재료 과학
우리 석유 의존도는 전기차뿐 아니라 지속 가능한 플라스틱을 통해서도 감소할 수 있다
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작물을 이용한 지속 가능한 플라스틱 생산
When we think of oil, we think primarily of fuel for cars, ships, and planes. 하지만 플라스틱이나 플라스틱을 생산하는 부품을 포함한 석유화학 제품이 전 세계 석유 수요의 12%를 차지합니다.
석유 소비는 탄소 배출로 인한 오염으로 자주 인식되지만, 미세플라스틱도 점점 더 큰 우려가 되고 있습니다. 석유에서 생산되는 플라스틱은 탄소와 미세플라스틱을 모두 배출하는 데 기여합니다.
따라서 보다 지속 가능한 플라스틱 소재가 이제 등장하고 있다는 소식은 좋은 소식입니다.
스위스 로잔 연방공과대학 (스위스 로잔 연방공과대학 (EPFL)), 서부 스위스 응용과학예술대학, 그리고 맨체스터 대학교의 연구원들은 농업 폐기물에서 지속 가능한 플라스틱을 만들 수 있는 원료를 개발했습니다.
보다 정확히 말하면, 그들은 농업 폐기물에서 추출한 당을 핵심으로 사용해 지속 가능한 폴리아미드를 만들었습니다.
왜 폴리아미드인가?
Many plastic products, like nylons, a subclass of polyamides, need to be very durable. For this, they rely on a specific chemical structure called an aromatic group.
이러한 방향족 그룹은 플라스틱에 경도, 강도 및 고온 저항성을 부여합니다. 그러나 동시에 플라스틱을 생분해되지 않게 하고 환경에 독성이 되게 하는 원인이 되기도 합니다.
방향족 화합물 대신 유기당을 사용하는 폴리아미드는 훨씬 덜 독성이 있습니다. EPFL의 폴리아미드가 농업 폐기물에서 나온 이러한 당을 사용함으로써 그들의 발견의 지속 가능성 측면이 더욱 강화됩니다.
새로운 유형의 플라스틱
그들은 목재나 옥수수 심과 같은 바이오매스에서 직접 만든 안정화된 당인 디메틸 글리옥실레이트 자일로스를 고품질 폴리아미드로 전환하는 촉매 없는 공정을 개발했습니다. 이 공정은 재료를 140°C에서 가열한 뒤 250–260 °C로 가열하는 일련의 단계에 의존합니다.
출처: Nature.com
이 공정은 97%의 원자 효율성을 보이며 매우 효율적이었으며, 초기 물질 거의 전부가 폴리아미드로 전환되었습니다.
생성된 물질은 화학적 및 물리적 특성을 확인하기 위해 테스트되었습니다.
이는 전통적인 화석 연료 기반 폴리아미드와 동등하거나 그보다 더 높은 내열성을 보였습니다. 또한 내구성 및 기계적 저항성(인장 강도)에서도 우수한 성능을 나타냈습니다.
출처: Nature.com
연구자들이 발견한 한계는 이 물질이 다량의 물에 노출될 경우 민감해져 잠수할 수 없다는 점입니다. 또한 얇은 식품 포장에 사용하기엔 산소와 물에 대한 투과성이 너무 높을 수 있습니다. 그러나 중요한 점은 가능한 적용 분야가 여전히 많이 남아 있다는 것입니다.
산업용으로 준비된 지속 가능한 플라스틱
사용성
산업용 적용을 고려할 때 또 다른 요소는 “가공성”입니다. 즉, 원시 플라스틱 기본 구성 요소를 유용한 소재로 전환하는 용이성을 의미합니다.
연구자들은 새로운 물질이 피스톤 사출 성형 및 고전단 트윈 스크류 압출과 같은 플라스틱 성형에 일반적으로 사용되는 두 가지 방법에 모두 적용될 수 있음을 입증했습니다.
출처: EPFL
그들은 또한 고온 설정을 사용해 3D 프린팅으로 iPhone 11 케이스를 성공적으로 제작함으로써 해당 물질의 특성을 테스트했습니다.
출처: EPFL
재활용
또 다른 테스트는 새로운 폴리아미드 물질의 재활용 가능성을 확인하는 것이었습니다. 연구팀은 고전단 트윈 스크류 압출을 통해 플라스틱을 3번 재사용했습니다.
인장 특성은 세 사이클 모두 거의 동일하게 유지되었습니다.
색상은 각 사이클마다 약간씩 증가했습니다. 그러나 필요하다면 생산 공정을 조정하여(디아민 정제 개선) 주황색을 완전히 없앨 수 있으므로 큰 문제는 아닙니다.
전반적으로 기계적 재활용은 기존 플라스틱 공급품과 동등하거나 그보다 우수한 성능을 보였습니다.
마지막으로, 연구팀은 플라스틱의 수명 종료 옵션으로 화학적 재활용 가능성을 조사했습니다. 이는 황산과 같은 강산에 크게 의존했지만, 최종적으로 화학 물질을 사용해 완전 재활용이 가능함을 입증했습니다.
비용 경쟁력 있는 대안
산업계가 이러한 지속 가능한 플라스틱을 채택하려면(규제 변화 없이) 기존 화석 연료 기반 화학 물질과 비용 경쟁력을 가져야 합니다.
가장 일반적인 폴리아미드인 나일론 66의 가격은 보통 톤당 $3,000~7,000 사이입니다. 새로운 물질의 가격도 원료 비용이 비교적 높다고 가정하더라도 비슷한 범위에 있을 것입니다.
잠재적으로 옥수수 심과 같은 저렴한 원료를 사용하면 비용을 더욱 낮출 수 있습니다.
출처: Nature.com
가격 경쟁력 외에도, 새로운 물질은 시장에 나와 있는 기존 제품보다 탄소 및 온실가스 배출량이 훨씬 적으며, 특히 상업용 자일로스 대신 옥수수 심에서 얻은 자일로스를 사용할 경우 더욱 그렇습니다.
지속 가능한 플라스틱 – 필요한 진보
이 연구와 같이 새로운 유형의 바이오 플라스틱은 화석 연료 소비를 줄이는 데 필요합니다.
이는 기존 플라스틱 화학 물질을 바이오 소재로 재현하려는 대신, 유사하거나 더 우수한 성능을 가진 새로운 유형의 플라스틱 분자를 만드는 새로운 단계입니다.
아마도 화석 연료의 방향족 그룹을 생물학적 당으로 교체하는 것이 시작에 불과할 것입니다.
This approach is more difficult but also allows for new plastic supplies that display many advantages compared to traditional ones:
- 탄소 발자국 감소.
- 오염 감소.
- 농업 폐기물의 가치화.
- 비용 감소 가능성 또는 향상된 화학적 특성.
EPFL 팀(및 연구 파트너)의 성공은 석유에 풍부한 화학 구조를 그대로 복제하려는 대신, 바이오 소재를 활용해 새로운 유용한 산업용 화학 물질을 창출하는 다른 혁신의 템플릿으로 활용되어야 합니다.
