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에 발표 한 연구 과학의 발전 보고서[1] 투명 판지(tPB)라는 완전히 새로운 소재입니다. 순수 셀룰로스로만 만들어진 이 소재는 100년 넘게 지속되어 온 불투명 판지 문제를 해결하고 지속가능성의 새로운 기준을 제시합니다. tPB는 폐쇄 루프 방식으로 완전히 재활용될 수 있으며, 얕은 바다에서 심해까지 바다 전체에서 생분해됩니다.
연구진은 독자적인 리튬 브로마이드 수용액 처리법을 사용하여 셀룰로스 하이드로젤을 빨대부터 컵까지 다양한 실용적인 형태로 경화시켰습니다. 실험 결과, tPB 소재는 일상생활에서 플라스틱과 동일한 성능을 보이며, 심해 환경에서도 12개월 이내에 완전히 생분해될 수 있는 것으로 나타났습니다. 식물성 수지 코팅으로 누수 방지 성능이 기존 종이컵보다 뛰어납니다.
왼쪽에서 오른쪽으로 이미지는 재료의 변형을 보여줍니다.
분말/섬유 → 셀룰로오스 용액 → 하이드로젤 → 최종 제품(tPB, 투명 폴리생체소재).
분말이나 섬유 폐기물은 먼저 셀룰로스 용액으로 처리됩니다.
이 용액은 겔화되어 셀룰로오스 하이드로겔을 형성합니다.
마지막으로, 투명한 생물 기반 플라스틱 대체품(예: 표시된 투명한 컵)으로 가공됩니다.
원자재 :
면화 씨앗이나 면화 열매에서 얻은 짧은 면 섬유(면 린터, 실로 뽑을 수 없음)와 종이 또는 섬유 폐기물.
화학 처리:
셀룰로오스는 용매인 LiBr(브롬화리튬)을 사용하여 용해되어 겔을 형성합니다.
그런 다음 젤을 세척하여 용매를 제거하면 하이드로젤이 생성됩니다.
재활용 :
LiBr 용매는 응축(폐쇄 루프 재활용)을 통해 회수되고, 물도 재사용을 위해 재활용됩니다.
재료(사용된 투명 컵 등)는 분쇄하여 다시 분말 형태로 재활용할 수 있습니다.
성형 및 응용 분야:
하이드로젤은 건조, 압축 건조되거나 컵, 빨대, 투명 시트 등 다양한 제품으로 성형될 수 있습니다.
삶의 끝:
이러한 소재는 자연 환경(예: 바다)으로 방출될 경우 미생물에 의해 생분해되어 기존 플라스틱처럼 장기간 축적되는 것을 방지합니다.
종이와 판지는 나무의 셀룰로스에서 추출됩니다. 재사용 가능하고 생분해성 소재로 플라스틱을 대체할 수 있어 플라스틱을 대체할 수 있는 이상적인 소재입니다. 하지만 한 가지 단점이 있습니다. 판지는 투명하지 않기 때문에 내용물을 보여야 하는 포장재(예: 식품 상자, 음료 컵)의 투명 플라스틱을 대체할 수 없습니다.
투명성이 왜 이렇게 어려울까요? 원인은 빛 산란입니다. 일반 판지의 큰 나무 섬유는 빛을 산란시켜 불투명하게 만듭니다. 지금까지 유일하게 셀룰로스만으로 제작된 투명 필름은 셀로판이었지만, 그 공정으로는 밀리미터 두께의 판지를 만들 수 없습니다.
일본 연구팀은 다른 방법을 택했습니다. 수용성 브롬화리튬(LiBr) 용액을 사용했습니다. 셀룰로오스는 가열하면 용해되고, 식으면 다시 겔화됩니다. 이 두꺼운 셀룰로오스 하이드로겔을 직접 건조하여 연구팀은 밀리미터 두께의 스마트폰 크기 투명 판지(tPB)를 개발했습니다. 이는 플라스틱 포장재의 새로운 대안입니다.
