플렉시글라스(Plexglass)를 재활용하는 방법
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-03-06 11:08:00
3분 읽기
- 플렉시글라스는 PMMA로 만든 내구성이 뛰어나고 가벼운 플라스틱 유리
- 매년 전 세계적으로 약 390만 톤 생산돼 자동차, 스크린, 주택과 항공우주 산업에도 사용
- 아직 쉽게 재활용할 수 없어 일반적으로 사용 후 열을 발생시키기 위해서만 연소
- 염소가 포함된 용매만 필요, 용해된 재활용 혼합물을 90~150도 섭씨로 적당히 가열한 다음 가시광선이나 자외선의 도움으로 목표한 대로 분해 반응 시작
플렉시글라스는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA:Poly-methyl methacrylate)로 만든 내구성이 뛰어나면서도 가벼운 플라스틱 유리다. 이 반투명 플라스틱은 매년 전 세계적으로 약 390만 톤이 생산되어 자동차, 스크린, 주택은 물론 항공우주 산업에도 사용된다. 그러나 플렉시글라스는 아직 쉽게 재활용할 수 없기 때문에 일반적으로 사용 후 열을 발생시키기 위해서만 연소시킨다.
플렉시글라스는 다양한 길이의 폴리머 사슬을 형성하는 단량체 구성 요소로 이루어져 있기 때문이다. 이러한 성분은 다른 성분과 혼합되는 경우가 많으며, 이를 공중합체라고 한다. 반면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)나 폴리에틸렌(PE)과 같은 플라스틱은 항상 동일한 구성 요소와 비슷하게 긴 사슬로 이루어져 있어 쉽게 녹여 새로운 제품으로 가공할 수 있다. 하지만 플렉시글라스에서는 그게 쉽지 않다.
열 대신 빛
플렉시글라스의 복잡한 폴리머 사슬은 열분해를 통해 400도 섭씨 이상으로 가열되어 열적으로 분해될 수 있다. 그러나 이렇게 하면 분리하기 어렵고 경제적으로 사용할 수 없는 많은 다른 분해 생성물이 혼합된다. 미래에 원자재인 플렉시글라스를 재사용할 수 있도록, 취리히 연방공과대학의 왕현석(Wang Hyun Suk)이 이끄는 화학자들은 이제 새로운 재활용 방법을 개발했다.
“우리의 프로세스는 매우 간단하다. 염소가 포함된 용매만 필요하고, 용해된 재활용 혼합물을 90~150도 섭씨로 적당히 가열한 다음 가시광선이나 자외선의 도움으로 목표한 대로 분해 반응을 시작할 수 있다"고 ETH 취리히의 수석 저자인 아티나 아나스타사키가 설명했다.
비교적 온화한 온도에서 진행
플라스틱을 먼저 작은 조각으로 자른 다음, 1,2-디클로로벤젠이나 비슷한 용매에 녹이고 가열한 후 빛을 비추면 거의 완전히 단량체 구성 요소로 분해된다. 그런 다음 증류를 통해 플라스틱의 첨가제(가소제나 염료 등)에서 단량체를 분리한다. 그런 다음 구성 블록을 세척해 새로운 플렉시글라스 폴리머 합성에 사용할 수 있다.
초기 테스트에서 이 프로세스는 매우 안정적인 것으로 입증되었다. 이 방법은 1만 개의 구성 요소로 이루어진 매우 긴 폴리머 사슬을 분해하는 데 사용될 수 있다. 연구팀은 상업적으로 판매되는 플렉시글라스의 수율이 94~98%라고 보고했다. 이를 통해 플렉시글라스 블록을 처음으로 순수하고 효율적인 형태로 분리하는 것이 가능해졌다. 비교적 온화한 온도에서 이루어지므로 에너지 소비도 적다.
놀라운 메커니즘
화학자들은 우연히 이 발견을 이루었다. "우리는 실제로 단량체로의 분리를 특별히 촉진하는 특정 촉매를 찾고 있었다"고 Anastasaki는 보고했다. "하지만 통제 실험에서 우리는 촉매가 전혀 필요하지 않다는 사실을 발견하고 놀랐다." 염소계 용매와 자외선은 잘게 썬 플렉시글라스를 분리하기에 충분했다. 이처럼 순수하게 광화학적 과정은 이전에는 불가능하다고 여겨졌다.
