산업 적용을 위한 물성 재설계
바이오매스 소재 각각의 약점을 분석하고 다르게 재설계합니다.
무엇이 로진을 막아섰나
건축용 도료의 바인더로 씁니다. 로진은 소나무에서 얻는 천연 수지입니다. 값싸고 대량으로 공급되며 접착력이 뛰어납니다. 그런데도 고성능 도료의 바인더로 쓰이지 못했습니다. 세 가지 약점 때문입니다.
분자 안의 이중결합이 산화되며 시간이 지날수록 색이 짙어집니다.
구조에 남은 산성기가 물을 끌어들여 도막이 물에 약해집니다.
골격이 단단하고 짧아 힘을 받으면 늘어나지 못하고 갈라집니다.
무엇이 무너지고, 무엇이 붙잡는가
같은 벽에, 같은 자외선과 같은 물입니다. 바뀌는 것은 바인더를 개질했는가 하나뿐입니다.
- 기재 (벽)
- 도막 · 바인더 매트릭스
- 물
- 안정화된 자리
- 이어붙인 사슬
- 수지 알갱이
로진 골격은 단단하고 짧습니다. 힘을 받으면 늘어나지 못하고 갈라지며, 갈라진 틈은 도막을 지나 벽까지 이어집니다.
구조에 남은 산성기가 물을 끌어당깁니다. 표면에서 퍼진 물은 도막을 지나 기재에 닿습니다.
분자 안의 이중결합이 산화되며 도막 전체의 색이 시간이 갈수록 짙어집니다.
전상유화로 미세하게 흩어진 수지가 도막 안에 고르게 자리합니다. 갈라짐은 여기서 에너지를 잃고 진행이 느려집니다. 완전히 막는다는 뜻은 아닙니다 — 벽에 닿기까지의 시간을 늘리는 것입니다.
상압에서 촉매와 열만으로 이중결합 자리를 안정화합니다. 고압 수소화 설비를 쓰지 않습니다.
중간 정제 없이 반응시켜 분자를 키우고 산성기를 줄입니다. 물은 표면에 맺히지만, 오른쪽 끝처럼 얕게 배어드는 줄기는 남습니다.
어떤 공정으로 만드나
오셔너블은 로진을 상압에서 다룹니다. 고압 수소화 설비에 기대지 않고, 중간 정제 단계도 두지 않습니다. 공정이 짧아지는 만큼 설비와 에너지 부담이 줄어드는 것을 설계 목표로 삼았습니다.
고압 수소화 설비를 쓰지 않고, 촉매와 열만으로 산화되기 쉬운 자리를 정리합니다. 반응은 대기압에서 진행합니다.
중간 정제 단계를 두지 않고 곧바로 반응시켜 분자를 크게 키웁니다. 산가가 내려가고 연화점이 올라갑니다.
녹인 수지에 물을 넣어 상을 뒤집습니다. 유기용제를 쓰지 않고 물에 분산된 상태로 만듭니다.
S3를 확대하면 — 상이 뒤집히는 순간
수분산은 수지를 물에 녹이는 것이 아닙니다. 이어져 있던 쪽이 수지에서 물로 바뀌는 것입니다.
처음에는 수지 쪽이 연속상입니다. 넣은 물은 그 안에 방울로 갇혀 있습니다.
물을 계속 넣으면 수지와 물이 서로 통하는 구간을 지납니다. 뒤집힘은 이 구간에서 일어납니다.
상이 뒤집혀 물이 연속상이 되고, 수지는 미세한 알갱이로 흩어집니다. 유기용제를 쓰지 않습니다.
설계 목표
- 색
열에 오래 두어도 색이 잘 짙어지지 않는 것을 목표로 합니다. 도료의 수명 동안 색을 유지하기 위한 조건입니다.
- 물
산성기를 줄이고 분자를 키워 내수성을 확보하는 것이 설계 방향입니다.
- 막
연화점이 올라가 실온에서 단단하되, 도막으로 굳었을 때 쓸 수 있는 물성을 내도록 잡았습니다.
- VOC
유기용제 대신 물에 분산시키는 방식이라 휘발성유기화합물 방출을 낮추는 방향으로 설계했습니다.
- 설비
상압 공정과 정제 생략으로 고압 설비 없이 만들 수 있습니다.
무엇이 알지네이트를 막아섰나
종이 배리어 코팅에 씁니다. 알지네이트는 미역 · 다시마 같은 갈조류에서 얻는 천연 다당류입니다. 사슬이 곧게 뻗은 선형 구조라 코팅액과 필름의 원료로 알맞습니다. 그런데도 종이 용기 안쪽 코팅 자리는 여태 석유계 플라스틱이 차지하고 있었습니다.
