KR102648713B1 - 플라스틱의 해중합 방법 - Google Patents

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김정곤
이효원
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일실시예는 플라스틱-알코올 반응혼합물에 기계에너지를 인가해 해중합반응시켜 생성물을 얻는 방법 및 이에 의해 해중합된 생성물을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해중합 반응은 용해를 위한 용매나 별도의 촉매 또는 활성화제의 첨가 없이도 플라스틱을 해중합할 수 있어 실용적이고 지속가능한 플라스틱 재활용 프로세스를 제공한다.

Description

플라스틱의 해중합 방법 {METHODS FOR PLASTIC DEPOLYMERIZATION}
본 발명은 플라스틱을 포함하는 공급원료를 분해하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계에너지를 이용하여 플라스틱을 해중합하는 방법에 관한 것이다.
플라스틱은 저렴하고, 생산이 용이하며, 내구성이 뛰어난 특성 때문에 광범위한 분야에서 사용되며 지난 수십년간 그 사용이 급격하게 증가하였다. 그 결과 발생하는 플라스틱 폐기물이 심각한 환경 문제가 되어 그 해결을 위한 다양한 방안을 찾고 있다.
플라스틱 폐기물의 재활용은 기계 재활용, 화학 재활용, 에너지 회수 연소를 포함하는데, 화학 재활용은 플라스틱 폐기물에 화학 공정을 수행, 해중합하여 단량체로 변환해 재중합 하거나, 부가가치가 높은 화학물질로 전환하는 방식으로 플라스틱의 이점은 유지하면서 환경을 보존할 수 있는 특징이 있다. 이에 따라 플라스틱의 화학적 분해에 대한 많은 투자와 연구가 이루어져 왔다.
대표적인 플라스틱의 예시로 폴리(비스페놀-A카보네이트)(BPA-PC), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET) 및 폴리젖산(PLA) 등의 카보네이트 및 에스테르 중합체를 들 수 있다.
BPA-PC 폐기물은 환경호르몬인 비스페놀 A의 유출이 문제될 수 있고, PET는 효율적인 기계적 재활용 방법들이 개발되었지만, 배출되는 PET의 양을 모두 감당할 수는 없다. PLA는 대표적인 바이오 기반 친환경 플라스틱임에도 불구하고 자연에서의 분해속도가 느리기에 지속적으로 미세 플라스틱과 같은 문제를 일으킨다.
이들 재료들이 지속 가능한 플라스틱이 되기 위해서는 실용적이고 완전한 순환이 가능한 화학 재활용 공정이 필요하며, 그리하여 에스테르와 카보네이트 작용단에 효율적인 화학 반응을 통하여 단량체 또는 부가가치가 높은 화학 제품으로 변환하는 기술이 미래 플라스틱 산업을 이끌 것이다.
에스테르와 카보네이트 플라스틱 분해 반응에는 알코올 및 아민에 기반하는 에스테르 치환 반응, 아미드화 반응을 널리 사용한다. 이를 구현하는데 있어서 종래에는 용매를 이용한 균질 조건(homogeneous) 및 활성화 시약(촉매 등)이 필요하였다. 이는 공정 구성을 복잡하게 하며, 그에 따라 상당한 추가 비용이 발생한다. PET의 경우에는 일반 용매에 대한 용해도가 매우 낮아 에너지 소모가 높은 고온의 공정을 사용하는 경우가 많았다.
대한민국 공개특허공보 10-2023-0006233
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하는 방법으로 용해를 위한 용매 및 활성화 촉매가 필요하지 않은 기계에너지 투입 화학 공정, 기계 화학법을 고안하였다. 이는 반응을 촉진하는 화합물 혹은 다량의 용매를 사용하지 않는 환경 하에서 효과적인 플라스틱의 해중합을 가능케하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 플라스틱 해중합방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라스틱 해중합방법은 플라스틱을 포함하는 공급원료를 알코올과 혼합하여 반응혼합물을 얻는 단계; 및 상기 반응혼합물에 기계에너지를 인가하여 해중합반응시켜 생성물을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 플라스틱을 포함하는 공급원료는 폴리에스터 또는 폴리카보네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 해중합방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 반응혼합물에 기계에너지를 인가하여 해중합반응시켜 생성물을 얻는 단계에서, 볼밀링법을 통해 기계에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 해중합방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 해중합반응은 별도의 촉매 또는 활성화제의 첨가 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 해중합방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상술한 플라스틱 해중합방법에 따라 해중합된 생성물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 볼밀링법 등 기계화학법을 이용한 해중합을 통해 종래의 해중합에 비해 용해도의 문제가 없어 종래 연구에서 요구되던 고온의 상태는 물론 용매 또는 촉매가 필요하지 않기에 용이하고 친환경적이며, 반응이 완료되는 시점에서 가장 단순한 조합의 생성물이 나와 분리 정제를 간단하게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱의 해중합 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱을 기계화학적 방법으로 해중합한 생성물을 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BPA-PC의 해중합반응을 나타낸 화학반응 개념도이다.
