생분해성 플라스틱 기술의 디자인

분해성 플라스틱(특히, 폴리올레핀)의 설계 목표는 플라스틱 제품을 사용하는 기간은 상품으로서 성능은 유지하나, 버려진 환경에서는 생화학적 동화가 가능한 무해한 최종 물질로 분해되는 것입니다.

 

제품들은 일반적으로, 대기 중 산화 반응의 결과로 화학적 구조 변화를 겪음으로써 산소 공격에서 분해가 되도록 디자인됩니다. 그럼으로써 폴리머가 작은 분자로 분해되고 쉽게 생화학적 동화가 될 수 있게 됩니다.

 

과정은 두 단계로 진행됩니다. 폴리올레핀은 일반적으로 대기 중 산화의 결과로서 화학적 구조 변화를 겪음으로써 분해가 되도록 디자인 되며 그 결과 폴리머가 작은 올리고머 분자로 작아지게 되고, 그런 다음 생화학적 동화가 됩니다.

 

• CEN/TR (유럽 표준화 기구 기술 레포트) 15351:2006 플라스틱 – 분해성 또는 생분해성 폴리머 및 플라스틱 제품 분야의 어휘 가이드 CEN/TR 15351:2006
• USA:ASTM D883 – 17 플라스틱 관련 표준 용어USA:ASTM D883

 

초기 비생물 산화는 과정 전체의 속도를 결정하기 때문에 중요한 단계 입니다.

 

분자 사슬이 끊어지는 메커니즘의 결과로서, 저분자량 탄소 사슬에 산소가 포함되면 에스테르와 알데히드, 알코올, 카르복실산,수소화카르복실산과 같은 카보닐 작용기가 만들어집니다. 이는 탄화수소 폴리머에서 친수성을 증가시키고 수분과의 친화성을 높이고 수분이 흡착성을 증가시킵니다.

 

폴리머의 산화 분해는 자외선 및 빛(광분해) 또는 높은 온도(열 분해)에 의하여 가속화 될 수 있습니다.

 

두 번째 단계는, 산화된 탄소계 분자를 이산화탄소, 물, 바이오매스로 만들어 소비하는 미생물(세균, 곰팡이, 조류)에 의한 산화물질의 생분해입니다.

 

마스터배치 1% 첨가로 사용이 끝난 일반 플라스틱을 산소의 존재하에 다른 분자 구조의 물질로 바꿉니다. 이단계에서 더 이상 플라스틱이 아니게 되고 환경에서 본질적으로 생분해 가능한 물질이 됩니다.

이 과정은 물, 이산화탄소, 바이오매스를 남기며 끝납니다.

• ASTM D6954, UAE 5009:2009, SASO 2879 그리고 AFNOR, AC T51-808 표준을 충족
• 합의된 제품 사용기간에 대하여 저장 조건 하에 안정적으로 유지
• 직접적인 음식 접촉에 있어서 안전함
• 재활용 가능하며 재생원료로부터 만들어질 수 있음

어떻게 작용하나?

이 과정은 대기 조건(ambient condition, 大氣條件)에서 공기 중의 산소에 노출 되었을 때 시작되며 자외선 그리고(또는) 상승된 온도에 의해 가속화됩니다.

 

폴리에틸렌은 무극성이며 소수성(hydrophobic, 疏水性)의 폴리머로 큰(긴 사슬의) 분자와 함께 탄소와 수소만으로 이루어져 있습니다. 생분해성이 아닙니다.

산화생분해성 플라스틱은?

1. 산화생분해성 플라스틱(이하 OBP) – 산화생분해성 첨가제(prodegradant)를 포함한 고분자량 폴리머로 만들어진 물질. OBP내 촉매제는 폴리머를 분해 하며 친수성으로 만들어 (물과 친화한) 미생물에 접근 가능하게 함. *OBP: Oxo-biodegradable Plastic
2. OBP 내의 촉매제는 산화의 자연적인 과정을 가속화 하여 폴리머의 분자량을 감소시키고 이는 OBP가 더 이상 플라스틱이 아니게 될때까지 계속 됨.
3. 분자량 감소는 지속적으로 기계적 성질이 떨어지게 (조각화)하고 이러한 조각들의 표면은 친수성이 됨.
4. 분자량 감소와 친수화로 미생물은 OBP의 표면에 대량 서식이 가능하게 되며 이는 육지와 해양 환경에서 물질을 소비하는 것이 시작됨.
5. OBP 제품은 세균과 곰팡이에 의하여 서서히 동화되고 이산화 탄소, 물, 바이오매스만 남게 됨.

분해가 시작 되는 시간은?

