소다병

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배경

오늘날 매우 흔한 소다병은 강하면서도 가벼운 플라스틱인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만들어집니다. PET는 폴리에스터 원단, 케이블 랩, 필름, 변압기 절연체, 발전기 부품, 포장재 등 많은 제품을 만드는 데 사용됩니다. 인기있는 청량 음료 병을 포함하여 모든 포장의 6.4 %와 모든 플라스틱 용기의 14 %를 차지합니다. 판매량의 43%를 차지하는 PET는 가장 널리 사용되는 청량음료 용기입니다. 두 번째로 가까운 알루미늄은 34%인 반면, 병의 100%를 차지했던 유리는 오늘날 판매되는 제품의 작은 비율에 불과합니다.

플라스틱은 1800년대에 분자 사슬이 특징인 천연 물질로 처음 만들어졌습니다. 이러한 물질이 실험실에서 다른 화학 물질과 결합될 때 플라스틱 성질의 제품을 형성했습니다. 혁신적인 발명품으로 환영받는 초기 플라스틱은 가연성 및 취성과 같은 문제가 있었습니다. PET가 속한 플라스틱 그룹인 폴리에스터는 1833년에 처음 개발되었지만, 이들은 나중에 그들이 취한 다용도의 고체 형태와는 거리가 있는 액체 바니시에 주로 사용되었습니다.

초기 플라스틱을 크게 개선한 순수 합성 플라스틱은 1900년대 초에 도착했지만 여전히 적용 범위가 제한적이었습니다. 실험은 계속되었고 향후 수십 년 동안 만들어진 수백 개의 새로운 플라스틱 대부분이 상업적으로 실패했습니다. PET는 1941년에 개발되었지만 플라스틱 소다병이 현실이 된 것은 1970년대 초반이었습니다. 유명한 화가 N.C. Wyeth의 아들이자 Du Pont Corporation의 엔지니어인 Nathaniel C. Wyeth는 많은 실험 끝에 마침내 사용할 수 있는 병을 개발했습니다.

Wyeth의 중요한 발견은 플라스틱 병을 만드는 중공 성형 기술을 개선하는 방법이었습니다. 중공 성형은 약 2,000년 동안 유리 제조 기술에 사용되어 온 고대입니다. 중공 성형으로 플라스틱 병을 만드는 것은 1940년경에 적합한 플라스틱이 개발될 때까지 이루어지지 않았지만 이러한 병의 생산은 균일하지 않은 벽 두께, 불규칙한 병 목, 완제품 다듬기의 어려움으로 인해 제한되었습니다. 1973년 Wyeth의 스트레치 블로우 성형 발명은 이러한 문제를 해결하여 강하고 가벼우며 유연한 병을 생산했습니다.

1991년 미국에서 80억 개 이상의 병이 제조된 PET 소다병의 압도적인 성공으로 인해 폐기 문제가 발생했지만 병의 재활용이 증가하고 제조업체는 재활용 PET를 사용하는 새로운 방법을 찾고 있습니다.

원자재

PET는 고분자량을 가진 반복되는 유기 분자의 사슬로 구성된 물질인 고분자입니다. 대부분의 플라스틱과 마찬가지로 PET는 궁극적으로 석유 탄화수소에서 파생됩니다. 테레프탈산(C ₈ H ₆ 0 <서브> 4 ) 및 에틸렌 글리콜(C ₂ H ₆ 0 <서브> 2 ).

테레프탈산은 파라자일렌(C ₈ H ₁₀ ), 공기 또는 질산만 사용하는 방향족 탄화수소. 파라-자일렌은 분별 증류를 사용하여 석탄 타르와 석유에서 파생되며, 이는 화합물의 다양한 끓는점을 활용하여 공정의 다른 지점에서 "떨어지게" 만듭니다.

플라스틱 소다병 제조에서 플라스틱인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 먼저 중합되어 긴 분자의 끈. 플라스틱이 준비되면 스트레치 블로우 성형을 거칩니다. 이 과정에서 PET의 긴 튜브(parison)를 금형에 넣고 그 안에 강철 막대(mandrel)를 삽입합니다. 다음으로 높은 압력의 공기가 맨드릴을 통과하여 패리슨을 금형 벽에 밀어 넣습니다. 별도의 바닥 조각이 금형에 삽입되어 병이 평평한 표면에 설 수 있도록 모양을 만듭니다.

