셀롤로오스계 바이오플라스틱의 제조 에너지 절감 기술 :: 산업뉴스

일본전기주식회사(NEC) 스마트 에너지 연구소는 비식용식물자원 셀룰로오스의 주성분을 이용하여 고기능 바이오플라스틱 (이하 ‘셀룰로오스계 고기능 바이오플라스틱’)을 종래의 1/10이라는 저 에너지(저 CO2 배출량)로 합성할 수 있는 새로운 제조기술 (이하 ‘2단계 불균일계 합성 프로세스’)를 개발하였다.

현재 플라스틱은 전 세계에서 연간 약 2.3억 톤(일본 국내에서는 약 1300만 톤)이 생산되고 있으며, 그 중의 대부분은 석유 유래의 원료를 고온, 고압 조건 하에서 반응시켜 만들기 때문에, 플라스틱의 생산과정에서 발생하는 이산화탄소의 양이나 제조에 필요한 에너지가 많이 든다는 점이 문제가 되었다. 이에 대해 재생 가능하면서도, 이산화탄소를 고정할 수 있는 식물자원을 원료로 하는 바이오 플라스틱의 개발과 이용이 진행되고 있다. 종래에는 곡물, 덩이줄기, 사탕수수 등에서 추출한 전분을 원료로 하는 바이오 플라스틱을 주로 사용했지만, 미래의 식량문제에 관한 염려도 있어 현재에는 식물의 줄기나 목재의 주성분인 셀룰로오스 등의 비식량의 식물자원을 원료로 한 바이오플라스틱이 주목받고 있다.

본 연구개발은 안정공급이 가능한 셀룰로오스 등의 비식용식물자원 유래의 다당류를 이용하여 이산화탄소 배출량을 저감을 실현하기 위한 혁신적인 바이오플라스틱의 개발을 목적으로 하여 독립행정법인 과학기술진흥기구(JST) 첨단적 저탄소화 기술개발의 연구 테마 ‘비식용 다당류의 이용한 바이오 플라스틱의 연구개발’의 일환으로 시행되었다.
NEC는 2010년 셀룰로오스의 장쇄부위가 가지고 있는 변성 카다놀을 단쇄성분과 결합시켜, 종래의 셀룰로오스계 바이오 플라스틱에서는 할 수 없었던 높은 식물 성분율(약 70%)과 우수한 열가소성, 내열성, 내수성을 처음으로 실현하여 셀룰로오스계, 고기능 바이오플라스틱을 전자기기 등 내구제품용으로 개발하였다. ([그림 1])

NEC는 [그림 2]에서 보여주는 것처럼 ‘2단계 불균일계 합성 프로세스’를 개발하였다. 본 프로세스에 의해 종래에 비교하여 약 1/10의 제조에너지 (이산화탄소 배출량)’로 ‘셀룰로오스계 고기능 바이오 플라스틱’의 제조가 가능하게 되었다. ([그림 3])

‘셀룰로오스계, 고기능 바이오플라스틱’은 종래의 셀룰로오스계 바이오 플라스틱과 같은 종류로 유기 용매에 셀룰로오스를 용해시켜 다른 성분과 반응시켜 수지화하는 균일계 프로세스에 의해 제조되기 때문에 생성 수지를 분리하기 위해서는 대량의 빈용매가 필요하여, 제조 에너지(이산화탄소 배출량)가 많고, 비용을 절감하기 어려운 문제점이 있었다.
이 균일계 프로세스에 대해 셀룰로오스의 유기용매를 용해시키지 않고, 젤 상태에서 유기용매에서 부풀어 오른 상태에서 수지화시키는 불균일계합성 프로세스는 반응 후, 교반을 멈추면 침전분리와 여과에 의해 생성수지를 쉽게 회수할 수 있어, 큰 폭으로 에너지 절감이 가능하다. 하지만 수지물성의 개량에는 유효한 변성 카다놀 등의 장쇄성분을 셀룰로오스에 부가시켜 수지화를 진행하여, 용매에의 친화성을 향상시키는 것으로 침전분리 시키기가 어렵기 때문에, 한편으로는 초산과 같은 당쇄성분을 부가하는 것만으로는 침전분리성은 좋더라도 열가소성이나 내수성 등의 수지물성이 불충분하다는 과제가 있기 때문에, 생성수지의 침전분리성(셀룰로오스계 바이오플라스틱의 생산성)과 수지물성의 양립이 어려운 점이 있었다.

‘셀룰로오스계 고기능 바이오 플라스틱’의 높은 생산성과 우수한 수지물성(열가소성, 내수성 등)을 양립시키기 위한 2단계 불균일계 합성 프로세스를 개발하였다. 제 1단계에서는 분쇄한 셀룰로오스를 적절하게 유기용매 중에 젤 상태에서 적절하게 부풀린 후 여기에 장쇄성분 (변성 카다놀)과 단쇄성분(초산)을 첨가하였다. 이 단계에서는 장쇄성분과 단쇄성분의 첨가를 제한한 양을 정함으로써 수지화됨에 있어 불완전한 상태가 되어, 생성물 (카다놀 첨가 초산 셀룰로오스)을 침전분리 (+ 흡입여과)에 의해 효율적으로 회수하였다. 침전 윗물의 장쇄, 단쇄 성분의 미반응물과 용매가 섞인 반응용액은 부족성분을 추가하여 재이용된다.
2단계에서는 상기의 회수한 생성물(반수지화물)을 적절하게 유기용매 중에 친화시켜(부분적 용해시킨 반불균일계), 단쇄성분을 충분히 첨가하여 수지화시킨다. 미반응의 단쇄성분과 용매는 휘발하기가 쉬워, 100℃이하의 비교적 저온에서 증류에 의해 새성수지와 분리하는 것이 가능하여 회수한 단쇄성분과 용매는 재이용되었다.

본 연구의 주요 성과는 아래의 2가지 점이다
(1) ‘셀룰로오스계 고기능 바이오플라스틱’ (카다놀 첨가 셀롤로오스계 수지)을 종래의 제법(균일계 프로세스)의 약 1/100의 에너지로 합성하는 새로운 제조기술 (2단계 불균일계 합성 프로세스)을 개발하였다.
(2) 본 프로세스에서 제조한 카다놀 첨가 셀룰로오스계 수지는 종래의 균일계 프로세스에서 제조한 것과 같은 정도의 양호한 열가소성이나 내수성을 실현한다. 또한 본 수지는 식물성분의 주체의 특정한 폴리에스테르계 수지와 유리섬유와 같은 섬유를 첨가제로 사용하는 것으로 내열성과 강도와 같은 주요 특성을 전자기기 등 내구제품을 이용할 수 있는 실용화 레벨까지 향상시킬 수 있다.

NEC는 이후, 이번에 개발한 신제조기술을 기반으로 하여 현재 제조규모(실험실 레벨)를 단계적으로 확대하면서 양산기술을 완성하여 2016년도 중 양산개시를 목적으로 한다. 또한 본격적인 양산시에는 폴리에틸렌 테레플라레이트(PET: 고압+진공 하, 200℃이상에서 제조) 등과 같은 석유원료계의 고기능 플라스틱에 대해 제조에너지 (이산화탄소배출량)를 약 50% 저감(생성수지 1kg당 CO2배출량: 약 1.3kg/g)하는 것을 목적으로 한다. 또한 전자기기뿐만 아니라 부가가치가 높은 다른 내구제품이나 이후 성장하는 신제품의 전개도 목적으로 한다.