폴리락트산

폴리락트산은 녹말의 발효에서 얻어지는 락트산 또는 그 고리형 이합체인 락타이드를 원료로 하여 제조하는 친환경 바이오 기반 고분자이다. 구조적으로 지방족 폴리에스터로 구분한다. 주로 3D 프린터의 필라멘트, 포장재, 식기, 수술 봉합사의 원료로 사용된다. 

옥수수 등의 자연에서 얻은 재료로 제조하는 폴리락트산 (출처: 대한화학회)

목차

폴리락트산 제조법: 락트산 축합 중합법 (출처:대한화학회)

락트산은 카복실산과 알코올을 동시에 가지고 있는 단량체이다. 락트산 간의 에스터화 반응을 반복하여 폴리락트산으로 전환된다. 단계 성장 중합의 고분자 제조 메커니즘을 따른다. 200 °C 이하의 온도에서 고분자를 형성하며, 200 °C 이상에서는 이합체 고리 형성 반응이 우세하여 락타이드가 생성된다. 각 에스터의 형성과 동시에 배출되는 물 분자는 역반응인 에스터의 가수분해를 일으키므로, 진공 또는 증류법으로 제거하여 중합 반응을 촉진한다. 약 130,000 g/mol 정도의 분자량을 가지는 폴리락트산의 제조법이 알려져 있다. 

폴리락트산의 제조: 고리 개환 첨가 중합법 (출처: 대한화학회)

락트산은 200 °C 이상 조건에서 이합체 락타이드로 전환된다. 락타이드는 촉매와 개시제를 사용하여 고리 개환 중합 반응에 참여하며 폴리락트산이 된다. 상업 공정에서는 주석 계열 촉매가 주로 사용되며, 사슬 성장 중합의 메커니즘을 따르기 때문에 높은 분자량 제조와 분자량 조절이 용이하다. 높은 분자량의 제품 생산으로 기계적 물성이 우수하여, 대부분의 폴리락트산은 락타이드의 고리 개환 중합법으로 제조된다. 

락트산은 D와 L형태의 광학 이성질체가 존재하며, 발효법으로 제조하는 락트산은 L 또는 L과D의 혼합물이다. D-락트산은 그에 비하여 제조가 까다롭다. L-형태의 락트산에서 유래한 L,L-락타이드로 제조한 고분자를 폴리-L-락타이드(PLLA)라 하며, 60 °C 근처의 유리 전이 온도, 175 °C 근처의 용융 온도를 가진다.

광학 이성질체인 D-락타이드로 제조한 폴리-D-락타이드(PDLA)는 동일한 물리적 성질을 가진 폴리-L-락타이드(PLLA)와 혼합하는 경우, 사슬 간의 쌓임이 더 단단해져서 용융 온도와 열변형 온도가 높아진다. 즉 강도와 열안정성이 향상된다. 두 광학 이성질 단량체를 혼합하여 제조한 폴리-DL-락타이드 (PDLLA)는 PLLA와 유사한 유리 전이 온도를 가지지만 구조의 불규칙 성으로 사슬 간의 쌓임이 강하지 않아 무결정성을 가진다. 그리하여, 기계적 물성이 상대적으로 우수하지 못하다.

폴리락트산의 입체구조와 물리적 성질 (출처: 대한화학회)

폴리락트산은 물, 메탄올, 에탄올 같은 극성 양성자성 용매에 잘 녹지 않으며, 벤젠, 톨루엔, 다이클로로메테인, 테트라하이드로퓨란(THF) 등에 잘 녹는다.

폴리락트산은 분해되어 인체에 무해한 락트산을 배출한다. 이 때문에 의료용 소재로서 활용도가 높다. 생체 내에서 조직 또는 구조물을 고정하는 보철 소재로도 사용하며, 약 6개월에서 2년에 걸쳐 서서히 분해되면서 조직의 재생을 돕는다. 또한 수술용 봉합실의 소재로도 사용된다.

바이오 기반 소재로서 가지는 친환경성은 기존 석유 화학 기반 소재의 대체재로서 주목받고 있다. 대부분의 플라스틱 소재가 사용 후 분해에 오랜 시간이 걸리며, 그 원료 또한 순환이 어려운 석유화학 제품 기반인 반면, 폴리락트산은 바이오 발효 기반 락트산을 원료로 하며, 빠른 분해 속도와 분해로 생성되는 락트산이 유해하지 않다. 그리하여, 지속가능한 친환경 플라스틱 소재의 대표이다. 기계적 물성에서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 폴리스타이렌의 중간 정도의 물성을 가지기 때문에 고성능을 요구하는 엔지니어링 플라스틱보다는 범용 플라스틱의 용도에 적합하다. 폴리락트산을 사용한 친환경 일회용 식기, 필름, 식품 포장재를 주변에서 쉽게 볼 수 있다. 최근에는 3D 프린터의 필라멘트 재료로써도 활용이 늘고 있다.

폴리락트산으로 제조한 티백 (), 일회용컵 (), 화장품 용기 ()