초강력 플라스틱 섬유 제조공정을 개선하는 식물성 오일 :: 전체

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE; ultra-high-molecular-weight polyethylene) 섬유를 제조하는 기술은 거의 40년 동안 존재해 왔다. DSM사와 Honeywell사는 UHMWPE를 이용하여 강철보다 2배 이상 강력하고 방탄 의류, 갑옷, 해양 밧줄 및 기타 응용 등에 사용될 수 있는 전 세계 초경량 섬유 공급의 대부분을 책임지고 있는 제조 기업이다.

최근 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 소속의 Paul Smith와 Theo Tervoort 등을 주축으로 하는 연구진은 이러한 제조 공정을 크게 개선하는 방안을 발견했다.

새로운 연구는 현재 사용되고 있는 용매인 석유 기반의 데칼린(decalin)을 환경 친화적인 식물유(vegetable oils)로 대체하는 방안을 제안했다. 이러한 용매의 전환은 섬유 강도(fiber strength)를 거의 100% 증가시키거나 50% 이상 제조비용을 삭감할 수 있다고 동 연구는 밝혔다.

이러한 연구가 고강도 섬유의 영역에서 혁신적인 발견이며, 매우 상당한 사회적 영향을 초래할 것이라고 연구진을 밝혔다. 거의 반세기 이내에 섬유 과학에서 가장 의미 있는 발견이라고 연구진은 밝혔다.

이 연구에서 다루고 있는 용액-스핀/추출 공정의 메커니즘 개선은 매우 높은 계수(ultrahigh modulus) 및 초고강도의 폴리에틸렌 섬유 및 막을 생성하기 위하여 겔 회전(gel spinning)이라고 알려져 있는 공정과 약하게 상호 작용하는 유연한 거대분자(macromolecules)의 확대와 단축 배열(uniaxial alignment)의 당김 변형(tensile deformation) 수준에 의해 달성되는 제한 요인의 개념을 개선하는 것이다. 또한 이 연구에서 실험적 단계에서 거대 분자의 얽힘 사이에 공간을 겔화시킴으로써 결합 및 다른 농도 조건에서 UHMW PE를 용해시켜 다양한 조건이 결정됐다.

연구진은 소위 겔 회전과 고체 상태 공정이라고 불리는 원래의 공정이 안고 있는 주요 단점이 초고강도 섬유와 막을 제조하는 UHMW PE(ultrahigh molecular weight polyethylene)가 완전하게 용해되지 않는 것이라고 밝혔다. 전 단계 공정에서 일반적으로 채용하는 높은 가연성 용매에 원하지 않는 낮은 고분자 농도는 환경 장점과 추가적인 주요 회수가 필요한 과일, 너트 및 씨앗 등에 함유되어 있는 천연 오일과 다른 지방산을 포함한 상대적으로 열악한 용매를 채용하는 것을 방해하고 있다.

겔-회전 방법은 데칼린과 같이 회수 및 정화가 필요한 다량의 가연성 용매를 사용해야 하는 단점을 안고 있다. 데칼린은 증발 또는 헥산 또는 플루오르화 탄소(fluorocarbon compounds) 화합물을 이용하여 추출되는 물질이다. 부가적으로 용매와 추출은 상당한 건강 부작용 효과를 초래할 가능성이 있다.

전 세계에서 가장 일반적인 플라스틱인 상용 폴리에틸렌(polyethylene)은 폴리에틸렌 섬유가 짧기 때문에 약하다. UHMWPE 섬유를 만들기 위하여, 제조사들은 에틸렌 단량체(ethylene monomer)를 상용 폴리에틸렌의 에틸렌 단량체보다 약 30배 긴 고리로 중합시켰다. 이러한 고리는 처음에는 다른 고리와 얽히지만, 또한 고분자를 약화시킨다. 따라서 제조사들은 고리를 데칼린에 용해시키고 이후 고리로부터 그렇지 않으면 일부가 제거되는 얽혀든 조각을 고리로부터 이끌어낸다. 상업적으로 사용되고 있는 용액은 부피비로 10% 폴리에틸렌과 90%의 데칼린을 혼합한 용액을 사용하고 있다. 이러한 사실은 UHMWPE 섬유 1킬로그램을 제조할 때마다 9kg의 데칼린이 회수되어야만 한다는 것을 의미한다.

새로운 연구에서, 연구진은 폴리에틸렌 25%와 식물유 75%를 이용하여 UHMWPE를 준비할 수 있다는 것을 발견했다. 따라서 실제로 식용이 가능한 환경적으로 친화적인 3kg의 용매가 1킬로그램의 UHMWPE를 제조하는데 회수될 필요가 있으며, 이러한 감소된 회수량으로 인하여 UHMWPE 섬유의 제조비용은 더 낮아질 수 있다. 10%의 폴리에틸렌과 90%의 식물유는 얽혀 있는 것을 추가적으로 풀어서 데칼린 기반의 방법으로 만들어진 것보다 더 강력한 섬유를 생산한다.

Smith와 공동으로 현재의 UHMWPE 제조 공정을 발견한 네덜란드 에인트호벤 기술대학(TUE; Eindhoven University of Technology) 소속의 Pieter Lemstra 교수는 현재의 산업 공정을 변화시키는 것이 새로운 방법을 적용하는데 있어서 문제라고 지적했다. 그럼에도 불구하고 새로운 연구는 과학적인 혁신이라고 그는 밝혔다.

고성능 섬유 산업의 성숙한 상태, 거대한 시장, 큰 이윤 및 증가하는 경쟁 등이 주어졌기 때문에, 이러한 성과는 단순한 것으로 간주될 수 없다고 DSM사의 UHMWPE 제조 공정을 완성시킨 TUE 소속의 Han Meijer는 밝혔다. 새로운 연구 결과는 이례적이며 엄청난 효과를 가져 올 것이라고 Meijer는 덧붙였다.