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아라미드

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목차

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.

2. 용어 및 화학 구조

아라미드라는 용어는 '방향족 폴리아마이드'를 줄인 말이다. 1972년에 도입되었으며,[2] 1974년 미국 연방거래위원회에서 나일론과는 구별되는 섬유의 일반적인 범주로 인정받았다.[3][4]

'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,[4] 이러한 결합의 최소 85%가 두 개의 방향족 고리에 부착되어야 한다.[5] 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-아라미드'''는 1번과 4번 위치에 결합이 부착되고, '''메타-아라미드'''는 1번과 3번 위치에 결합이 부착된다.[6] 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.[18] 1973년, 듀폰은 파라 아라미드인 케블라(Kevlar)를 세계 최초로 상용화했다.[19]

Kevlar 브랜드 아라미드 로프


1970년대, 네덜란드의 아크조는 파라 아라미드인 타와론(Twaron)을 개발하였다. 1980년대에 아크조와 듀폰은 파라 아라미드 섬유 생산 공정 특허를 두고 분쟁을 벌였다.[19]

1980년대 초, 코오롱의 지원으로 한국과학기술연구원(KIST) 윤한식 박사팀이 독자적인 아라미드 섬유 개발에 성공, 미국, 영국, 일본, 독일 등 7개국에서 물질특허를 획득하였다.[19] 2022년, MIT에서 마이클 스트라노 교수팀이 멜라닌을 사용한 2차원 폴리아라미드계 고분자를 만드는 데 성공하였다.[19]

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.[6]

4. 1. 파라-아라미드 섬유



파라-아라미드 섬유
섬유명개발사특징최초 개발 시기
케블라(Kevlar)듀폰매우 높은 강도와 탄성 계수를 가짐.[7]1973년
테크노라(Technora)테이진PPD와 3,4-디아미노디페닐에테르(3,4-ODA)를 테레프탈로일 클로라이드(TCl)와 반응시켜 만든 공중합체.[12] 단 하나의 아미드 용매만을 사용하므로, 중합체 생산 후 바로 방사 가능.1976년
트와론(Twaron)아크조노벨(AkzoNobel) (이후 데이진 아라미드에 소유권 이전)케블라와 비슷한 화학 구조.[7]1978년
헤라크론(Heracron)코오롱


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.[7] 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.[7]

5. 생산

파라-아라미드는 일반적으로 아민기와 카르복실산 할로겐화물기 간의 반응으로 제조된다.[11] PPTA(''p''-페닐렌 테레프탈아미드)는 ''p''-페닐렌 디아민(PPD)과 테레프탈로일 디클로라이드(TDC 또는 TCl)의 생성물이다.[11]

PPTA 생산에는 ''N''-메틸 피롤리돈(NMP)과 염화칼슘(CaCl2)을 포함하는 공용매가 사용된다.[11] 아라미드 섬유는 용해된 고분자를 액체 화학 혼합물로부터 고체 섬유로 방사하여 생산된다.[11] PPTA 방사를 위한 고분자 용매는 일반적으로 100% 무수 황산(H2SO4)이다.[11]

2000년대 초반, 전 세계 파라-아라미드 생산 능력은 연간 41000ton 이상으로 추정되며, 매년 5~10%씩 증가하고 있다.[11]

6. 특성

아라미드는 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 다른 섬유와 높은 배향성을 공유하며, 이는 그 특성을 지배하는 특징이다.

2006년 6월 델프자일 항구에서 MV 본홀름호에 사용된 아라미드 앵커 로프

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.[13]

6. 2. 파라-아라미드의 특성


  • 파라-아라미드 섬유는 케블라(Kevlar) 및 트와론(Twaron)과 같이 뛰어난 강도 대 중량 특성을 제공한다.[13]
  • 높은 영률을 가진다.[13]
  • 높은 강도를 가진다.[13]
  • 낮은 크리프를 보인다.[13]
  • 낮은 파단 신율 (~3.5%)을 보인다.[13]
  • 염색이 어려워 일반적으로 용액 염색을 한다.[13]


7. 건강 문제

1990년대에 아라미드 섬유에 대한 ''생체 외 실험''에서 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.[8] 그러나 2009년에는 흡입된 아라미드 섬유가 짧아지고 신체에서 빠르게 제거되어 위험이 거의 없다는 연구 결과가 나왔다.[9] 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.[10]

8. 응용 분야



아라미드는 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.


  • 방염 및 방열 의류, 헬멧
  • 방탄복[14]: 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[15]
  • 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

참조

[1] 논문 Prospects of Aramid as a Substitute for Asbestos 1984
[2] 서적 Encyclopedic Dictionary of Polymers https://link.springe[...] Springer 2021-09-16
[3] 서적 Fairchild's dictionary of textiles http://archive.org/d[...] New York : Fairchild Publications 1979
[4] 간행물 Commercial Practices, Part 303, §303.7 Generic names and definitions for manufactured fibers. http://www.ecfr.gov/[...]
[5] 문서
[6] 문서
[7] 서적 Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology https://archive.org/[...] Springer 2006
[8] 논문 Effects of Aramid, a high Strength Synthetic Fiber, on Respiratory Cells in Vitro 1994-01-01
[9] 논문 The inhalation toxicology of p-aramid fibrils 2009-07-01
[10] 논문 Corrigendum: The inhalation toxicology of - aramid fibrils 2009-07-22
[11] 서적 High-Performance Structural Fibers for Advanced Polymer Matrix Composites http://books.nap.edu[...] The National Academies Press 2005
[12] 논문 A New Approach to High Modulus, High Tenacity Fibers http://www.jstage.js[...] 1987
[13] 논문 Textiles 2002
[14] 논문 High-performance fiber makers respond to demand from military and security users http://pubs.acs.org/[...] 2005
[15] 웹사이트 Aramid Cables https://fibremax.nl/[...]
[16] 논문 Prospects of Aramid as a Substitute for Asbestos 1984
[17] 간행물 Commercial Practices, Part 303, §303.7 Generic names and definitions for manufactured fibers. http://www.ecfr.gov/[...]
[18] 서적 Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology https://archive.org/[...] Springer 2006
[19] 저널 Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material https://www.nature.c[...] Nature 2022-02-02

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