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- 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 세제용 플라스틱 병, 출성형 가정용품 및 포장재에 사용
- 발수성 특성과 결합된 결정성이 미생물 접근성 차단해 재료의 생분해성을 늦춘다.
- 새로운 플라스틱인 폴리에스터-2,18, 18개의 탄소 원자 포함하는 디카르복실산 1,18-옥타데칸디카르복실산과 2개의 탄소 원자를 포함하는 에틸렌 글리콜로 구성
- 효소, 퇴비 미생물에 의한 분해 속도 빨라져

폴리에스테르는 점점 더 환경친화적이 되고 있다.
화학자들은 안정성은 높고 분해성 좋은 새로운 유형의 플라스틱을 개발하고 있다.

안정적이지만 퇴비화 가능:
화학자들은 플라스틱을 훨씬 더 환경친화적으로 만들 수 있는 플라스틱 폴리에스테르의 새로운 변종을 개발했다. 이 새로운 소재는 결정 형태가 유사하고 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 안정적이고, 폴리머 사슬의 미리 정해진 절단점 덕분에 훨씬 더 쉽게 재활용할 수 있으며 퇴비화 공장에서도 며칠에서 몇 주 안에 생분해된다. 

▲ 단면이 7엽인 폴리에스터 섬유의 고표면적 굴곡부의 SEM 사진 / 위키피디

플라스틱 폐기물이 계속 늘어나지 않도록 과학자들은 오랫동안 더 환경 화적인 대안을 찾고 있었다. 하지만 쉽지 않다. 많은 바이오플라스틱이 재생 가능한 원료로 생산되지만 기후 친화적이거나 무독성이 아니다. 또한 이러한 플라스틱 재료의 생물학적 분해에는 여전히 문제가 있다. 바이오플라스틱은 모든 곳에서 사용할 수 있는 것과는 거리가 멀다.

 

안정성 대 분해성

문제:
특히 단단하고 내구성이 뛰어난 플라스틱은 많은 응용 분야에 필요하다. 그들은 일반적으로 사슬이 수소 다리를 통해 결정과 같은 구조를 형성하는 발수성 폴리머로 구성된다. 예를 들어 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 세제용 플라스틱 병, 경질 필름, 플라스틱 파이프, 사출 성형 가정용품 및 포장재를 만드는 데 사용된다.

그러나 뛰어난 안정성은 이러한 플라스틱이 거의 분해되지 않는다는 것을 의미하기도 한다. 즉, 분해되지 않고 수십 년에서 수 세기 동안 환경에 남아 있다. "발수성 특성과 결합된 결정성은 일반적으로 미생물이 미리 결정된 파괴점에 접근하기 어렵게 만들기 때문에 재료의 생분해성을 늦춘다"고 Konstanz 대학의 수석 저자인 Stefan Mecking은 설명했다.

미리 결정된 중단점은 재활용 및 분해를 용이하게 한다.

Mecking과 첫 번째 저자인 Marcel Eck가 이끄는 팀은 이 딜레마에 대한 해결책을 찾았을 것이다. 그들은 중합체 사슬에 화학적 "미리 결정된 파괴점"을 구축한다. 이들은 플라스틱의 안정적인 결정 구조를 방해하지 않고 재활용 또는 생분해의 일부로 구조를 분해하기 위한 출발점을 제공한다. 이러한 플라스틱의 첫 번째 변종은 이미 쉽게 재활용할 수 있는 것으로 입증되었지만 아직 생분해되지는 않았다.

화학자들은 이제 두 번째 단계에서도 성공했다. 그들은 산업에서 요구되는 재료 특성과 우수한 환경 적합성을 하나의 재료에 결합한 새로운 폴리에스터를 개발했다. 새로운 플라스틱인 폴리에스터-2,18은 재생 가능한 원료에서 얻을 수 있는 두 가지 기본 구성 요소인 18개의 탄소 원자를 포함하는 디카르복실산 1,18-옥타데칸디카르복실산과 2개의 탄소 원자를 포함하는 에틸렌 글리콜로 구성된다.

이러한 기본 단위의 연결은 고밀도 폴리에틸렌과 같이 결정 구조를 가지므로 높은 기계적 안정성과 내열성을 갖는 폴리머를 생성한다. 테스트에서 PE-2.18은 Eck와 그의 동료들이 보고한 것처럼 HDPE와 유사하게 높은 압축 및 인장 강도를 보여주었다.

▲ 폴리에스테르 셔츠의 근접 촬영 / 위키피디아

효소 또는 퇴비 미생물에 의한 분해

더 중요한 것은 이러한 높은 결정화도와 강도에도 불구하고 자연 발생 효소를 사용한 실험실 테스트와 산업 퇴비화 시설에서의 테스트에서 입증된 바와 같이 폴리에스터는 놀라울 정도로 생분해성이다. 이런 식으로 플라스틱은 실험실 테스트에서 며칠 내에 효소에 의해 분해될 수 있다. 퇴비화 시설의 미생물은 약 2개월이 소요되었다.

▲ 방수 폴리에스터에 물 한 방울 / 위키피디아

"우리는 그것이 얼마나 빨리 저하되는지에 놀랐다"고 Mecking은 말한다. “물론 퇴비화 공장의 결과를 생각할 수 있는 모든 환경 상황에 일대일로 적용할 수는 없다. 그럼에도 불구하고 그들은 재료의 생분해성을 입증하고 실수로 환경에 노출될 경우 HDPE와 같은 플라스틱보다 내구성이 몇 배 더 낮다고 제안한다.”

대안이 가능하다.

다른 환경 조건에서 분해 가능성에 대한 추가 조사가 따라야 하지만:
연구팀에 따르면 그들의 새로운 플라스틱은 강도 면에서 기존 폴리에틸렌 플라스틱보다 재활용 및 생분해성에서 열등하지 않고 여전히 더 우수한 플라스틱 재료를 생산할 수 있음을 보여준다. 화학자들은 예를 들어 3D 인쇄 또는 포장 필름 생산에서 새로운 재료에 대한 가능한 응용 프로그램을 보고 있다.
(Angewandte Chemie International Edition, 2022; doi: 10.1002/anie.202213438)
출처: 콘스탄츠 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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