에틸렌 글리콜은 에틸렌(C ₂ H ₄ ) 에틸렌 옥사이드를 통해 간접적으로 (C ₂ H ₄ 0) 부동액에서도 발견되는 물질입니다. 에틸렌은 석유 및 천연 가스에 존재하는 기체 탄화수소이지만 일반적으로 에탄 또는 에탄-프로판 혼합물을 가열하여 산업적으로 파생됩니다.

제조
프로세스

중합

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1 병을 만들기 전에 PET 자체를 제조하거나 중합해야 합니다. 중합에서는 더 작은 분자가 결합되어 더 큰 물질을 형성합니다. PET를 만들기 위해 먼저 테레프탈산을 메탄올(CH ₃ 오). 이 반응은 디메틸 테레프탈레이트와 물을 생성합니다. 다음으로, 디메틸 테레프탈레이트는 화씨 305도(섭씨 150도)에서 과량의 에틸렌 글리콜과 결합되어 다른 물질인 비스 2-하이드록시에틸 테레프탈레이트 및 메탄올을 생성합니다.

2 중합의 마지막 단계는 비스 2-하이드록시에틸 테레프탈레이트의 축중합이다. 이 과정에서 다른 분자가 방출되거나 "떨어지는" 동안 중합체가 형성됩니다. 비스 2-하이드록시에틸 테레프탈레이트의 축중합은 화씨 530도(섭씨 275도)의 진공에서 수행되어 PET와 에틸렌 글리콜의 사슬이 생성됩니다(위의 단계 #1 참조). 후자의 물질은 중합 중에 지속적으로 제거되어 더 많은 PET를 만드는 데 사용됩니다. PET 혼합물이 필요한 점도(두께)에 도달한 후 분해 및 변색을 방지하기 위해 냉각됩니다. 나중에 다양한 용도로 재가열할 수 있습니다.

병 만들기

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3개의 PET 음료병은 스트레치 블로우 성형 이라는 공정을 통해 만들어집니다. ( 배향 블로우 성형이라고도 함). 먼저 PET 펠릿을 가열하여 금형에 넣어 패리슨이라고 하는 얇은 벽의 플라스틱 튜브로 사출 성형합니다. 그런 다음 패리슨을 냉각시키고 적절한 길이로 자릅니다.

4 다음으로, 패리슨 튜브를 재가열하고 스크류 탑이 있는 소다병 모양의 다른 틀에 넣습니다. 강철 막대(맨드릴)를 패리슨에 밀어 넣습니다. 고압의 공기가 맨드릴을 통과하여 패리슨을 채우고 금형의 내부 벽을 누르게 됩니다. 공기의 압력은 플라스틱을 반경 방향("밖으로")과 축 방향("아래로")으로 늘립니다. 고온과 원하는 방향으로의 스트레칭의 조합은 분자를 극성화하고 정렬하고 본질적으로 결정화하여 우수한 강도의 병을 생성합니다. 전체 절차를 신속하게 진행해야 하며 플라스틱을 벽에 단단히 눌러야 하며 그렇지 않으면 병이 기형으로 나옵니다. 병 바닥에 올바른 오목한 모양을 제공하여 똑바로 설 수 있도록 하기 위해 별도의 바닥 부분이 블로잉 과정에서 금형에 부착됩니다.

5 그런 다음 금형을 냉각해야 합니다. 다양한 냉각 방법이 사용됩니다. 파이프의 물이 금형 주위로 흐르거나 액체 이산화탄소, 고압의 습한 공기 또는 실내 공기를 병에 주입하여 보다 직접적으로 냉각할 수 있습니다. 크리프(유동)가 발생하기 전에 병을 설정하려면 절차를 신속하게 수행하는 것이 좋습니다.

6 그런 다음 병을 틀에서 꺼냅니다. 대량 생산에서 작은 병은 분리되고 다듬어진 부착된 병의 문자열에서 연속적으로 형성됩니다. 다른 트리밍은 플라스틱이 몰드의 균열을 통해 누출된 곳이면 어디든 수행해야 합니다(예:팬케이크 반죽이 와플 메이커에서 짜낼 때 하는 방식). 플라스틱의 10~25%가 이런 식으로 손실되지만 재사용할 수 있습니다.

7 일부 청량음료 생산자는 병을 직접 만들지만 일반적으로 완성된 병은 전문 제조업체에서 트럭으로 청량음료 회사로 보내집니다. 플라스틱은 가볍기 때문에 운송 비용이 저렴합니다. 뚜껑, 라벨 등의 액세서리는 별도로 제작됩니다. 때때로 플라스틱 병 제조업체는 청량 음료 회사에서 제공한 레이블을 병에 붙이기 전에 병에 붙입니다.

