새로운 돌파구! 탄소섬유 복합재(CFRP)의 친환경 재활용

서문

탄소섬유는 업계에서 “재료의 왕’이자 ”블랙 골드’로 불립니다. 항공, 우주항공, 에너지, 교통수단, 풍력 블레이드, 건설용 교량, 군사 장비 등 다양한 분야에서 널리 사용되며, 국방과 민간 생산에 중요한 소재입니다.

최근 몇 년간 탄소섬유 산업이 급속한 발전기를 맞으면서 탄소섬유 복합재료의 응용이 증가하고 있으며, 생산 과정에서 점점 더 많은 폐기물이 발생하고 있습니다. 업계 전문가들은 탄소섬유 산업 체인의 모든 단계에서 폐기물이 발생하며, 특히 생산 및 제조 과정에서만 폐기율이 30%에서 50%에 이른다고 지적합니다. 또한 CFRP는 수리가 어려워 일부 손상된 부분조차 폐기해야 합니다.

탄소섬유 복합재료는 자연 조건에서 분해되지 않기 때문에 대량의 스크랩과 폐기물은 그대로 매립될 수밖에 없습니다. 통계에 따르면 2018년 한 해 전 세계 탄소섬유 사용량은 92,600톤에 달했으며, 이 중 스크랩량은 30,300톤에 이릅니다. 이는 환경 오염을 일으킬 뿐 아니라 자원 낭비의 심각한 문제를 야기합니다.

상온 CFRP 분해 및 재활용 기술

연구팀은 저온에서 간단히 CFRP를 분해할 수 있는 기술을 개발했습니다. CFRP를 용액에 담그면 짧은 시간 내에 탄소섬유와 수지를 분리할 수 있으며, 동시에 수지 원료를 재활용할 수 있습니다.

이 기술은 처리가 어려운 CFRP를 원료로 되돌려 전부 재활용할 수 있는 혁신적인 신기술입니다. 이 기술은 인체에서 일어나는 산화환원 반응의 구조에서 영감을 받았습니다.

CFRP의 강도는 탄소섬유와 플라스틱의 결합 덕분입니다. 탄소섬유는 쉽게 부러지지 않고 강하지만 쉽게 휘어집니다. 탄소섬유가 수지와 결합하면 가볍고 강한 뛰어난 소재가 되며, 탄소섬유와 플라스틱의 강력한 조합으로 놀라운 성능을 발휘하지만, 반대로 재활용에는 큰 장애가 됩니다.

CFRP에 사용되는 열경화성 플라스틱은 한번 굳으면 분해가 매우 어렵고, 오랜 시간 동안 연소하거나 매립하는 방법으로만 처리할 수 있습니다. 이전에는 S-S 결합을 파괴해 재활용할 수 있는 메르캅토에탄올이라는 약제를 사용했지만, 이 약제는 독성이 너무 높아 안전하지도 환경친화적이지도 않았습니다.

R팀은 자연 생체 물질에 주목했는데, 이 물질은 물에 녹여 유기 용매에 추가한 후 CFRP를 넣으면, 상온에서 몇 시간 동안 교반한 뒤 CFRP의 수지가 액체상으로 녹아들게 됩니다.

원리는 생체 구조 물질의 특성을 이용해 CFRP의 S-S 결합을 재조직하고, 수지의 S-S 결합을 대체하는 것입니다. 이렇게 분해된 수지는 유기 용매에 녹아들게 됩니다.

결론

유해한 약제를 사용하지 않고 생체 물질을 용액에 첨가하는 것만으로 강력한 CFRP를 분해하고 재사용할 수 있는 이 기술은 에너지 절약과 환경 보호 시대에 CFRP의 보급을 이끌 핵심이 될 것으로 기대됩니다.