목재 폐기물에서 나일론?

연구원들이 석유를 기반으로 하지 않는 새롭고 지속 가능한 플라스틱 유형을 발견했다.
그들은 셀룰로오스 생산에서 폐기물인 생체 물질 (+) -3-carene을 기반으로 완전히 새로운 폴리아미드를 개발했다. 바이오 기반 플라스틱의 특성을 쉽게 제어할 수 있기 때문에 기존 폴리아미드보다 더 광범위한 응용 분야를 찾을 수 있다. 

▲ 바이오 폐기물로 만든 새로운 폴리아미드는 이전 버전의 석유를 대체 할 수 있다 © P. Stockmann / TU München

세계는 플라스틱 폐기물 문제에 직면해 있다.
바다와 강이 플라스틱으로 오염된 것은 이미 잘 알려진 사실이고 심지어 우리 몸도 플라스틱으로 오염되어 있다. 대부분의 플라스틱은 화석 원료 석유를 기반으로 하기 때문에 오랫동안 환경친화적이고 지속 가능한 대안을 찾고 있었다. 유기 폐기물로 만든 PET 대체물과 셀룰로오스를 기반으로 한 껍질에 플라스틱 구슬(beeds)을 대체하는 것이 있다.

셀룰로오스 산업의 폐기물

그러나, 플라스틱 폴리아미드에 대한 대안을 찾는 것은 현재까지 어렵다.
폴리아미드의 응용은 스포츠 장비에서 나일론 스타킹, 자동차에 이르기까지 일상생활의 많은 영역에서 찾을 수 있다. 이 유형의 플라스틱은 카프로락탐-분자로 구성되며, 이는 석유계 사이클로헥산으로 만들어진다. 지금까지 바이오 기반 폴리아미드는 피마자유만을 기본으로 한다. 그러나, 이들 화합물은 종종 석유 제품보다 제조 비용이 상당히 비싸고, 특수한 용도로 사용될 수 있다.

프라운호퍼 계면공학 및 생명공학연구소(IGB)의 파울 스토크만(Paul Stockmann)이 이끄는 팀은 현재 바이오제닉 출발 물질 (+)-3-carene 의 돌파구를 보고했다. 이 물질은 상대적으로 적은 노력으로 셀룰로오스 산업의 부산물인 테레빈유에서 증류될 수 있다.
지금까지, 테레빈유는 공장에서만 태워졌다. 스토크만Stockmann의 동료인 지버Sieber는 “우리는 이를 플라스틱의 귀중한 원료로 사용한다. 이것은 엄청난 가치의 증가다." 고 설명했다.

링 개방으로 인한 복잡한 구조

출발 물질 (+)-3-캐린은 서로 부착된 2개의 탄소 고리로 구성된다.
화학자들은 폴리아미드의 질소 함유 "빌딩 블록"과 유사하게 연결을 변경했다. 고리를 개방함으로써, 많은 분자가 서로 연결되어 중합체를 형성할 수 있다. 그러나 두 번째 링은 유지됐다.

이것은 일반적인 폴리아미드처럼 선형 중합체 사슬을 만들지 않고, 더 작은 고리 및 추가의 곁그룹을 생성했다. 곁사슬(side chain)은 중합체에 완전히 새로운 특성을 부여한다. 곁사슬 사이의 상호 작용으로 인해 관련 석유 제품보다 높은 온도에서 연화되거나 녹기 시작한다. 이로 인해 새로운 폴리아미드는 많은 응용 분야에서 흥미롭다.

바이오 기반 폴리아미드의 합성에서, 사슬 사이에 순서가 없는 부분 결정질 중합체를 포함하는지 또는 비정질 물질을 포함하는지를 제어하는 ​​것이 가능하다. 지버Sieber는 “우리는 마지막에 투명한 폴리아미드로 혹은 부분 결정성 폴리아미드로 끝나든 합성 과정에서 반응 조건과 촉매를 통해 쉽게 제어할 수 있다.”고 설명했다.

여전히 전체 수율을 개선할 여지 남아

또 다른 이점은, 폴리아미드 생산을 위한 새로운 공정은 용매만 교환해야 하는 반응 용기에서 수행될 수 있다. 지버에 따르면, 이것은 합성이 산업적 관점에서 설득력 있다. "이 원-포트(one-port) 공정은 비용을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 지속 가능성의 상당한 이득을 의미한다"고 Siebert는 말한다.

그러나 연구원들은 ​​25% 공정의 전체 수율에 완전히 만족하지는 않는다.
파울 스토크만Paul Stockmann은 향후 연구에서 판매 증가가 조사돼야 한다고 말했다.
"단순한 확장성 덕분에 효율적인 프로세스를 우한 가능성이 매우 높다“

Nature Communications, 2020; doi : 10.1038 / s41467-020-14361-6
출처 : TU Muenchen

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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