PET 소다병: 역사, 생산, 재활용의 모든 것

배경

어디서나 볼 수 있는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 소다병은 음료 포장 시장을 지배하는 경량 고강도 플라스틱입니다. PET은 전체 포장의 6.4%, 전체 플라스틱 용기의 14%를 차지합니다. 가장 흔한 청량음료 병으로 매출의 43%를 점유하며, 알루미늄 34%, 유리는 이제 소수 점유율에 그칩니다.

플라스틱은 1800년대 천연 고분자와 초기 합성 변형에서 나왔습니다. 초기 플라스틱은 인화성과 취성이 문제였습니다. 폴리에스터(PET 계열)는 1833년 액체 바니시용으로 처음 만들어졌고, 나중에야 오늘날 쓰는 견고하고 다용도인 고분자로 진화했습니다.

순수 합성 플라스틱은 1900년대 초 등장했으나 광범위한 상업적 이용은 늦어졌습니다. PET은 1941년 처음 합성됐고, 1970년대 초반에야 현대 소다병이 실현됐습니다. 듀폰의 너새니얼 C. 와이어스가 불어성형(블로 몰딩) 기술을 완성해 강하고 가벼운 병을 만들었습니다.

와이어스의 돌파구는 1973년 신연신 블로 몰딩(stretch blow molding) 발명이었습니다. 이는 벽 두께 불균일, 불규칙한 목부, 트리밍 어려움 등 기존 문제를 해결했습니다. 그 결과 유연하고 내구성 있는 병을 대량 생산할 수 있게 됐습니다.

1991년 미국 PET 병 생산량은 80억 개를 넘었습니다. 물량 증가로 폐기 문제가 대두됐으나, 제조사들이 재활용 PET의 새 용도를 모색하며 재활용률이 상승 중입니다.

원자재

PET은 반복되는 유기 분자 사슬로 된 고분자로, 궁극적으로 석유에서 나옵니다. 테레프탈산(C₈H₆O₄)과 에틸렌 글리콜(C₂H₆O₂) 반응으로 생성됩니다.

테레프탈산은 공기나 질산으로 파라자일렌(C₈H₁₀)을 산화해 만듭니다. 파라자일렌은 콜타르나 석유에서 분별 증류로 얻습니다.

제조 시 PET을 먼저 중합해 긴 분자 사슬을 만듭니다. 이어 신연신 블로 몰딩으로 가열된 파리슨(긴 튜브)을 금형에 넣고 압축 공기로 금형 벽에 밀착시켜 오목한 바닥을 가진 병 형태로 성형합니다.

에틸렌 글리콜은 에틸렌(C₂H₄)에서 에틸렌 옥사이드(C₂H₄O)를 거쳐 만듭니다. 에틸렌은 에탄이나 에탄-프로판 혼합물을 가열해 산업적으로 생산합니다.

제조 공정

중합(Polymerization)

• 1. 테레프탈산이 메탄올(CH₃OH)과 반응해 디메틸 테레프탈레이트와 물을 생성합니다.
• 2. 디메틸 테레프탈레이트를 과량 에틸렌 글리콜과 150°C(305°F)에서 에스테르화해 비스-2-하이드록시에틸 테레프탈레이트와 메탄올을 만듭니다.
• 3. 비스-2-하이드록시에틸 테레프탈레이트가 진공 하 275°C(530°F)에서 축합 중합합니다. 공정에서 에틸렌 글리콜이 방출돼 재활용됩니다. 결과 PET을 냉각해 열화 방지 후 후속 사용을 위해 재가열 가능합니다.

병 성형(Bottle-making)

• 4. PET 펠릿을 사출 성형해 얇은 파리슨을 만들고 냉각·절단합니다.
• 5. 파리슨을 재가열해 강철 만드렐이 있는 병 금형에 넣습니다. 가압 공기로 파리슨을 팽창시켜 방사·축 방향으로 늘리며 성형합니다. 고온과 신연으로 고분자 사슬이 정렬돼 강하고 가벼운 병이 됩니다.
• 6. 냉각법(순환수, 액체 CO₂, 가압 습기, 상온 공기)으로 병을 빠르게 굳혀 크립(creep) 방지.
• 7. 병을 배출합니다. 연속 생산 시 병 열을 트리밍·분리하며, 플라스틱 25%까지 회수 재사용합니다.
• 8. 완제품 병을 음료사로 출하합니다. 캡과 라벨은 별도 생산하며, 일부 제조사는 출하 전 현장 라벨 인쇄를 합니다.

품질 관리

중합은 일단 시작되면 중단할 수 없는 복잡한 반응입니다. 부생성물과 불순물이 최종 고분자에 남아 정제 비용이 크고 품질 평가가 어렵습니다. 미세 변동은 루틴 테스트에서 안 보일 수 있습니다.

주요 불순물은 다이에틸렌 글리콜과 아세트알데히드입니다. 다이에틸렌 글리콜 농도는 PET 물성 보존을 위해 엄격 관리합니다. 아세트알데히드는 쓴맛을 낼 수 있어 급속 가열과 최적화된 사출 성형으로 농도를 무시할 수준으로 낮춥니다.

PET 병은 업계 표준에 맞춘 배터리 테스트를 거칩니다. 충격 저항 테스트로 파손 방지 성능 확인. 크립 저항으로 압력 하 형상 유지 검증. 이산화탄소 투과율 테스트로 탄산 가스 유지 확인. 투명도와 광택 측정으로 시각 품질 기대치 충족.

재활용

연간 수십억 PET 병이 버려지며 재활용이 필수입니다. PET 재활용률은 플라스틱 중 가장 높으나, 알루미늄이 재활용 센터에서 더 높은 가격을 받습니다. 현재 회수율은 1~2% 수준이나 개선 중입니다.

재활용 PET(rPET)는 카페트, 콘크리트, 단열재, 자동차 부품에 쓰입니다. 최초 25% rPET 소다병은 1991년 코카콜라와 회스트 셀라니즈가 노스캐롤라이나에서 출시했습니다. 1992년 14개 주가 추가 채택했고, 펩시 등 경쟁사도 따랐습니다.

정부는 PET 재활용률 25~50% 목표, 커브사이드 프로그램 미 인구 절반 확대, 전국 4,000개 커브사이드 이니셔티브 배치를 추진합니다. 1990년 플라스틱 용기 회수 전국 협회 보고 577개 커브사이드 프로그램이었으나 대폭 확대 목표입니다.