이산화탄소(CO₂)를 활용해 친환경 폴리우레탄 단열재를 만드는 기술이 개발돼 시제품 제조에 성공했다.
조득희·김동우 한국화학연구원 박사팀은 △KPX케미칼 △부산대 △인제대 등과 함께 한국전력공사 Open R&D사업인 기술기획처 사외공모로 ‘이산화탄소를 함유한 친환경 폴리우레탄 소재개발’ 연구사업을 수행했다.
이번 연구에서 화학연은 온실가스인 이산화탄소를 활용해 폴리우레탄 소재 원료가 되는 기초 단량체 물질 ‘프로필렌 카보네이트’ 촉매공정을 개발했다. 프로필렌 카보네이트는 폴리올의 기초원료이며 폴리올은 폴리우레탄의 원료다.
연구진은 ‘프로필렌 카보네이트’와 이를 원료로 한 폴리올을 파일럿 규모로 생산해 KPX케미칼에 제공했다. 이를 바탕으로 KPX케미칼은 폴리우레탄 경질폼인 단열재시제품을 제조하는 데 성공했다.
프로필렌 카보네이트는 기존 공정에서 독성이 강한 물질로 만들었는데 이를 친환경적으로 대체하기 위해 전 세계적으로 온실가스인 이산화탄소를 활용하는 공정을 개발하고 있다.
이산화탄소는 열역학적으로 매우 안정된 물질이어서 이를 유용한 물질로 전환하기 위해서는 높은 에너지가 필요하다. 이에 따라 반응에너지를 높여주는 촉매공정이 필수적이다. 중국과 독일에서 촉매공정을 개발했으며 국내에서는 최근 여러 논문들이 보고되고 있지만 실험실 규모에 그치고 있으며 효율이 낮다.
화학연은 이산화탄소로부터 프로필렌 카보네이트 합성에 필요한 고효율 촉매를 개발하고 파일럿 규모에서 물질제조에 성공했다. 부산대는 프로필렌 카보네이트의 촉매반응 메커니즘에 대한 연구를 화학연과 공동수행했고 인제대는 앞선 공정으로 만들어진 폴리올의 적용확장성에 대해 연구했다.
또한 연구진은 촉매를 연속적으로 대량 생산할 수 있는 반응기를 구축했으며 현재 촉매의 반응성을 개선하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다.
이와 관련한 연구 성과는 2016년부터 ‘ACS 지속가능한 화학 및 공학(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)’ 등 4편의 국제학술지에 게제됐으며 3편의 특허가 출원됐다. 현재 관련기업과 사업화를 논의하고 있다.
또한 연구진은 프로필렌 카보네이트 외에도 이산화탄소와 촉매를 활용한 다양한 ‘5원환 탄산염’의 합성연구를 진행해 왔다. 5원환 탄산염은 탄소와 산소로 이뤄진 오각형 분자구조 물질로 다양한 화학원료로 쓰인다.
연구진은 특히 유럽에서 활발한 연구가 진행되고 있는 비 이소시아네이트 폴리우레탄 주원료를 만드는 촉매 및 공정을 개발했다. 비 이소시아네이트 폴리우레탄은 접착제, 페인트, 3D 프린팅 소재 등에 쓰이는 원료로 향후 이산화탄소를 활용한 폴리우레탄 원료 연구개발 영역이 확대될 것으로 기대된다.
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