연구진은 이 핵분열 반응이 왜, 어떻게 일어나는지 알아내기 위해 전자스핀공명(EPR) 측정을 사용하여 메커니즘을 조사했다. 놀라운 발견은 염소계 용매가 장파 자외선에 의해 여기되었을 때, 용매 분자의 매우 작은 비율만이 빛을 흡수한다는 것이다. 이로 인해 염소 라디칼이 분리되고, 이로 인해 플렉시글라스의 예상치 못한 효율적인 사슬 절단이 발생한다.
환경친화적인 대안 모색
지금까지 재활용 방법에는 단 하나의 단점이 있었다. "염소계 화합물은 환경에 해롭다. 따라서 우리의 다음 목표는 염소계 용매 없이도 반응이 진행되도록 반응을 수정하는 것이다"고 Anastasaki는 말했다. 따라서 이 기술이 산업에 언제 사용될지는 아직 불확실하다.
앞으로 새로운 재활용 공정은 플렉시글라스뿐만 아니라 탄소 사슬 구조로 인해 화학적으로 접근이 불가능하다고 여겨졌던 다른 플라스틱도 분해하여 재활용하는 데 사용될 수 있다. 따라서 이 연구는 순환 경제의 목표에 기여한다.
(Science, 2025; doi: 10.1126/science.adr1637)
출처: ETH 취리히
- 플렉시글라스는 PMMA로 만든 내구성이 뛰어나고 가벼운 플라스틱 유리
- 매년 전 세계적으로 약 390만 톤 생산돼 자동차, 스크린, 주택과 항공우주 산업에도 사용
- 아직 쉽게 재활용할 수 없어 일반적으로 사용 후 열을 발생시키기 위해서만 연소
- 염소가 포함된 용매만 필요, 용해된 재활용 혼합물을 90~150도 섭씨로 적당히 가열한 다음 가시광선이나 자외선의 도움으로 목표한 대로 분해 반응 시작
플렉시글라스(Plexglass)를 재활용하는 방법
새로운 분해 방법으로 복잡한 폴리머 플라스틱 분해
재활용의 획기적인 진전?
화학자들은 우연히 가장 내구성이 뛰어난 플렉시글라스조차 분해할 수 있는 방법을 찾아냈다. 긴 사슬 폴리머 플라스틱인 PMMA는 거의 완전히 단량체 구성 요소로 분해된 후 플라스틱 내의 첨가제로부터 분리된다. 이 과정은 이전에는 거의 불가능하다고 여겨졌다. 연구팀이 Science에 보고한 바에 따르면 놀라울 정도로 간단하고 효율적이며 에너지 소모가 적은 것으로 밝혀졌다. 촉매 대신 빛에 의해 분해가 진행된다. 하지만 아직 해결해야 할 문제가 있다.
 |
| ▲ 상업용 플렉시글라스를 원래 물질인 단량체로 분해하는 과정이다. © Hyun Suk Wang & Athina Anastasaki |
플렉시글라스는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA:Poly-methyl methacrylate)로 만든 내구성이 뛰어나면서도 가벼운 플라스틱 유리다. 이 반투명 플라스틱은 매년 전 세계적으로 약 390만 톤이 생산되어 자동차, 스크린, 주택은 물론 항공우주 산업에도 사용된다. 그러나 플렉시글라스는 아직 쉽게 재활용할 수 없기 때문에 일반적으로 사용 후 열을 발생시키기 위해서만 연소시킨다.
플렉시글라스는 다양한 길이의 폴리머 사슬을 형성하는 단량체 구성 요소로 이루어져 있기 때문이다. 이러한 성분은 다른 성분과 혼합되는 경우가 많으며, 이를 공중합체라고 한다. 반면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)나 폴리에틸렌(PE)과 같은 플라스틱은 항상 동일한 구성 요소와 비슷하게 긴 사슬로 이루어져 있어 쉽게 녹여 새로운 제품으로 가공할 수 있다. 하지만 플렉시글라스에서는 그게 쉽지 않다.
