하는 것을 목표로 합니다.

고무는 폴리머가 삼차원 네트워크로 교차 결합된 구조로 이루어져 있습니다. 이러한 광범위한 교차 결합은 고무를 견고하고 유연하며 내구성 있게 만들지만, 동시에 분해에 대한 저항성을 높입니다.

고무를 분해하는 주요 기존 기술은 두 가지가 있습니다: 황 교차 결합을 분해하지만 폴리머의 기계적 특성을 손상시키는 탈가황(de-vulcanization)과 촉매 또는 산화 방법을 이용한 폴리머 백본 절단으로, 이는 저가 부산물을 생성하는 경향이 있습니다.

두 방법 모두 고무 폐기물을 재활용하기 위한 효율적이고 확장 가능한 해결책을 제공하지 못합니다. 이러한 장애물을 극복하기 위해 연구팀은 “혼합물 형태에서도 가치를 지닌 기능성 물질로 고무를 분해하는 방법”을 개발했다고 주코비치키 박사가 말했습니다.

이를 위해 연구팀은 이산화황의 이미드인 황 디이미드 시약을 개발했으며, 이는 다이엔 폴리머와 고무의 알릴 아민화를 최대 35%까지 가능하게 합니다. 이후 양이온성 2-aza-Cope 재배열을 적용하여 폴리머를 분해했습니다.

황 디이미드 시약을 도입하면 폴리머 사슬의 특정 위치에 아민기를 배치할 수 있게 되며, 이어지는 백본 재배열을 위한 기반을 마련합니다. 화학 반응은 폴리머 백본을 재구성하는데, 이 재구성은 고무를 가용성 아민 기능성 물질로 분해하는 과정을 포함합니다. 연구진이 보여준 바와 같이 이 두 단계 공정은 뛰어난 성능을 발휘합니다.

모델 폴리머에 적용했을 때, 연구진은 폴리머를 크게 분해할 수 있었습니다. 폴리머의 분자량은 58,100 g/mol에서 약 400 g/mol로 감소했습니다.

이 방법을 사용된 고무에 적용했을 때, 6시간 만에 완전히 분해할 수 있었습니다. 아민화된 소비자 사용 후 고무는 아민기가 포함된 가용성 물질로 변환되어 에폭시 수지와 같은 재료 생산에 활용될 수 있습니다.

에폭시 수지는 뛰어난 접착 특성으로 알려져 있으며, 접착제, 코팅, 실란트, 전기 절연 및 토목 공학 수리 등에 사용됩니다. 에폭시 수지는 일반적으로 비스페놀 A와 경화제와 같은 석유 기반 화학 물질로 제조됩니다.

연구에 따르면, 얻어진 가용성 아민 기능성 폴리머를 사용해 만든 에폭시 열경화성 수지는 상업용 비스페놀 A 기반 수지와 유사한 강도를 가지고 있습니다.

According to co-author Maxim Ratushnyy, a former postdoc scholar at UNC-Chapel Hill:

“이러한 순간에 저는 유기 합성의 힘을 새롭게 깨닫게 됩니다. 개발된 간단하지만 강력한 유기 변환 순서가 고집스러운 C—C 결합을 손쉽게 처리하여 폴리부타디엔 및 폴리이소프렌 기반 고무를 잠재적으로 가치 있는 에폭시 수지로 전환하는 모습을 보는 것은 매혹적입니다.”

또한, 소비자 사용 후 재료의 새로운 화학 재활용은 일반적으로 비싼 촉매나 극한 온도를 필요로 하는 기존 재활용 방법에 비해 매우 효율적입니다.

이 연구에서 연구진은 물성 매체에서 35-50°C(95-122°F)의 온화한 조건 하에 결과를 얻어, 이 공정이 비용 효율적이며 환경 친화적임을 입증했습니다.

공정의 환경 영향을 평가하기 위해 환경 영향 계수(E-factor)를 사용했으며, 이는 “단순하지만 강력한 지표”로, 제품 수율 대비 발생한 폐기물 양을 측정하여 실제 폐기물 양을 계산합니다.

새로운 공정과 기존 공정의 영향을 비교하는 것 외에도, 미시간 대학교 지속 가능한 시스템 센터의 연구 전문가인 Geoff Lewis 박사는 E-factor가 “이 공정을 실험실에서 실제 적용 단계로 전환하면서 개선할 수 있는 공정 단계들을 강조한다”고 설명했습니다.

용매 사용을 포함한 전체 E-factor는 높았지만, 용매를 제외한 단순 E-factor는 훨씬 낮았습니다. 이는 지속 가능성을 위해 최적화할 수 있는 공정의 영역을 강조합니다.

따라서 팀은 현재 폐기물 발생을 줄이기 위해 더 친환경적인 용매 시스템과 대체 반응 조건을 탐색하고 있습니다.

연구 공동 저자인 UNC 챕펠 힐 박사과정 학생 Sydney Towell은 이를 “고무 폐기물 문제에 접근하는 방식의 패러다임 전환”이라고 부르며 다음과 같이 설명했습니다:

“C–H 아민화와 백본 재배열의 힘을 활용함으로써, 이 방법은 소비자 사용 후 고무를 고부가가치 물질로 전환하는 새로운 경로를 제공하며, 매립지 의존도를 줄이고 환경 피해를 최소화합니다.”