도 4는 본 발명의 상기 제조예 및 비교예를 통해 진행된 BPA-PC 볼밀링 해중합 반응의 전환율 및 생성물의 양을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 제조예를 통해 진행된 해중합 정도에 따른 반응물 및 생성물의 H1-NMR 데이터를 나타낸 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BPA-PC의 형상을 달리한 볼밀링 해중합 반응의 전환율을 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLA 및 PET의 볼밀링 해중합 반응의 전환율을 나타낸 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 해중합방법을 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱의 해중합 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 해중합방법은, 플라스틱을 포함하는 공급원료를 알코올과 혼합하여 반응혼합물을 얻는 단계(S100)와, 상기 반응혼합물에 기계에너지를 인가하여 해중합반응시켜 생성물을 얻는 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
처음에, 플라스틱을 포함하는 공급원료를 알코올과 혼합하여 반응혼합물을 얻을 수 있다(S100).
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱을 기계화학적 방법으로 해중합한 생성물을 나타낸 이미지이다.
상기 플라스틱에는 폴리에스터 또는 폴리카보네이트, 더욱 구체적으로는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리락트산(PLA), 폴리비스페놀-A카보네이트(BPA-PC)가 포함될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 에스테르 교환 반응이 일어날 수 있는 다른 플라스틱 물질도 포함될 수 있다.
이때, 플라스틱을 포함하는 공급원료를 알코올과 혼합하여 반응혼합물을 얻는 단계에서, 플라스틱을 포함하는 공급원료의 형태는 한정되지 아니하나, 해중합의 촉진을 위해 가루(분말)형태의 플라스틱을 제공하는 것이 효율적일 수 있다.
이때, 상기 알코올은 메탄올일 수 있다.
상기 반응혼합물에 기계에너지를 인가하여 해중합반응시켜 생성물을 얻을 수 있다(S200).
상기 기계에너지에는 충돌, 전단 및 연삭과 같은 물리적 프로세스를 화학반응에 이용하는 것이 포함된다.
이 경우, 폴리머 체인에 대한 기계적 힘은 PC 해중합 공정에 도움이 될 수 있는 체인 조각화(Chain fragment)를 초래할 수 있다.
이때 상기 기계에너지를 인가하는 수단으로 볼밀링법(Ball milling)이 제안될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 아니하고, 화학적 해중합 반응을 초래할 수 있는 정도의 기계에너지를 가할 수 있는 모든 수단이 포함될 수 있다.
이때의 볼밀링법은 일반적으로 금속 구슬이 들어간 용기안에 공급 원료를 넣고 용기를 회전시키는 방식 또는 이와 유사한 방식으로 통용된다.
상기 해중합반응은 별도의 촉매 또는 활성화제의 첨가 없이 수행될 수 있다.
이때, 촉매 또는 활성화제란, 종래 PET의 해중합을 위해 제시되어 왔던 Humicola insolens(HiC) 및 Thermobita fusca(TfH) 등의 가수분해 효소, Ideonella sakaiensis(Is) 박테리아 혹은 이들을 이용한 PETase 효소 등을 의미할 수 있다.
이때, 상기 해중합반응은 종래 플라스틱의 해중합 반응에서 요구되어왔던 고온 조건이나 강산, 강염기 조건이 요구되지 아니한다. 다만 효과적인 해중합 반응을 위해 이들 요소를 조절할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 플라스틱 해중합 방법에 따라 해중합된 생성물을 제공한다.
이때, 상기 해중합된 생성물은 공급된 플라스틱의 종류에 따라 비스페놀 A(BPA), 디메틸 카보네이트(DMC), 디메틸 테레프탈레이트(DMT) 및 메틸락테이트(methyl lactate) 등을 포함할 수 있다.
기존의 연구는 알코올을 사용한 플라스틱의 화학적 재활용에 용매를 이용한 균질(homogeneous)조건과 활성화 시약 (촉매 등)을 요구했으나 이는 복잡한 프로세스 및 상당한 비용이 요구된다. 또한 PET 등은 일반적인 용매에 대한 용해도가 낮기 때문에 균질조건에 문제가 있을 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱의 해중합 방법은, 기계화학적 방식, 예컨대 볼밀링법을 이용하여 효율적인 혼합 및 에너지 전달을 촉진해 다량의 용매를 요구하지 않는 점, 촉매가 필요하지 않은 점, 고온 및 강산 혹은 강염기 조건을 요구하지 않는 점 등에서 기존 연구와 차별화되는 실용적이고 지속가능한 플라스틱 재활용 방법을 제시한다.
