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제목 바이오베이스 에폭시에 대한 연구 작성일 2013.10.10 조회수 3062

바이오베이스 에폭시에 대한 연구


[그림] EIA,EADI와 TEIA의 구조도


바이오베이스 고분자 소재는 재생 가능한 자원을 주요 원료로 하기 때문에 플라스틱 업계들의 석유 화학제품에 대한 소모를 줄임과 동시에 석유를 기반으로 하는 원료 생산 과정 중에서 나타나는 환경오염을 저감할 수 있다. 따라서 바이오베이스 에폭시는 고분자 소재 분야에서 중요한 발전 방향이 될 뿐만 아니라 ‘에너지 절약 및 오염물 배출 저감’을 실현하고 ‘저탄소 경제’를 발전시키는 중요한 수단이 되고 있다. 또한 시장에서 실질적인 가치와 폭넓은 발전 잠재력을 갖추고 있다.

현재 바이오베이스 플라스틱에 대한 연구는 주요하게 스타치 플라스틱(starch-plastics), 섬유소 베이스 소재(Cellulose base material), PLA, PHBV 등을 비롯한 일부 천연 고분자 및 열가소성 소재(thermoplastic material)에 국한되어 있다. 그러나 바이오 베이스 열경화성 수지(thermosetting resin), 특히 바이오베이스 에폭시에 대한 연구는 비교적 적은 상황이다.

현재 세계 에폭시 수지 시장에서 90% 안팎을 차지하고 있는 비스페놀A(bisphenol A ) 에폭시의 주요 원료인 비스페놀A가 매우 강한 생리독성을 가지고 있다는 것이 이미 입증되었다. 따라서 많은 국가들에서는 인체와 접촉하는 제품 생산에 비스페놀A 원료 사용을 금지하고 있다. 때문에 재생 가능한 원료로 비스페놀A가 들어있지 않는 ‘BPA Free’의 에폭시를 합성하는 것이 에너지, 환경은 물론, 비스페놀A의 생리 독성을 해결하는데 중요한 의미를 가지게 된다.

이타콘산(Itaconic acid)은 일종의 중요한 바이오베이스 원료로, 바이오 발효 기술에 의해 얻어지고 있으며 광범위한 응용 전망과 가격이 낮은 장점을 갖고 있다. 현재 이타콘산은 미국 에너지부에 의해 가장 발전잠재력이 있는 12종 바이오 베이스 플랫폼 화합물 중 하나로 선정되었다.

최근 중국 과학원 닝버어(寧波)기술과 공정연구소의 류사우칭(劉小靑)과 주진(朱錦) 바이오베이스 고분자 소재 연구진은 이타콘산을 초기 원료로 일종의 이중결합(double bond)이 함유된 이타콘산베이스 에폭시(EIA)를 합성했다. 이 이타콘산베이스 에폭시 수치가 0.62보다 높으며 고체가 되면 모든 성능 지표가 구조가 비슷한 석유 베이스 에폭시보다 좋다. 뿐만 아니라 이중결합으로 인해 이중결합의 단일체를 도입할 수 있어 성능을 한 단계 더 높일 수 있다. 이와 함께 합성 과정이 간편하고 가격이 저렴하며 응용 전망이 밝다.

이타콘산분자 구조 중에 탄소와 탄소 이중결합이 함유된 것을 감안해 연구진은 이중결합의 특성을 이용하여 이타콘산의 구조 중에 일부의 기능성 구조를 도입하는 방안을 생각해 냈으며 또 쉽게 연소하는 것이 고분자 소재의 단점인 것을 감안해 내화성(fire resistance)을 강하고 탄소와 탄소 이중 결합에 반응하는 DOPO를 이탄콘산 에폭시 구조에 삽입하여 인(Phosphorus) 이타콘산 베이스 에폭시(EADI)를 만들었다. EADI 고체는 내화성(UL-94V0급)이 좋고 기타 성능도 비스페놀A 수준에 도달된다.

이 밖에 EIA가 일종 올리고머(Oligomer)이자 고체화 과정에서 이용할 수 있는 바이오베이스 고분자 소재라는 것을 감안해 연구진은 일종 이중결합을 에폭시 베이스의 에폭시 단일체로 변화시키는 방안을 도입했다. 이는 점도(viscosity)가 낮아지지만 에폭시 수치는 더 높아진다. 이런 방안을 통해 연구진은 높은 고에폭시(1.16), 저점도(0.92 Pa s,25℃)와 고체활성이 높은 에폭시 수지(TEIA)를 디자인하고 합성하는데 성공했다. 

자료제공 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
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