자연유래 가소제 개발로 PLA(폴리락타이드) 완전 생분해 달성 가능
국내 연구진이 친환경 생분해성 플라스틱 고분자의 딱딱하고 부러지기 쉬운 단점을 극복하기 위해 사용되는 석유화학기반 난분해 가소제를 자연유래 및 생분해 소재로 대체하는 연구결과를 발표하였다.
한국화학연구원 환경자원연구센터 신지훈 박사 연구팀은 친환경 생분해성 플라스틱 고분자로 주목받고 있는 폴리락타이드(polylactide, 이하 'PLA')의 깨지기 쉬운 기존의 단점을 보완할 수 있는, 지속 가능원료 기반 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 'PLA'는 사용 후 일정 조건에서 완전분해 가능한 친환경 소재로써, 2025년까지 약 7조원, 약 150만 톤 이상 규모로 매년 20~30%씩 'PLA' 시장이 성장할 것으로 예상된다.
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, ▲'PLA'에 적합한 유연성을 부여하면서 ▲생분해되는 가소제 제조기술 개발이 절실한 상황이었다.
이에 연구팀은 'PLA' 중합* 시 기존에 활용되는 단량체인 락타이드를 활용하여, 'PLA'와 잘 섞일 수 있는 락타이드 올리고머**를 무(無)용매 친환경 제조공정을 이용하여 합성하였고, 이를 통해 최초의 생분해되는 'PLA' 가소제를 개발하였다.
* 중합 : 고분자 혹은 올리고머를 제조하기 위한 반복반응
** 락타이드 올리고머 : 'PLA'보다 분자량이 작고 짧은 사슬구조를 가지는 락타이드 중합체(1,000g/mol 이하)
본 연구에서 가소제로 개발된 락타이드 올리고머는 'PLA' 사슬과 같은 구조를 지니고 있어 잘 섞이는 특성으로 인해 'PLA'와 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 'PLA'의 유연성을 확보하였고, 고(高)유연 상태에서 고무와 같이 늘어났다 줄어드는 특성인 점탄성을 플라스틱에 부여할 수 있는 매우 이례적인 현상을 발견하였다.
연구팀에서 개발한 가소화된 'PLA'는 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 제조및 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 청정화학 분야 학술지인 '그린 케미스트리(Green Chemistry, IF: 10.182)' 10월호에 표지논문으로 게재됐다.
또한 이번 성과는 한국화학연구원 주요사업 및 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업 지원으로 수행됐다.
생명과학 한국화학연구원 (2021-10-27)