출처 : https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2401/18/news009.html

여기에서는 바이오 플라스틱의 종류 및 특징에 대해 설명한다.

<그림1> 대표적인 바이오 플라스틱의 분류와 예

주) 검은 글씨는 폴리올레핀, 붉은 글씨는 폴리에스테르, 파란 글씨는 폴리아미드를 나타낸다.

바이오매스를 원료로 삼는 바이오 플라스틱은 주로 기존의 플라스틱을 재생 가능 자원인 생물 생산물을 가지고 합성한다. 대표적인 것이 폴리에틸렌(PE)이다. 폴리에틸렌의 원료인 에틸렌을 바이오 에탄올을 가지고 만들어서 화석 자원을 사용하지 않고 플라스틱을 생산할 수 있다. 이러한 생물에서 유래한 것은 특히 바이오 PE라 불린다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 마찬가지로 바이오 에탄올을 원료로 사용하여 골격의 일부를 합성하는 것으로서, 시판 제품 중에서 부분적으로 바이오 플라스틱화가 이루어졌으며, 아직은 시험 단계지만 100% 바이오 PET의 제조도 이미 보고된 바 있어, 현재 그 제품화가 안팎에서 시도되고 있다. 이들은 원료의 유래에 상관없이 제품으로서는 같은 성능을 가지기 때문에 플라스틱 원료를 바이오매스로 전환하는 일은 이론적으로는 간단하다고 할 수 있다.

하지만 바이오매스는 화석 자원에서 유래한 것보다 비용이 더 많이 들어가기 때문에, 성능상 완전히 같다면 부가가치를 얻기 어려워 보급이 늦어진다. 그에 더해 바이오 에탄올을 제조할 때는 일반적으로 식용 가능한 것을 원료로 사용하기 때문에, 식료 문제와 경쟁하게 될 우려도 있다. 현재 PE의 바이오 플라스틱 전환율은 10% 정도이며, 이후 생산 능력이 향상되면 보급이 확대될 것으로 기대된다.

생분해성을 가진 바이오 플라스틱도 있다. 그 대표적인 것이 폴리 유산(PLA)다. PLA는 유산균의 대사로 만들어지는 유산이 중합된 고분자다. 이미 빨대나 커틀러리, 쟁반 및 농업용 필름 등 다양한 목적으로 이용되고 있다. 그 생산량은 전 세계적으로 연간 약 30만 톤(t) 정도이며, 바이오 플라스틱의 주력 제품 중 하나다.

유산은 하이드록실기(-OH)와 카복실기(-COOH)를 가진 하이드록시알킬 카복실산(HA)의 일종인데, 이 HA의 폴리머인 PHA는 PLA 외에도 생분해성을 나타내는 것이 몇 가지가 있다. 예를 들어, 카네카가 처음으로 공업화한 PHBH라 불리는 PHA는 높은 생분해성과 해양 생분해성을 나타내며, ‘Green Planet’이라는 상품명으로 제품화되었다.

석유 유래 플라스틱 제품 중에서도 생분해성을 나타내는 것이 있다. 폴리카프로락톤(PCL) 및 폴리부틸렌숙시네이트(PBS) 등이 그러하다. PBS는 원래 석유 유래 제품으로 개발된 역사가 있으며, 지금까지 그중 50%를 바이오매스화한 BioPBSTM이 개발되었다.

▣ 시판 중인 생분해성 플라스틱의 60%는 폴리에스테르

생분해성은 기존의 플라스틱에서는 흔치 않은 성질이기 때문에 대체 재료로서의 부가가치가 될 수 있다. 다만 생분해성의 유무는 그 고분자를 분해(자원화)할 수 있는 생물이 존재하는가에 달려 있다. 실제로 어떤 환경에서든 분해된다고 할 수는 없으며, 어떤 경우에는 퇴비를 만드는 컴포스트 등을 사용하는 특수한 조건에서만 분해되는 것도 있다.

이러한 구조상의 제약 때문에, 생분해성 플라스틱은 기능 면에서 뒤떨어지는 경향이 있다. 또한 자연환경에서 분해된다는 것은 내구성이 떨어진다는 뜻이기 때문에, 분해성과 장기 안전성을 항상 트레이드 오프해야 하는 관계에 있다.

이처럼 바이오 플라스틱에는 아직 해결해야 할 과제가 많다. 새로운 설계 지침에 근거하여 폴리머를 개발하는 일이 그러한 과제를 해결하는 데 일조할 것으로 기대된다. 현재 시판되고 있는 생분해성 플라스틱의 내역을 보면, 폴리에스테르가 약 60%를 차지하고 있으며, 나머지는 대부분 당질에서 유래한 것이다. 이를 통해 생분해성 플라스틱의 주류가 폴리에스테르임을 알 수 있다. 그리고 의외로 나일론이 그 안에 포함되지 않는다는 것도 이해할 수 있다.

<그림2> 시판되고 있는 생분해성 플라스틱의 점유율

주) European-Bioplastics의 데이터를 가지고 그림으로 작성함.

나일론은 아미드 결합이라 불리는 화학 결합으로 연결된 고분자를 가리키며, 폴리아미드(PA)라고도 불린다. 강도가 크고 흡습성이 뛰어나 합성 섬유로 많이 이용되고 있다. PA는 분자 구조를 보고, 아미드 결합 사이에 있는 탄소의 수에 따라 명칭이 정의된다. 예를 들어 PA6는 아미드 결합 사이에 탄소 6개가 있음을 의미한다.

PA6 외에 PA66, PA12 등이 시판 제품으로 사용되고 있다. 현재 화석 자원에서 유래한 것이 주류를 이루고 있지만, 바이오매스화가 활발하게 이루어지고 있다. 앞으로 다양한 바이오 폴리아미드가 제품화될 것으로 기대된다. 하지만 여기서 말하는 시판되는 폴리아미드는 모두 생분해성을 나타내지 않는다.

<그림3> 대표적인 폴리아미드의 명칭과 화학 구조

대부분의 폴리아미드가 생분해성을 나타내지 않지만, 높은 생분해성을 나타내는 것도 있다. 바로 PA4다. PA4가 땅속에서 생분해된다는 사실은 오래전부터 알려져 있었고, 그밖에도 컴포스트, 해양, 생체 등 다양한 환경에서도 분해된다는 사실을 알게 되었다.

그리고 생물 생산물인 글루타민산을 통해 PA4의 원료가 합성된다는 것도 잘 알려져 있다. 이처럼 PA4는 바이오 플라스틱이라는 관점에서 매우 매력적이라 할 수 있지만, 한편으로는 성형 가공이 어렵고 강하지만 부서지기 쉽다는 기능적인 문제가 있어 실용화되지 않고 있다. PA4를 잘 활용하여 도움이 되는 재료로 만드는 것은 바이오 플라스틱 개발의 중요한 과제이다.

[친환경·탈탄소화 핵심산업 바이오플라스틱 및 바이오연료 시장동향과 참여업체별 사업현황] 보고서 상세보기

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