강화 섬유 종류별 설명

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(주)기간산업 자료실

2021. 5. 21.

아라미드섬유(Aramid Fiber)

열에 강하고 튼튼한 방향족 폴리아마이드 섬유이다.
항공우주 분야나 군사적으로 많이 이용된다.

아마이드결합 -CONH가 벤젠고리와 같은 방향족고리를 결합시켜 고분자 폴리아마이드를 형성하고 있다.
인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력·고탄성률을 갖고 있다.
5mm 정도 굵기의 가느다란 실이지만, 2t의 자동차를 들어올릴 정도의 막강한 힘을 가지고 있다.
불에 타거나 녹지 않으며, 500℃가 넘어야 비로소 검게 탄화(炭化)한다.

또 아무리 힘을 가해도 늘어나지 않아 가장 좋은 플라스틱 보강재(補强材)로 꼽힌다.
이런 장점이 있으므로 방탄 재킷이나 방탄 헬멧 등 군수물자와 골프채, 테니스 라켓 등을 만드는 데 알맞은 소재이다.
보잉 747 등 항공기의 내부골재(內部骨材)는 이 섬유로 보강된 에폭시수지(FRP)를 쓴다.

1984년 한국과학기술연구원(KIST) 윤한식(尹漢殖) 박사팀이 미국·네덜란드에 이어 세계에서 3번째로 아라미드를 개발했으며,
1992년에는 아라미드섬유의 단점인 역거동성(逆擧動性: 주위의 온도상승에 따라 팽창하는 물질의 일반적 속성과 반대로
온도가 올라가면 수축하는 성질)을 없앤 신아라미드섬유 개발에 성공했다.




케블라(Kevlar)

미국 듀폰이 개발한 파라계 방향족 폴리아미드 섬유로 황산용액에서 액정방사한 고강력 섬유이다.
강도,탄성,진동흡수력이 뛰어나다.
인장강도가 높아 쉽게 끊어지지 않는다.
열에 의한 수축률도 적다.(섭씨 475℃ 에서 분해되며 탄화)
벤젠들에 쉽게 녹지않는 내화학성 물질이며, 전기절연성도 있다.
강철과 같은 굵기의 섬유로 만들어 졌을때 강철보다 5배나 강도가 높다.

하지만 물에 젖으면 강도가 눈에 띄게 줄어들어 별도의 방수처리가 필요하다.

고분자의 강도는 궁극적으로는 분자사슬을 절단하는 에너지로 결정된다.
고분자가 이론강도 및 이론탄성률을 나타내기 위해서는 완전결정, 완전연신, 초순도 및 초고분자량이어야 한다.
방향족 폴리아미드 (흔히 약칭으로 "아라미드"라 부름)에서와 같이 접히지 않는 강직한 막대형 구분자를 이용하면
위의 만족하기 어려운 조건을 피하더라도 고강도, 고탄성률 섬유를 얻을 수 있다.
아라미드 섬유를 화학구조식 기준으로 분류하면 파라계와 메타계의 두 종류로 나눌 수 있는데 이 중 액정고분자는 파라계이며
상품화에 성공한 화학구조는 폴리파라-페닐렌 테레프탈아미드이다.
이 고분자는 미국의 듀폰사가 1972년 개발에 성공하여 케블라란 상품명으로 시장에 내놓았다.
당시 같은 무게로 강철에 비하여 수배나 강한 케블라가 출하되자 사람들은 크게 놀라워했다.
케블라의 탁월한 물성은 그 화학구조가 대칭성이 좋은 파라-위치에 벤젠고리들이 아미드결합으로 연결되어 있고,
아미드 결합 사이에 강한 수소결합이 작용하는 막대형 분자라는데 기인한다.


다음은 케블라의 특징을 나열한 것이다.

