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기획특집 > 이달의 초점
탄소 섬유, 재활용 가능한 플라스틱의 특성을 높이는 리그닌 첨가제
[플라스틱사이언스] 기사입력 2022-09-27 09:16:26
"Advances in Plastics > 바이오폴리머 리그닌 연구"

지구상에서 두 번째로 풍부한 바이오폴리머인 리그닌은 폴리머의 잠재적인 재생 가능 성분으로서 수년 동안 연구자들로부터 주목을 받아왔다.  최근에는 세인트루이스의 워싱턴 대학에서 리그닌 관련 연구가 환경 발자국이 더 작은 플라스틱뿐만 아니라 더 강하고 가벼운 탄소 섬유로 이어질 수 있다고 밝혔다.

리그닌은 그동안 이 땅에서 가장 풍부한 페놀계 생체고분자로, 녹색 제조를 위한 풍부한 공급 원료로서의 잠재성을 보였다. 그럼에도 불구하고, 다양한 화학적 연결, 이종 작용기, 가변 분자량 및 양친매성 구조는 모두 대체 가능한 물질들로 리그닌으로부터 합성되는 것을 방해하기 때문에 주로 낮은 가치의 자원으로 남아 있었다.

리그닌은 식물 조직에 강성과 구조를 제공하지만, 최근까지 식물 기능을 넘어서는 산업 폐기물로 간주되기도 했다. 그런데 최근 리그닌이 변하고 있다. 지난 2016년, 화석 연료 공급 석유 화학품을 대체하는 것을 목표로 리그닌을 추출하는 최초의 상업적 규모의 공장이 캐나다 앨버타에 건설되었다.


리그닌은 열경화성 복합재로 하중을 가볍게 해

최근에는 일본의 한 연구 컨소시엄이 자동차 부품에 리그닌을 함유한 열경화성 복합소재를 개발해 리그닌을 함유한 플랜트 기반의 열경화성 복합소재가 시제품 자동차의 엔진후드뿐 아니라 자동차 내장 부품에 사용되었다.

해당 연구 컨소시엄은 국내 임업산물연구소(FFPRI)를 단장으로 하는 SIP-Lignin 그룹(SIP의 리그닌 기반 소재 연구 컨소시엄)도 리그닌을 기반으로 한 하이브리드 필름, 플렉시블 전자소자, 가스켓 소재, 탄소섬유 등의 응용분야를 개발하고 있다.

연구 컨소시엄 회원사인 미야기 가세이(宮城 co)는 수지 전사 성형(RTM)과 주입 성형 등의 공정을 이용한 열경화성 복합재료 가공업체로, 일본 자동차 회사인 미쓰오카 자동차, 미국 산업과학기술원(AIST)과 협력하여 엔진 후드와 인테리어 요소를 개발했다. 예를 들어 도어 트림(door trim) 및 스피커 케이스와 같은 내부 구성 요소는 리그닌 함량이 17%, 유리 섬유 강화 에폭시 복합체 40% 함량으로 제조되었다. 리그닌은 분말 형태로 통합되어 부품 경량화에 4% 기여하며, 가공 중 포름알데히드, 아세트알데히드 및 스티렌의 배출량을 줄인다.

미야기 카세이사의 이와타 신이치 계획 개발부 선임 책임자는 17%의 리그닌을 첨가하면 동일한 기계적 강도를 얻는 데 필요한 탄소 섬유의 수를 줄일 수 있는 탄소 섬유 강화 복합 재료도 실험했다고 말했다. 이와타는 17.5% 더 가벼운 부품 질량에서 동일한 강도를 실현하기 위해 5개 대신 4개의 플라이를 사용한 테스트 부품을 인용했다.


리그닌 재설계 통해 표준 탄소섬유보다 우수한 기계적 물성 발현

한편, 워싱턴 대학의 연구는 향상된 형태의 탄소 섬유의 전구체로 사용될 수 있도록 리그닌을 화학적으로 변화시키는 것을 포함한다. 이는 개선된 특성을 가진 재활용 가능한 플라스틱의 개발을 가능하게 할 수 있다는 의미다. 에너지, 환경 및 화학 공학부의 교수이자 석좌교수인 조슈아 위안과 그의 팀은 리그닌의 일부 특성을 변경함으로써 HiMWELL (High Molecular Weight Esterized Linking Lignin)을 만들었다. 그들은 그것을 폴리아크릴로니트릴(PAN)과 결합하여 전구체를 공식화했다.

위안의 이전 연구는 이러한 유형의 재료에서 리그닌의 통합을 저해할 수 있는 주요 장애물을 식별했다. 예를 들면, 리그닌의 화학 구조와 분자량의 불균일성으로 인해 다른 중합체와 결합하기 어려운 점, 그리고 많은 OH 그룹은 물을 끌어당기는 산소와 수소의 반응성 쌍으로 인해 탄소 섬유와 같은 단단한 물질을 만드는 데 이상적이지 않다는 점이다. 이러한 장애물을 피하기 위해 위안과 그의 팀은 리그닌 구조물을 재설계했다.

구조-특성 관계를 기반으로, 유닛 간 하부 구조 대체를 통해 보다 균일한 에스테르화 연결, 더 큰 분자량 및 훨씬 더 낮은 OH 그룹 함량을 가진 고분자 중량 에스테르화 연결 리그닌(HiMWELL) 유형의 화학 설계를 통해 이러한 문제를 시너지적으로 극복한다. HiMWELL은 리그닌을 획기적으로 향상된 특성 및 기능을 가진 재생 가능한 물질 제조를 위한 전구체로 변환한다. 이후 HiMWELL계 탄소섬유는 제어 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유보다 기록적인 인장강도와 표준 탄소섬유보다 우수한 기계적 물성을 달성하였다. 또한 HiMWELL은 재활용 가능한 폴리머 블렌드의 기계적 특성을 독특하게 개선하여 UV 셰이딩 효과를 달성했다.

브랜디 제퍼슨은 “HiMWELL이 재활용 가능한 폴리머 혼합물에 첨가되었을 때 기계적 특성과 자외선 차단 기능이 향상되었다.”라고 말했다.

이번 연구는 Cell Press Matter에 실리며 탄소섬유에 리그닌을 사용하는 동시에 폐기물 흐름에서 물질을 빼내기 위한 토대를 마련했다는 데 의미를 가진다.


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