새로운 바이오 원료 기반 목재 접착제

새로운 바이오 원료 기반 접착제

 

 

바이오 원료 기반의 접착제의 생산은 오래 전부터 많은 관심을 끌던 분야이다. 동물의 사체에서 콜라겐을 추출하여 접착제를 만들던 시절의 접착제 공장은 지저분하고. 기분 나뿐 분위기를 가져다 주는 경우가 많아 사람들에게 공포심을 가져다 주기도 했다, 기록에 의하면 이런 동물에서 유래된 유기물을 이용한 접착제는 8,000년 이상의 역사를 가지고 있다고 한다.

이런 동물사체를 이용하여 단백질을 추출하여 접착제를 만드는 공법은 1930년대 화학공업과 고분자화학의 발전에 따라 새롭게 만들어진 여러 가지 합성수지와 접착제로 인해 점점 소멸되어 가고 있었다. 현재는 요소수지와 페놀수지와 폼알데히드(Formaldehyde, 포름알데하이드, 폼알데하이드의 여러 명칭으로 불리우나 여기서는 폼알데히드로 통일한다.)의 화합물로 만들어진 접착시스템이 합판이나, PB, 그리고 MDF같은 주요 목질 판상재 및 공학목재 시장의 표준을 이루고 있다.

 

유해화학물질의 배출

폼알데히드를 함유하고 있는 접착제로 만들어진 공학목재의 경우 기능적으로는 매우 뛰어나지만, 폼알데히드와 기타 휘발성 유기화합물과 같은 유해와학물질을 대기중에 방출하게 된다. 이 중 폼알데히드의 경우 실내에서의 집적도가 자연상태의 농도인 0.03PPM을 넘게 될 경우 눈과 코에 자극을 주고, 발암의 위험성을 높이는 등 여러 가지 건강에 유해한 영향을 미치게 된다.

따라서 규제 당국과 소비자들은 이러한 폼알데히드의 위험성을 인지하고 계속적으로 이를 규제하는 단계를 높여가고 있다. 현재 이중 가장 강력한 규제는 일본의 배출기준인 F****등급으로 이는 농도기준으로 0.04ppm을 거의 자연상태의 폼알데히드량과 비슷한 정도이다.

이러한 규제와 폼알데히드가 없는 제품에 대한 수요로 인해 다시금 바이오 원료를 기반으로 하는 접착제의 수요가 꾸준히 늘고 있었다. 현재 그 규모는 작지만, 시장은 매우 빠른 속도로 성장하고 있다. 현재 대부분의 바이오 원료 접착제는 식물기반의 접착제로 2014년 기준으로 전분, 콩과 옥수수를 이용한 것이 전체 시장의 87%정도를 차지하고 있는 수준이다. 하지만 이런 접착제들은 일반적으로 석유화학제품과 결합 함으로서, 최종 제품생산에 관여함으로 100% 바이오 원료를 기반으로 한다고 할 수는 없다. 따라서 석유화학제품의 원료의 사용이 필요없는 100% 바이오 원료 기반의 접착제의 개발의 필요성이 끊임없이 제기되어 왔다.

 

기본으로 돌아가자

뉴질랜드의 일련의 과학자들은 나무를 이용하여 100% 바이오 원료를 기반으로 하는 접착제개발을 시도하였다. 이 과학자들은 천연물화학의 원리와 지속 가능한 원재료의 사용을 목표로 하여, 환경 친화적이고, 수성의 성질을 가진 접착제를 개발하였다.

기존 기술을 대체하고, 폼알데히드 및 다른 석유화학제품의 원료를 사용하지 않는 방법을 개발하기 위해서 과학자들은 기본으로 돌아가야 했다. 그들의 여러 공급원료로부터 그 원료들의 내재적 성질을 고려하여, 어떻게 접착제가 목재제품과 반응하고 있는가에 대해서 부터 연구를 시작하였다.