종이 식품 패키지 안쪽에는 주로 폴리에틸렌을 씁니다. 종이가 분해돼도 이 층은 잘게 조각나 남습니다.
사슬이 물을 강하게 끌어당깁니다. 그대로 코팅하면 물이 사슬 사이로 파고들어 층이 부풉니다.
지금까지의 생분해성 코팅막은 기계적 강도가 부족해 접히고 눌리는 자리에서 갈라졌습니다.
사슬을 무엇으로 붙잡는가
같은 종이에, 같은 알지네이트, 같은 물입니다. 바뀌는 것은 사슬을 이온으로 묶었는가 하나뿐입니다.
- 종이 (기재)
- 배리어 코팅층
- 알지네이트 사슬
- 금속 이온 (칼슘 · 마그네슘)
- 물
알지네이트 사슬은 곧게 뻗어 있지만 서로를 붙잡지 않습니다. 층은 사슬이 그냥 겹쳐 쌓인 상태입니다.
사슬이 물을 강하게 끌어당깁니다. 물은 사슬 사이 빈자리를 따라 종이까지 내려갑니다.
물을 머금은 층은 두께가 고르지 않게 됩니다. 배리어로 쓰기 어려운 상태입니다.
칼슘 또는 마그네슘 이온을 분사하면 이온이 사슬 사이에 자리 잡아 두 줄을 한 쌍으로 묶습니다. 사슬은 더 이상 따로 놀지 않습니다.
묶인 만큼 사슬 사이 간격이 좁아집니다. 물은 표면에 맺힙니다. 완전히 막는다는 뜻은 아닙니다 — 오른쪽 끝처럼 얕게 배어드는 줄기는 남습니다.
코팅과 가교를 2~3회 되풀이해 층을 쌓습니다. 한 번에 두껍게 바르는 대신 얇게 여러 겹으로 올립니다.
어떤 공정으로 만드나
알지네이트 수용액에 필요한 성분을 섞어 코팅액을 만들고, 얇게 편 뒤, 이온을 뿌려 굳힙니다. 열로 태우거나 유기용제를 쓰지 않습니다.
알지네이트 수용액에 점증제 · 식물성 산화방지제 · 가소제 · 촉매를 섞어 상온에서 먼저 풀고, 이어서 가열하며 젓습니다.
종이 위에 수십 마이크로미터 두께로 고르게 폅니다. 점증제가 점도를 잡아 두께가 흔들리지 않게 합니다.
칼슘 또는 마그네슘 이온 용액을 분사하고 열풍으로 말립니다. 이 과정을 2~3회 되풀이해 겹을 쌓습니다.
S3를 확대하면 — 이온이 사슬을 묶는 순간
가교는 사슬을 화학적으로 새로 만드는 것이 아닙니다. 이미 있는 사슬 두 줄 사이에 이온이 들어가 양쪽을 동시에 붙잡는 것입니다.
물속에서 알지네이트 사슬은 서로를 붙잡지 못하고 떨어져 있습니다.
분사된 금속 이온이 두 사슬 사이 자리로 파고듭니다.
이온 하나가 위아래 사슬을 함께 잡아 간격이 좁아집니다. 층 전체가 하나로 묶입니다.
설계 목표
- 물
이온 가교로 사슬 사이 간격을 좁혀, 물에 대한 접촉각을 끌어올리는 것이 설계 방향입니다.
- 배리어
얇은 겹을 2~3회 쌓아 수분이 지나가는 길을 줄입니다.
- 막
가소제로 유연성을 남겨, 접히고 눌리는 자리에서 갈라지지 않도록 잡았습니다.
- 보존
식물성 산화방지제를 넣어 보관 · 유통 중 산화를 늦춥니다.
- 분해
토양의 효소와 미생물에 의한 퇴비화로 분해되는 것을 전제로 설계했습니다.
- 대체
종이 식품 패키지 안쪽의 폴리에틸렌 코팅을 대신하는 것이 목표입니다.
인쇄면 위에 덮는 코팅
OPV(오버프린트 바니시)에 씁니다. 인쇄물과 포장재의 표면을 덮어 보호 · 질감 · 광택을 담당하는 자리입니다. 오셔너블은 이 자리를 석유계 수지 대신 천연 수지로 채웁니다.
어떤 천연 수지를 쓰는지, 어떻게 개질하는지는 공개하지 않습니다. 적용 분야와 제품명만 밝힙니다.
기술 자료가 필요하시면 협업 문의로 연락 주십시오. 비밀유지계약 후 별도로 안내드립니다.