시중에서 판매되는 과산화물은 재활용을 위해 호환되지 않는 폴리머를 결합합니다.

폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 전 세계 플라스틱의 3분의 2를 차지합니다. 하지만 이 폴리머의 인기는 그만큼 큰 단점을 가지고 있습니다. 밀도와 물리적 특성이 유사하기 때문에, 기계적으로 함께 재활용할 경우 폴리머를 분리하는 것이 어렵고 비용도 많이 듭니다. 결과적으로 약하고 분해된 물질이 되어 아무 쓸모가 없게 됩니다.

이제 코넬 대학 연구진은 상업적으로 이용 가능한 과산화물을 사용하여 폴리머를 결합하는 저렴하고 잠재적으로 확장 가능한 방법을 개발하여 더욱 유용하고 고품질의 플라스틱 재활용 첨가제를 만들었습니다.

이 연구 결과는 5월 19일 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 에 게재되었습니다. 공동 주저자는 박사후연구원 모리츠 크랜츨라인(Moritz Kränzlein)과 박사과정생 스린 쿠이(Shilin Cui)였습니다. 이 프로젝트는 논문의 수석 저자이자 티쉬 대학교(Tisch University) 인문과학대학 화학 및 화학생물학과 교수인 제프리 코츠(Geoffrey Coates)가 이끌었습니다.

어떤 면에서 이 프로젝트는 그 자체로 재활용 제품입니다. 2017년, 코츠 연구실은 미네소타 대학교의 협력 연구진과 협력하여 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 혼합물을 결합할 수 있는 다중 블록 폴리머를 개발했습니다. 코츠에 따르면 이 새로운 소재는 중요한 과학적 성과였지만, 규모 확장이 어려웠습니다. 또한 너무 비싸서 실용화하기 어려웠습니다.

"우리는 다시 처음부터 다시 생각해야 했습니다. 어떤 재료가 효과적이고 어떤 합성 방법이 저렴할지 벤 다이어그램을 그려봐야 했죠."라고 그는 말했습니다. "왜 2017년에 바로 그렇게 하지 않았을까요? 정말 쉬운 일이었다면, 누군가는 벌써 오래전에 했을 겁니다."

새로운 폴리올레핀 상용화제를 개발하는 데 있어 핵심은 새로운 폴리머를 처음부터 만드는 것이 아니라, 적절한 가공 과정을 거치면 원하는 기능을 수행할 수 있는 기존 폴리머를 찾는 것이었습니다. 크랜츠라인은 실험실에 이미 존재하는 재료들을 활용하여 실험을 시작했으며, 항상 몇 가지 변수를 염두에 두었습니다.

"제프에게 업데이트를 전달할 때마다 두 번째 회의에서 그의 첫 질문은 '비용은 얼마인가요?'였습니다. 제가 절대 넘지 말아야 할 파운드당 가격이라는 선이 항상 존재했죠." 크랜즐라인은 말했습니다. "우리는 이 프로젝트의 핵심을 이 선에 두고자 했습니다. 우아하고 정교한 해결책을 찾는 대신, 실제로 효과가 있는 현실적인 해결책을 찾으려 노력했습니다."

1년 반 동안 200회 이상의 실험을 거친 후, 연구진은 유기 알킬 과산화물을 개발했습니다. 이 물질은 가열하면 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 이소택틱 폴리프로필렌(iPP)에서 수소 분자를 떼어내어 접목시켜 HDPE와 iPP 혼합물의 기계적 재활용 공정에 추가할 수 있는 공중합체 물질을 형성하여 원래의 특성을 복원합니다.

이 공중합체는 기본적으로 "플라스틱 비누"로 생각할 수 있다고 크랜츠라인은 말했습니다.

"HDPE와 iPP 같은 범용 플라스틱을 혼합하면 잘 섞이지 않고, 각 상이 서로 분리되어 혼합물의 물성이 상당히 나빠집니다."라고 크랜즐라인은 말했습니다. "이 공정에는 두 상 사이에 비누처럼 작용하는 세 번째 성분이 추가되는데, 이 비누는 폴리머 간의 혼화성을 향상시켜 혼합물의 물리적 특성을 근본적으로 복원합니다.

그는 "다양한 튜닝 포인트를 가지고 정말 오랜 시간 동안 노력한 끝에 마침내 만족스러운 결과를 얻었습니다."라고 말했습니다.

연구진은 호환제의 특성과 접목 반응을 더 잘 이해하기 위해 물리화학(A&S)의 프랭크 앤 로버트 러플린 교수인 브렛 포스(Brett Fors)와 박사과정 학생인 제니 후(Jenny Hu)에게 도움을 요청했고, 이들은 이에 대한 유변학적 특성화 연구를 수행했습니다.

"자, 이제 재료는 확보했습니다." 코츠가 말했다. "문제는 이제 더 많은 양을 만들 수 있느냐는 겁니다. 저희는 한 번에 그램 단위로 작업하고 있습니다. 궁극적으로는 수십 킬로그램 단위로 만들어야 할 겁니다. 확장 가능할 거라고 확신하지만, 그러기 위해서는 많은 노력이 필요할 겁니다."

코테스는 이 상용화제가 다양한 폐플라스틱의 장점을 모두 활용하는 새로운 폴리머 합금 개발로 이어질 수 있기를 기대하고 있습니다. 수백만 달러 규모의 대규모 공장은 필요 없습니다. 기존 폴리머에 상용화제를 첨가하기만 하면 됩니다.

"스테인리스강처럼 순수 폴리머 하나만 사용하는 것보다 더 나은 특성을 가진 합금 팔레트를 만들 수 있습니다."라고 코넬 대학교 프락시스 벤처 개발 센터를 통해 최근 상용화 기술 전문 스타트업을 설립한 코츠는 말했습니다. "정말 단단하면서도 내구성이 뛰어난 폴리머를 만들 수 있다면, 더 적은 재료를 사용하면서도 동일한 특성을 가진 포장재를 만들 수 있다는 것이 꿈입니다. 이는 이 기술의 또 다른 큰 응용 분야 중 하나입니다."

공동 저자로는 포스, 후, 연구원 앤 라포인트가 있습니다.

이 연구는 Gerstner Family Foundation의 지원을 받았으며, 미국 에너지부의 에임스 국립 연구소 산하 플라스틱 협동 업사이클링 연구소(에너지 프런티어 연구 센터)에서 추가 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250520162126.htm