플라스틱과 기타 폴리머 소재는 현대 사회에서 중요한 역할을 하지만, 이들의 광범위한 사용은 제한적이고 재생 불가능한 화석 자원을 대량으로 소모하고 육지나 바다에 대량의 폐기물을 발생시킵니다. 따라서 플라스틱과 같은 폴리머 폐기물의 재활용 및 재사용은 생태학적, 경제적으로 큰 이점이 있습니다. 폐쇄 루프 재활용 폴리머는 본질적으로 재활용 가능하며 고순도 모노머로 쉽고 선택적으로 탈중합되어 동일한 특성을 가진 폴리머로 재중합될 수 있습니다. 이들은 차세대 폴리머 재활용 기술로 간주되며 학계와 산업계에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

최근, Jiangnan University의 화학 및 재료 공학과의 Ma Songqi 교수 팀은 Royal Society of Chemistry가 창간한 국제적인 최고 화학 저널인 Chemical Society Reviews(2023 impact factor IF = 46.2)에 "Closed-loop recyclable polymers from monomer and polymer design to polymerization-depolymerization cycle" (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A)라는 제목의 리뷰 학술 논문을 발표했습니다. 이 리뷰는 단량체 구조 설계가 중합체 클로즈드 루프 리사이클링에 미치는 영향에 대해 자세히 설명하고, 제조된 중합체의 단량체 중합 및 탈중합 메커니즘을 체계적으로 설명합니다. 또한 이 논문은 클로즈드 루프 리사이클링 중합체 개발이 환경, 경제 및 자원에 미치는 영향에 대해 논평하고, 클로즈드 루프 리사이클링 재료 과학을 개발하는 것의 중요성을 지적하며, 클로즈드 루프 리사이클링 중합체의 미래 개발에 대한 전망을 제시합니다. 이 중, 본 논문의 제1 저자는 장난대학 화학재료공학부의 2023년 박사과정생인 양슈아이치이고, 교신저자는 마송치 교수이다.

그림 1: 그래픽 요약(폐쇄형 재활용 폴리머의 개발은 플라스틱과 같은 폴리머 재료의 녹색 및 지속 가능한 개발에 도움이 됩니다)

첫째, 폐쇄 루프 재활용 폴리머는 다른 소형 분자가 탈중합 과정에 참여해야 하는지 여부에 따라 두 가지 범주로 나뉩니다(그림 2 참조).

가수분해 및 동적 교환 탈중합을 기반으로 하는 폐루프 재활용 폴리머와 달리, 소분자의 참여를 필요로 하지 않는 가역적 고리 개방 중합 및 가역적 첨가 중합을 기반으로 하는 폐루프 재활용 폴리머의 연구 진행 상황을 주로 요약합니다. 요약 및 논의의 편의를 위해 락톤, 티오락톤, 고리형 카보네이트, 방해 올레핀, 시클로올레핀, 열적으로 불안정한 올레핀 공단량체, 고리형 이황화물, 고리형(티오) 아세탈, 락탐, 디엘스-알더 첨가 모노머, 마이클 첨가 모노머, 무수물-2차 아미드 모노머, 고리형 무수물-알데히드 모노머 및 말단기 활성화 폴리머와 같은 다양한 모노머에 따라 많은 하위 범주로 나뉩니다.

그림 2: 가역적 공유 결합 또는 화학을 기반으로 하는 재활용 가능한 폴리머: (A) 탈중합에는 다른 소형 분자(가수분해, 알코올 분해, 아미노 분해 등)의 참여가 필요합니다. (B) 탈중합에는 다른 소형 분자의 참여가 필요하지 않습니다(본 리뷰)

둘째, 각 폐루프 재활용 폴리머의 중합/해중합 메커니즘, 단량체 구조(그림 3에 나타난 고리형 락톤 구조), 중합/해중합 조건의 진화(그림 3에 나타난 촉매 구조), 그리고 이에 상응하는 중합 전환율, 중합체 분자량, 중합체 특성, 단량체 회수율을 요약하여 논의하였고, 각 폐루프 재활용 폴리머의 진행 상황과 단점을 요약하였다.

그림 3: 락톤 단량체 구조(좌) 및 중합 및 탈중합 촉매(우)

탈중합 장치의 중요성을 고려하여 이 리뷰에서는 탈중합 장치를 개별적으로 요약하고 논의합니다(그림 4). 탈중합 공정 동안 탈중합과 중합은 균형 잡힌 반응입니다. 단량체를 시스템에서 지속적으로 추출하면 반응은 탈중합 방향으로 계속 진행되어 높은 탈중합 속도를 얻을 수 있으며 심지어 중합체의 100% 탈중합도 달성할 수 있습니다. 따라서 적합한 탈중합 장치는 고순도 단량체를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 단량체 회수율을 크게 높일 수 있습니다.

그림 4: 높은 탈중합 속도를 달성할 수 있는 보고된 실험실 장치: (A) 단경로 진공 증류 장치, (B) 회전 증발기, (C) 승화 장치

최종 요약에서 저자는 다양한 단량체의 중합과 해당 폐쇄 루프 재활용 폴리머의 탈중합을 요약했는데, 여기서 순환 단량체의 중합과 탈중합은 단량체 링 장력의 크기와 관련이 있습니다(그림 5). 이 검토에 포함된 각 유형의 폐쇄 루프 재활용 폴리머를 비교했습니다. 마지막으로 폐쇄 루프 재활용 폴리머의 과제와 미래 개발 방향도 지적합니다. 1) 중합과 탈중합의 균형 2) 탈중합과 성능의 균형 3) 재활용 프로세스에서 부산물이 없음(또는 적음) 4) 허용 가능한 재활용 비용 5. 재생 가능 자원을 기반으로 하는 폐쇄 루프 재활용 폴리머 6. 재사용 가능한 탈중합 촉매 7) 산업 연구.

그림 5: 다양한 단량체 구조와 중합/해중합의 관계. (A) 고리형 단량체와 그 중합체의 고리열림 중합 및 해중합, 그리고 고리장력과 중합 및 해중합의 상관관계. (B) 락톤, 티오락톤, 고리형 카보네이트, 락탐, 고리형 아세탈 및 고리형 올레핀 단량체의 고리장력에 영향을 미치는 요인