높은 투명도. 0.7mm 두께의 tPB는 약 22%의 헤이즈를 포함하여 총 광선 투과율이 약 87%에 달하여 멀리 있는 물체도 선명하게 보입니다. 1.5mm 두께에서도 약간의 흐릿함만 있을 뿐 눈에 띄는 투명도를 유지합니다.
뛰어난 기계적 특성을 지녔습니다. 종이의 단단함과 플라스틱의 유연성을 결합했습니다. 굽힘 시험에서 일반 종이로는 불가능한 큰 변형에도 파손되지 않고 견뎌냅니다.
탁월한 습윤 강도. 순수 셀룰로스 소재는 일반적으로 물에 약해집니다. 하지만 72시간 동안 물에 완전히 담가둔 후에도 tPB의 인장 강도는 일반 판지의 5~15배에 달합니다. 무너지지 않고 자립할 수 있습니다.
자연 단열. 이방성 나노섬유 구조 덕분에 열이 평면을 따라 흐르는 것과 두께를 따라 흐르는 것이 달라 단열 효과가 뛰어납니다. 끓는 물을 사용한 실험에서 tPB 컵의 외벽은 폴리스티렌(PS) 컵보다 눈에 띄게 차가웠습니다.
A. 광학적 특성
두께에 따른 투과율(Tt)과 탁도. tPB는 높은 투명도를 유지하지만 두께가 두꺼워질수록 탁도가 약간 증가합니다.
B. 굽힘 특성
굽힘 응력-변형 곡선은 tPB(섬유 기반 및 MCC 기반)가 기존 PB 및 PC 플라스틱에 비해 더 높은 굽힘 강도와 인성을 나타냄을 보여줍니다.
C. 인장 특성
인장 응력-변형 곡선은 습한 tPB가 여전히 우수한 기계적 강도를 유지하고, 습하거나 수성 조건에서도 기존 PB보다 성능이 우수함을 보여줍니다.
D. 표면 거칠기
원자력 현미경(AFM)은 약 15.4nm의 제곱평균제곱근 거칠기(RMS)를 보여주며, 이는 광학 응용 분야에 적합한 매끄러운 표면을 보여줍니다.
E–F. 미세구조
SEM/TEM 이미지는 균일한 마이크로스케일 형태와 고밀도 나노스케일 셀룰로스 섬유 네트워크를 보여주며, 이를 통해 우수한 기계적 특성이 설명됩니다.
G. X선 산란(SAXS/WAXS)
고리 모양의 회절 패턴은 구조 내에서 셀룰로스 사슬의 정렬과 이방성이 질서정연함을 확인시켜 줍니다.
H. 구조 모델
개략도(상단 보기와 가장자리 보기)는 구조와 성능을 연결하는 적층되고 배향된 셀룰로스 사슬 네트워크를 보여줍니다.
I. 열확산도
열전달 측정 결과는 이방성 거동을 보여줍니다. 평면 내 확산율이 평면 외 확산율보다 상당히 높아 방향성 열전도가 확인되었습니다.
요약: 이러한 결과는 tPB가 투명하고, 기계적으로 강하고, 표면이 매끄럽고, 생분해성 셀룰로스 기반 소재이며, 질서 있는 나노구조와 이방성 열적 특성을 가지고 있어 기존 플라스틱에 대한 유망한 대안임을 확인시켜 줍니다.
연구자들은 이러한 특성을 바탕으로 tPB를 투명한 컵과 빨대 형태로 만들었습니다.
획기적인 제품: 이 셀룰로스 컵은 플라스틱 라이닝 없이도 뜨거운 물을 담을 수 있으며, 물이 새거나 눅눅해지지 않습니다. 오늘날의 종이-플라스틱 복합 컵에 대한 진정한 친환경 대안입니다.
장기간 액체를 보관하는 경우, 내부 벽에 매우 얇은 식물성 지방산염 코팅(약 5~10μm)을 하면 충분합니다. 지속 가능성에 미치는 영향을 최소화하면서 내구성을 더할 수 있습니다.
A. 컵 적용:
젖은 하이드로겔 컵을 투명한 tPB 컵으로 건조하여 액체를 효과적으로 담을 수 있습니다.
