아라미드
1. 개요
아라미드는 '방향족 폴리아마이드'를 줄인 말로, 아미드 결합이 두 개의 벤젠 고리에 직접 연결된 구조를 가진 합성 섬유이다. 아라미드는 결합 위치에 따라 파라-아라미드와 메타-아라미드로 나뉘며, 듀폰의 노멕스, 케블라, 테이진의 트와론 등이 대표적이다. 아라미드는 높은 강도, 내열성, 내마모성, 화학적 안정성 등의 특징을 가지며, 방호복, 타이어, 로프, 복합 재료 등 다양한 분야에서 활용된다.
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물질 -
절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다. -
물질 -
물질파
물질파는 모든 물질이 파동의 성질을 가진다는 드브로이 가설에서 시작되어, 운동량을 가진 물질은 특정 파장을 가지며, 실험적 증거와 이론적 설명을 통해 확립되어 전자현미경 등 다양한 분야에 응용되는 미시세계의 필수 개념이다. -
유기 고분자 -
케블라
케블라는 듀폰이 개발한 고강도 아라미드 섬유로, 강철보다 강하고 내열성, 내화학성이 뛰어나 방탄복 등에 사용되지만 자외선에 약하고 가공이 어려운 단점이 있으며, 테이진, 코오롱 등의 경쟁 제품이 있다. -
유기 고분자 -
스티로폼
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라우토카
라우토카는 피지 비치레부섬 서부에 위치한 피지에서 두 번째로 큰 도시이자 서부 지방의 행정 중심지로, 사탕수수 산업이 발달하여 "설탕 도시"로 알려져 있으며, 인도에서 온 계약 노동자들의 거주와 미 해군 기지 건설의 역사를 가지고 있고, 피지 산업 생산의 상당 부분을 담당하는 주요 기관들이 위치해 있다. -
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코코넛
코코넛은 코코넛 야자나무의 열매로 식용 및 유지로 사용되며, 조리되지 않은 과육은 100g당 354kcal의 열량을 내는 다양한 영양 성분으로 구성되어 있고, 코코넛 파우더의 식이섬유는 대부분 불용성 식이섬유인 셀룰로오스이며, 태국 일부 지역에서는 코코넛 수확에 훈련된 원숭이를 이용하는 동물 학대 문제가 있다.
2. 용어 및 화학 구조
아라미드라는 용어는 '방향족 폴리아마이드'를 줄인 말이다. 1972년에 도입되었으며, 1974년 미국 연방거래위원회에서 나일론과는 구별되는 섬유의 일반적인 범주로 인정받았다.
'방향족'은 6개의 탄소 원자로 구성된 방향족 고리가 있음을 뜻한다. 아라미드에서 이러한 고리는 각각 CO기가 NH기에 부착된 아미드 결합을 통해 연결된다.
아라미드의 FTC 정의를 충족하려면, 이러한 결합의 최소 85%가 두 개의 방향족 고리에 부착되어야 한다. 85% 미만일 경우 해당 재료는 나일론으로 분류된다.
아라미드는 결합이 고리에 부착되는 위치에 따라 두 가지 주요 유형으로 나뉜다. 고리 주위에 탄소 원자 번호를 순차적으로 매기면, 파라-아라미드는 1번과 4번 위치에 결합이 부착되고, 메타-아라미드는 1번과 3번 위치에 결합이 부착된다. 즉, 부착 지점은 파라-아라미드에서 서로 정반대 위치에 있고, 메타-아라미드에서는 두 개의 원자 간 거리에 있다.
3. 역사
1960년대 초, 미국의 화학기업 듀폰이 메타 아라미드인 노멕스(Nomex)를 발명하였다. 1973년, 듀폰은 파라 아라미드인 케블라(Kevlar)를 세계 최초로 상용화했다.
1970년대, 네덜란드의 아크조는 파라 아라미드인 타와론(Twaron)을 개발하였다. 1980년대에 아크조와 듀폰은 파라 아라미드 섬유 생산 공정 특허를 두고 분쟁을 벌였다.
1980년대 초, 코오롱의 지원으로 한국과학기술연구원(KIST) 윤한식 박사팀이 독자적인 아라미드 섬유 개발에 성공, 미국, 영국, 일본, 독일 등 7개국에서 물질특허를 획득하였다. 2022년, MIT에서 마이클 스트라노 교수팀이 멜라닌을 사용한 2차원 폴리아라미드계 고분자를 만드는 데 성공하였다.
4. 종류
아라미드는 결합이 고리에 부착되는 위치에 따라 파라-아라미드와 메타-아라미드 두 가지 주요 유형으로 나뉜다. 파라-아라미드는 1번과 4번 위치에 결합이 부착되고, 메타-아라미드는 1번과 3번 위치에 결합이 부착된다.
