PET 재료의 완벽한 분석

슈퍼마켓 선반에서 생수병을 집어 들 때, 이 가볍고 투명한 병 뒤에 숨겨진 재료 과학 혁신을 깨닫지 못할 수도 있습니다. 현대 산업에서 가장 중요한 고분자 재료 중 하나인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 조용히 인간 생활의 모든 측면에 스며들었습니다.

음식을 감싸는 투명 필름부터 전자 부품을 보호하는 절연층, 섬유 섬유부터 자동차 부품까지, 이 다재다능한 재료는 놀라운 속도로 우리의 물질 세계를 변화시키고 있습니다. 연간 전 세계 생산 능력이 1억 1천만 톤을 초과하는 PET는 포장 산업의 주요 동력일 뿐만 아니라 첨단 분야의 필수적인 기초 재료이기도 합니다.

PET 재료 기본 정보

폴리에틸렌 테레프탈레이트의 화학명인 PET는 테레프탈산과 에틸렌 글리콜로 구성되어 에스테르화 및 중축합 반응을 통해 규칙적인 선형 고분자 사슬을 형성합니다. 이 고도로 대칭적인 분자 구조는 우수한 결정화를 부여하여 적절한 가공 조건에서 조밀한 결정 영역을 형성할 수 있게 하여 뛰어난 물리적 특성을 얻을 수 있습니다. 산업용 PET 생산은 주로 두 가지 공정을 통해 이루어집니다. 디메틸 테레프탈레이트와 에틸렌 글리콜의 에스테르 교환 반응과 정제된 테레프탈산과 에틸렌 글리콜의 직접 에스테르화 반응입니다. 두 가지 모두 분자량이 20,000~30,000 g/mol인 고분자를 생산하기 위해 여러 중축합 단계를 거쳐야 합니다.

PET는 유백색 또는 옅은 노란색의 고결정성 고분자로 매끄러운 표면과 유리와 같은 광택을 띕니다. 변형 방법 및 용도에 따라 PET 재료는 세 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다.

• APET: 무정형, 투명 재료로 주로 식품 포장 용기에 사용
• RPET: 재활용 PET로 재활용 시스템을 통해 가공되어 뛰어난 환경 친화성을 제공
• PETG: PET는 사이클로헥산디메탄올 공중합체를 통합하여 가공 투명성과 인성을 향상시킴

PET 수지는 세계에서 가장 널리 사용되는 엔지니어링 플라스틱 중 하나가 되었습니다. 그 용도는 초기 합성 섬유 응용 분야에서 포장, 전자, 운송 및 기타 주요 부문으로 확장되었습니다. 전 세계 생산 능력은 2025년까지 1억 1천만 톤을 초과할 것으로 예상됩니다.

PET 재료의 핵심 특성

PET가 업계에서 인기를 얻는 이유는 뛰어난 특성의 균형 잡힌 조합 때문입니다. 물리적 및 기계적 특성 측면에서 PET는 높은 강성, 높은 경도 및 뛰어난 치수 안정성을 나타냅니다. 굴곡 강도는 148-310 MPa에 달할 수 있으며, 로크웰 경도는 M90-95에 달하여 열가소성 수지 중에서 가장 높은 인성을 보여줍니다.

(1) 물리적 특성

표 1: PET의 주요 물리적 특성

(2) 열적 특성

PET는 최대 120°C의 온도에서 장기간 사용할 수 있습니다. 강화된 버전은 변형 없이 250°C 솔더 배스에 10초 동안 담글 수도 있습니다. 이러한 내열성은 전자 솔더링 분야에서 대체할 수 없는 이점을 제공합니다. 전기 절연 특성 또한 우수하여 고온 및 고주파 환경에서도 안정성을 유지합니다. 그러나 코로나 저항은 비교적 제한적입니다.

화학적 안정성

PET는 우수한 내후성 및 내화학성을 나타내며 약산 및 유기 용제에 대한 내성이 우수합니다. 그러나 강염에 의해 부식되기 쉽고, 뜨거운 물에 장기간 담그면 성능 저하를 초래할 수 있습니다.

PET 필름 – 이축 배향 폴리에스터 필름

PET의 많은 형태 중에서 이축 배향 폴리에스터 필름은 특별한 위치를 차지합니다. 정밀한 연신 공정을 통해 생산된 이 필름은 일반적으로 0.012mm 두께로 뛰어난 물리적 강도를 가지고 있습니다.

