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폴리스티렌의 업사이클링 방법 제안: 볼-밀 분쇄를 이용한 범용고분자 폴리스티렌의 Birch 환원 반응 모식도.

[대학저널 이선용 기자] 인하대학교는 황예진 화학공학과 교수 연구팀이 최근 고효율의 새로운 폐플라스틱 업사이클링 전략을 제시했다고 18일 밝혔다.

상용 플라스틱인 폴리스타이렌(Polystyrene·PS)은 연간 2천500만t 이상 생산되는 범용 고분자로 포장재, 건축, 전자제품, 생활용품 등 다양한 분야에서 사용된다.

하지만 일회용 제품으로 많이 쓰여 연간 약 1천700만t의 폐기물이 발생하는데 대부분 재활용되지 않고 매립되거나 환경에 버려지고 있어 최근 PS 폐기물을 활용해 새로운 기능성 물질을 합성하는 업사이클링 연구가 주목받고 있다.

연구팀은 폐플라스틱의 새로운 업사이클링 전략에 볼-밀(Ball-mill) 분쇄법을 활용했다. 볼-밀 분쇄법은 쇠공을 넣은 원통형 장치를 진동시켜 재료에 기계적인 힘을 가하는 방법이다. 기계적 힘을 이용하여 다양한 유·무기 반응에 활용될 수 있고, 빠른 반응 속도, 지속가능성, 재현성, 안전성 등의 장점이 있다.

볼-밀 분쇄법을 사용하면 다른 물질과 결합하거나 변할 수 있는 반응성 작용기가 있는 PS 유도체에서 화학 반응을 일으키기가 쉽고, 원하는 결과물을 많이 얻을 수 있다.

하지만 일반적인 PS의 경우, PS에 포함된 고리 구조의 높은 안정성으로 직접 기능화하는 것은 어렵다. 고리 구조를 변형하려 하면 원하는 반응이 잘 일어나지 않아 결과물이 적게 나오고, 플라스틱 사슬이 잘려 나가거나(절단) 결합되는(가교) 부작용이 생길 수 있다.

그렇기에 PS 고리 구조를 변형하는 것은 중요한 이슈인데, 버치(Birch) 환원이 해결책이 될 수 있다. 버치(Birch) 환원은 매우 안정한 고리 구조를 부분적으로 무너뜨려, 이후 다양한 화학 반응이 가능한 새로운 구조(디엔 구조)를 만드는 화학반응이다.

문제는 버치 환원을 실제로 PS에 바로 적용하는 데에는 어려움이 따른다. PS에 버치 환원을 적용하기 위해 전기화학적 방법을 최적화해 실험에 성공했다고 보고된 바도 있으나 반응 시간이 길고, 희석 조건 등이 필요해 실제 적용에는 한계가 있었다. 이후 다양한 버치 환원법과 볼-밀 기반 연구가 보고되었으나, PS 같은 고분자에 적용된 사례는 없었다.

기존 연구의 어려움과 한계 속에서 연구팀은 최초로 PS의 버치 환원 반응을 볼-밀 분쇄기에 적용해 촉매, 첨가제, 용매, 볼-밀 분쇄기의 진동수 등 다양한 반응 조건을 최적화해 PS의 버치 환원 반응을 성공적으로 진행했다. 특히 연구된 최적의 반응 조건에서는 1분 만에 PS의 전환율과 디엔 함량을 극대화하면서 사슬 절단과 가교를 최소화할 수 있었다.

일반적인 PS뿐 아니라 다양한 작용기를 갖는 PS 유도체들에 적용하였을 때에도 높은 전환율과 디엔 함량을 얻을 수 있다는 사실을 확인했다. 발포 스티로폼이나 시중 커피컵 뚜껑과 같은 폐플라스틱에도 그램(g) 단위 규모로 반응하였을 때 최적 반응 조건에서 최대 전환효율 98%로 성공적으로 적용할 수 있다는 사실도 입증했다.

반응의 생성물을 사용해 새로운 기능성 소재를 만들어 내고, PS 업사이클링의 실질적 가능성도 보여줬다.

이번 연구는 황예진 인하대 화학공학과 교수 연구팀과 인천대 피터슨 그레고리 아이작(Peterson, Gregory Isaac) 교수 연구팀, 홍콩대 안토니오 리조(Rizzo, Antonio) 박사와의 국제공동연구로 진행됐다. 연구 결과는 국제 저명 학술지인 Nature Communications에 최근 게재됐다.

황예진 인하대 화학공학과 교수는 “이번 연구는 PS의 버치 환원 반응을 성공적으로 구현한 최초의 사례로, 일반적인 PS뿐 아니라 다양한 PS 유도체 및 상용화된 폐 PS 플라스틱에도 적용 가능함을 입증해 그 의미가 크다. 볼-밀 분쇄기를 사용한 PS 폐플라스틱의 업사이클링을 통해 환경 문제 해결은 물론, 새로운 고기능성 소재 개발의 가능성까지 제시한 중요한 연구 성과”라고 말했다.

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