접착제나 타이어 고무처럼 한 번 경화(단단하게 굳어짐)되면 분자구조가 변해 재가열을 해도 녹지 않는 ‘열경화성 고분자’는 우리 주변 곳곳에 쓰이지만, 재활용이 어려워 전량 폐기됩니다. 그러나, 지금까지 불가능했던 열경화성 고분자의 재가공과 수리가 가능하도록 한 최신 연구성과가 부산대학교에서 나왔습니다. 특히 이번 연구는 빛에 반응하는 촉매를 사용해 ‘필요한 부위를 원하는 시간에’ 재활용할 수 있어 상용화 기대감을 높이고 있는데요. 

부산대학교 응용화학공학부 김채빈 교수 연구팀이 재가공과 수리가 불가능했던 열경화성 고분자를 재가공 및 수리 가능한 비트리머로 전환하는 기술을 개발했습니다. 비트리머(Vitrimers)란 고분자 사슬 간 제어 가능한 동적 결합으로 가교된 고분자입니다. 

전 세계적으로 대두되는 환경 문제로 인해 재활용 가능한 고분자와 이의 효율적인 재활용 방법에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다. 현존하는 고분자 재활용법 중 가장 간단하고 친환경적인 재활용법은 열가공을 통해 폐고분자를 녹여 고치거나 새로운 제품을 만드는 물질 재활용인데요. 열가소성 고분자와 달리 열경화성 고분자는 다양한 쓰임에도 불구하고 사슬 간 영구적 화학 결합으로 가교(架橋)된 3차원 그물망 조직을 갖고 있어 열가공과 물질 재활용이 불가능했습니다. 이러한 제한점에 주목해 부산대 김채빈 교수팀은 열가공이 불가능한 열경화성 고분자를 열가공 가능한 비트리머로 전환하는 광화학적 접근법을 개발, 적용에 성공했습니다. 

※ 열가소성 고분자와 열경화성 고분자의 차이: 열가소성 고분자는 분자 사슬간 가교되지 않아 열가공 및 유기 용매로 녹여 반복적 변형 및 치유가 가능한 고분자임. 반면, 열경화성 고분자는 분자 사슬 간 영구적 화학 결합으로 가교돼 용매 및 가열에도 녹지 않을 뿐만 아니라, 더욱 강하게 가열하면 열분해돼 대기 중에 유독가스를 배출함. 하지만, 내화학성, 내열성, 수치 안정성 등 향상된 물성으로 인해 물질 재활용이 불가능함에도 필요한 분야에서는 열경화성 고분자가 사용되고 있음.

이를 위해 연구팀은 열적으로 안정된 광잠재성 촉매를 모델 열경화성 고분자와 혼합했습니다. 광잠재성 촉매는 빛 조사(쪼임)를 통해 활성화되는 촉매인데요. 광잠재성 촉매를 포함한 열경화성 고분자 시료에 빛을 쪼인 후 가열을 통해 분자 사슬 간 가교 결합의 가역적 교환 반응을 활성화했는데, 그 결과 열경화성 고분자가 재가공 및 자가치유가 가능해진 것으로 나타났습니다. 반면, 빛을 주지 않은 시료의 경우 재가공뿐만 아니라 자가치유도 구현되지 않았습니다. 예를 들어, 열경화성 고분자 재료로 만드는 타이어 제작 시 빛을 받으면 활성화되는 광잠재성 촉매를 섞는데요. 이 타이어에 손상이 가면 ‘필요한 부위에’ 빛을 쪼여 가공성을 확보하여 ‘원하는 시간에’ 복구할 수 있게 됩니다. 

연구결과는 에너지 및 친환경 재료 분야의 저명 국제학술지인 『Journal of Materials Chemistry A』 3월 28일자에 게재됐습니다.

논문 제목: Spatiotemporal Vitrimerization of a Thermosetting Polymer using a Photo-Latent Catalyst for Transesterification

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