바이오 플라스틱 – 플라스틱 산업의 미래

현대 플라스틱이 없었다면 자동차, 항공우주, 의료 산업에서 이처럼 큰 발전을 이룰 수 없었을 것입니다.

대부분의 플라스틱은 재생 불가능한 기본 원료인 원유를 가공하여 생산되며 생분해성이 없습니다. 이것이 플라스틱의 가장 큰 단점입니다. 전 세계적으로 원유를 계속 채굴하면 자원이 고갈됩니다. 이는 심각한 문제이지만 현재로서는 플라스틱 사용 후 발생하는 폐기물의 양 만큼 눈에 띄지는 않습니다. 자연 환경에서 분해되는 데 걸리는 시간이 여러 세대가 걸릴 수 있다는 점을 알아야 합니다.

낭비 문제 – 통계는 어떠한가?

연구에 따르면 생산이 시작된 이래 시장에 출시된 플라스틱의 75%가 이미 폐기물이 되었다고 합니다. 이는 63억 톤 으로, 그 중 10%미만이 재활용 되었고 12%가 에너지 회수되었습니다. 즉, 약 50억 톤의 플라스틱이 매립지에 수거되지만 , 전 세계에 흩어져 있는 숲, 바다, 해변, 불법 매립지에 버려집니다. 자연 환경과 인간에게 가장 큰 영향을 미치는 것은 해양 환경에서 발생하는 폐기물입니다.

현재 가장 큰 문제는 일회용 포장재를 포함한 도시 폐기물입니다. 전체 쓰레기 무게의 약 8%를 차지하지만 비중이 낮아 상당한 부피를 차지하여 전체 폐기물 부피의 약 30%를 차지합니다. 이 그룹에는 주로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만든 병과 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 으로 만든 쇼핑백, 아침 식사용 봉지 또는 호일 포장재가 포함됩니다. 포장재를 가장 많이 사용하는 산업은 식품 산업 으로, 전체 포장재의 약 60%를 소비합니다.

생태학적 대안 – 바이오플라스틱

플라스틱 폐기물 관리 문제가 커지면서, 바이오플라스틱 이라고도 불리는 새로운 생분해성 폴리머 소재를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 소재는 기존 방법으로 얻은 것과 비슷한 유용한 특성을 가져야 합니다. 재생 가능한 원료 와 석유화학 원료 모두에서 산업적 규모로 얻습니다.

화석 원료에서 생산되는 기존 플라스틱과 비교할 때 바이오플라스틱은 여러 가지 귀중한 장점이 있습니다. 첫째, 순환적으로 재생되는 바이오매스를 사용하여 원료를 절약할 수 있습니다. 또한 생산 및 사용은 탄소 중립적이므로 가공 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않습니다. 게다가 일부 유형의 바이오플라스틱은 생분해성이 있습니다.

바이오플라스틱에는 어떤 종류가 있나요?

바이오플라스틱은 원산지와 생분해성에 따라 세 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다.

• 재생 가능한 원료에서 파생되었지만 생분해성이 아닌 플라스틱 – 예: 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)

• 생분해성 플라스틱 (단, 재생 가능한 원료에서 생산되지 않음 – 예: 1,4-부틸렌 1,4-부틸렌 1,4-부타디엔 테레프탈레이트(PBAT) 또는 폴리카프로락톤(PCL))

• 재생 가능한 원료(생분해성 폴리머)에서 파생된 생물 기반 소재, 생분해성 – 예: 폴리락티드, 즉 폴리락트산 기반 소재(PLA), 글리콜산(PGA) 을 기반으로 한 폴리글리콜리드 또는 변형 전분.

앞서 언급한 소재 중에서 가장 큰 역할을 하는 것은 PLA(폴리락타이드)로, 양적으로는 모든 생분해성 폴리머의 약 40%를 차지합니다. 생분해성이고 재생 가능한 원료에서 유래되었기 때문에 종종 ‘더블 그린’이라고 불립니다. 폴리락타이드는 단단하고 취성이 있어 폴리스티렌과 유사한 특성을 가진 폴리머입니다. 유리 전이 온도가 약 57°C이고 녹는점이 170-180°C 범위인 것이 특징입니다. 또한 우수한 강도 특성(60MPa 강도 모듈)을 가지고 있습니다.