혁신적인 기업

Goodyear Tire & Rubber Co  

1898년에 설립된 Goodyear는 지속 가능한 고무 대체재 및 재활용 이니셔티브에 투자하고 있는 주요 타이어 제조업체입니다.

2022년 1월, 회사는 지속 가능한 소재로 만든 시연용 타이어를 출시했습니다. 이 타이어는 9개의 서로 다른 타이어 부품에 걸쳐 13가지 주요 성분을 포함하고 있으며 전반적으로 강력한 성능을 제공합니다.

여기에는 타이어 수명을 늘리기 위해 사용되는 탄소 블랙이 포함되며, 이는 다양한 석유 제품을 연소하여 생산됩니다. 그러나 순환성과 탄소 배출을 줄이기 위해 현재는 식물성 오일, 이산화탄소, 메탄 및 폐타이어 열분해유(TPO) 원료에서 생산된 네 가지 유형의 대체재가 적용되고 있습니다.

지속 가능한 타이어에 사용된 대두유는 온도 변화에 따라 고무 화합물의 유연성을 유지하는 데 도움을 주며, 쌀 껍질 폐기물 잔류물로 만든 고품질 실리카는 그립을 향상시키고 연료 소비를 감소시킵니다.

타이어에 사용되는 폴리에스터는 소비자 사용 후 병에서 재활용되며, 바이오 재생 가능한 소나무 수지는 석유 기반 전통 수지를 대체했습니다.

당시 Goodyear 타이어의 지속 가능한 소재 함량은 70%였으며, 2023년에는 90%로 증가할 것으로 보고되어 완전 지속 가능한 소재로 만든 최초의 타이어를 만드는 목표에 한 걸음 더 다가섰습니다.

회사는 시연용 타이어가 모든 적용 가능한 규제 및 내부 테스트를 통과했다고 보고했습니다. 전통적인 소재로 만든 타이어와 비교했을 때, 시연용 타이어는 구름 저항이 낮아 연료 절감 및 탄소 발자국 감소에 도움이 되는 것으로 나타났습니다.

몇 달 전, 회사는 ElectricDrive Sustainable-Material(EDS) 타이어를 공개했으며, 이는 2030년까지 업계 최초의 100% 지속 가능한 소재 타이어를 도입하려는 목표에 중요한 단계가 됩니다.

전기차(EV) 급증과 지속 가능성에 대한 관심 속에서, 이 EDS 타이어는 EV에 특화되어 설계되었으며, 장거리 주행, 낮은 구름 저항, 소음 감소 및 우수한 젖은 노면 제동 및 핸들링을 제공합니다.

회사 재무와 관련해, 시가총액 25억 달러인 Goodyear는 현재 주가가 $8.85이며 연초 대비 2.33% 하락한 상태이며, 발표한 바에 따르면 2024년 4분기에 순이익 $76백만(주당 26센트)으로, 전년 대비 순손실 $291백만에서 개선되었으며, 조정 순이익은 $114백만(주당 39센트)였습니다.

이 기간 동안 회사 매출은 49억 달러였으며, 타이어 판매량은 4,360만 대였습니다. 연간 매출은 189억 달러이며, 타이어 판매량은 1억 6,660만 대에 달했습니다.

2024년 Goodyear는 순이익 $70백만(주당 24센트)을 기록했으며, 전년 대비 순손실 $689백만에서 회복했으며, 조정 순이익은 $302백만(주당 $1.05)였습니다.

이 기간 영업활동 현금 흐름은 $698백만으로 전년 $1.032억에서 감소했습니다. 지난 달, 회사는 오프로드 타이어 사업을 요코하마 고무 회사에 성공적으로 매각했으며, Dunlop 브랜드의 스미토모 고무 산업에 대한 매각은 연중반에 완료될 것으로 예상됩니다.

Goodyear에서의 첫 해를 이야기하며, CEO 마크 스튜어트는 2024년에 기대치를 초과하고 수익을 성장시켰으며 비핵심 자산 매각 계약을 체결한 진전에 만족감을 표했습니다.

“앞으로도 우리는 마진 확대와 의미 있는 부채 감소를 포함한 확대된 Goodyear Forward 목표 달성에 전념할 것입니다.”

– CEO 스튜어트

2025년 회사는 “대규모 부채 감소”, 마진 확대 및 포트폴리오 최적화를 통해 주주 가치를 창출할 것으로 기대합니다. Goodyear는 연말까지 20억 달러 이상의 총 수익과 순 부채 비율 2.0배~2.5배를 달성할 것으로 전망됩니다.

Goodyear Tire & Rubber Co 최신 소식

결론

주로 타이어에서 발생하는 고무 폐기물은 우리의 긴급한 관심과 효율적인 해결책을 요구하는 큰 도전 과제입니다. 널리 사용되는 열분해와 같은 기존 방법은 유해 부산물을 생성하고, 전통적인 재활용 방법은 효율성과 확장성에 어려움을 겪고 있습니다.

고무 폐기물이 증가하고 중요한 문제인 만큼, 연구자들은 미세플라스틱 여과를 위한 저류지와 C-H 아민화 및 백본 재배열을 포함한 화학 공정을 통한 고무 분해와 같은 새로운 방법을 탐구하고 있으며, 이는 유망하고 친환경적인 해결책을 제시합니다.

지속적인 연구와 산업 채택을 통해 이러한 진전은 고무 오염을 최소화하고 매립 폐기물을 줄이며 고무 폐기물을 가치 있는 재료로 전환하는 데 도움이 될 수 있습니다!