기술과 솔루션
KIST, 불에 타지 않는 친환경 탄소 플라스틱 개발, 재활용도 탁월
작성자 : 취재부
2020-07-05 |
조회 : 1463
- 식물 유래 물질인 탄닌산을 이용한 바이오 에폭시 기반 무독성 난연 복합소재
- 물만 이용하여 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능
불에 잘 타지 않는 난연성 탄소섬유 복합소재가 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀은 식물로부터 유래한 탄닌산(Tannin Acid)1)을 이용하여 난연성 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)2)을 개발하고, 이를 친환경적으로 재활용하는 방안도 제시했다고 밝혔다.
강철보다 1/4 정도로 가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)는 항공우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있다.
콘크리트가 철근과 시멘트로 이루어진 것과 비슷하게, CFRP는 탄소섬유와 에폭시 수지로 이루어져 있다. CFRP는 기계적 강도를 위해 탄소섬유와 수지 사이의 결합력이 강해야 할 뿐 아니라 건축자재 등 일상생활에 밀접한 분야에 사용되기 때문에 화재와 관련한 안정성 또한 필요하다. 이를 위해 몇몇 첨가제가 함께 합성되기도 한다.
열에 취약한 CFRP는 그동안 화재 안전성을 위해 할로겐3) 난연제를 사용해 왔다. 하지만 불에 태워 재활용(고온 소각)하는 CFRP에 연소 시 독성물질이 발생하는 할로겐 물질을 사용하는 것은 적절치 못해 세계적으로 금지되었다. 이에 따라 독성이 없고 안전한 소재를 통해 난연성을 확보하는 것이 필수 과제였다.
KIST 정용채 센터장은 식물에서 얻을 수 있는 친환경 물질인 탄닌산을 이용하여 기계적 강도와 난연성을 증진시키고자 하였다. 탄닌산은 탄소섬유와 강하게 접착되는 성질이 있다.
그뿐만 아니라 탄닌산은 불에 탈 때 숯으로 변하는데, 이 숯은 외부의 산소를 차단하는 벽(Char)이 되어 불이 확산되는 것을 막는다. KIST 연구진은 탄닌산으로 에폭시 수지를 제작하고, 탄소섬유와 복합화하여 튼튼하고 불에 타지 않는 CFRP를 개발할 수 있었다.
탄닌산으로 제작한 에폭시 수지는 열에 취약하던 기존과는 달리 난연성이 있으므로 별도의 첨가제가 필요하지 않아 불에 태워 CFRP를 재활용할 때 발생하던 독성물질이 더는 발생하지 않게 되었다. 또한, 불에 태우면 탄소섬유의 성능이 저하되어 완전한 재활용을 할 수 없었는데 연구진은 새로운 재활용 방법을 제시했다.
일정 수준 이상의 온도와 압력을 갖는 ‘초임계4)’ 상태의 물에 CFRP를 녹이면 탄소섬유의 성능 저하 없이 99% 이상을 회수할 수 있었다. 또한, 에폭시 수지가 녹으면서 전자재료로 사용될 수 있는 ‘카본 닷5)’이라는 물질이 생성됨을 확인하였는데, 에폭시 수지를 태워버리고 불완전한 탄소섬유만 재활용하던 고온 소각법과는 달리 복합소재의 구성 요소 모두를 재활용할 수 있게 되었다.
KIST 정용채 센터장은 “기존 탄소섬유강화플라스틱의 취약한 난연성, 기계적 강도, 그리고 재활용 특성 향상과 응용범위가 확대된 복합소재를 제조하였고, 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”라고 말하며, “향후 보다 향상된 물성확보를 위해서 구조를 검토하고 응용범위를 확대할 예정이다”라고 밝혔다.
1) 탄닌산(Tannin Acid): 자연계에 풍부하게 존재하는 물질로 폴리페놀의 일종이며, 주로 식물에 의해 합성된다.
2) 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics): 탄소섬유를 강화재로 하는 고강도ㆍ고탄성의 경량 구조재로 주목을 받는 첨단 복합 재료이다.
3) 할로겐: 주기율표의 17족에 속하는 원소들로, 플루오르, 염소, 브로민(브롬), 아이오딘(요오드) 등이 있다.
4) 초임계 유체: 임계점 이상의 온도와 압력에 놓인 물질 상태를 일컫는다. 기체의 확산성과 액체의 용해성이 있다. 초임계 유체로 자주 사용하는 물질은 물과 이산화탄소이며, 초임계 상태에 있는 물은 금조차 녹일 수 있다.
5) 카본 닷(Carbon Dot): 카본 닷 또는 탄소 양자점은 주 원소가 탄소로 구성되어 있으며, 무기계 양자점과 유사하게 형광(photoluminescence) 및 반도체적 특성을 나타낸다는 점에서 바이오 이미징, 센서, 발광다이오드(light emitting diode, LED) 조명, 유기 태양 전지, 광촉매 등의 분야에서 최근 많은 응용되고 있다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 1위 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(JCR 분야 상위 2.0%) 최신호에 게재되었다.
* (논문명) Recyclable, Flame-Retardant and Smoke-Suppressing Tannic Acid-Based Carbon-Fiber-Reinforced Plastic
- (제1저자) 한국과학기술연구원 김영오 연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원