또한 기존의 플라스틱 해중합 기술은 무촉매 환경 하에서 이루어지는 경우가 드물었고, 해중합 반응이 일어나더라도 생성물은 시장에서 필요로 하지 않는 diol products인 문제가 있었다. 그러나 본 발명은 최소한의 화합물만을 투입한 기계화학 방식의 해중합 반응으로, 생성물이 매우 간단한 플라스틱 모노머(monomer) 혼합물이라는 특징이 있다. 이러한 생성물은 시장에서 수요가 높으며 BPA-PC 및 PET의 재생산 또는 기타 응용 분야에서 사용될 수 있어 친환경적이다.
이하에서는 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
[실험예1]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BPA-PC의 해중합 반응을 나타낸 화학반응 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 해중합에 볼밀링법을 통해 인가된 기계에너지의 효과를 알아보기 위하여, 다양한 조건 하에서 BPA-PC를 해중합하였다.
도 4는 다양한 조건 하에서 진행된 BPA-PC 볼밀링 해중합 반응의 전화율 및 생성물의 양을 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 4를 참조해 상기 플라스틱 해중합 방법에서 볼밀링법을 통해 인가된 기계에너지의 효과를 설명한다.
비교예 1: 볼밀링하지 않은 BPA-PC 분말의 해중합
수평균분자량(Mn)이 16.4kg/mol이고 분산도(Ð)가 2.15인 상업용 BPA-PC 분말을 70mmol의 메탄올(MeOH)과 반응시켰으나 이는 100℃에서도 불용성이었으며, 해중합을 촉진하지 못했다. 수평균분자량은 14.3kg/mol로 약간 감소하였다. 메탄올 처리 후 처음의 BPA-PC와 유사한 단봉 분산도를 유지했고, (2.04) Oligomer 또는 Monomer는 검출되지 않았다.
제조예 1: 12ML용기 내에서 볼밀링 처리한 BPA-PC분말의 해중합
동일한 혼합물에 기계화학적 조건을 추가로 적용했다. BPA-PC(분말, 1mmol) 및 메탄올(MeOH 70mmol)의 불균일 혼합물을 12mL Stainless Steel(SS) 용기에 50개의 SS 볼(직경 5mm)과 함께 600rpm으로 유성형 볼밀링을 하였다. 6시간 후 정량적인 해중합이 발생하였다. (97%)
제조예 2: 25ML용기 내에서 볼밀링 처리한 BPA-PC분말의 해중합
상기와 같이 기계화학적 조건을 적용한 구성을 25mL 용기에서 해중합한 결과 BPA-PC분말이 BPA 및 DMC로 완전히 전환되었다.
비교예 1 및 제조예 1내지2를 참고하면, 비교예 1은 해중합을 촉진하지 못하였다. 이로서 해중합 메커니즘으로서의 비촉매 용액상 메탄올 분해는 배제되었다.
반면 유성형 볼밀링법을 적용한 결과 정량적인 해중합이 발생하였으며, 12mL 용기에서 진행한 반응은 97%의 BPA-PC가 해중합 되었고 이때 BPA로는 78%가 전환되었다. 한편 25mL 용기에서 진행한 반응은 99%의 BPA-PC가 BPA로 완전히 해중합되었다. (99%) 이는 증가된 부피로 인해 추가적인 볼의 이동 및 혼합이 촉진되었기 때문일 수 있다.
제조예 3
메탄올의 양을 30mmol로 줄이면 BPA와 DMC가 정량생산되어 해중합 효율이 유지되었다.
제조예 4
반면 메탄올의 양을 30 mmol미만으로 추가적으로 감소시키면 (10mmol) 반응성이 줄어들었다.
구분 MeOH
(mmol)
Conversion(%) BPA(%) BPAMC(%) BPADC(%) Comments
비교예1 70 0 비촉매 용액상 에탄올 분해
제조예1 70 97 78 18 1 12mL 용기
제조예2 70 99 99
제조예3 30 99 99
제조예4 10 55 14 10 31
[실험예2]
도 5는 본 발명의 상기 제조예2를 통해 진행된 해중합 정도에 따른 반응물 및 생성물의 H-NMR 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 한 시간 후 BPA-PC 및 메탄올 혼합물(1hr-Heterogeneous)은 불균질하게 유지되었다. NMR 스펙트럼은 중합체 BPA-PC(노란색 영역), 단량체 BPAMC (파란색 영역) 및 BPA (녹색 영역)을 포함한다.
한편, 세 시간 후 중합체 BPA-PC가 없는 균질한 혼합물(3hr-Homogeneous)이 형성되었다. 반응은 균질하게 계속되었고, 다섯 시간 후에는 BPA만 검출되었다(5hr).