4.1. 파라-아라미드 섬유
4.2. 메타-아라미드 섬유
듀폰에서 개발한 메타-아라미드 섬유인 노멕스(Nomex)는 일반적인 섬유 의류처럼 취급되며, 일반적인 산소 농도에서는 녹거나 불이 붙지 않아 내열성이 뛰어나다. 이러한 특성 덕분에 방호복, 공기 여과, 단열재, 전기 절연재 생산 및 석면 대체재로 널리 사용된다.
데이진 아라미드(Teijin Aramid)에서는 테이진코넥스(Teijinconex)라는 상표로 네덜란드와 일본에서 메타-아라미드를 생산한다.
5. 생산
파라-아라미드는 일반적으로 아민기와 카르복실산 할로겐화물기 간의 반응으로 제조된다. PPTA(p-페닐렌 테레프탈아미드)는 p-페닐렌 디아민(PPD)과 테레프탈로일 디클로라이드(TDC 또는 TCl)의 생성물이다.
PPTA 생산에는 N-메틸 피롤리돈(NMP)과 염화칼슘(CaCl2)을 포함하는 공용매가 사용된다. 아라미드 섬유는 용해된 고분자를 액체 화학 혼합물로부터 고체 섬유로 방사하여 생산된다. PPTA 방사를 위한 고분자 용매는 일반적으로 100% 무수 황산(H2SO4)이다.
2000년대 초반, 전 세계 파라-아라미드 생산 능력은 연간 41000ton 이상으로 추정되며, 매년 5~10%씩 증가하고 있다.
6. 특성
아라미드는 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 다른 섬유와 높은 배향성을 공유하며, 이는 그 특성을 지배하는 특징이다.
6.1. 일반적인 특성
* 마모에 대한 저항성이 우수하다.
* 유기 용제에 대한 저항성이 우수하다.
* 비전도성이다.
* 융점이 매우 높다(>500°C).
* 인화성이 낮다.
* 고온에서 직물 무결성이 우수하다.
* 산과 염에 민감하다.
* 자외선 복사에 민감하다.
* 마감 처리를 하지 않으면 정전기가 축적되기 쉽다.
6.2. 파라-아라미드의 특성
* 파라-아라미드 섬유는 케블라(Kevlar) 및 트와론(Twaron)과 같이 뛰어난 강도 대 중량 특성을 제공한다.
* 높은 영률을 가진다.
* 높은 강도를 가진다.
* 낮은 크리프를 보인다.
* 낮은 파단 신율 (~3.5%)을 보인다.
* 염색이 어려워 일반적으로 용액 염색을 한다.
7. 건강 문제
1990년대에 아라미드 섬유에 대한 생체 외 실험에서 아라미드 섬유가 "DNA에 방사성 동위원소로 표지된 뉴클레오타이드의 통합 증가 및 ODC(오르니틴 탈카르복실화 효소) 효소 활성 유도를 포함하여 석면과 동일한 효과를 상피 세포에 나타냈다"는 것이 밝혀져 발암성 가능성이 제기되었다. 그러나 2009년에는 흡입된 아라미드 섬유가 짧아지고 신체에서 빠르게 제거되어 위험이 거의 없다는 연구 결과가 나왔다. 이후 연구 저자는 "이 검토는 듀폰과 데이진 아라미드의 의뢰 및 자금 지원을 받았지만, 논문의 내용과 작성에 대한 책임은 저자에게만 있다."고 밝히며 이해 관계를 정정했다.
8. 응용 분야
아라미드는 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.
* 방염 및 방열 의류, 헬멧
* 방탄복: 폴리에틸렌 기반 섬유 제품 (Dyneema, Spectra 등)과 경쟁 (한국의 진보적 관점에서, 방탄복 기술 발전은 국방력 강화에 기여할 수 있음)
* 복합 재료
* 석면 대체재 (예: 브레이크 라이닝)
* 고온 공기 여과 섬유
* 타이어 (최근에는 Sulfron(황 변성 Twaron))
* 기계적 고무 제품 보강재
* 로프 및 케이블
* V-벨트 (자동차, 기계, 장비 등)
* 파이어 댄싱용 심지
* 광섬유 케이블 시스템
* 돛 (경주용 보트 돛 제외)
* 스포츠 용품
* 드럼 헤드
* 윈드 악기 리드 (예: Fibracell 브랜드)
* 스피커 다이어프램
* 보트 선체 재료
* 섬유 보강 콘크리트
* 강화 열가소성 파이프
* 테니스 줄 (예: Ashaway 및 Prince 테니스 회사)
* 하키 스틱 (일반적으로 나무 및 탄소 등과 혼합)
* 스노우보드
* 제트 엔진 인클로저
* 낚시 릴 드래그 시스템
* 아스팔트 보강재
* 암벽 등반가용 프루지크 (마찰로 인해 녹을 수 있음)
* 스노우보드 코어 보강재