(Credit: EMPA)
에폭시는 경화제와 섞어 굳히면 단단해지는 성능이 뛰어난 열경화성 플라스틱으로 금속, 나무, 콘크리트 등 어떤 소재에도 단단히 결합하고 물, 화학 약품, 열에 강합니다. 때문에 서로 다른 재료를 결합하여 개별 구성 요소의 특성을 뛰어넘는 복합 재료를 만드는 데 유용하게 쓰입니다.
그런데 기존 에폭시가 일단 경화되면 결과적으로 생성된 결합이 사실상 영구적이라는 점에 재활용할 때 큰 장애물이 됩니다. 일단 에폭시 소재로 단단히 결합한 후에는 재활용을 위해 구성 재료를 분리하는 것이 매우 어렵습니다.
스위스 연방 재료과학기술연구소(Empa)의 연구진은 특수화학 기업 엘란타스(Elantas)와 협력하여 이 문제를 극복한 에폭시 기반 복합재를 개발했습니다. 핵심 기술은 Empa가 개발한 인 (phosphate) 함유 첨가제로, 생산 과정에서 에폭시에 혼합됩니다. 이 첨가제는 경화된 재료에 불에 잘 타지 않는 난연성을 부여하는 동시에 적절한 조건에서 분해되는 특징을 제공합니다.
연구팀의 일차 목표는 항공기용 복합 소재를 재활용할 수 있게 만드는 것입니다. 항공기는 무게는 줄이고 강도는 유지하기 위해 복합 소재를 많이 사용합니다.
예를 들어 케블라와 같은 내열성 고분자 계열인 아라미드로 만든 경량 벌집 구조의 경우 중심부 위아래로 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 여러 겹으로 평평하게 엮어 배치한 다음 에폭시 수지가 보강재 층에 스며들게 결합합니다. 결과적으로 분리된 섬유층과 벌집 구조를 엑폭시가 하나의 견고하고 가벼운 구조로 만들어 줍니다.
문제는 분해해서 에폭시는 열경화성 고분자이기 때문에 재활용이 사실상 불가능에 가깝다는 것입니다. 경화 과정에서 화학 반응을 통해 단단하게 결합된 영구적인 분자 네트워크가 형성되는데, 덕분에 내구성이 매우 우수하지만, 탄소나 유리섬유, 아라미드 섬유는 분리해서 재활용 할 수 없습니다. 그래서 대부분 쓰레기 매립장으로 보내집니다.
연구팀은 이전에 발표한 연구에서 경화 전에 반응성 비스 H-포스포네이트 (bis H-phosphonate) 화합물을 에폭시에 첨가하여 인-탄소 및 인-산소 결합을 포함하는 포스포네이트화된 네트워크를 생성했습니다. 이 네트워크의 일부는 적절한 용매와 약간의 열을 가하면 결합 교환 반응을 일으켜 재배열될 수 있습니다.이를 통해 경화된 에폭시를 열기계적 재활용을 통해 부드럽게 만들고 재성형할 수 있습니다.
연구팀은 엘란타스와의 새로운 연구 프로젝트에서 열과 적절한 용매를 사용하여 에폭시 소재를 충분히 분해하고 하이브리드 샌드위치 복합 구조를 개별 구성 요소로 분리하는데 성공했습니다. 덕분에 아라미드 벌집 구조와 직조 보강 섬유를 회수할 수 있었습니다. 에폭시 수지 자체는 재활용이 어렵지만, 나머지 재료를 회수할 수 있으면 재활용이 가능합니다.
한 가지 더 흥미로운 사실은 인 성분을 첨가한 결과 내연성까지 좋아졌다는 것입니다. 2.5% 인을 포함한 에폭시 수지는 이전에 열경화성 수지 대비 최대 열 방출 속도를 75%, 총 연기 발생량을 72.5% 감소시켰습니다. 덕분에 항공기 소재용으로 더 안전한 물질이 됐습니다.
연구팀에 따르면 섬유 강화 에폭시 복합재는 자동차, 기차, 선박, 풍력 터빈 및 기타 여러 경량 구조물에 널리 사용되고 있습니다. 따라서 연구팀은 이미 에너지 및 건설 산업에서 재활용 가능한 난연성 고분자 시스템의 적용 가능성을 연구하고 있습니다. 당면 과제는 경제성과 생산 규모 확대입니다. 연구진과 엘란타스는 현재 복합재 생산과 재활용 공정의 규모를 확대하기 위해 협력하고 있습니다.
복합 소재의 재활용은 매우 까다롭고 경제성을 확보하기 힘든 것으로 알려져 있는데, 새로운 돌파구가 마련될 수 있을지 주목됩니다.
참고
https://newatlas.com/materials/epoxy-composite-recyclable-airplane-cabins/
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