그러나 캐블라가 고강도 및 내열성을 갖게 하는 이러한 구조적 특징은 이 액정고분자의 녹는점을 높이고
용해도를 나쁘게 하는 원인도 제공한다.
이러한 이유로 해서 케블라는 제품화 자체가 사장될 뻔하였다.
이런 점에서 여성과학자 스테파니 큐오렉박사의 연구는 높게 평가받을 만하다.
큐오렉박사는 첫째, 이 고분자의 용해도가 나빠 중합시 분자량이 채 자라기 전에 침전되는 사실을 깨닫고 이를 방지하기 위하여
무기염이 첨가된 극성 유기용매를 사용하여 용해도를 개선시킴으로써 고분자량을 얻을 수 있었다.
합성 후에 이어지는 공정단계는 더 획기적이라 할 수 있었는데, 고분자 생성물을 분리·회수하여 황산에 어느 농도 이상으로 용해시켜
액정상을 형성시킨 후 연신과정을 거치지 않고 직접 습식방사시킴으로써 고강도, 고탄성율의 섬유를 얻을 수 있었다.

케블라 섬유는 실, 스테이플, 펄프, 코드, 직물 등의 형태로 단독으로 사용되거나,
다른 고분자나 시멘트의 복합재료에 보강재로서 사용되기도 한다.
케블라의 용도는 경찰관의 생명을 지키는 방탄복 및 방탄헬멧 이외에, 각종 자동차 및 산업용 벨트,
발암성 문제로 사용이 규제된 아스베스토스의 대체품으로서 대형 자동차 및 항공기 브레이크, 거대한 트랙터나 경주용 특수차량 및
항공기의 타이어, 낚싯줄 및 선박용 로프, 날카로운 물체로부터 몸을 보호하는 장갑 및 의복 등에 다양하게 활용되고 있다.
케블라를 사용한 복합재료는 비행기의 구조체, 해상보트, 테니스 라켓, 낚싯대 및 스키 등의 스포츠 용품 등의 제작에 활용되고 있다.

케블라의 고강도, 고탄성률의 특성을 이용한 극적인 용도 개발의 경우는 일본 홋카이도(北海道)의 살로마 호수에 설치된
빙하(氷河) 유입방지 시설이다.
살로마호는 가리비조개 양식이 유명하여 연간 6만 톤을 생산하고 있다.
그런데 근래의 지구온난화현상으로 매년 1월에서 3월 사이에 빙하가 흘러들어 양식시설이 파괴되는 사건이 일어났다.
이 문제는 케블라 와이어를 사용하여 빙하의 유입을 방지하는 거대한 펜스(fence/장벽)를 설치함으로 해결되었다.
펜스는 케블라로 만든 메인와이어(main wire)를 사용하여 대형 부유체(직경 1.2m, 길이 3m)를 연결하고 수면 밑으로 4m 폭의
와이어 네트가 연결된 구조이다.
빙하의 유입을 막기 위해서는 막강한 저지력이 필요한데 강철와이어를 사용하면 강철의 중량 때문에 초거대 부유체를 만들어야
물에 띄울 수 있고 해수에 의한 부식을 해결해야 하는 문제가 발생한다.
이 문제는 500톤이라는 엄청난 하중을 견디면서 가볍고 부식도 되지 않는 직경 13mm의 초극대 케블라 섬유를 제조하여 사용함으로써 해결되었다.
초고속통신망용 광섬유 케이블 시장에도 케블라섬유가 활용되고 있다.
광섬유의 정보 전달량은 종래의 동선케이블의 약 1,000배 정도이다.
케블라섬유는 광섬유 케이블의 강도 보강용 텐션멤버로 사용되고 있다.
광섬유는 직경 0.1mm 정도로 극히 가늘어 인장력에 약하고 설치공사 중에 케이블을 끌어당겨서 인장변형이 발생하면
통신장애가 발생하기 때문에 광섬유 케이블에 보강재를 사용해야 하며 이러한 목적에 사용되는 보강재를 텐션멤버라 한다.
그뿐만 아니라 금속제 텐션멤버를 사용하면 매설공사 중 낙뢰(落雷)에 의한 케이블 손상 문제가 발생하는 것이 비금속제인 케블라를 사용하는 이유가 된다.
최근 휴대폰의 고성능화 및 대형 시장화에 따라 휴대폰에 사용되는 전자부품의 고밀도 실장을 가능케 하는 수지다층기판에
케블라가 사용되기 시작해 대규모 수요처가 될 것으로 예상하고 있다.