이 경우 DMC는 끓는점이 90℃이기 때문에 후공정 과정에서 증발하였다. DMC의 존재는 NMR 분광법을 통한 별도의 측정을 통해 확인되었다.
[실험예3]
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BPA-PC의 형상을 달리한 볼밀링 해중합 반응의 전환율을 나타낸 이미지이다.
도 6를 참조하면, BPA-PC(5g, 20mmol)를 500개의 볼(직경5mm)이 들어있는 125mL SS병에서 DMC(3.4mL, 40mmol)로 처리한 후 분쇄된 BPA-PC를 메탄올 (24mL, 600mmol)와 혼합했다. 600rpm에서 6시간동안 볼밀링한 결과 BPA 및 DMC로 해중합되었다.
한편, 폐 폴리카보네이트의 화학적 재활용 입증을 위해 콤팩트 디스크(CD, Mn = 16.4kg/mol, Ð = 2.15)와 보안경 (Mn = 21.1kg/mol, Ð = 2.55)를 사용했다. 여기에는 해중합 과정을 방해할 수 있는 물질인 UV 안정제 및 이형제와 같은 첨가제가 포함되어있다.
동일한 기계화학적 공정을 진행한 결과, 폴리카보네이트는 BPA로 완전 분해가 되었다. 이후 정제 과정을 거치어서, CD는 3.6g, 보안경에서 4.1g BPA를 얻었다. BPA 및 DMC로의 완전한 전환은 기계화학적 공정에 대한 가능성을 보여준다.
Planetary Milling By 500 SS Balls (5mm), 125mL SS, DMC(3.4mL,40mmol)
이후 MeOH(24mL,600mmol) Ball Milling (600rpm, 6hour)
구분 BPA Isolation yield (%)
Pellet (5.0g, 20mmol) 3.9g 85%
Lab Safety Goggles (Mn = 21.1kg/mol, Ð = 2.55) 4.1g 90%
Compact Disc (Mn = 16.4kg/mol, Ð = 2.15) 3.6g 80%
[실험예 4]
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLA 및 PET의 볼밀링 해중합 반응의 전화율을 나타낸 이미지이다.
음료 용기에서 얻은 PET와 PLA를 잘게 잘라 메탄올이 들어있는 볼밀링 용기에 넣었다.
청크 형태의 PLA(2.2g, 30mmol)와 메탄올(20equiv)을 볼밀링(SS125mL, 600rpm, 6h, SS Balls 300ea 5mm) 처리하여 정량적인 메탄올 분해 해중합 반응을 보였다. (3.1g Methyl lactate, 98% 정제 수율)
PET(2.8g, 15mmol)는 가루 형태로 얻기 위해 취성 및 연성(brittle and ductile) 전이온도 (-40℃) 이하에서 짧게(6분간) 밀링되었다. 이렇게 얻어진 PET 가루에 메탄올(70equiv)과 볼밀링(SS125mL, 650rpm, 6h, SS Balls 300ea 5mm) 해중합 공정 결과 메탄올, DMT 및 에틸렌 글리콜의 혼합물이 생성되었다. 정제 과정을 거쳐 DMT 2.4g을 얻었다.
구분 생성물 Isolation yield (%)
PLA (2.2g, 30mmol)
MeOH(20equiv), Planetary Milling SS125mL 600rpm, 6h, SS Balls 250ea (5mm)
3.1g Methyl Lactate 98%
PET (2.8g, 15mmol)
At -40℃ 6 minutes Milling,
MeOH(70equiv), Planetary Milling SS125mL 650rpm, 6h, SS Balls 300ea (5mm)
2.4g Dimethyl Terephthalate 82%
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 플라스틱을 포함하는 공급원료를 알코올과 혼합하여 반응혼합물을 얻는 단계; 및
    상기 반응혼합물에 볼밀링법을 통해 기계에너지를 인가하여 해중합반응시켜 생성물을 얻는 단계를 포함하고,
    상기 해중합반응은 별도의 촉매 또는 활성화제의 첨가 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 해중합방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라스틱을 포함하는 공급원료가 폴리에스터 또는 폴리카보네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 해중합방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
KR1020230103879A 2023-04-20 2023-08-09 플라스틱의 해중합 방법 KR102648713B1 (ko)

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KR20230051959 2023-04-20

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230006233A (ko) 2021-07-02 2023-01-10 (주) 시온텍 폴리에스테르계 고분자 폐기물의 화학적 재활용 방법.
KR20230039099A (ko) * 2021-09-13 2023-03-21 주식회사 엘지화학 재활용 플라스틱 합성용 단량체 조성물, 이의 제조방법, 그리고 이를 이용한 재활용 플라스틱, 및 성형품
US20230107759A1 (en) * 2020-02-20 2023-04-06 Georgia Tech Research Corporation Mechanocatalytic Depolymerization of Plastics

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