B. 짚 사용:
젖은 하이드로겔 빨대를 투명한 tPB 빨대로 건조하여 실제로 음료를 저어주는 모습이 시연되었습니다.
C. 수분 유지 성능:
시간 경과에 따른 tPB, 복합 tPB(c-tPB), 종이, 폴리스티렌(PS)의 컵에 유지되는 물의 양을 비교한 결과입니다.
tPB와 c-tPB는 모두 장시간 거의 100%의 수분을 유지하는 반면, 종이컵은 누수가 발생합니다.
D. 표면 젖음성 및 투명도:
접촉각 측정 결과, tPBtex는 친수성(~55.6°)이 더 큰 반면, c-tPBtex는 소수성(~102.5°)을 나타냅니다.
두 필름 모두 낮은 흐림도(~22–23%)와 높은 투과율(~84%)을 나타내어 투명성이 우수함을 확인시켜 줍니다.
E. 단열성:
뜨거운 물이 담긴 컵의 열화상 촬영 결과, tPB(~61°C)의 외부 온도가 PB(~66°C) 및 PS(~72°C)에 비해 낮은 것으로 나타났습니다. 이는 뛰어난 단열성과 안전한 취급을 의미합니다.
요약: 이러한 결과는 tPB가 기존 플라스틱에 비해 뛰어난 방수성, 조절 가능한 표면 특성, 좋은 투명성, 뛰어난 열 절연성을 갖춘 컵, 빨대와 같은 실용적인 제품으로 제작될 수 있음을 보여줍니다.
폐쇄 루프 재활용. 생산 공정에서 LiBr 용매와 물이 회수됩니다. 사용된 tPB는 파쇄, 용해 후 새로운 tPB로 재탄생할 수 있습니다. 여러 번의 사이클 후에도 재생된 소재는 우수한 투명성과 강도를 유지하여 진정한 '크래들 투 크래들(Cradle-to-Cradle)' 재활용이 가능합니다.
해양 전체에서 생분해됩니다. 샘플은 항구의 얕은 수심(~2m)부터 태평양 해구(~5,552m)까지 네 가지 수심에 배치되었습니다. 놀랍게도, 차갑고 고압이며 산소가 낮은 심해에서도 tPB는 미생물에 의해 상당한 속도(~20–50μg/cm²/day)로 생분해되었습니다. 메타게놈 및 메타전사체 분석 결과, tPB에 바이오필름이 형성되어 이를 이산화탄소와 물로 분해하는 셀룰라아제를 생성하는 것으로 나타났습니다.
다시 말해, tPB가 바다로 유출되더라도 많은 플라스틱처럼 "영구적인 심해 유물"이 되지는 않을 것입니다. tPB는 조용히 자연으로 돌아갈 것입니다.
A. 광학적 외관 및 헤이즈:
원본, 용매 재활용, 재료 재활용, 용매+재료 재활용 필름의 사진입니다.
헤이즈 값은 21%(원래), 16%(용매 재활용), 54%(재료 재활용), 60%(용매+재료 재활용)입니다.
용매 재활용은 투명성을 유지하는 반면, 재료 재활용은 흐림을 증가시킵니다.
B. 투과율 및 염료 시험:
광학적 투명도를 평가하기 위한 배경으로 사용되는 색깔 있는 액체(주스와 차)입니다.
원래 필름(86%)과 용매 재활용 필름(84%)의 투과율은 높은 수준을 유지하는 반면, 재료 및 용매+재료 재활용 필름의 투과율은 약간 감소한 값을 보입니다(~83–86%).
C. 굽힘 특성:
굽힘 응력-변형 곡선은 원래 필름과 재활용 필름 간의 차이가 무시할 만하다는 것을 보여줍니다.
모든 샘플은 높은 굽힘 강도(~100 MPa)를 유지하며, 이는 재활용 후에도 기계적 견고성을 나타냅니다.
D. 분자량 분석:
용매 재활용 필름에서는 중량 평균 분자량(Mw)이 유지되지만, 재료 재활용 필름과 용매+재료 재활용 필름에서는 감소합니다. 이는 재활용 중에 셀룰로스 사슬이 부분적으로 분해된다는 것을 반영합니다.
