해중합은 폐플라스틱을 화학적으로 분해해 유해물질을 걸러내고 다시 융합해 재활용하는 공정이다.
해중합 공정으로 플라스틱의 고분자 사슬을 단량체 수준으로 분해하려면 높은 온도가 필요한데, 이는 플라스틱 재활용 효율성을 떨어뜨리는 원인이다.
KAIST는 화학과 서명은 교수팀이 고분자 자기조립 과정에서 해중합 온도를 낮춰 플라스틱 재활용률을 높이는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
이중블록 고분자와의 용해성이 떨어지는 선택적 용매에서 중합을 진행했을 때 발생하는 고분자 자기조립의 모식도. KAIST 자기조립은 무질서한 체계가 스스로 일정 패턴을 갖추는 현상으로, 이는 자연계 상태에서는 점점 무질서도가 증가한다는 원칙인 ‘엔트로피’에 반한다.
해중합은 패턴화된 고분자 사슬을 끊어 분자단위 단량체로 분리하기 때문에 무질서도(엔트로피)가 증가하고, 중합은 단량체를 화학반응으로 연결해 고분자 사슬을 만드는 것으로 무질서도(엔트로피)는 감소한다.
연구팀은 자기조립이 일어나는 상황에서 질서와 무질서의 균형을 이루기 위해 중합보다 해중합이 우세해지는 결과를 확인했다.
이에 연구팀은 중합과 해중합이 균형을 이루는 천정온도가 186℃인 고분자가 자기조립이 일어나는 선택적 용매에서 90℃로 줄이는 데 성공했다.
아울러 연구팀은 고분자 합성 후 온도를 올려 고분자 나노구조체를 구성하는 사슬을 재사용 가능한 단량체로 분해하고, 다시 온도를 내려 중합되면서 나노구조체를 형성하는 자기조립체계를 구현했다.
이 때 연구팀은 온도를 올리거나 내리면 나노구조체 사슬 길이가 달라지며 모양이 바뀌는 것을 관찰하고, 중합과 해중합을 반복하며 점도를 조절하는 데 성공했다.
중합과 해중합에 따른 고분자 나노구조체 형상의 가역적 변화. (왼쪽)막대형-원형-막대형 (오른쪽)섬유형-막대형-섬유형. 변하는 고분자 길이에 의해 발생하는 나노구조 형상이 가역적으로 조절된 모습. KAIST 서 교수는 “기존 고분자를 화학적으로 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요해 어려움이 있었지만, 고분자 자기조립을 활용해 해중합 온도를 낮춤으로써 폐플라스틱의 재활용을 더 효율적으로 할 수 있게 됐다”고 말했다.
한편 이번 연구는 KAIST 화학과 남지윤 박사가 제1저자로, 유창수 석박사통합과정이 공동저자로 참여했다.
