아라미드는 높은 강도, 높은 탄성 계수, 낮은 밀도, 높은 내마모성 및 안정적인 화학적 특성을 갖춘 유기 합성 소재입니다.
아라미드의 정식 명칭은 방향족 폴리아미드 섬유로, 고강도, 고탄성률, 저밀도, 고내마모성을 지닌 유기 합성 소재이며, 안정적인 화학적 특성을 가지고 있습니다. 1974년 미국 연방거래위원회(FTC)는 이 섬유를 "아라미드 섬유"라고 명명했는데, 이는 아미드 사슬(-CONH-)의 최소 85%가 두 개의 벤젠 고리를 직접 연결한 것으로 정의됩니다. 1960년대 초, 듀폰은 열 안정성이 우수한 메타아라미드 HF-1, 즉 노멕스 섬유를 개발했습니다. 우리나라에서는 이를 아라미드라고 불렀습니다. 1981년에는 아라미드 14, 1985년에는 아라미드 1414로 인증되었습니다. 단일 아라미드 섬유는 사용 시 결함이 발생하고 물과 접촉하면 강도가 감소하기 때문에 아라미드는 일반적으로 복합 소재로 제작되어 다양한 사용 환경에 적응하기 위한 보강 섬유로 사용되며, 소재의 성능 향상에도 기여합니다.
아라미드의 분류 및 특성
1.1 파라아라미드 PPTA(Poly-P-pheneleneferephthalamide)로도 알려진 파라아라미드는 1971년에 성공적으로 개발되어 이듬해에 생산에 들어갔습니다.주쇄 구조가 매우 규칙적이며 거대 분자는 매우 늘어난 상태로 존재합니다.고온, 화재, 화학적 부식에 대한 내성이 뛰어나고 기계적 특성과 피로 저항성이 높으며 밀도가 낮습니다.강도는 강철의 3배, 고강도 폴리에스터 산업용 원사의 4배입니다.초기 탄성률은 폴리에스터 산업용 원사의 4~10배, 폴리아미드 섬유의 10배 이상입니다.150°C에서 수축이 전혀 없는 우수한 안정성을 가지고 있으며, 고온에서도 높은 강도를 유지할 수 있습니다(예: 260°C에서 원래 강도의 65%).고무와의 접착력이 우수하여 이상적인 코드 섬유입니다. 예를 들어 미국 듀폰의 케블라-49, 네덜란드 엔카의 트와론, 중국의 아라미드 1414 등이 있습니다.
1.2 메타아라미드 메타아라미드는 MPIA(Poly-m-phenyleneisophthalamide)로도 알려져 있으며, 1956년에 연구가 시작되어 1967년에 산업화되었습니다. 메타아라미드의 거대 분자 사슬은 지그재그이며, 강도 및 파단 후 신율과 같은 우수한 물리적 및 기계적 특성을 가지고 있습니다. 뛰어난 특징은 우수한 내화성과 내산화성입니다. 260°C의 온도에서 1,000시간 동안 연속 사용 후에도 강도가 원래 강도의 65%를 유지할 수 있으며, 300°C의 고온에서 7일 동안 사용한 후에도 원래 강도를 유지할 수 있습니다. 불에 탈 수 있으며 불꽃을 떠난 후 자기 소화성이 있습니다. 산, 알칼리, 표백제, 환원제 및 유기 용매에서 안정성이 좋습니다. 또한 방사선 저항성이 좋습니다. 단점은 나일론과 동일하며 햇빛에 대한 안정성이 낮고 염색이 어렵습니다.
1.3 아라미드와 다른 섬유의 성능 비교 아라미드는 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다. 다른 섬유와 비교하여 아라미드는 고온 저항성, 작은 신율, 높은 탄성 계수, 그리고 높은 강도라는 특성을 가지고 있으며, 특히 파라아라미드(케블라 섬유)는 더욱 우수합니다.
아라미드 복합재료의 제조
아라미드 섬유는 유리 섬유와 마찬가지로 꼬인 실, 꼬이지 않은 로빙, 다양한 규격의 천, 테이프, 펠트, 그리고 초핑 스트랜드와 같은 제품 형태를 가지고 있습니다. 복합재 제조에는 섬유-섬유 와인딩 복합재와 섬유-수지 또는 고무 복합재의 두 가지 주요 유형이 있습니다.
