Recently, the pollution caused by single-use plastics is a significant threat against our environment, and the amount of plastic wastes have grown exponentially. To solve the problem of plastic pollution, many researchers have focused themselves on developing eco-friendly biodegradable polymers. However, conventional biodegradable polymers have limited their use in packaging applications due to their thermo-mechanical properties and low transparency in the visible light region. In this thesis, a novel biodegradable copolymer was synthesized by introducing new monomers (platform chemical), and it was attempted to simultaneously satisfy the tensile strength, elongation, transparency and biodegradability required in the packaging film field.
First, we synthesized a new series of biodegradable copolymers of poly(butylene carbonate-co-isophathalate)s (PBCIs) made from dimethyl carbonate (DMC), 1,4-butanediol (BD), and dimethyl isophthalate (DMI) via a two-step melt polycondensation process. Especially DMC was produced directly from CO2 as a green chemical and used as a building block for new biodegradable polymers. The thermal and mechanical properties of the PBCI copolymers could be controlled precisely by tuning the the DMI contents during the polymerization reaction. With the newly synthesized PBCI copolymer, we could achieve high transparency together with outstanding oxygen barrier properties, enabling to overcome the limitations of the conventional biodegradable polymers. Next, bis(2‐hydroxyethyl) terephthalate (BHET), a major platform chemical in the chemical recycling process of waste PET(Polyethylene terephthalate), was harnessed for the first time to synthesize eco-friendly biodegradable polymers, poly(ethylene aliphatate-co-teraphthalate)s from BHET together with aliphatic dicarboxylic acid such as succinic acid (C4, SA), adipic acid (C6, AA), sebacic acid (C10, Seb) and dodecanedioic acid (C12, DDDA). The incorporation of linear aliphatic acid into the copolymers has been found to increase the chain mobility substantially due to its conformational transition, and it also affects the crystallinity, thermo-mechanical properties, and biodegradation behaviors.
The film properties of the copolymer synthesized by introducing these new monomers can realize excellent physical and optical properties that can sufficiently replace the existing non-degradable polymers (LDPE, HDPE) and commercialized biodegradable polymers. The novel biodegradable aliphatic-aromatic random copolymers synthesized with excellent transparency, mechanical properties will be a key solution to this environmental issue.
최근 일회용 플라스틱으로 인한 오염은 우리 환경에 심각한 위협이 되며 플라스틱 폐기물의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다. 플라스틱 오염 문제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 친환경 생분해성 고분자 개발에 집중하고 있다. 그러나 기존의 생분해성 고분자는 열역학적 특성과 낮은 투명도로 인해 포장재 용도에 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 새로운 단량체(플랫폼 케미컬)를 도입하여 신규 생분해성 공중합체를 합성하였으며, 포장 필름 분야에서 요구되는 인장강도, 신율, 투명도 및 생분해성을 동시에 만족시키려는 시도를 하였다.
첫번째로, 우리는 디메틸 카보네이트(DMC), 1,4-부탄디올(BD) 및 디메틸 이소프탈레이트(DMI)로 만든 폴리(부틸렌 카보네이트-코-이소프탈레이트)(PBCI)의 새로운 일련의 생분해성 공중합체를 2단계 용융 중축합 공정을 통해 합성하였다. 특히 DMC는 녹색 화학 물질로 이산환탄소에서 직접 생산되어 새로운 생분해성 고분자의 빌딩 블록으로 사용되었다. PBCI 공중합체의 열적 및 기계적 특성은 중합 반응 동안 DMI 함량을 조정하여 정밀하게 제어할 수 있다. 새로 합성된 PBCI 공중합체로 높은 투명도와 뛰어난 산소 차단 특성을 얻을 수 있어 기존 생분해성 고분자의 한계를 극복할 수 있었습니다. 다음으로, 폐 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)의 화학적 재활용 공정의 주요 플랫폼 화학물질인 비스(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(BHET)를 최초로 활용하여 친환경 생분해성 고분자인 폴리(에틸렌 알리파테이트-코-테레프탈레이트)를 숙신산, 아디프산, 세바스산 및 도데칸디오익산 같은 지방족 디카르복실산과 함께 BHET로부터 합성하였다. 선형 지방족 산을 공중합체에 도입하면 구조적 전이로 인해 사슬 이동성이 크게 증가하고 결정도, 열-기계적 특성 및 생분해 거동에도 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
이러한 새로운 단량체를 도입하여 합성된 공중합체의 필름 특성은 기존의 난분해성 고분자(LDPE, HDPE) 및 상용화된 생분해성 고분자를 충분히 대체할 수 있는 우수한 물리적, 광학적 물성을 구현할 수 있다. 투명도와 기계적 특성이 우수한 새로운 생분해성 지방족-방향족 랜덤 공중합체는 이러한 환경 문제에 대한 핵심 솔루션이 될 것입니다.
