[친환경 고분자-①]바이오 매스 플라스틱(Biomass derived plastics)
바이오 플라스틱(Bio Plastics)
지속가능한 환경보호를 위해 친환경 소재에 대한 필요성은 점점 더 커지고 있습니다. 고분자 소재 역시 친환경 걸음에 발맞추고자 여러 가지 연구가 진행되고 있습니다. 친환경을 위한 소재중 대표적인 예시로 바이오 플라스틱이 있습니다.
바이오 플라스틱은 고분자의 구조적, 물성적 특성을 기반으로 분류를 할 수 있습니다. 구조적 특징으로 본다면, 바이오매스(Biomass)를 모노머로 사용하여 만든 바이오 매스 플라스틱(biomass-derived plastics)이 있습니다. 물성적 특징으로는 특정한 환경에서 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 분해될 수 있는(퇴비화) 플라스틱을 생분해성 플라스틱(biodegradable plastics)으로 분류할 수 있습니다. 마지막으로 바이오매스 기반이면서 생분해성을 갖는 생분해성 바이오 매스 플라스틱이 있습니다.
※이하 플라스틱과 폴리머를 혼용하여 사용하겠습니다.
바이오 매스 기반의 폴리머
바이오 폴리머의 세 가지 분류중에서 이번에는 바이오 매스 플라스틱에 대해서 알아보겠습니다. 앞서 말씀드린 바와 같이 바이오 매스 플라스틱은 바이오매스를 모노머로 사용한 고분자로 분류할 수 있습니다.
Biomass
유기체의 활동으로 얻을 수 있는 탄소기반의 물질을 명칭 합니다. 대표적으로 식물에서 얻을 수 있는 오일이 있습니다.
바이오 매스 폴리머의 예시
1) 석유계와 동일한, 바이오 기반의 모노머
-Polyamide
PA 66는 Hexamethylene diamine과 adipic acid의 중합으로 제조되는 폴리아미드입니다. 일반적으로 석유계원료에서 만든 모노머가 아닌, glucose를 출발물질로 만든 adipic acid를 사용한 폴리머입니다.
D-glucose를 박테리아로 분해시켜 adipic acid를 제조하고, 이를 사용하여 nylon 66을 중합하는 방법입니다.
-Polyester
Glucose를 이용한 또 다른 모노머를 만들어 폴리머로 제조할 수 있습니다. glucose의 반응을 통해 최종적으로 diol을 만들어 polyester의 모노머로 사용하는 방법입니다. polyester는 diol과 diacid의 반응으로 만들어질 수 있기 때문입니다.
이 외에도 glucose에서 ε-caprolatam을 만들어 nylon 6를 중합하는 등 biomass를 통해 석유계 모노머를 대체할 수 있는 여러 가지 방법들이 있습니다.
2) 석유계를 대체할 새로운 대안
-Isosorbide의 활용
위의 두 가지 예시는 biomass로 기존에 있던 석유계 모노머를 대체한 수준입니다. 구조가 동일한 모노머의 출발물질이 다른것 뿐입니다. 따라서 폴리머를 만듦에 있어서 제한이 적습니다. 물론 폴리머의 경제성을 제외하고 중합에 대한 관점입니다.
단순하게 석유계를 대체하는 것을 넘어서, biomass가 갖는 특색있는 구조를 활용하여 석유계를 대체하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
국내에서도 활발하게 연구되고 있는 분야는 isosorbide를 활용한 폴리머입니다. 옥수수 전분을 출발물질로 glucose, sorbitol 등의 공정을 통해 만들어지는 isosorbide는 더 설명할 필요가 없는 biomass입니다. 구조적으로도 헤테로 고리형 구조로 지방족 diol 보다 높은 기계적 물성을 기대할 수 있으며, 고리 말단의 diol구조는 polyester 등 고분자로 중합할 수 있음을 보여줍니다.
국내에서 이를 가장 잘 활용하는 곳은 삼양사와 한국화학연구원 정도입니다. 삼양사는 isosorbide 모노머의 메이커이며 이를 활용한 폴리머도 개발하고 있습니다. 한국화학연구원에서는 isosorbid 기반으로 한, bisphenol A가 없는 polycarbonate를 활발히 연구하고 있습니다. 추가적으로 isosorbide의 구조적으로 높은 기계적 물성을 기대할 수 있는 만큼, 엔지니어링 플라스틱으로 사용할 수 있는 연구도 진행하고 있습니다.
-새로운 도전의 한계
그런데 이렇게 유망해 보이는 biomass가 왜 주변에서는 흔히 보이지 않을까요? 가능성 높은 첫 번째 이유로는, isosorbide를 폴리머로 중합하기가 어렵습니다. 말단에 있는 -OH기에 다른 모노머를 반응시켜 분자량을 성장시켜야 되는데, isosorbide의 안정적인 구조와 2차 알코올의 낮은 반응성으로 isosorbide 기반의 폴리머는 고분자량으로 성장시키는 기술을 확보하기가 어렵습니다.
두 번째 이유로는 낮은 경제성 때문입니다. Isosorbide를 적용했을 때 석유계에서 구현할 수 있는 물성을 100% 달성하기도 어려운 과제이지만, 모노머의 단가도 높아 사용화가 굉장히 어렵습니다. 우리가 주변에서 볼 수 있는 폴리머 중에서 diol을 사용하는 경우, 대부분 3~4$/kg 수준의 모노머를 사용합니다. 반면 isosorbide의 가격은 수십 배는 비쌀 것이기 때문에 중소~중견 업체들에서 섣불리 적용하기 어려울 것입니다.
isosorbide와 같은 모노머를 폴리머에 적용하고자 하는 이유는, biomass를 활용하여 친환경성은 높이면서도 기존 석유계가 가지는 물성을 최대한 구현하고자 함입니다. 그런데 기술적 장벽과 낮은 경제성으로 아직까지 대중적으로 사용되지는 않고 있습니다.