생분해성 생물 기반 소재는 어디에 사용됩니까?

생분해성 폴리머를 기반으로 한 바이오 기반 플라스틱 그룹은 두 분야에 적용되었습니다. 첫 번째는 의학 및 조직 공학 의 고도로 전문화된 분야로, 이러한 유형의 플라스틱은 생분해성 수술용 실, 교정기, 클립, 임플란트, 약물의 조절된 투여를 위한 캡슐 등과 같은 요소를 생산하는 데 사용됩니다. 두 번째 분야는 포장재, 식품 전용 호일, 열성형 호일, 폐기물 봉지, 트레이, 컵, 병, 칼, 정원 호일, 일회용 제품, 인테리어 디자인 요소, 종이 코팅 재료 및 인쇄용의 대량 생산과 관련이 있습니다. 기존 플라스틱으로 생산된 포장재를 생분해성 대체품으로 대체하는 것은 지속 가능한 개발과 폐기물 감소 경제의 추세의 일부입니다.

바이오플라스틱의 단점

많은 장점에도 불구하고 생분해성 폴리머 소재는 광범위한 사용을 제한하는 단점도 있다는 점을 기억해야 합니다. 이러한 이유로 여전히 많은 분야에서 비생분해성 대응 제품에 밀립니다. 우선, 생분해성 바이오플라스틱은 현재 시중에 나와 있는 제품보다 비싸지만 가격이 꾸준히 하락하고 있다는 점은 주목할 만합니다. 앞으로 몇 년 안에 석유화학 기원의 고전적 폴리머 소재 가격과 동일해질 것으로 예상됩니다. 이들 중 다수는 기계적 특성 면에서도 기존 소재보다 열등합니다. 즉, 너무 취성이 강하거나 딱딱하거나 인장 강도가 너무 낮습니다 .

식품 포장재 생산 에 이러한 소재가 자주 사용되기 때문에 적절한 차단 특성 도 필요합니다. 이들은 포장된 제품에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 산소, 이산화탄소 및 수증기의 투과성 때문에 중요합니다.

또한 생분해성 폴리머는 열, 습도 및 전단 응력에 민감하기 때문에 비생분해성 대응 제품보다 제조 공정이 더 까다롭습니다. 이러한 이유로 바이오 플라스틱은 가공 단계에서 이미 부분적으로 분해될 수 있습니다. 생분해성 폴리머 재료의 언급된 단점은 특성을 개선하거나 불리한 기능적 특성을 제한하는 분야에서 연구를 수행하는 기초입니다.

생분해성 플라스틱의 특성을 개질하는 첨가제

바이오플라스틱은 폴리머 외에도 가공 가능성과 최종 제품 특성을 함께 결정하는 다른 재료와 첨가제를 포함합니다. 이는 재료, 안료, 다양한 필러 또는 가소화 첨가제( 가소제 )를 안정화하는 데 사용되는 첨가제일 수 있습니다. 가소화 첨가제는 플라스틱의 모든 구성 요소에서 차지하는 비중이 작지만 생분해성 플라스틱의 경우 모든 구성 요소가 생분해성인 것이 매우 중요합니다. 가공 중에 도입된 첨가제는 바이오폴리머의 구조를 변경하지 않고 구조와만 반응합니다. 이는 재료의 물리화학적 특성을 변경하여 제품에 필요한 사용 가능한 특성을 부여합니다.

전문 포장에 전념하는 바이오플라스틱의 역동적인 개발과 병행하여 생분해성 폴리머와 호환되고 플라스틱에 원하는 특성을 부여하는 가소화 첨가제에 대한 필요성이 커지고 있습니다.

PCC 그룹의 새로운 바이오 프로젝트

PCC MCAA 와 PCC Exol 의 연구 부서가 공동으로 작업한 결과, CITREX 프로젝트의 일환으로 새로운 제품 그룹이 개발되고 있습니다. 이는 특수 포장, 필름, 식품 라미네이트에 전용된 가소화 제품 일 뿐만 아니라 장난감 생산에도 잠재적으로 사용할 수 있습니다. 시장 요구 사항을 충족하는 동시에 제품 혁신인 제품을 개발하는 것은 주요 연구 과제입니다. 이러한 제품의 합성과 응용은 합성 경로, 분석 방법, 가능한 응용 분야 및 목표 시장의 소비자와 경쟁자에 대한 정보를 포함한 여러 분야에서 철저한 인식이 필요합니다. 따라서 이 프로젝트의 기본 목표는 가소화 첨가제를 개발하는 것뿐만 아니라 무엇보다도 이러한 제품의 특성과 응용 분야에 대한 지식을 얻는 것입니다.

