KAIST “해중합 온도 낮춰 폐플라스틱 재활용 효율성 높인다”

해중합 온도를 낮춰 폐플라스틱 재활용의 효율성을 높이는 기술이 국내에서 개발됐다. 해중합은 고분자 사슬을 단량체 수준으로 분해하는 과정으로, 폐플라스틱을 화학적으로 분해해 재융합 할 수 있다는 점에서 주목받는다. 해중합 과정에서 환경 유해 물질을 걸러내 친환경 용기 등을 생산할 수 있기 때문이다. 다만 기존에 해중합 과정에선 높은 온도가 필요해 재활용에 효율성을 떨어뜨렸다. 개발한 기술에 의미를 부여할 수 있는 대목이다.

KAIST는 서명은 화학과 교수 연구팀이 고분자 자기조립을 활용해 고분자의 해중합 온도를 낮추는 방법을 개발했다고 24일 밝혔다.

서명은 교수. KAIST 제공

기존에 고분자를 해중합해 화학적으로 분해하는 과정에서는 천정온도(중합과 해중합 속도가 균형을 이루는 온도)가 186℃로, 폐플라스틱을 재활용하는 데 낮은 효율성을 보였다.

이에 연구팀은 천정온도가 90℃인 상태에서 해중합을 유도할 수 있는 방법을 찾아내 효율성 문제를 해결할 실마리를 제시했다.

우선 연구팀은 고분자 합성과정에서 자기조립이 일어날 때 해중합 온도가 낮아지는 것을 발견했다. 고분자가 잘 섞이지 않는 용매에서 일어나는 자기조립은 엔트로피(무질서해지는 방향으로 변화하는 경향)에 반해 질서를 만들어내는 과정이다.

복수의 분자 단량체를 서로 이어 거대한 고분자 사슬을 만드는 합성 과정 또한 질서를 높이는 반면 고분자 사슬을 조각내 원래 단량체로 돌리는 해중합은 무질서해지는 방향을 향한 변화다.

이를 착안해 연구진은 자기조립이 일어나는 상황에서 질서와 무질서의 균형을 이루는 데 중합(간단한 분자 수준의 단량체가 화학적 반응으로 연결돼 거대한 고분자 사슬을 형성하는 것)보다 해중합이 우세해지는 결과를 확인, 기존 해중합 온도를 절반 수준으로 낮추는 해중합을 유도할 수 있었다.

이중블록 고분자와의 용해성이 떨어지는 선택적 용매에서 중합을 진행했을 때 발생하는 고분자 자기조립의 모식도. KAIST 제공

연구팀은 고분자를 합성한 후 온도를 올려 고분자 나노구조체를 구성하는 사슬을, 재사용이 가능한 단량체로 분해한 후 온도를 내렸을 때. 분해된 단량체가 다시 중합돼 나노구조체를 형성하는 지속가능한 자기조립 체계도 구현했다.

나노구조체 형상은 사슬의 길이에 따라 달라지기 때문에 연구팀은 온도를 조절, 높은 온도와 낮은 온도에서 구조체의 모양이 바뀌는 것을 관찰했다. 또 점도와 같은 물성은 단량체 중에 고분자로 존재하는 비율에 의존하는 점을 고려해 중합과 해중합을 반복하면서 점도를 조절할 수 있는 결과를 확인했다.

서명은 교수는 “기존에 고분자를 화학적으로 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요해 분해 과정에 어려움이 따랐다”며 “하지만 연구팀은 고분자 자기조립으로 해중합 온도를 낮출 수 있었고, 이 원리를 활용해 보다 효율적으로 폐플라스틱을 재활용할 수 있는 가능성을 찾았다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 KAIST 화학과 남지윤 박사가 제1 저자로, 유창수 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여해 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티' 5월 8일자 온라인판에도 게재됐다.