스펙트라(Spectra)

스펙트라 섬유는 세상에서 가장 강하고 가벼운 섬유중의 하나이다.
1980년대 중반, 미국의 얼라이드시그널사(현재의 허니웰)가 다이니마의 원조개발자인 네덜란드의 DSM사로부터
특허라이센스를 받아 출시한 이 제품은 기존의 합성섬유와는 전혀 새로운 타입으로 세계의 주목을 받았다.
5만~10만에 이르는 분자량과 C의 사슬을 중심으로 하여 대칭성을 이루는 분자구조는 강한 내구성과 뛰어난 성능을 가지도록 한다.
밝은 흰색 폴리에틸렌으로 같은 무게의 철에 비해 10배 강하고 폴리에스터 보다 내구성이 있으며
아라마이드 섬유 보다 40%정도 강하다.
이 섬유는 특허된 젤 스피닝 공정에서 사용되는 초고분자로 만들어져 있다.
폴리에틸렌은 매우 내구성이 있는 플라스틱이고, 스펙트라섬유를 개발했던 과학자들은
세상에서 가장 강하고 가벼운 섬유중의 하나를 개발해 내기 위해서 흔히 있는 플라스틱의 분자 기본 구조에서
천연적인 강력함을 찾아내었다.
젤 스피닝 공정과 그 후의 공정들은 스펙트라 섬유가 일반적인 폴리에틸렌보다 더 높은 온도에서 녹도록 만들었다.
(150℃ 혹은 300°F) 뛰어난 강력함과 점탄성으로 많은 적재를 견디고, 잡아당김에도 강하다.
물에 뜰만큼 가볍고 화학 약품, 물, 자외선에도 강하며, 뛰어난 진동 감소 효과와 섬유 내부의 마찰을 줄여준다.

현재 개발된 스펙트라 섬유는 spectra fiber 900, spectra fiber 1000, spectra fiber 2000등이 있으며
경찰과 군인의 방탄조끼, 헬멧, 장갑차뿐만 아니라 범포, 낚시줄, 선박의 밧줄, 절단 방지 장갑과 옷 등에 주로 사용된다.

Spectra fiber 1000

스펙트라 섬유 1000은 스펙트라 섬유의 두 번째 시리즈로 물리적 특성의 강화를 원하는 고객의
필요를 충족시키기 위해 개발되었다.
이것은 다양한 용도로 사용될 수 있도록 많은 데니어에서 사용이 가능하다.
이 확장된 체인의 폴리에틸렌 섬유는 사람이 만든 어떤 섬유보다도 무게 당 강도가 가장 강한 섬유 중의 하나이다.
스펙트라 섬유 1000은 스펙트라 섬유 900보다 15~20퍼센트 강하다.
스펙트라 섬유는 같은 무게에서 철보다 10배 강하고 폴리에스터 보다 내구성이 있으며 아라마이드 섬유보다 40퍼센트 강하다.
이런 뛰어난 섬유는 데니어와 필라멘트의 수에 의한 것이다.