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바이오플라스틱용 가소제에 대한 요구 사항

생분해성 폴리머에 사용되는 가소제 첨가제가 충족해야 하는 주요 기준은 다음과 같습니다.

• 고온 및 보관시간의 영향으로 바이오플라스틱에서 가소제 이동 없음

플라스틱 첨가제의 이동을 줄이는 것은 구조를 개발하는 데 있어 핵심적인 측면입니다. 이동 현상은 구어체적으로 플라스틱 가소제의 "누출"로 정의할 수 있습니다. 완제품의 경우 재료의 특성이 손실되고 미학적으로 저하될 수 있습니다. 즉, 제품이 변색되거나 형태가 왜곡될 수 있습니다.

실제로, 이동은 가소제의 적절한 분자량(질량)을 조정하고 화학 구조를 보다 분지형 또는 선형적인 방향으로 변경함으로써 제한될 수 있습니다.

• 생분해성

바이오플라스틱에 첨가된 가소화 첨가제는 생분해성 기준을 충족해야 합니다. 즉, 유해 물질이 형성되지 않는 퇴비화와 같은 자연 분해 과정을 쉽게 거쳐야 합니다. 제품의 생분해성을 높이는 방법 중 하나는 카르복실산 및 화학 합성에 사용되는 기타 생분해성 원료와 같은 천연 원료를 사용하는 것입니다.

위에서 설명한 기준은 합성되는 화합물의 적절한 분자량을 유지하면서 화학 구조의 수정과 사용된 원료의 선택을 모두 언급합니다. 이를 충족하는 것은 적절한 가소화 첨가제를 설계하고 합성을 수행하는 관점에서 엄청난 연구 과제입니다. 따라서 프로젝트를 구현하려면 반복 가능한 품질과 구조의 화합물을 얻기 위한 많은 실험실 테스트가 필요합니다.

개발중인 제품의 혁신

시장에서 신제품의 매력은 혁신성 에서도 기인합니다.CITREX 프로젝트에서 개발된 가소화 첨가제는 천연 카르복실산(호박색과 구연산) 생물산 , PCC Rokita 에서 생산한 폴리올, 화장품에 사용되는 라우릴 알코올 의 혁신적인 조합이 특징이며, 따라서 무독성입니다.동시에 제조된 제품은 엄격하게 정의된 분자량을 가지고 있어 최종 제품에서 첨가제가 이동하는 것을 제한하도록 의도되었습니다.새로운 분자 구조를 설계하는 데 있어서 주된 목표는 바이오플라스틱에 포함된 바이오폴리머와 상호 작용하는 분자를 만드는 것이었습니다("유사한 것은 유사한 것을 끌어당긴다"는 원리에 따라).이는 또한 이동 과정을 줄이는 데 영향을 미치고 가소화 첨가제에 대한 요구 사항을 충족하는 데 기여할 것입니다.

제품의 실험실 샘플을 얻는 것은 CITREX 프로젝트의 일환으로 수행되는 연구의 첫 번째 예비 단계입니다. 동시에, 그것은 주어진 제품의 적용 특성을 테스트하는 다음 단계의 시작입니다. 이들 제품의 특성을 철저히 조사하는 것은 목표 적용 분야를 선택하는 기초가 됩니다.

바이오플라스틱 시장의 미래

바이오플라스틱 및 바이오첨가제 시장은 확실히 유망하고 빠르게 성장하는 시장이며, 최근 들어 특히 눈에 띄고 있습니다. 이는 무엇보다도 플라스틱이 환경에 미치는 부정적 영향 에 대한 소비자 인식이 높아진 데 기인합니다. 의식 있는 소비자는 기존 플라스틱으로 만든 포장재와 일회용 제품에 대한 생태적 대체품을 점점 더 선호하고 있습니다. 그 결과 PLA로 만든 용기나 칼과 같이 바이오플라스틱으로 만든 다양한 요소에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.