생산 공정 분류

• 이축 배향 필름: 종방향 및 횡방향으로 연신된 고순도 '광택' 재료로 만들어진 고성능 필름이 시장을 지배합니다.
• 일축 배향 필름: 이산화티타늄이 첨가된 반무광 재료는 종방향으로만 연신됩니다. 품질이 낮고 비용 효율적이며 주로 제약 포장에 사용됩니다.

BOPET 필름의 뛰어난 성능은 독특한 제조 공정에서 비롯됩니다. 필름은 먼저 280°C에서 두꺼운 무정형 시트로 압출됩니다. 냉각 후 연신 단계에 들어갑니다. 86-87°C에서 종방향으로 약 3배, 100-120°C에서 횡방향으로 2.5-4배 연신합니다. 마지막으로 230-240°C에서 설정합니다. 이 공정은 분자 사슬 배향도가 높아져 금속에 필적하는 인장 강도와 함께 뛰어난 내마모성, 내절성 및 내인열성을 갖춘 필름을 얻을 수 있습니다. 열 수축이 최소화되고, 투과율이 90% 이상이며, 거울과 같은 표면을 가지고 있습니다.

표 2: 용도별 PET 필름 분류 및 용도

PET 재료 응용 분야

PET 응용 분야의 폭은 놀라울 정도로 현대 산업의 거의 모든 주요 분야를 포괄합니다.

• 포장 산업: 전 세계 PET 생산량의 70%가 포장에 사용됩니다. 탄산 음료 및 생수병이 가장 많이 사용되며, 식용유 병, 조미료 병 및 의약품 병으로 용도가 확대되고 있습니다. 500ml PET 병은 약 18g에 불과하여 유리병보다 80% 가볍지만 최대 150psi의 내부 압력을 견딜 수 있습니다. 식품 포장 필름은 높은 산소 차단 및 투명한 디스플레이 특성을 활용합니다.
• 전자 및 전기 부문: PET의 우수한 절연성 및 내열성은 다양한 절연 필름, 콘덴서 유전체 및 플렉시블 회로 기판을 제조하는 데 사용됩니다. 전기 등급 필름은 3.5~125 μm 사이의 두께로 정밀하게 제어할 수 있으며, 절연 파괴 전압은 5kV를 초과합니다. 강화 PET는 커넥터 및 변압기 보빈과 같은 고온 저항 전자 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
• 섬유 산업: PET 섬유는 전 세계 합성 섬유 생산량의 50% 이상을 차지하며, 높은 강도와 주름 방지 기능으로 섬유 산업을 변화시켰습니다.
• 자동차 산업: 강화 PET는 램프 홀더, 스위치보드 커버 및 밸브와 같은 부품을 생산하는 데 사용되어 경량화를 위해 금속을 대체합니다.
• 특수 용도: 고점도 PET 보호 필름은 LCD 패널 및 터치 스크린 표면을 보호하는 데 사용되어 0.05-0.1mm 두께에서 뛰어난 내스크래치성을 제공합니다. 치수 안정성 및 투명성은 감광성 필름 기판에도 사용됩니다. 진공 코팅된 알루미늄 필름은 장식용 및 콘덴서 제조에 사용됩니다.

PET 엔지니어링 플라스틱은 여러 산업 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 전자 및 전기 26%, 자동차 22%, 기계 19%, 일용품 10%. 엔지니어링 플라스틱은 전체 PET 시장의 1.6%에 불과하지만, 가장 높은 기술적 내용과 부가가치를 가지고 있습니다.

PET 생산 공정

PET 제품의 제조는 매우 엄격한 온도 제어가 필요한 정밀한 열기계적 공정입니다.

(1) 사출 성형

병 프리폼 및 전자 부품과 같은 제품에 사용됩니다. 배럴 온도는 단계별로 제어됩니다. 후면 섹션(250-270°C), 중간 섹션(265-275°C), 전면 섹션(270-275°C) 및 노즐(280-295°C). 금형 온도는 30-85°C로 유지되며, 배압은 5-15 kg/cm²입니다. 원료는 가수분해로 인한 분자 사슬 파손을 방지하기 위해 120-140°C에서 2-5시간 동안 사전 건조해야 합니다.