2.1 섬유-섬유 복합 성형
습식 와인딩과 건식 와인딩은 복합재 와인딩 성형의 두 가지 주요 방법입니다. 건식 와인딩의 주요 장점은 접착제 함량 조절이 용이하다는 것입니다. 따라서 과거에는 복합재 고압 용기 성형에 항상 단일 건식 와인딩 성형을 사용해 왔습니다. 그러나 습식 와인딩은 낮은 제품 비용, 섬유 마모 감소, 낮은 공극률, 높은 생산 효율이라는 장점을 가지고 있어 해외에서 널리 채택되고 있습니다. 과거 중국에서는 건식 성형을 꾸준히 채택하여 수십 가지 건식 성형 접착제 제형을 개발했습니다. 4304 및 4303A와 같은 일부 제형은 대형 고체 로켓 엔진에 성공적으로 사용되었습니다. 공정 흐름은 다음과 같습니다. 아라미드 섬유 풀림 → 혼합 → 성형 → 열처리 → 분쇄 → 완제품.
습식 와인딩 성형은 건식 성형과 동일합니다. 수지 매트릭스는 특정 기계적 특성을 가져야 합니다. 동시에, 성형 중 섬유 다발이 완전히 함침될 수 있도록 매트릭스 시스템의 점도를 일정 범위 내로 조절해야 합니다. 시스템의 점도를 낮추는 두 가지 주요 방법이 있습니다. (a) 적절한 저점도 활성 희석제를 선택합니다. 시스템 점도는 함침 공정의 요건을 충족하는 경우가 많지만, 동시에 시스템의 기계적 특성과 내열성이 크게 저하됩니다. 선별 후 혼합 희석제를 사용하여 설계 요건을 어느 정도 충족합니다. (b) 액상 경화제를 선택합니다. 액상 경화제를 첨가하면 배합 시스템의 점도를 어느 정도 낮출 수 있습니다. 아라미드 섬유의 습식 배합 및 습식 배합 성형 기술에 대한 추가 연구는 부족하며, 고성능 습식 배합 기술은 습식 와인딩 성형에서 우선적으로 해결해야 할 핵심 기술입니다.
2.2 섬유 및 수지 복합 성형
성형 방법은 유리 섬유의 성형 방법과 동일하며, 와인딩, 핸드 레이업, 함침, 진공 백, 가압 및 사출을 포함하며 필요에 따라 선택할 수 있습니다. 아라미드 섬유와 자주 사용되는 수지는 에폭시, 페놀, 불포화 폴리에스터, 비닐 에스테르, 폴리이미드 등이 있습니다. 최근에는 나일론, PBT 등과 함께 사용하기도 합니다. 장 마오린(Zhang Maolin) 등은 단방향 아라미드/폴리프로필렌 혼합 섬유 복합재의 인장 특성을 연구하기 위해 아라미드 무연 필라멘트사(보강재)를 경사로, 폴리프로필렌 섬유(매트릭스 섬유)를 위사로 사용하여 평직으로 열가소성 프리폴리머를 직조했습니다. 복합 재료는 특정 온도와 압력에서 제조되었으며, 경사와 위사의 밀도를 조절하여 재료의 조성을 제어했습니다. 아라미드로 만든 코드는 자동차 타이어 산업에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 아라미드와 고무의 복합 재료 기술은 빠르게 발전하고 있습니다. 아라미드 섬유는 활성 작용기가 적기 때문에 고무와의 결합이 어렵습니다. 이러한 결합 문제를 해결하기 위해 일반적으로 다음과 같은 조치가 취해집니다. 첫째, 함침 시스템의 조성 및 공정을 조정하거나 개선합니다. 현재 1욕 함침 방식에 2욕 함침 또는 특수 함침 접착제를 첨가하는 방식이며, 둘째, 고무 배합물 조성 설계에 접착제를 첨가하는 방식입니다. 이 두 가지 방식의 시너지 효과 덕분에 더욱 이상적인 결합 효과를 얻을 수 있습니다.
아라미드 복합소재의 성능 및 응용
아라미드 소재의 응용은 주로 고강도, 고탄성률 등의 우수한 특성에 기인합니다.
