The Plasticization Effect of Hydroxylated Palm Stearin Plasticizer (HPS) Towards High-Density Polyethylene (HDPE) Via Compression Moulding

세계는 플라스틱으로 넘쳐나고 있으며, 이 소재는 내구성 덕분에 찬사를 받는 동시에 그 지속성 때문에 비판을 받기도 합니다. 이러한 플라스부터의 플라스틱 폐기물 중 상당 부분은 짧게 사용된 후 바로 버려지는 일회용 품목에서 발생하며, 이는 매립지를 압도하고 생태계를 오염시킵니다. 이에 대응하여, 과학자들은 이 재료들을 더 빠르게 분해되도록 만들거나 재생 가능한 자원을 사용하여 처리하는 새로운 방법을 찾는 등, 이 재료들을 더 관리하기 쉽게 만드는 방법을 끊임없이 탐구하고 있습니다. 한 가지 유망한 방안은 일반적인 플라스틱의 화학적 구성을 미세하게 조정하여 다루기 쉽게 만들거나, 재료가 결국 분해되는 데 도움이 될 수 있는 바이오 기반 성분을 도입하는 것입니다. 이러한 노력의 핵심에는 딱딱한 플라스틱에 첨가되어 마치 반죽을 치기 쉽게 하기 위해 기름을 넣는 것과 같이 플라스틱을 더 부드럽고 유연하게 만드는 물질인 가소제라는 개념이 있습니다. 합성 가소제가 오랫동안 표준이었지만, 연구자들은 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 이러한 재료의 환경적 특성을 개선하기 위해 점점 더 식물 기반의 대안으로 눈을 돌리고 있습니다.

최근 말레이시아 테크놀로지 대학교(Universiti Teknologi MARA)의 연구진은 오늘날 가장 흔하게 사용되는 플라스틱 중 하나인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 위한 특정 식물 기반 솔루션을 탐구했습니다. 이는 우유 용기나 세제 병을 만드는 데 사용되는 단단하고 견고한 플라스틱입니다. 연구팀은 팜유에서 유래한 화학적으로 변형된 새로운 성분인 하이드록실화 팜 스테아린(hydroxylated palm stearin, 이하 HPS)을 조사했습니다. 그들의 목표는 이 천연 물질이 HDPE의 필수적인 강도를 파괴하지 않으면서, 플라스틱이 녹고 성형될 때의 흐름성을 개선하는 효과적인 가소제로 작와할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 이 팜유 유도체를 플라스틱에 다양한 비율로 혼합함으로써, 제조가 더 쉽고 잠재적으로 더 친환경적이면서도 HDPE를 널리 사용하는 유용한 특성을 유지하는 바이오 하이브리드 재료를 만드는 것을 목표로 했습니다.

연구진은 먼저 HDPE 고체 펠릿을 가져와서 혼합물을 균일한 용융 혼합물이 될 때까지 가열하고 저어주는 기계 속에서 HPS 분말과 섞었습니다. 그들은 HPS를 무게 기준으로 각각 10, 20, 30%씩 첨가한 세 가지 레시피를 테스트했습니다. HPS가 투입되자마자 기계의 저항이 급격히 떨어졌습니다. 팜유 유도체를 더 많이 첨가할수록 재료를 섞기가 더 쉬워졌습니다. HPS 함량이 가장 높은 혼합물에서는 플라스틱을 섞는 데 필요한 노력이 순수 플라스틱에 비해 거의 80% 감소했습니다. 이는 식물 기반 성분이 플라스틱 분자의 긴 사슬 사이로 성공적으로 파고들어, 분자들이 서로 더 자유롭게 미끄러질 수 있도록 했음을 나타냅니다. 이러한 저항의 감소는 이 재료를 공장에서 가공할 때 훨씬 더 쉽고 에너지가 적게 들게 된다는 것을 의미합니다.

