매립지가 버려진 플라스틱으로 넘쳐나기 때문에, 과학자들은 오염을 줄일 수 있는 생물 분해성 대체 물질을 생성시키는 연구를 수행해 왔다. 최근
이스라엘 텔아비브 대학(TAU; Tel Aviv University) 연구진은 이전보다 훨씬 더 강력한 플라스틱을 만드는 방법을 통하여 완전히
새로운 차원의 환경 친화적인 플라스틱에 대한 해답을 제시할 것으로 기대된다.
TAU 화학과 소속의 Moshe Kol 교수는 전
세계적으로 가장 일반적으로 사용되고 있는 플라스틱 중 하나인 초강력 폴리프로필렌(polypropylene)을 개발 중이며, 이러한 개발이 일상
제품에 사용되고 있는 강철과 다른 재료를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 새로운 플라스틱은 금속 자동차 부품을 플라스틱으로 대체함으로써
자동차 제조를 포함한 수많은 산업계에 장기적인 영향을 초래할 것이다.
내구성이 있는 플라스틱(durable plastics)은
생산 공정 동안 더 적은 에너지를 소비한다고 Kol 교수는 설명한다. 그리고 이러한 플라스틱은 부가적인 이득이 있다. 예를 들면, 만약
폴리프로필렌 자동차 부품이 전통적인 강철을 대체한다면, 자동차는 전반적으로 보다 더 가벼워질 것이며 더 적은 에너지를 소비할 것이다. 그리고
재료가 저렴하기 때문에, 플라스틱은 훨씬 더 적당한 가격에서 제조 대체 방안을 제공할 수 있을 것이다.
이 연구는
Angewandte Chemie에 발표됐다.
-보다 더 우수한 빌딩 블록(building block) -
유망한 연구
분야에도 불구하고, 생물 분해성 플라스틱은 아직까지 폴리프로필렌 같이 일반적이고 비생물 분해성인 플라스틱의 내구성과 탄성을 모방할 수 없다.
Kol 교수는 이러한 문제를 해결할 수 있는 해답이 플라스틱의 생산을 가능하게 하는 화학 물질인 촉매에 있다고 믿고 있다.
플라스틱은 단순한 빌딩 블록이 반복적인 패턴으로 구성된 고분자(polymer)라고 불리는 매우 긴 고리로 구성되어 있다. 중합
반응 촉매(polymerization catalyst)는 이러한 빌딩 블록을 연결하여 고분자 고리를 생성시키는 역할을 한다. 촉매가 우수할수록,
보다 더 질서 있고 잘 정의된 고리를 형성한다. 이러한 형태의 고리는 강도와 내구성이 우수하고 녹는점(melting point)이 더 높은
플라스틱으로 이어질 수 있다. 이러한 이유로 촉매는 플라스틱 생산 공정의 중요한 부분을 차지한다.
iPP(isotactic
polypropylene)는 열가소성 재료로 매우 중요하다. 유용한 물리적 특성과 원료인 프로필렌의 이용 가능성을 이유로 이러한 재료의 수요는
증가하고 있다. 폴리프로필렌의 가장 중요한 미세 구조 특성은 녹는점과 이와 관련된 응용을 결정짓는 충분히 높은 분자량과 결합된 입체
규칙도(isotacticity)이다.
이종 Ziegler?Natta 촉매(Ziegler?Natta catalyst)로 생성된
iPP는 1658 ℃를 초과하지 않는 녹는점을 지닌다. 균일한 메탈로센(metallocene) 촉매와 보다 더 최근에 개발된
비메탈로센(nonmetallocene) 촉매는 보다 더 좁은 범위의 분자량 분포를 지닌 고분자를 생성시킨다. 그러나 지난 25년에 걸친 상당한
노력에도 불구하고, 소수의 시스템만이 균일 촉매에 의해 얻어지는 녹는점을 지닌 iPP에 이르는 생성을 가능하게 했다.
이 연구는
새로운 디자인 개념을 기반으로 올레핀 중합 반응(olefin polymerization)을 위한 비메탈로센 촉매 군에 대하여 기술하고 있다.
이러한 군의 일부 촉매는 이례적으로 높은 입체 규칙도와 녹는점을 지닌 폴리프로필렌을 생성시킨다. 이러한 촉매는 유입되는 올레핀의 두 개의 거울상
면(enantiotopic face) 사이를 구분할 수 있다.
Kol 교수와 그의 연구팀은 궁극적으로 가장 강력한 플라스틱을
생산할 수 있는 폴리프로필렌 생산 공정을 위한 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다. 모든 사람은 동일한 빌딩 블록을 이용하고 있으며, 따라서
핵심은 다른 시스템을 이용하는 것이라고 Kol 교수는 설명했다. 연구진이 개발한 촉매를 이용하여, 연구진은 가장 규칙적인 또는 가장 정확한
폴리프로필렌을 제조했다. 새로운 형태의 폴리프로필렌은 지금까지 가장 높은 녹는점을 갖는 플라스틱 물질이다.
-보다 더 효율적인
자원의 사용 -
2020년까지, 플라스틱의 소비는 연간 2억 톤에 이를 것으로 추정된다. Kol 교수는 전통적인 플라스틱이 친환경
물질로 간주되지 못하기 때문에, 환경에 유해한 물질의 양을 최소로 하여 일상생활에 중요한 친환경 재료를 개발하는 창조적 사고가 중요하다고
밝혔다. 에너지 소비 측면에서 비독성일 뿐 아니라 보다 더 저렴하고 효율적인 플라스틱의 제조는 산업계에 혁신을 불러일으킬 수 있으며, 보다 더
환경 친화적인 제조를 위하여 유망한 소식이다. 플라스틱의 내구성은 보다 더 적은 유지 관리를 필요로 하고 플라스틱으로 만든 부품의 수명을 보다
더 연장시킨다.
자동차 부품 이외에도, Kol 교수는 수도관을 포함한 관련 플라스틱 및 이러한 물질의 다수의 사용을 염두에 두고
있으며, 궁극적으로 물 사용을 보존할 수 있을 것이라고 밝혔다. 물을 수송하는 관은 누수의 우려가 있어, 물을 낭비할 수 있으며 그 결과 더
높은 수도 요금을 지불해야만 한다. 그러나 새로운 공정은 중요하고 고가로 운영되는 공정을 대체할 수 있을 것이다.
플라스틱
관(plastic pipe)은 훨씬 더 적은 원료 물질을 요하고, 강철보다 10 배 이상 가볍고, 시멘트보다는 100 배 이상 가볍다. 누수를
줄인다는 것은 보다 더 효율적으로 물 사용을 수행하고 수질을 개선할 수 있음을 의미한다고 Kol 교수는 설명했다. 이러한 플라스틱으로 만들어진
강철 송수관(steel water pipe)의 대체는 일반적이게 될 것이며, 보다 더 우수한 강도와 내구성을 갖춘 플라스틱의 제조는 보다 더
환경 친화적인 관행으로 이어질 것이다.
화학 / 바이오 / 환경