열 대신 빛
플렉시글라스의 복잡한 폴리머 사슬은 열분해를 통해 400도 섭씨 이상으로 가열되어 열적으로 분해될 수 있다. 그러나 이렇게 하면 분리하기 어렵고 경제적으로 사용할 수 없는 많은 다른 분해 생성물이 혼합된다. 미래에 원자재인 플렉시글라스를 재사용할 수 있도록, 취리히 연방공과대학의 왕현석(Wang Hyun Suk)이 이끄는 화학자들은 이제 새로운 재활용 방법을 개발했다.
“우리의 프로세스는 매우 간단하다. 염소가 포함된 용매만 필요하고, 용해된 재활용 혼합물을 90~150도 섭씨로 적당히 가열한 다음 가시광선이나 자외선의 도움으로 목표한 대로 분해 반응을 시작할 수 있다"고 ETH 취리히의 수석 저자인 아티나 아나스타사키가 설명했다.
 |
| ▲ 10m 깊이의 몬터레이만 수족관은 수압을 견딜 수 있도록 두께가 최대 33cm인 아크릴 창으로 만들어졌다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:KelpAquarium.jpg |
비교적 온화한 온도에서 진행
플라스틱을 먼저 작은 조각으로 자른 다음, 1,2-디클로로벤젠이나 비슷한 용매에 녹이고 가열한 후 빛을 비추면 거의 완전히 단량체 구성 요소로 분해된다. 그런 다음 증류를 통해 플라스틱의 첨가제(가소제나 염료 등)에서 단량체를 분리한다. 그런 다음 구성 블록을 세척해 새로운 플렉시글라스 폴리머 합성에 사용할 수 있다.
초기 테스트에서 이 프로세스는 매우 안정적인 것으로 입증되었다. 이 방법은 1만 개의 구성 요소로 이루어진 매우 긴 폴리머 사슬을 분해하는 데 사용될 수 있다. 연구팀은 상업적으로 판매되는 플렉시글라스의 수율이 94~98%라고 보고했다. 이를 통해 플렉시글라스 블록을 처음으로 순수하고 효율적인 형태로 분리하는 것이 가능해졌다. 비교적 온화한 온도에서 이루어지므로 에너지 소비도 적다.
놀라운 메커니즘
화학자들은 우연히 이 발견을 이루었다. "우리는 실제로 단량체로의 분리를 특별히 촉진하는 특정 촉매를 찾고 있었다"고 Anastasaki는 보고했다. "하지만 통제 실험에서 우리는 촉매가 전혀 필요하지 않다는 사실을 발견하고 놀랐다." 염소계 용매와 자외선은 잘게 썬 플렉시글라스를 분리하기에 충분했다. 이처럼 순수하게 광화학적 과정은 이전에는 불가능하다고 여겨졌다.
연구진은 이 핵분열 반응이 왜, 어떻게 일어나는지 알아내기 위해 전자스핀공명(EPR) 측정을 사용하여 메커니즘을 조사했다. 놀라운 발견은 염소계 용매가 장파 자외선에 의해 여기되었을 때, 용매 분자의 매우 작은 비율만이 빛을 흡수한다는 것이다. 이로 인해 염소 라디칼이 분리되고, 이로 인해 플렉시글라스의 예상치 못한 효율적인 사슬 절단이 발생한다.
환경친화적인 대안 모색
지금까지 재활용 방법에는 단 하나의 단점이 있었다. "염소계 화합물은 환경에 해롭다. 따라서 우리의 다음 목표는 염소계 용매 없이도 반응이 진행되도록 반응을 수정하는 것이다"고 Anastasaki는 말했다. 따라서 이 기술이 산업에 언제 사용될지는 아직 불확실하다.
앞으로 새로운 재활용 공정은 플렉시글라스뿐만 아니라 탄소 사슬 구조로 인해 화학적으로 접근이 불가능하다고 여겨졌던 다른 플라스틱도 분해하여 재활용하는 데 사용될 수 있다. 따라서 이 연구는 순환 경제의 목표에 기여한다.
(Science, 2025; doi: 10.1126/science.adr1637)
출처: ETH 취리히
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
