삼베 짜고 남은 '대마'를 비닐에 섞었더니… 찢어지던 친환경 플라스틱의 반전[과학을읽다]

화학연, 셀룰로오스 미세섬유 뭉침 막는 저비용 건조기술 개발
콩대·볏짚 등 농업 부산물 활용 가능…생분해 포장재 적용 기대

삼베를 만들고 남아 버려지던 대마 줄기가 생분해 플라스틱을 더 튼튼하게 만드는 보강재로 변신했다. 국내 연구진이 값비싼 동결건조 대신 수분 조절과 표면처리만으로 대마에서 추출한 미세섬유의 뭉침을 막아 생분해 플라스틱의 강도를 26% 이상 높이는 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 13일 김호용 박사 연구팀이 산업용 대마(헴프) 줄기의 속대에서 셀룰로오스를 추출해 생분해성 플라스틱의 보강재로 활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

대마속대 미세섬유를 활용한 고강도 생분해성플라스틱 제조. 연구팀 제공

산업용 대마는 껍질을 삼베 등 섬유 원료로 사용하지만 줄기 무게의 약 70%를 차지하는 속대는 활용도가 낮았다. 연구팀은 이 속대에서 셀룰로오스 미세섬유를 얻어 전분(TPS)과 생분해성 플라스틱 PBAT를 혼합한 필름의 보강재로 활용했다.

문제는 셀룰로오스 미세섬유를 말리는 과정에서 섬유끼리 뭉친다는 점이었다. 필름 내부에 섬유가 고르게 퍼져야 힘을 분산시킬 수 있지만 덩어리가 되면 보강 효과가 떨어진다. 동결건조나 분무건조로 이를 막을 수 있지만, 에너지와 설비 비용이 높아 대량생산에 부담이 있다.

비싼 동결건조 대신 수분 조절로 '뭉침' 막아

연구팀은 일반 열 건조를 사용하면서도 미세섬유 구조를 유지할 수 있도록 수분 함량을 조절하고 표면을 알킬케텐다이머(AKD)로 처리하는 방법을 개발했다.

셀룰로오스 섬유는 수분 함량이 일정 수준 아래로 내려가면 내부 수분까지 빠지면서 미세섬유끼리 강하게 달라붙는다. 연구팀은 대마 섬유의 임계 수분 함량인 '섬유포화점'을 찾아 이보다 수분이 줄어들기 전에 섬유를 가공했다. 여기에 표면처리를 더해 섬유끼리 붙는 현상을 억제했다.

화학연 연구진. (왼쪽부터) 최준호 선임연구원, 조해민 박사후연구원, 김종화 박사후연구원, 김호용 책임연구원. 화학연 제공

이렇게 만든 대마 셀룰로오스를 전분·PBAT 필름에 10% 넣은 결과 필름의 인장강도가 26.2% 향상됐다. 기존 방식으로 건조한 미세섬유를 넣었을 때 강도 향상률은 1.5%에 그쳤다. 수증기와 산소 투과량도 각각 17%, 9% 감소해 차단 성능도 개선됐다.

연구팀은 이 기술을 콩대와 볏짚 등 다른 농업 부산물에서 얻은 셀룰로오스에도 적용할 수 있을 것으로 보고 후속 연구를 진행할 계획이다.

김 박사는 "농업 부산물의 고부가가치화 성과"라고 말했다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 7월 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr