이산화탄소에서 새로운 플라스틱을 합성 :: 산업뉴스

도쿄 대학 대학원 공학계 연구과 화학 생명 공학 전공 연구 그룹은 이산화탄소(CO2)에서 새로운 플라스틱을 합성하는데 성공했다. 폴리 락톤(Polylacton)이라고 하는 신규 물질로 기존에 비해 고온에서도 쉽게 변형되지 않고 유독 가스가 발생하지도 않는다. 3월 10일 영국 과학 잡지 네이처 케미스트리 온라인 판에서 발표되었다.

저렴하고 대량으로 입수할 수 있는 CO2를 원료로 한 플라스틱은 이미 존재하고 있다. 그러나, 연소에서 발생하는 유독한 질화 산화물, 낮은 내열성, CO2 이용률의 낮음 등의 과제가 있었다. 연구 그룹이 합성한 새로운 플라스틱은 기존 문제점의 대부분을 해소하는 것으로 CO2의 함유율은 29%로 높다. 배출 삭감이 요구되는 CO2를 유효하게 이용하는 길을 여는 발명이라고 할 수 있다.

연그 그룹은 합성 고무의 원료인 부타디엔에 CO2를 첨가하고, 팔라듐 촉매로 락톤을 만든 후에 팔라듐 촉매의 활성을 없애고 락톤을 중합시켜 고분자 수지를 합성하였다. 1종류의 반응으로는 이론적으로 불가능했지만, 팔라듐 촉매를 교묘하게 사용해 두 가지 반응을 결합하여 불가능을 가능하게 하고 새로운 플라스틱인 폴리 락톤을 합성했다.

연그 구룹은 "이 폴리 락톤은 분해 온도가 340도로 높기 때문에 녹여서 성형할 수 있다. 완전히 새로운 물질이기 때문에 미지수인 부분은 많지만 상자와 필름 등의 폭넓은 이용을 기대하고 있다. 생산 공정을 개량하여 대량 생산하면, CO2 배출량도 줄일 수 있는 가능성이 있다"고 말했다.

국제 에너지 기관(International Energy Agency, IEA)의 데이터에 의하면, 연료의 연소에 따른 이산화탄소 배출량은 전 세계적으로 30.3GTon(기가톤)에 이른다. 이 중, 자동차 등의 수송 수단에서 배출되는 이산화탄소는 대기 중에 신속히 확산되어 버리지만, 화력 발전소나 일부 화학 공장에서 배출되는 이산화탄소는 높은 농도의 이산화탄소로 구할 수 있다. 이런 의미에서 이산화 탄소는 싼값에 대량으로 입수 가능한 탄소 자원이다.
한편, 이산화탄소는 연소의 최종 생성물이며, 탄소가 가장 안정된 상태이다. 따라서, 이산화탄소를 다른 물질로 변환하기 위해서는, 그만한 에너지를 외부에서 더하는 것이 필요하다. 현재 이산화 탄소의 공업적인 화학 변환에서는 이산화 탄소를 다른 에너지 수준이 높은 물질과 반응시킴으로써 그 에너지 수준을 올리는 반응을 진행하는 경우가 많다(그림1). 예를 들면, 이산화탄소와 암모니아의 요소 합성, 이산화탄소와 페놀에서 살리실산 합성 등이 꼽힌다.

이산화탄소를 원료로 하는 플라스틱(수지)의 합성 사례는 요소(암모니아와 이산화탄소에서 얻어진)의 수지 합성, 혹은 요소를 멜라민으로 변환한 후의 멜라민 수지 합성이 잘 알려져 있다. 이들 플라스틱은 질소를 많이 포함하기 때문에, 연소에 따른 유독 가스(질소 산화물)가 발생한다. 이들의 합성 방법 외, 이산화탄소를 탄산 디메틸, 이어서 탄산 디페닐로 변환한 후 비스페놀A와 반응시켜, 플라스틱(폴리 탄산 에스테르)을 합성하는 프로세스도 개발되고 있다. 이 폴리 탄산 에스테르는 "폴리카보네이트" 혹은 "PC"의 명칭으로 광범위한 시장에서 통용되고 있는 투명성, 내충격성, 내열성이 뛰어난 플라스틱이지만, 원료인 이산화탄소의 중량비는 16질량%에 불과하다.

한편, 프로필렌 옥사이드와 이산화탄소를 번갈아 연결하면 (중합)플라스틱의 일종인, 지방족 폴리 탄산 에스테르(PPC)를 얻을 수 있다는 것이 1969년부터 알려져 있다. PPC는 원료에서 이산화탄소가 차지하는 비율이 43질량%로 다른 플라스틱에 비해 월등히 많은 이산화탄소를 포함하고 있는 투명성이 높은 열가소성 수지이다. 그러나, 실온 부근(35~40℃)에서 경도가 크게 바뀌기 때문에 취급하기 어렵고, 용도가 한정되어 있다는 문제가 있다(그림 2).

이번에 도쿄 대학 대학원 공학계 연구과 화학 생명 공학 전공의 연구 그룹은 기존의 이산화탄소로부터 합성된 플라스틱이 안고 있던 문제점을 대부분 해소하는 새로운 플라스틱을 이산화탄소와 합성 고무 원료로서 대량으로 생산되는 부타디엔을 이용해 합성하는 데 성공했다.

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』