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- 자연 유래, 생분해성, 회복/유연/투명성, 고 상용성 PLA 가소제의 무 용매 제조공정 원천기술개발

- 청정화학 분야 권위지 『Green Chemistry』 10월호 표지논문 게재

국내 연구진이 친환경 생분해성 플라스틱 고분자의 딱딱하고 부러지기 쉬운 단점을 극복하기 위해 사용되는 석유화학 기반 난 분해 가소제를 자연 유래 및 생분해 소재로 대체하는 연구 결과를 발표하였다.

화학연 연구팀이 개발한 PLA 가소제를 적용한 생분해 플라스틱의 유연성을 시연하고 있다.

(좌로부터 신지훈 책임연구원, 정해민 학생연구원)

한국화학연구원(원장 이미혜) 환경자원연구센터 신지훈 박사 연구팀은 친환경 생분해성 플라스틱 고분자로 주목받고 있는 폴리락타이드(polylactide, 이하 ’PLA‘)의 깨지기 쉬운 기존의 단점을 보완할 수 있는, 지속 가능 원료기반 생분해성 가소제 개발에 성공했다.

본 연구결과를 통해 탄소배출 없이 더욱 잘 분해되고 유연하며, 다양한 활용도를 가진 생분해 플라스틱을 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

분해가 되지 않는 일반 일회용 플라스틱의 대체재인 생분해성 플라스틱 중 ‘PLA’는 가장 많이 생산되어 안정적으로 산업화를 진행한 소재이다.

인체에 해가 없는 PLA는 사용 후 일정 조건에서 완전분해 가능한 친환경 소재로써, 2025년까지 약 7조 원, 약 150만 톤 이상 규모로 매년 20~30%씩 PLA 시장이 성장할 것으로 예상된다.

연구팀이 개발한 자연 유래 가소제를 활용하여 유연성을 확보한 PLA(좌)와 가소제 없는 딱딱한 PLA(우)

연구팀이 개발한 자연 유래 생분해 가소제

하지만 PLA 가공 시 딱딱하고 부서지거나 찢어지기 쉬운 단점을 보완하기 위해서 주로 석유화학 기반원료인 가소제를 사용한다. 이는 분해되지 않는 가소제로 인하여 탄소를 배출하게 되는 결과를 낳게 되어, ▲ PLA에 적합한 유연성을 부여하면서 ▲ 생분해되는 가소제 제조기술 개발이 절실한 상황이었다.

본 연구에서 개발된 락타이드 올리고머 가소제를 포함하는 유연화 PLA를 구부린 후, 다시 회복되는 이미지

이에 연구팀은 PLA 중합* 시 기존에 활용되는 단량체인 락타이드를 활용하여, PLA와 잘 섞일 수 있는 락타이드 올리고머**를 무(無) 용매 친환경 제조공정을 이용하여 합성하였고, 이를 통해 최초의 생분해
되는 PLA 가소제를 개발하였다.

* 중합: 고분자 혹은 올리고머를 제조하기 위한 반복 반응

** 락타이드 올리고머: PLA보다 분자량이 작고 짧은 사슬 구조를 가지는 락타이드 중합체(1,000g/mol 이하)

① 옥수수로부터 당을 발효하여 락트산을 얻은 후, 이를 이용하여 락타이드를 제조함

② 락타이드로부터 가소제를 제조한 후, PLA의 유연성을 부여하기 위해 적용됨

③ 개발된 가소제는 자연 유래 및 생분해성을 동시에 보임

④ 개발된 유연화 PLA는 가소성과 고무와 같은 점탄성을 동시에 부여

본 연구에서 가소제로 개발된 락타이드 올리고머는 PLA 사슬과 같은 구조를 지니고 있어 잘 섞이는 특성으로 인해 PLA와 거의 유사한 투명성을 보여주었다. 또한 개발된 가소제는 28일*간 78% 수준의 자연분해 성능을 입증하였다.

* 개발된 가소제 생분해성은 28일간 분해 정도를 측정하는 ‘OECD 301C’ 방법을 이용하여 평가됨

또한 늘어나는 성질인 연신율을 기존 대비 최대 7배까지 늘려 PLA의 유연성을 확보하였고, 고(高) 유연 상태에서 고무와 같이 늘어났다 줄어드는 특성인 점탄성을 플라스틱에 부여할 수 있는 매우 이례적인 현상을 발견하였다.

연구팀에서 개발한 가소화된 PLA는 이러한 우수한 유연성, 높은 생분해성 및 투명도, 고무와 같은 점탄성 등의 특성으로 종량제 봉투와 같은 생분해성이 요구되는 범용필름 포장재 분야에도 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 또한 고분자 첨가제 개발 관련 원천기술 연구가 미약한 국내 연구 환경에 큰 의미가 있는 것으로 평가된다.

화학연 이미혜 원장은 “이번 성과를 통해 탄소 중립 사회로의 도달을 위해 필요한 친환경 생분해성 플라스틱 PLA 가소제 제조 및 유연화 핵심 기술을 확보하여, 향후 PLA 사업화에 관심이 있는 기업과의 상용화 및 제품화에도 기대한다”라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계 3대 화학회 중 하나인 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 세계 최고 권위의 청정화학 분야 학술지인 ’그린 케미스트리(Green Chemistry, IF: 10.182)‘ 10월호에 표지논문으로 게재됐다.

* 논문명: ‘Lactide-derived ester oligomers for highly compatible poly(lactide) plasticizer produced through an eco-friendly process: renewable resources, biodegradation, enhanced flexibility, and elastomeric performance’(번역: ‘고 상용성 폴리락타이드 가소제를 위한 친환경 공정으로 제조된 락타이드 기반 에스테르 올리고머: 자연 유래 원료, 생분해성, 강화된 유연성, 엘라스토머 특성’)

또한 이번 성과는 한국화학연구원 주요 사업 및 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업 지원으로 수행됐다.

< 연구자 소개 >

○ 성명: 신지훈 책임연구원

○ 소속: 한국화학연구원

환경자원연구센터

○ 전화: 042-860-7660/

010-6290-9439

○ 이메일: jshin@krict.re.kr