다이니마(Dyneema)

강한 실을 의미하는 다이니마
고강력 폴리에틸렌섬유는 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra High MolecularWeight PE/UHMWPE)섬유 등으로 부르기도 한다.
네덜란드의 DSM사는 1979년 세계 최초로 SS-PE의 특허를 등록한 후 상당 기간의 실용화 연구를 계속하여 젤방사법을 개발하고
상품명을 다이니마로 하여 시험생산 단계를 거친 후 1990년에야 500t/year 규모의 상업생산에 들어갔다.
다이니마라는 이름은 라틴어로 강한 실 을 의미한다.
DSM의 생산능력은 그 후 꾸준히 늘어나 1997년에는 1500t/year, 2001년에는 2,600t/year로 증가되었으며
2003년에는 생산능력을 3,200t/year로 증설할 계획을 발표했다.
한편 일본의 토요보사는 DSM사의 특허를 기반으로 하는 기술제휴 협약을 체결하여 공동개발에 참여한 결과
DSM사보다 빠른 1988년에 500t/year의 생산능력을 확보하여 같은 상품명인 다이니마로 출시했으며
2003년에는 생산설비의 2배 증설 계획을 발표했다.
미국의 AlliedSignal사도 DSM사로부터 특허라이센스를 받아 비슷한 시기에 스펙트라라는 상품명으로 출시했다
(AlliedSignal은 1999년 Honeywell Performance Fibers에 합병).
따라서 현재 고강력 폴리에틸렌섬유 메이커는 원조 개발자인 네덜란드의 DSM사(다이니마),
DSM 특허를 상용화한 일본의 토요보사(다이니마) 및 미국의 Honeywell Performance Fibers사(스펙트라)등 3개 회사이다.

다이니마의 특징은

첫째)로 밀도가 1.0g/cm3 이하이므로 매우 가볍고 특히 물을 흡수하지 않고 물에 뜰 수 있다는 것이다.
그에 추가하여 고강도 타입인 SK-71은 전술한 바와 같이 40g/d ( g/d : 섬유중량이 1g일때 1데니어, d로 표기)정도의
높은 강도이기 때문에 큰 선박을 예인하여 이동하는 로프, 선박의 해안 계류용 로프, 요트의 돛 등에 최적이다.
또한 음파 등 파동의 전달성이 우수하여 고기가 낚싯줄에 걸렸을 때의 촉감이 양호해지기 때문에 낚싯줄로 사용되어
대단한 호평을 받고 있다.
수중에서 길이가 변하지 않는 특성 때문에 최근에는 어군탐지기를 사용하는 하이테크 낚시 어로 작업에도 사용되어
어군이 발견된 먼 거리의 위치까지 낚싯줄을 정확히 내리는 데 고성능을 발휘한다.

둘째)는 굴곡성 고분자이지만 고강도이며 4% 전후의 신도(끊어질 때까지의 신장률)를 가지고 있기 때문에 제직이나
제편의 등의 후공정에서 작업이 용이해진다.
또한 고강도와 신도의 균형이 양호하여 내충격성이 우수하기 때문에 방호소재, 내충격소재나 보강소재로 적합하다
(광섬유 케이블 보강소재, 항공우주용 복합재료, 차량용 방탄재료, 방탄조끼, 방검복, 방호장갑, 헬멧, 전기코드 등에 사용).

셋째)는 화학적으로 안정하여 폭넓은 내약품성을 가지며 자외선에 대한 내광성도 우수하여 수중이나 야외 사용에도
물성의 열화가 일어나지 않고 내마모성이 강한 특성은 다른 슈퍼섬유에 비해 유리한 특성이다
(골프장 네트, 기중기용 밧줄, 공사장 방호네트, 등산 배낭, 선수용 운동복, 송풍용 파이프관 등에 사용).

