일본 와세다 대학(Waseda University)의 연구팀은 항공 우주 및 자동차와 같은 산업에서 강도와 경량 특성으로 높이 평가되는 소재인 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)를 재활용하는 돌파구를 발표했습니다. CFRP는 성능면에서 매우 바람직하지만 주변 수지에서 탄소 섬유를 분리하는 데 드는 어려움과 비용으로 인해 재활용에 상당한 문제가 발생했습니다.
와세다 대학 팀은 직접 고전압 전기 펄스를 사용하는 새로운 접근 방식을 개척했습니다. 직접 방전(DD)으로 알려진 이 방법은 줄 가열, 열 응력 및 플라즈마 팽창 원리를 활용하여 외부 가열이나 화학 용매 없이 복합 재료를 분해합니다.
연구진은 DD 방법을 전기 방전에 의해 물에서 발생하는 충격파를 활용하는 또 다른 유망한 재활용 기술인 전기 유압 단편화(EHF)와 비교했습니다. EHF는 어느 정도 가능성을 보여줬지만, 연구팀은 직접 방전 방식이 더 효과적일 수 있다고 의심했다.
치하루 토코로(Chiharu Tokoro) 교수는 “이전 연구에서 우리는 이미 전기 펄스 현상을 이용하여 물 속의 충격파를 발생시켜 가공이 어려운 물질을 효율적으로 단편화하는 연구 전문성을 확립했다”고 설명했다. “그러나 리튬 이온 배터리와 같은 응용 분야에서는 재료 자체의 줄 가열 및 증기 팽창을 활용하는 직접 방전이 충격파에 의존하는 것보다 고효율 분리에 더 효과적이라는 것을 발견했습니다. 우리는 이제 이 접근법을 CFRP에 적용하여 현재 방법에 비해 더 효율적인 분리를 달성할 수 있다는 가설을 세웠습니다.”
그들의 비교 결과는 놀라웠다. DD 방법은 몇 가지 주요 측면에서 훨씬 우수한 것으로 입증되었습니다. 최소한의 손상으로 더 긴 탄소 섬유를 회수하여 섬유의 원래 인장 강도의 약 81%를 유지했습니다. 회수된 섬유는 또한 최소한의 잔류 수지와 더 적은 결함을 나타냈습니다. 대조적으로, EHF는 초기 인장 강도의 약 40%만 가진 짧은 섬유를 생산하고 섬유에 더 많은 수지가 부착되어 더 큰 구조적 저하를 일으켰습니다.
성능의 차이는 두 방법의 고유한 메커니즘에서 비롯됩니다. DD는 탄소 섬유를 통한 전류의 직접 흐름에 의존하여 국부적인 가열을 생성하고 복합재의 박리를 유발합니다. 반면에 EHF는 주로 충격파의 기계적 힘에 의존하며, 이는 재료를 부수고 더 큰 섬유 단편화로 이어질 수 있습니다.
“우리의 연구 결과는 폐 항공기 부품, 자동차 폐기물 및 풍력 터빈 블레이드에서 CFRP를 재활용하는 것과 관련하여 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. “따라서 현재의 혁신은 효율적인 자원 회수를 가능하게 하고 환경 영향을 줄임으로써 산업 전반에 걸쳐 지속 가능성을 지원합니다.” 이 연구 결과는 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 게재됐다.