품질 관리

중합은 조건이 설정되고 공정이 시작되면 조절하기 어려운 섬세한 반응입니다. 반응 중에 생성된 모든 분자(일부는 부작용 및 불순물일 수 있음)는 완제품에 남아 있습니다. 일단 반응이 진행되면 중간에서 멈추고 불순물을 제거하는 것이 불가능하며, 반응이 완료된 후 원치 않는 생성물을 제거하는 것도 어렵고 비용이 많이 듭니다. 폴리머를 정제하는 것은 비용이 많이 드는 과정이며 품질을 결정하기 어렵습니다. 중합 공정의 변화는 일상적인 제어 테스트에서 감지할 수 없는 변화를 만들 수 있습니다.

테레프탈산과 에틸렌 글리콜의 중합은 디에틸렌 글리콜과 아세트알데히드의 두 가지 불순물을 생성할 수 있습니다. 디에틸렌 글리콜의 양은 최소한으로 유지되어 PET의 최종 특성에 영향을 미치지 않습니다. 중합과정과 병 생산과정에서 생성되는 아세트알데히드는 다량으로 발생하면 청량음료에 이상한 맛을 줄 수 있다. 폴리머를 짧은 시간 동안 열에 노출시키는 최적의 사출 성형 기술을 사용하면 매우 낮은 농도의 아세트알데히드가 나타나며 음료의 맛에는 영향을 미치지 않습니다.

테스트는 음료병에 적합하도록 만드는 PET의 특정 특성에 대해 수행됩니다. 수년 동안 플라스틱에 대한 수많은 표준과 테스트가 개발되었습니다. 예를 들어 PET는 정상적인 조건에서 깨지지 않아야 하므로 병은 특정 높이에서 떨어뜨리고 지정된 힘으로 두드리는 충격 저항 테스트를 거칩니다. 또한 병은 쌓이는 동안 모양을 유지하고 압력에 저항해야 하므로 크리프에 대한 저항은 압력 하에서의 변형 테스트를 통해 측정됩니다. 또한 청량 음료에는 이산화탄소가 포함되어 있습니다. 그것이 그들에게 거품을 주는 것입니다. 이산화탄소가 병의 플라스틱 벽을 통해 빠져나갈 수 있었다면, 구입한 대부분의 음료는 이미 버려졌을 것입니다. 따라서 이산화탄소에 대한 병의 투과성을 테스트합니다. 투명도와 광택도 테스트됩니다. 모든 테스트는 크기, 모양 및 기타 요소의 일관성을 목표로 합니다.

재활용

매년 생산되는 수십억 개의 페트병 중 상당수가 버려지며 심각한 환경 문제를 일으키고 있습니다. 주로 재활용 분야에서 폐기물 흐름을 막기 위한 조치가 이미 취해졌습니다. 알루미늄만이 재활용 센터에서 PET보다 가격이 더 높기 때문에 1~2%의 회수율로 PET가 가장 광범위하게 재활용된 플라스틱입니다. 재활용 PET 병으로 만든 제품에는 카펫, 콘크리트, 등이 있습니다. 단열재 및 자동차 부속. 그러나 1991년이 되어서야 재활용 PET를 사용한 최초의 PET 소다병이 등장했습니다. 25% 재활용 PET로 구성된 이 병은 노스캐롤라이나에서 사용하기 위해 Coca-Cola와 Hoechst Celanese Corporation에 의해 도입되었습니다. 1992년까지 이 병은 14개 다른 주에서 사용되고 있었고 다른 제조업체(예:Constar International Inc.와 협력하여 Pepsi)도 비슷한 병을 생산했습니다.

PET는 다른 플라스틱에 비해 재활용률이 높지만, 많은 기업과 관계자들이 이를 더 높이길 원하고 있다. 현재 계획은 PET 소각이 제대로 이루어지면 완전 연소 생성물이 단지 이산화탄소와 물이라고 주장하는 PET 소각을 조사하는 것입니다. 주 및 연방 정부의 현재 목표는 PET의 25~50%를 재활용하고, PET 재활용을 미국 인구의 절반에게 제공하고, 가까운 장래에 4000개의 도로변 재활용 프로그램을 구현하는 것입니다. 1990년에 전국 플라스틱 용기 회수 협회(National Association for Plastic Container Recovery)에 따르면 PET에 대한 도로변 프로그램은 577개였습니다.