넷째)는 범용 폴리에틸렌에 비하면 내열성이나 치수안정성이 훨씬 높으나 타 슈퍼섬유에 비해서 융점이 낮은 것은
결정적 약점이다.
그러나 온도 가 올라가면 오히려 수축하는 매우 특이한 성질을 가지고 있다.
이러한 특성을 이용하여, 온도가 올라가면 팽창하는 정상적 물성의 재료와 혼성된 복합재료를 만들면,
목적하는 바의 복합재료의 온도 특성을 원하는 대로 조정할 수 있게 되며 이는 재료설계에 매우 유리한 수단을 제공한다.
이러한 특성은 초전도 코일(coil)용의 보빈 제조에 사용되고 있다.
다섯째는 유전상수(dielectric constant)가 낮아 레이더에 잡히지 않는 복합재료제조에 적합하여
군사목적의 스텔스용 복합재료에 사용된다는 것이다.




폴리우레탄(Polyurethane)

폴리우레탄은 고무의 탄성과 금속의 내구성을 가진 독특한 물질로 분자내에 우레탄결합 -OCONH-를 갖는 고분자화합물의 총칭이다.
제 2차 세계대전중에 합성섬유 페를론 U로서 처음 독일에서 만들어졌는데 알코올기(基) OH와 이소시안산기 NCO의 결합으로 우레탄결합이 만들어 진다.
합성섬유(合成纖維)로 만들어지는 것은 탄성섬유(彈性纖維) 스판덱스로 페를론 U와 우레탄고무의 중간이라고도 할 수 있다.

폴리우레탄의 특징

폴리우레탄은 고무보다 강한 마찰 강도와 장력을 가지고 더 높은 물체의 하중을 견딘다.
또한 플라스틱에 비교하여 충격에 강하고 쉽게 마모되지 않으며 탄성이 좋다.
우레탄은 슬리브 베어링, 톱니바퀴, 롤러와 다양한 다른 부분에서 금속을 대체하고 있는데 그 이유는 무게가 가볍고 소음이 적고
잘 마모되지 않도록 개발 되고 있기 때문이다.
기름, 용매, 유지, 지방, 가솔린에 뛰어난 저항력을 가지고 있으며 다른 일반적 고무보다 뛰어난 물체의 하중에 대한 저항을 가진다.
고무도 뛰어난 장력을 가지는데 1인치에 500~100lbs정도이다. 산소, 오존, 태양, 일반적 날씨에 뛰어난 저항력을 가지고 탄력이 좋고 내구성도 좋다.
딱딱한 우레탄은 제품의 소음을 줄일 수 있는곳에 기어로 사용되고 부드러운 우레탄은 뛰어난 소음과 진동 완화 효과로 고무를 대체하고 있다.
전기절연효과도 뛰어나고 열과 추위에도 강하기 때문에 드라이브벨트, 격판, 기계들을 쌓아두거나 금속판의 패드로 사용되기도 하고
전기선의 커버나 케이블작업의 부품으로도 많이 사용된다.




헤라크론(Heracron)

헤라크론은 고강력 아라미드 섬유로서 코오롱이 20년간의 연구끝에 국내 최초로 상용화에 성공한 신소재이다.
아라미드 섬유는 같은 무게의 강철보다 5배나 강도가 높으며 섭씨 500℃ 에서도 타지 않는 뛰어난 내열성을 지니고 있습니다.
또한 모든 화학 약품에 대해 강한 내약품성을 지니고 있는 현존하는 섬유 중 강한 고기능성 섬유소재이다.
철강을 대체하여 소재 경량화에 획기적인 기여를 하는 동시에 석면, 유리섬유 등 공해 유발 산업소재를 효과적으로 대체할 수 있다.








아라미드 섬유는 비슷한 무게의 강철보다 강도가 5배 이상 높고 500도 고열에서도 타지 않는 내열성과 어떤 화학 약품에도 녹지 않는 강한 내약품성을 지닌다.
아라미드 섬유는 가공이 편리해 고성능 타이어나 호스, 벨트, 광케이블 보강재 및 방탄소재, 브레이크 마찰재 등에 사용되고 있다.
현재 미국 듀폰과 일본 데이진만이 생산 기술을 가지고 있으며 코오롱이 헤라크론이라는 브랜드로 아라미드 시장에 가세했다.