이축 배향 필름 공정

• 사전 건조 및 용융 압출: 제습 후, 슬라이스 필름은 280°C에서 두꺼운 시트로 압출됩니다.
• 급속 냉각: 냉각 드럼 또는 냉각수를 통한 급속 냉각은 무정형 상태를 유지합니다.
• 이축 연신: 종방향 연신(86-87°C, 연신비 ≈ 3x) → 횡방향 연신(100-120°C, 연신비 2.5-4.0x).
• 열 고정: 230-240°C에서 내부 응력을 완화하여 치수 안정성을 향상시킵니다.

(2) 블로우 성형

주로 중공 병 생산에 사용됩니다. 프리폼은 유리 전이 온도 이상으로 재가열된 다음 고압 가스를 사용하여 모양으로 불어 넣습니다. 이 공정은 균일한 병 벽 두께를 보장하기 위해 온도 분포 및 블로우 압력을 정밀하게 제어해야 합니다.

(3) 압출

시트 및 튜빙과 같은 연속 프로파일을 생성합니다. 두꺼운 시트는 T 다이를 통해 압출하여 후속 열성형을 하거나, 포장을 위해 시트로 직접 압출합니다. 온도 제어 범위는 사출 성형과 유사하지만, 냉각 방법은 더 다양합니다.

(4) 2차 가공 기술
코팅, 진공 금속화, 인쇄 및 용접을 포함하여 PET의 응용 범위를 더욱 확장합니다.

지속 가능성 과제 및 미래

PET 재료의 환경 발자국은 점점 더 큰 관심사입니다. 기존 PET는 석유 기반 원료에 의존하며 자연적으로 분해되는 데 400년 이상이 걸립니다. 전 세계 PET 병 재활용률은 약 58%이지만, 상당량의 폐기물이 여전히 환경으로 유입됩니다.

(1) 기술 혁신이 친환경 전환을 주도하고 있습니다.

• 기계적 재활용은 사용된 PET 병을 분쇄하고 세척한 다음 녹여 펠릿화하여 섬유 또는 식품 외 포장에 사용합니다.
• 화학적 탈중합은 PET를 단량체로 줄인 다음 재중합하여 식품 등급 rPET를 생산합니다.
• 바이오 기반 PET는 바이오매스 원료를 사용하여 석유를 대체합니다. 예를 들어, 코카콜라의 PlantBottle은 사탕수수 에탄올을 사용하여 에틸렌 글리콜을 생산하여 탄소 배출량을 30% 줄입니다.

(2) 재료 성능의 최전선에서

나노 변형 PET는 1-100nm 무기 입자를 첨가하여 높은 투명성을 유지하면서 항균성 및 고차단 특성과 같은 새로운 기능을 부여합니다. 분해성 공중합체는 환경 친화성을 개선하기 위해 분자 설계를 통해 강화됩니다. 고성능 합금은 PC 및 PA와 같은 재료와 혼합되어 단일 재료의 성능 한계를 뛰어넘고 있습니다.

식품 등급 rPET에 대한 수요가 급증함에 따라, 첨단 '병 대 병' 재활용 기술의 상용화가 가속화되고 있습니다. 전 세계 PET 시장은 2030년까지 620억 달러에 이를 것으로 예상되며, 식품 등급 rPET는 이미 버진보다 50% 이상 높은 가격에 판매되고 있습니다.

가볍고 내구성이 뛰어난 음료 병부터 마이크론 크기의 콘덴서 필름, 일상복부터 자동차 엔진 구획의 내열 부품까지, 다재다능한 재료인 PET는 현대 생활에 깊이 통합되었습니다. 성능과 비용, 투명성과 강도, 강성과 인성 사이에서 복잡한 균형을 이루어 포장 혁명의 주류가 되었습니다.

재활용 기술의 획기적인 발전과 바이오 기반 재료의 혁신을 통해, 이 실험실에서 탄생한 고분자는 지속 가능한 개발을 위한 새로운 가능성을 모색하고 있습니다. 그 이야기는 아직 끝나지 않았습니다. 앞으로 10년 동안 PET 기술은 환경 친화성과 고성능에 초점을 맞춰 산업과 삶의 경계를 계속해서 재정의할 것입니다.