3.1 방탄 필드
아라미드의 높은 강도는 모든 계층, 특히 군대에서 선호됩니다.현대 헬멧은 제1차 세계 대전에서 유래되었으며 군인의 사상자율을 줄이는 데 사용되었습니다.제2차 세계 대전 이후 1970년대까지 군용 방탄 헬멧은 모두 강철 헬멧이었으며, 대부분은 고망간강이나 특수강이었고 헬멧 쉘은 대부분 스탬핑되었습니다.나일론 헬멧은 주로 영국과 이스라엘에서 사용됩니다.편안함을 향상시키기 위해 헬멧에 고밀도 폴리에틸렌 폼 충격 방지층이 있습니다.아라미드 헬멧은 특수 수지로 접합되고 고온 고압에서 성형된 다층 아라미드 천입니다.아라미드 헬멧은 1970년대에 듀폰에서 개발되었습니다.그들의 장점은 고강도, 가벼운 무게, 그리고 좋은 보호 성능입니다.점점 더 많은 국가에서 채택되고 있습니다.
아라미드 섬유의 방탄 충격 저항성은 우수한 열 안정성, 높은 결정성, 고배향성 구조, 그리고 높은 인장 성능에 기인합니다. 높은 유리 전이 온도와 우수한 열 안정성은 아라미드 섬유가 방탄 충격으로 발생하는 고온에서 내충격 구조의 안정성을 확보할 수 있도록 합니다. 높은 결정성과 고배향성은 높은 탄성률을 제공하여 축 방향 변형에 대한 신속한 대응을 보장합니다. 높은 탄성률과 중간 정도의 신율은 아라미드 섬유에 높은 인성을 부여하여 종방향 파단 시 효과적으로 작용할 수 있도록 합니다. 우리나라는 아라미드 방탄판에 대한 연구를 수행하여 최적의 매트릭스-섬유 비율에 대한 진전을 이루었습니다.
3.2 타이어 분야
타이어의 주요 구성 요소는 고무입니다. 강도 향상을 위해 산업계에서는 처음에는 강철 와이어를 보강재로 사용했습니다. 그러나 강철 와이어의 밀도가 높아 타이어의 강도는 증가하는 반면, 차체 무게가 증가하고 에너지 소비가 증가합니다. 또한 강철 와이어의 존재로 인해 타이어가 딱딱해지고 충격에 취약해지며 승차감이 저하됩니다. 특히 중량 차량의 경우 하중 지지력이 매우 크기 때문에 타이어에 대한 요구 사항이 더욱 높아집니다.
아라미드 코드는 강철 와이어와 비교하여 고온 내성, 고강도, 고탄성률, 작은 변형률 등의 특성을 가지고 있으며, 낮은 상대 밀도, 피로 저항성, 전단 저항성 등의 유연성을 가지고 있습니다. 강철 와이어, 레이온, 나일론, 폴리에스터 코드의 우수한 성능을 결합하여 "합성 강철 와이어"로 불리며, 현재 가장 이상적인 골격 소재입니다.
아라미드 코드의 장점은 다음과 같습니다. ① 코드로 사용하면 타이어 카커스를 3겹에서 1겹으로 줄여 타이어 무게를 줄이고, 타이어의 구름 저항을 낮추며, 연료 소비량을 줄일 수 있습니다. ② 아라미드 코드와 고무의 접합 효과가 강철 와이어보다 우수하며 습기의 영향을 받기 쉽지 않습니다. ③ 아라미드를 코드로 사용하면 타이어의 강성과 내마모성이 향상되어 타이어 수명이 연장됩니다. ④ 카커스 수가 줄어들어 자동차의 주행 성능과 승차감이 크게 향상되었습니다.
그러나 아라미드를 코드로 사용하는 데에는 비용이 너무 많이 들고, 생산 기술이 복잡하며, 가공에 특수 장비가 필요하다는 것이 주요 단점입니다.
