플라스틱 생산과 플라스틱 오염이 수년에 걸쳐 꾸준히 증가해 왔다는 사실을 상기할 필요가 없습니다. 진정으로 지속 가능한 방식으로 플라스틱을 재활용할 수 있다면 어떨까요?

자연과학대학 고분자 과학 및 공학(PSE) 학과의 조교수이자 박사 과정 학생인 Autumn Mineo는 폴리머 재활용을 위한 실험을 하고 있습니다.

재활용의 현실

기계적 재활용은 가혹한 온도와 처리 조건에 의존하여 일부 소비 후 폐기물을 새로운 제품으로 재창조합니다. 이러한 조건에 반복적으로 노출되면 시간이 지남에 따라 재료가 분해되고 그에 따라 재료 특성이 악화되며, 이러한 결과를 종종 "다운사이클링"이라고 합니다.

또는 특정 폴리머를 화학적으로 분해 및 개질하여 사이클링 수명과 재료 견고성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 오늘날 사용되는 많은 범용 폴리머에 대한 화학적 재활용은 불가능합니다.

화학을 통한 업사이클링

Katsumata와 그녀의 팀은 라디칼 기반 결합 교환 반응에 중점을 둔 분야인 AFT(Addition-Fragmentation-Transfer) 화학으로 알려진 것을 통해 폴리머를 재활용하고 재처리하기 위한 보다 지속 가능한 공정을 만들고자 했습니다. "일상적으로 사용되는 플라스틱은 폴리머라고 불리는 큰 분자로, 반복 단위 또는 '단량체'로 구성되어 있습니다"라고 Katsumata는 설명했습니다. "많은 중합체는 화학적으로 분해되고 개질될 수 없는데, 이는 단량체를 함께 고정하는 탄소-탄소 단일 결합이 상대적으로 안정적이기 때문입니다."

이러한 안정성 문제를 해결하기 위해 PSE 연구원들은 기존 단량체와 공중합하고 AFT 화학을 통해 교환할 수 있는 능력을 가진 주쇄 단위를 생성하는 첨가제를 개발했습니다.

"이 동적 연결은 폴리머 절단과 폴리머 확장을 모두 촉진하여 폐쇄 루프 재활용을 완료할 수 있습니다"라고 Katsumata는 말했습니다. "또한, 우리 첨가제의 역동적인 특성은 일반 플라스틱 폐기물을 가져와 블록 공중합체 접착제와 같은 새로운 유형의 특수 폴리머를 형성함으로써 '업사이클' 또는 제품 가치를 높일 수 있는 잠재력을 가진 다른 화학적 변형을 용이하게 합니다."

이 연구는 사용 후 플라스틱을 분해하는 데 활용할 수 있는 기존 폴리머 합성 방법과 호환되는 새로운 단량체를 식별했으며, 이는 단량체 단위 사이에 동적 결합을 생성합니다. 올리고머라고 하는 이러한 작은 폴리머 조각은 반응성을 유지하며 새로운 폴리머가 성장할 수 있는 출발점 역할을 할 수 있습니다.

연구팀은 고분자를 분해(사슬 절단)하고 다시 성장시키는(사슬 확장) 주기를 반복하고 수정하여 절단과 연장의 정도를 변경할 수 있음을 발견했습니다.

인식 제고

이 연구의 핵심 동인은 혁신에 박차를 가하려는 열망이었습니다. "우리의 연구는 중합 후에 잠복 반응성을 발현하게 함으로써 AFT 화학의 기초 지식을 전진시켰습니다."라고 Katsumata는 말했습니다. "또한, 우리는 우리의 연구가 폴리머 산업이 공중합 전략 및 기타 재활용 기술에 투자하도록 영감을 주었기를 바랍니다. 특히 폴리올레핀 제품에 적용됩니다."

Katsumata와 PSE 팀은 이 연구가 새로운 재활용 방법과 환경 친화적인 화학 및 기술의 식별을 위한 토대가 될 수 있다고 생각하며, 플라스틱 및 기타 까다로운 재료가 보다 지속가능하게 관리되는 미래를 엿볼 수 있다고 생각합니다.

이상의 기사는 2024년 2월 22일 Phys.org에 게재된 “Polymer science team develops additive that can 'upcycle' a wide range of plastics”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.

* 정보 출처 : https://phys.org/news/2024-02-polymer-science-team-additive-upcycle.html

* 추가 정보 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316248

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