하지만 이러한 가공의 용이성은 강도의 저하라는 대가를 수반했습니다. 연구진이 성형된 플라스틱 스트립을 잡아당겨 내구성을 테스트했을 때, HPS가 더 많이 첨가될수록 재료가 약해진다는 것을 발견했습니다. 순수 HDPE는 부서지기 전까지 상당한 힘을 견딜 수 있었지만, 30%의 HPS가 혼합된 제품은 그 강도의 거의 절반을 잃었습니다. 재 liệu 또한 덜 신축적이 되었습니다. 순수 플라스틱은 끊어지기 전까지 원래 길이의 거의 5배까지 늘어날 수 있었던 반면, HPS가 가장 많이 섞인 혼합물은 그 거리의 3분의 1도 채 되지 않을 만큼만 늘어났습니다. 강력한 현미경으로 파손된 표면을 자세히 관찰했을 때, 연구팀은 순수 플라스틱은 조밀하고 압축된 구조를 가진 것을 보았습니다. 반면, HPS가 섞인 혼합물은 작은 검은 구멍이나 빈 공간(voids)을 보여주었는데, 이는 두 물질이 하나의 매끄럽고 연속적인 물질로 완전히 융합되지 않았음을 시사했습니다. 이러한 틈새와 플라스틱 사슬 사이의 증가된 간격은 왜 재료가 더 부드러워지고 무거운 하중을 견디는 능력이 떨어졌는지를 설명해 줍니다.

연구는 또한 플라스틱이 열에 어떻게 반응하는지도 조사했습니다. 가열 시, 순수 HDPE는 특정 온도에서 녹았으나, HPS의 첨가는 녹는점을 약간 낮추어 더 낮은 온도에서도 성형 준비가 되도록 만들었습니다. 흥름스럽게도, 식물 기반 성분은 플라스틱이 냉각될 때 약간 더 높은 온도에서 고체 결정 구조를 형성하기 시작하도록 유도하는 듯 보였습니다. 이러한 변화에도 불구하고, 플라스틱 내의 전체적인 결정 구조의 양은 대체로 동일하게 유지되었으며, 이는 플라스틱이 부드러워지는 동안에도 HDPE의 근본적인 성질이 보존되었음을 의미합니다. 그러나 재료의 내열성은 타격을 입었습니다. 순수 플라스틱은 400도 이상의 온도에서도 분해되지 않고 견딜 수 있었지만, HPS가 가장 많이 섞인 혼합물은 훨씬 낮은 온도에서 분해되기 시작하여 100도 이상 떨어졌습니다. 이는 새로운 성분이 플라스틱을 녹이고 모양을 만들기 쉽게 만들지만, 최종 제품을 고온에 더 민감하게 만든다는 것을 시사합니다.

마지막으로, 연구진은 재료가 흡수하는 빛을 분석하는 기술을 사용하여 HDPE와 팜유 유도체 사이에 화학적 반응이 있는지 확인했습니다. 결과는 새로운 화학 결합이 형성되지 않았음을 보여주었으며, 두 물질은 단순히 나란히 놓여 화학적으로 변화하기보다는 물리적으로 상호작용했다는 것을 나타냈습니다. 이는 HPS가 화학적으로 변형시키는 대신 플라스틱 사슬을 물리적으로 분리함으로써 작동하는 진정한 가소제로 기능했음을 확인시켜 주었습니다. 연구는 하이드록실화 팜 스테아린이 HDPE를 가공하기 쉽게 만드는 실행 가능한 바이오 기반 옵션이며, 플라스틱을 녹이고 섞는 데 필요한 에너지를 크게 줄여준다고 결론지었습니다. 비록 이 방식이 재료를 약화시키고 내열성을 감소시키기는 하지만, 이번 연구 결과는 식물 기반 성분이 합성 플라스틱과 더 잘 섞여 강도를 유지할 수 있는 방법을 찾는 향후 연구가 뒷받침된다면, 더 지속 가능한 플라스틱 혼합물을 만들기 위한 명확한 경로를 제시합니다.