플라스틱 폐기물 문제가 전 세계적인 환경 과제로 떠오른 가운데 기계적 강도를 높이면서도 사용 환경에 따라 생분해 경로를 제어할 수 있는 차세대 친환경 고분자 소재가 개발됐다.

충남대학교 유기재료공학과 구준모 교수팀과 한국화학연구원 신기영·이민경 박사팀이 공동으로 생분해성과 기계적 강도를 동시에 구현한 차세대 친환경 poly(butylene succinate, PBS) 기반 고분자 소재를 개발했다.

이번 연구 결과는 고분자 분야 국제학술지 ‘매크로몰레큘러 리서치(Macromolecular Research, IF: 3.7)’에 게재됐다. 이번 연구에는 충남대 권제훈 석사과정생이 제1저자로, 구준모 교수가 교신저자로 참여했다.

최근 플라스틱 폐기물에 따른 환경오염이 심화되면서 생분해성 플라스틱에 대한 관심이 높아지고 있다. 대표적인 생분해성 고분자인 PBS는 우수한 친환경성을 갖췄지만, 외부 환경의 pH나 미생물 등 조건에 따라 분해 양상이 달라져 분해 속도를 예측하거나 제어하기 어렵다는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 In-situ 중합 공정을 적용해 셀룰로오스 나노결정(Cellulose Nanocrystals, CNC), 구연산(Citric Acid, CA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol, PEG) 등 세 가지 첨가제를 PBS 분자 구조 내부에 효과적으로 도입했다.

연구 결과, 구연산을 도입한 PBS-CA 소재는 3차원 분지 및 가교 구조를 형성해 79MPa의 높은 인장강도와 우수한 인열강도를 구현했다. 이는 기존 순수 PBS보다 약 30% 이상 향상된 기계적 강도로, 실제 산업 적용에 필요한 내구성을 확보한 것으로 평가된다.

또한 실제 하천 수계 환경을 모사한 생분해 실험에서는 기존 석유계 플라스틱인 LDPE와 PET가 전혀 분해되지 않은 반면, 개발된 PBS 기반 소재는 12주 만에 완전 생분해되는 것을 확인했다.

이번 연구는 단순히 생분해성 플라스틱의 성능을 향상시키는 데 그치지 않고, 첨가제의 종류와 분자 구조를 조절해 플라스틱의 생분해 메커니즘을 설계할 수 있음을 입증했다. 이를 통해 제품의 사용 목적과 폐기 환경에 맞춰 분해 특성을 제어하는 맞춤형 친환경 고분자 소재 개발 가능성을 제시했다.

구준모 교수는 “이번 연구는 단순한 분해율 향상을 넘어 첨가제의 종류와 구조에 따라 플라스틱의 생분해 메커니즘을 제어할 수 있음을 입증한 연구”라며 “사용 목적과 매립·폐기 환경에 최적화된 친환경 고분자 소재 설계와 지속가능한 플라스틱 기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 충남대학교와 한국화학연구원의 공동연구를 통해 수행됐다.