Thermodynamic Lifespan Modelling of Recycled PET under Circular Use Scenarios

기술 요약: 순환 사용 시나리오 하에서의 재생 PET에 대한 열역학적 수명 모델링

문제 제기
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 순환 경제 전략의 초석이지만, 그 구조적 무결성은 기계적 재활용을 통해 무한히 유지될 수 없다. PET 재활용 잠재력에 대한 현재의 평가는 종종 재료 회수율이나 기본적인 공정 타당성에 의존하며, 반복적인 사용 주기와 관련된 열역학적 손실을 직접적으로 정량화하지 못한다. 모든 재활용 루프에는 열전달, 기계적 변형, 분자 사슬 절단, 점성 소산과 같은 비가역적 과정이 포함되며, 이는 엔트로피를 생성하고 유한한 유용 수명을 점진적으로 소모한다. 결과적으로, 재생 PET는 단순히 회수된 재료가 아니라, 누적된 퇴화가 임계치를 초과하면 결국 다운사이클링이나 저부가가치 회수로 전환되어야 하는 '감소하는 열역학적 수명'을 가진 폴리머로 이해되어야 한다.

방법론
본 연구는 선별된 2차 데이터셋을 사용하여 기계적 PET 재활용의 열역학적 및 물리적 경계를 모델링하기 위한 정량적 프레임워크를 구축한다. 방법론은 다음 단계로 진행된다:

1. 데이터셋 구축: PET 피로, 열적 노화, 재가공 및 고유 점도 저하를 다루는 검증된 학술 논문에서 추출한 83개의 유효 기록으로부터 문헌 기반 데이터셋을 구축하였다. 데이터 소스에는 보틀 투 보틀(bottle-to-bottle) 재활용, 하천 노화 및 다층 트레이 재활용에 관한 연구가 포함되었다.
2. 열역학적 대리 지표(Proxy) 개발: 재활용 연구에서 직접적인 엔트로피 생성 데이터가 드물게 보고된다는 점을 인식하여, 저자들은 표준화된 대리 지표를 개발하였다.
   • 에너지 소산 대리 지표: 피로 데이터의 경우, 응력 진폭, 표준화된 변형 대리 지표 및 PET 밀도를 사용하여 사이클당 기계적 에너지 소산($E_{diss,cycle}$)을 계산하였다.
   • 엔트로피 대리 지표: 누적 엔트로피($S_{cum}$)와 열적 엔트로피($S_{thermal}$)는 각각 에너지 소산과 열 노출(비열 및 온도 차이 사용)로부터 도출되었다.
   • 물성 손실 함수: 고유 점도, 인장 강도, 결정성 및 밀도의 변화를 기반으로 정규화된 물성 손실($P_{loss}$)을 산출하였다.
3. PET 수명 지수(PLI) 공식화: 가중치 적용 손상 지수($D$)는 엔트로피 생성, 에너지 소산 및 재료 물성 손실 항을 정규화하고 합산하여 생성되었다. 이후 PLI는 $PLI = 1 - D$로 정의되었다.
4. 분류 체계: PLI를 사용하여 PET의 순환 사용 적합성을 네 가지 경로로 분류하였다:
   • 0.75–1.00: 재사용 / 고부가가치 재활용.
   • 0.50–0.74: 기계적 재활용 (전통적 방식).
   • 0.25–0.49: 다운사이클링.
   • 0.00–0.24: 수명 종료 / 저부가가치 회수.

주요 결과
데이터셋에 프레임워크를 적용한 결과는 다음과 같다:

• 전체 데이터셋 분석: 83개의 기록 중 31개는 재사용/고부가가치 재활용에 적합한 것으로, 13개는 기계적 재활용에, 16개는 다운사이클링에, 11개는 수명 종료 회수 경로에 분류되었다. 12개의 기록은 추적성을 위해 유지되었으나 데이터 제한으로 인해 강력한 해석에서는 제외되었다.
• 가중 엔트로피/대리 지표 서브셋: 가중 계산을 위한 충분한 검증 항을 갖춘 64개의 기록으로 구성된 서브셋의 경우, 24개 기록이 최적의 고부가 재사용(PLI 0.75–1.00)으로, 38개 기록이 전통적 기계적 재활용(PLI 0.50–0.74)에 적합한 것으로 분류되었으며, 2개 기록이 다운사이클링 경로(PLI 0.25–0.49)로 분류되었다. 이 가중 서브셋에서 0.25 미만으로 떨어진 기록은 없었다.
• 퇴화 거동: 모델은 열역학적 및 재료적 퇴화 대리 지표가 축적됨에 따라 PET의 순환 사용 적합성이 감소함을 확인해 준다. 초기 재사용은 고부가가치 용도로 충분한 수명을 유지할 수 있으나, 반복적인 열 노출, 피로 및 분자 사슬 퇴화는 재료를 더 낮은 가치의 경로로 이동시킨다.

의의 및 주장
본 논문은 정밀하고 정량화 가능한 열역학적 한계를 정의함으로써 거대 분자 역학과 생애 주기 최적화 사이의 간극을 메운다고 주장한다. 주요 기여는 다음과 같다:

• 열역학적 비중립성: 본 연구는 기계적 재활용이 열역학적으로 중립적이지 않으며, 공정, 피로 및 열적 노화가 폴리머의 유한한 수명을 점진적으로 소비한다는 것을 명확히 입증한다.
• 표준화된 지표: 이질적인 문헌 데이터를 표준화된 열역학적 대리 지표로 변환하여 서로 다른 연구 간의 퇴화를 비교할 수 있게 하는 새로운 PET 수명 지수(PLI)를 도입하였다.
• 의사결정 도구: PLI 프레임워크는 단순한 루프 횟수를 넘어 잔여 유용 수명을 평가함으로써, 특정 순환 경로(재사용, 재활용, 다운사이클링)에 대한 PET 재료의 적절성을 분류하는 실용적인 도구를 제공한다.
• 제한적 범위: 저자들은 데이터가 2차 자료이며 다양한 실험 조건에서 파생되었다는 점을 인정한다. 따라서 엔트로피와 에너지 변수는 직접적인 열량 측정값이 아닌 대리 지표로서 제시된다. 본 프레임워크는 재생 PET 수명을 모델링하기 위한 투명하고 반복 가능하며 확장 가능한 접근 방식을 제공하며, 확정적인 최종 표준이라기보다 향후 연구를 위한 토대로서 제안된다.