목재의 구성성분중 목재에 가장 풍부하게 존재하고 있는 리그닌(Lignin)이 이러한 주제에 있어 일찍부터 주목을 받아왔다. 리그닌은 방향성 탄화물의 잠재적인 공급원이자 자연 속에 매우 풍부한 물질이다. 건조된 라디아타 소나무의 1/4은 리그닌 이며, 이는 펄프화 공정 속에서 쉽게 추출될 수도 있다. 더욱이 리근닌은 향후 발전이 예상되는 바이오 연료(Bio fuel)의 생산과정 중 당화(saccharification)에 의한 부산물로 생산되어 더욱 풍부해 질것으로 예상되고 있다.

이 밖에 다른 리그닌 공급원도 이런 천연접착제의 좋은 원료가 될 수 있다. 일부 제지공업이 발달한 국가에서는 크라프트지 생산에 사용되는 "black liquor"를 값싸고 품질 좋은 리그닌의 공급원으로 사용할 수 있다.

또한 과학자들은 이런 바이오 기반의 접착제를 생산함에 있어 기존의 생산설비를 그대로 사용할 수 있게 하여 신제품 생산에 있어 추가적인 비용이 발생하지 않도록 하였다. 또한 접착제의 사용자 입장도 고려하여, 기존에 사용하는 접착제의 고형분 함량이나 점도 등을 거의 비슷하게 유지하여 공학목재의 생산자들이 생산설비의 교체없이 접착제 만을 쉽게 바꿀 수 있도록 노력하였다. 이렇게 하여 개발된 제품은 최근 상업적인 합판 공장의 접착제로 시범 사용되어 인테리어용 합판제작에 사용 되었다. 이러한 시범사용을 통해 향후 바이오 원료를 기반으로 하는 접착제에 대한 장점을 부각시키고, 끊임없이 기술을 개발하고자 하는 노력을 기울이고 있다.

이런 바이오 원료를 기반으로하는 접착제는 환경적인 측면에서도 많은 이점이 있다. MDF의 사례를 상정하여 이를 생산에서 폐기까지 그리고 직간접적인 영향에 대한 전과정평가를 통해 분석해본 결과, 비록 MDF 내에 접착제의 함유량이 10% 정도 밖에 되지 않지만, 바이오 원료 접착제를 사용함으로서 환경적인 영향은 22%까지 감소한다는 결과를 나타냈다. 이는 바이오 기반의 접착제가 석유를 적게 사용하고, 생산과정중의 운송과정에서의 배출량도 적으며, 인체의 건강에 미치는 영향도 매우 적기 때문으로 분석된다.

 

 

바이오 연료 접착제의 적용 분야

개발과정에서 개발팀은 각각의 조성물들이 서로 어떻게 반응하고 반응하지 않는지에 대해 연구하고, 이런 지식을 바탕으로 임업과 농업에서부터 공급되는 바이오 원료들을 잘 혼합하고 배합하는지에 대해 알게 되었으며 결국 여러 용도에 따라 바이오 원료 기반의 접착재를 생산하게 되었다.

이러한 바이오기반의 접착제의 사용범위 중 가장 큰 부분은 포장 및 제지분야이다. 이 분야의 바이오 접착제 시장의 약 34%를 차지하고 있다. 이 산업분야에서 바이오 접착제 이용의 장점은 지속 가능성, 전과정속에서의 편익과 화학제품과 비교우위에 있는 재생가능성 분야에서 이다. 반면에 실내용 합판 및 공학목재 부분이 차지하는 바이오 접착제의 시장은 아직 15% 정도에 그치고 있다.

 

건강한 미래

바이오 원료 접착제의 전세계 시장 수요는 휘발성 유기화합물 및 기타 유해 화합물의 배출에 대한 규제가 더욱 강화되거나, 소비자들의 친환경, 천연소재 원료로 제조된 제품에 대한 관심이 증대됨에 따라 증가된다, 100% 재생 가능한 원료로부터 만들어지는 바이오 원료 접착제는 현재와 미래의 모두를 위한 건강을 세계를 만들기 위해 건축과 실내환경에서의 목재사용의 증가 및 바이오를 기반으로한 산업의 영역을 넓혀가는데 있어 완벽한 중요한 원료가 될 것이다.

 

http://pureadvantage.org/news/2016/07/28/new-glue-new-zealand-solution-sticky-problem/