파라아라미드의 적용은 낮은 자외선 저항성, 낮은 축방향 압축 강도, 그리고 수지와의 접착력 저하라는 세 가지 주요 문제에 직면합니다. 이러한 단점들은 복합소재 및 기타 분야에서 파라아라미드의 적용을 제한합니다.
파라아라미드의 적용은 낮은 자외선 저항성, 낮은 축방향 압축 강도, 그리고 수지와의 접착력 저하라는 세 가지 주요 문제에 직면합니다. 이러한 단점들은 복합소재 및 기타 분야에서 파라아라미드의 적용을 제한합니다.
파라-아라미드의 응용 분야는 장기간 옥외에서 사용하는 것이 불가피하므로 자외선 저항성을 향상시키는 것이 매우 중요합니다.아라미드의 낮은 자외선 저항성은 구조 내에 많은 벤젠 고리와 카르보닐기가 존재하기 때문입니다.이 공액 구조는 자외선 에너지를 흡수하여 아미드 결합을 파괴합니다.아라미드의 자외선 저항성을 향상시키기 위한 많은 연구가 있습니다.일반적인 방법으로는 섬유 표면 코팅, 자외선 흡수제 또는 자외선 차단제 접목 등이 있습니다.예를 들어, TiO₂와 ZnO를 섬유 표면에 도입합니다.원리는 TiO₂ 또는 ZnO를 통해 자외선을 산란시켜 섬유 본체의 자외선 흡수를 줄이는 것입니다.연구에 따르면 168시간의 자외선 조사 후에도 표면에 나노-TiO₂가 접목된 케블라 섬유는 인장 강도의 90%를 유지할 수 있는 반면, 처리되지 않은 케블라 섬유는 동일한 조사 후 인장 강도의 75%만 유지할 수 있습니다.
복합 보강재로서 파라-아라미드의 또 다른 단점은 낮은 축 압축 강도입니다.아라미드의 압축 강도는 일반적으로 200~400MPa로 인장 강도의 1/10 미만이며 탄소 섬유의 압축 강도(>1.0GPa)보다 훨씬 낮아 복합 재료 및 기타 분야에서의 적용이 제한됩니다.많은 학자들이 섬유를 가교하기 위해 400°C 이상의 열처리와 같이 아라미드의 축 압축 강도를 개선하기 위한 많은 연구를 수행했습니다.열처리 후 섬유의 압축 강도는 2.5배 이상 증가했지만 인장 강도는 크게 감소하여 열처리 과정에서 거대 분자 사슬이 어느 정도 분해되었음을 나타냅니다.일부 연구자들은 공중합을 통해 가교 가능한 그룹을 거대 분자 사슬에 직접 도입하기도 했습니다.Tao Jiang et al. 고온에서 가교될 수 있는 벤조시클로부텐(XTA) 구조를 공중합을 통해 PPTA 고분자 사슬에 도입했습니다. 320°C 이상에서 벤조시클로부텐 구조가 가교되기 시작했으며, 열처리 온도와 시간이 증가함에 따라 가교도가 점차 증가했습니다. PPTA-co-XTA 섬유를 330°C에서 10초 동안 처리한 후에는 섬유 내부에 많은 수의 미세섬유 구조가 여전히 존재했습니다. 그러나 410°C에서 120초 동안 처리한 후에는 섬유 단면이 평평하고 매끄러웠으며 미세섬유 구조가 검출되지 않아 미세섬유 사이에 큰 가교 구조가 나타났음을 알 수 있었습니다. 그러나 기계적 물성 시험 결과 가교 후 섬유의 인장 강도가 크게 감소했습니다. 이는 고온 가교 공정이 필연적으로 어느 정도의 분해를 초래하여 인장 강도가 감소하기 때문입니다.
자외선 저항성을 향상시키기 위한 파라섬유의 TiO2 표면 개질 원리의 개략도
일부에서는 섬유 표면에 SiC와 같은 높은 압축 강도를 가진 무기 물질 층을 코팅하는 방안도 제시했습니다. 그러나 코팅 자체는 섬유와 수지의 젖음성에 영향을 미치고, 코팅 두께는 섬유의 인성에 영향을 미칩니다. 또 다른 일반적으로 사용되는 방법은 분자 간 수소 결합을 도입하는 것입니다. 예를 들어, 러시아에서 생산되는 Armos 섬유는 벤즈이미다졸 구조를 포함하는 디아민 단량체를 도입하여 삼원 공중합됩니다. 거대 분자 사슬 간의 수소 결합이 강화되어 압축 강도가 VICWA 아라미드 섬유의 1.39배에 달합니다. 그러나 파라-아라미드의 압축 강도를 더욱 향상시키는 것은 여전히 중요한 과제입니다.
복합재 보강재로 사용되는 파라-아라미드의 또 다른 단점은 매트릭스 수지와의 접착력이 약하여 섬유 표면 개질이 필요하다는 것입니다. 일반적인 방법으로는 화학 그래프팅, 플라즈마 처리, 방사선 처리, 화학 에칭, 직접 불소화 등이 있으며, 그중 직접 불소화 기술은 최근 몇 년 동안 등장한 비교적 효과적인 표면 처리 방법입니다.