3.3 파이프라인 분야
케블라 섬유는 호스 보강재로 가장 적합한 선택입니다. 현재 자동차 호스, 화학 산업용 호스, 석유 산업용 호스, 항공 산업용 유압 호스, 그리고 선박용 호스 등 다양한 분야에서 케블라 섬유를 보강재로 사용하는 사례가 증가하고 있습니다. 미국의 크라이슬러와 게이츠는 켈버 섬유를 자동차 냉각 장치 호스의 보강재로 사용하여 약 150°C의 고온 자동차 냉각 호스를 생산합니다. 미국의 게이츠와 구달은 아라미드 섬유를 사용하여 원자력 발전소, 화학 플랜트, 석유 탐사용 대구경 호스를 생산합니다. 내경은 25.4cm, 길이는 12m, 설계 작동 압력은 56kg/cm², 굽힘 반경은 1.5m입니다.
3.4 교량구조 보강 분야
아라미드 섬유 직물은 노후 교량 보강에 광범위하게 사용됩니다. 부재 보강 시, 아라미드 섬유 직물은 주로 인장력에 저항하는 데 사용됩니다. 일반적으로 보의 인장부, 보와 기둥의 전단부, 그리고 기둥이나 교각의 구속 보강에 사용됩니다. 교각의 균열 부위에 아라미드 섬유 AFS-40을 두 겹으로 도포한 결과, 균열 발생이 억제되고 교량의 지지력이 크게 향상되었습니다.
3.5 전기 및 전자 분야 아라미드 섬유는 우수한 기계적 특성, 전기 절연성, 전파 투과성 및 치수 안정성을 가지고 있습니다. 아라미드 섬유는 표면 실장 기술(SMT)을 위한 특수 인쇄 회로 기판, 마이크로일렉트로닉스 조립 기술, 항공 또는 위성 레이더 안테나 커버, 레이더 안테나 급전 기능 구조 부품, 그리고 이동형 전기 부품 등 전기 및 전자 분야에서 사용되어 왔습니다. RCA에서 다중 위성용으로 개발한 다중 파라볼라 안테나의 반사면은 모두 아라미드 섬유 직물 강화 복합 소재로 제작되었습니다.
3.6 내열 및 보호복 분야
선외 우주복 소재는 경량, 유연성, 내마모성, 내충격성, 그리고 우수한 기계적 내구성을 갖춰야 합니다. 또한, 내화학성, 내열성, 내광성이 우수하고 각종 방사선을 차단할 수 있어야 합니다. 초고온 및 초저온, 그리고 고에너지 열광선 복사선에서도 소재의 다양한 특성이 안정적으로 유지됩니다. 아라미드 섬유 직물이 선호되는 소재입니다.
3.7 기타 분야
아라미드는 고강도, 저밀도로 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 실링 플레이트 분야에서는 석면 섬유 대신 아라미드 섬유로 만든 아라미드 섬유 강화 고무 실링 플레이트가 실링 성능이 우수하고 인체에 무해합니다. 디스크 브레이크 패드 연구에서 아라미드는 마찰 손실 성능과 내부 전단 강도가 가장 우수하여 최근 자동차의 후륜 브레이크와 경차의 전륜 브레이크에 사용될 것으로 예상됩니다. 선박 분야에서는 아라미드 복합 재료를 사용하여 선체의 무게를 줄여 속도를 높일 수 있습니다. 건축 자재 분야에서는 석면을 대체하여 시멘트를 보강하고 금속 재료를 대체하여 가벼운 구조와 고강도의 주요 하중 지지 구조를 제공합니다. 아라미드는 우주복, 소방복 등에도 사용될 수 있습니다. 아라미드는 현재 강선을 대체하여 수중 케이블, 특히 심해 케이블을 만드는 데 사용되고 있습니다. 아라미드 섬유는 콘크리트 기둥 외부에도 첨가되어 콘크리트가 손상되었을 때 부피 팽창을 억제하고 강도와 내진성을 향상시킵니다.
20세기 고분자 섬유 산업의 중요한 발명품이었던 아라미드는 고강도, 저밀도, 고온 저항성 등의 특성으로 인해 점점 더 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 아라미드에 대한 연구는 주로 아라미드를 복합 소재의 보강재로 사용하는 데 중점을 두고 있습니다. 그러나 아라미드는 제조 및 가공 과정이 복잡하고 가격이 높아 현재 널리 사용되지 못하고 있습니다. 아라미드 섬유는 관능기가 적고 매트릭스와의 접착력이 약하기 때문에 가장자리 처리나 접착제를 첨가해야 합니다. 이 기술의 연구 개발은 아라미드의 응용 분야를 확장할 수 있을 것입니다.