E–F. 재활용 필름 외관:
재활용된 tPB 필름은 탁도가 증가(60%)하고 투과율이 약간 낮아졌음에도(89% 및 76%) 여전히 상당한 투명도를 보입니다.
시각적 검사를 통해 여러 재활용 경로를 거친 후에도 사용성이 유지되는 것을 확인했습니다.
요약: 이러한 결과는 용매 재활용이 tPB의 광학적 및 기계적 특성을 모두 보존하는 반면, 재료 재활용은 헤이즈를 높이고 분자량을 감소시키는 동시에 우수한 기계적 성능을 유지함을 보여줍니다. 이는 tPB에 대한 폐쇄 루프 재활용의 타당성을 확인시켜 줍니다.
A. 다양한 해양 지역의 분해율:
PJM(2m), BMS(757m), BHT(855m), AMN(5552m)에서 측정된 분해도.
얕은 바다(PJM)는 가장 높은 분해 속도(~250 μg/cm²/일)를 보인 반면, 심해 지역은 분해 속도가 더 느렸습니다(~20–50 μg/cm²/일).
삽입 그림: BHT 부위에서 5개월 전후의 tPB 컵.
B. 바이오필름 형성:
현미경 이미지는 tPB 표면에 미생물이 서식하여 바이오필름을 형성하는 모습을 보여줍니다.
확대된 이미지는 부착된 박테리아를 보여주며, 분해에 미생물이 관여했음을 확인시켜 줍니다.
C. 미생물 군집 구성:
메타게놈 분석을 통해 우세한 그룹이 식별되었습니다: Fibr1(40%), Fibr2(18.1%), Delt1(8.6%), Delt2(3.0%), Spir1(2.8%), Alph1, Bact1, Gamm1.
셀룰로오스 분해 박테리아와 혐기성 세균이 이 과정에서 중심적인 역할을 합니다.
D. 기능적 유전자 발현:
히트맵은 셀룰라아제, 엔도글루카나아제, β-글루코시다아제의 발현이 증가하고, 질소 흡수, 해당분해, 발효 경로와 관련된 유전자도 함께 나타나는 것을 보여줍니다.
tPB 분해 중 미생물 군집 내에서 협력적 대사가 일어남을 나타냅니다.
E. 제안된 분해 경로:
tPB의 셀룰로오스 사슬은 Fibr1/Fibr2 셀룰라아제에 의해 셀로비오스로 가수분해됩니다.
Delt1과 Delt2는 대사산물을 H₂, 젖산, 포름산으로 처리하는 반면, Alph1, Bact1, Spir1, Gamm1은 산화환원 균형과 보조 경로에 기여합니다.
전반적으로, 상승작용을 일으키는 미생물 활동은 tPB의 해양 분해를 가속화합니다.
이러한 결과는 tPB가 해양 환경에서 생분해될 수 있음을 확인시켜 줍니다. tPB는 바이오필름 형성과 다양한 미생물 군집을 통해 효소 및 대사 과정을 촉진합니다. 분해는 얕은 수심에서 더 빨리 일어나지만 심해 환경에서도 가능합니다.
실험실 규모에서 tPB는 현재 일반 판지보다 생산에 더 많은 에너지를 사용합니다. 그러나 연구진은 현대 제지 공장과 유사한 대규모 연속 생산을 통해 에너지 사용량을 일반 판지와 비슷한 수준으로 낮출 수 있다고 주장합니다.
자연에서 태어나 자연으로 돌아가는 tPB는 이상적인 차세대 소재로서 플라스틱 포장재를 대체하는 데 널리 사용될 것으로 기대됩니다. 플라스틱이 없는 친환경 포장재는 환경을 보호합니다. 재활용이 어렵고 바다로 유출되기 쉬운 일회용 투명 플라스틱 포장재를 대체하여 해양 플라스틱 오염의 근본적인 해결과 진정한 순환 경제 실현에 기여할 수 있습니다.
언젠가, 당신 손에 들린 투명한 커피잔이 이 셀룰로스 보드로 만들어져 깊은 바다에서 '사라질' 수도 있습니다.
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