분해가 시작되는 시간을 정확하게 알 수는 없습니다. 분해는 제품 내의 안정제 패키지가 소모된 후에 시작되는데, 제품 내 안정제는 d₂w에 포함된 것 외에도 사용하는 수지 및 각종 첨가제(마스터배치 등)에도 포함되어 있습니다. 또한 안정제의 소모 속도는 (예를 들어 창고 내) 온도, 빛, 그외 발생 가능한 각종 스트레스에 따라 달라지므로 정확한 예측은 불가능합니다. 다만 한가지, 앞으로 최종 보고서에서 확인이 되겠지만, 직사광선이 없는 조건에서 30°C 온도를 기준으로, 적어도 고객이 요구한 제품수명(예 5년) 내에는 분해가 시작되지 않도록 충분한 안정제 패키지가 d₂w에 처방되어 있습니다.

산화분해와 미생물 분해는 동시에 진행되는가?

PE(Polyethylene 폴리에틸렌)이나 PP(Polypropylene 폴리프로필렌)은 미생물에 의한 분해가 일어나지 않습니다. 따라서 초기에는 산화분해가 일어나며 미생물 분해가 가능한 수준으로 분해가 일어나면 미생물 분해가 일어나기 시작합니다. 미생물 분해가 시작되더라도 산화분해는 계속 진행됩니다.

완전분해까지 얼마나 걸리는지?

산화분해든 미생물분해든 모두 환경의 조건에 따라 큰 차이가 납니다. 따라서 완전분해까지 얼마나 걸릴지 정확하게 예측할 수는 없습니다. 다만, d₂w가 첨가되지 않은 기존 플라스틱에 비해 d₂w 첨가 제품은 산화분해가 월등히 빠르게 일어나고 미생물에 의한 분해도 빠르게 일어납니다.

산화분해는 얼마나 걸리고, 미생물 분해는 얼마나 걸리는지?

환경의 조건에 따라 큰 차이가 나기 때문에 산화 분해든 미생물 분해든 정확하게 예측할 수 없습니다. 따라서 산화 분해와 미생물 분해를 확인하기 위해서는 실험실적으로 잘 제어된 상태와 조건에서 실험을 하게 됩니다. 국가별 또는 국제적으로 이러한 실험실적 시험 조건과 평가기준을 마련하여 시행하고 있으며, 산화생분해성 플라스틱 제품의 평가 기준으로 대표적인 것이 ASTM D6954입니다.

산화분해 단계에서 재료의 분자량은 어느 정도까지 낮출 수 있는지?

산화분해는 산소와의 반응에 의해 진행되는 것이므로 분해와 함께 산소와 결합하는 분자구조로 바꾸게 됩니다. 산화분해 과정에서는 더 이상 분해가 일어나지 않을 정도까지 분자량은 지속적으로 낮아 지겠지만, 정확하게 어느 정도까지라고 예기하기는 어려울 것입니다. 참고로, 1단계 산화분해 실험에서는 120시간 UV 조사 조건에서 분자량이 3,066으로 낮아졌습니다.(만일 위 시료를 그대로 둔다면, 분해가 계속 진행되고 분자량은 훨씬 낮은 수준까지 작아질 것입니다)

미생물 분해 단계에서 혐기성 미생물과 호기성 미생물이 모두 그것을 분해할 수 있을까?

산혐기성 및 호기성 미생물 모두 분해할 수 있습니다. 참고로 Eurofins 보고서에서는 호기성 조건에서 생분해(Aerobic biodegradation) 실험을 진행한 것이고, 추가로 첨부한 리포트는 혐기성 조건에서 생분해(Anaerobic biodegradation)* 실험을 진행한 것입니다. 두 경우 모두 d2w 첨가 제품이 생분해가 잘 일어나는 것을 알 수 있습니다.

산화분해 단계에서 미세플라스틱이 발생하는가?

산화분해 단계는 단순하게 제품이 부서져 크기가 작아지거나 분자량이 약간 낮아지는 정도가 아니라 분자량이 급격하게 낮아지면서 분자구조 자체가 바뀌게 되며, 빠른 시간 안에 플라스틱 성질을 잃게 됩니다. 따라서 미세플라스틱 문제를 일으키지 않습니다. (제품이 부서지면서 생기는 미세플라스틱은 외부의 힘에 의한 침식작용으로 생기는데, 분자량이 낮아지지 않았거나 약간만 낮아진 상태에서 만들어지기 때문에 크기는 작지만 플라스틱 성질을 갖고 있습니다.)

분해 방식은 빛이 필요한가 아니면 열이 필요한가?

산화분해 단계에서 필수적으로 필요한 것은 산소입니다. 열과 빛은 산화분해 속도를 빠르게 합니다.

산화생분해성 원료를 사용하여 제작한 파우치

 

기본 자료

 

생분해 동영상 - 산화생분해성 첨가제 d2w