아라미드 섬유(방향족 폴리아미드 섬유의 약자)는 탄소 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유(UHMWPE), 현무암 섬유와 함께 중국에서 개발 우선순위가 높은 4대 고성능 섬유 중 하나입니다. 일반 나일론과 마찬가지로 아라미드 섬유는 주 분자 사슬에 아미드 결합을 갖는 폴리아미드 섬유 계열에 속합니다. 주요 차이점은 결합 방식에 있습니다. 나일론의 아미드 결합은 지방족기에 연결된 반면, 아라미드는 벤젠 고리와 공액되어 있습니다. 이러한 특수 분자 구조는 아라미드 섬유에 매우 높은 축강도(>20cN/dtex)와 탄성률(>500GPa)을 부여하여 고급 케이블 보강재로 선호됩니다.
아라미드 섬유의 종류
아라미드 섬유주로 전방향족 폴리아미드 섬유와 헤테로고리 방향족 폴리아미드 섬유를 포함하며, 이는 다시 오르토아라미드, 파라아라미드(PPTA), 메타아라미드(PMTA)로 분류됩니다. 이 중 산업화된 것은 메타아라미드와 파라아라미드입니다. 분자 구조 관점에서 이 둘의 주요 차이점은 아미드 결합이 결합된 벤젠 고리 내 탄소 원자의 위치에 있습니다. 이러한 구조적 차이는 기계적 특성과 열 안정성에 상당한 차이를 초래합니다.
파라아라미드
파라아라미드 또는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)(PPTA)는 중국에서는 아라미드 1414라고도 알려져 있으며, 아미드 결합의 85% 이상이 방향족 고리에 직접 연결된 선형 고분자입니다. 가장 상업적으로 성공적인 파라아라미드 제품은 듀폰(DuPont)의 케블라(Kevlar®)와 테이진(Teijin)의 트와론(Twaron®)으로, 세계 시장을 장악하고 있습니다. 액정 고분자 방사 용액을 사용하여 생산된 최초의 섬유로, 고성능 합성 섬유의 새로운 시대를 열었습니다. 기계적 특성 측면에서 인장 강도는 3.0~3.6 GPa, 탄성 계수는 70~170 GPa, 파단 신율은 2~4%에 달합니다. 이러한 탁월한 특성은 광케이블 보강, 방탄 및 기타 분야에서 대체할 수 없는 이점을 제공합니다.
메타아라미드
메타아라미드, 또는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(PMTA)는 중국에서는 아라미드 1313으로 알려져 있으며, 대표적인 고온 내성 유기 섬유입니다. 이 섬유의 분자 구조는 메타페닐렌 고리를 연결하는 아미드기로 구성되어 있으며, 3차원 네트워크 구조에서 강력한 분자간 수소 결합으로 안정화된 지그재그 선형 사슬을 형성합니다. 이러한 구조는 섬유에 우수한 난연성, 열 안정성 및 내방사선성을 부여합니다. 대표적인 제품으로는 듀폰(DuPont)의 노멕스(Nomex®)가 있으며, 한계산소지수(LOI)는 28~32, 유리전이온도는 약 275°C, 연속사용온도는 200°C 이상으로 내화 케이블 및 고온 절연재에 널리 사용됩니다.
아라미드 섬유의 뛰어난 특성
아라미드 섬유는 초고강도, 고탄성률, 내열성, 내산성 및 내알칼리성, 경량성, 절연성, 내노화성, 긴 수명, 화학적 안정성, 연소 시 용융 입자 발생 없음, 무독성 가스 배출 등의 장점을 제공합니다. 케이블 적용 측면에서 파라아라미드는 내열성 면에서 메타아라미드보다 우수하며, -196°C에서 204°C까지의 연속 사용 온도 범위를 가지며 500°C에서도 분해나 용융이 발생하지 않습니다. 파라아라미드의 가장 주목할 만한 특성으로는 초고강도, 고탄성률, 내열성, 내화학성, 저밀도 등이 있습니다. 강도는 25g/dtex를 초과하며, 이는 고품질 강철의 5~6배, 유리 섬유의 3배, 고강도 나일론 산업용 원사의 2배에 달합니다. 또한, 탄성률은 강철이나 유리 섬유의 2~3배, 고강도 나일론의 10배에 달합니다. 강철 와이어보다 두 배나 튼튼하고 무게는 약 1/5에 불과해 광케이블, 해저 케이블 및 기타 고급 케이블 유형의 보강재로 사용하기에 특히 적합합니다.
아라미드 섬유의 기계적 특성
메타아라미드는 일반 폴리에스터, 면, 나일론보다 파단 강도가 높은 유연한 폴리머입니다. 높은 신장률, 부드러운 촉감, 우수한 방사성을 가지며, 다양한 데니어의 단섬유 또는 필라멘트로 생산될 수 있습니다. 표준 섬유 기계를 사용하여 직물 및 부직포로 방사하고 다양한 산업의 보호복 요구를 충족하도록 가공할 수 있습니다. 전기 절연 측면에서 메타아라미드는 난연성과 내열성이 뛰어납니다. LOI가 28 이상이면 화염에서 나온 후에도 더 이상 연소되지 않습니다. 난연성은 화학 구조 자체에 내재되어 있어 영구적인 난연성을 지니므로 세탁이나 장기간 사용으로 인한 성능 저하를 방지합니다. 메타아라미드는 뛰어난 열 안정성을 자랑하며, 205°C에서 연속 사용 가능하고 205°C 이상의 온도에서도 강도를 강력하게 유지합니다. 분해 온도가 높아 고온에서도 녹거나 떨어지지 않으며, 370°C 이상에서야 탄화되기 시작합니다. 이러한 특성으로 인해 이 제품은 고온 또는 내화 케이블의 절연 및 보강에 이상적입니다.
아라미드 섬유의 화학적 안정성
메타아라미드는 대부분의 화학물질과 농축 무기산에 대한 내성이 뛰어나지만, 농축 황산과 질산에는 민감합니다. 또한 실온에서 알칼리 내성이 우수합니다.
아라미드 섬유의 방사선 저항성
메타아라미드는 탁월한 내방사선성을 자랑합니다. 예를 들어, 1.2×10⁻² W/cm²의 자외선과 1.72×10⁸ rad의 감마선에 장시간 노출되어도 강도가 변하지 않습니다. 이러한 뛰어난 내방사선성으로 인해 원자력 발전소와 우주선에 사용되는 케이블에 특히 적합합니다.
아라미드 섬유의 내구성
메타아라미드는 뛰어난 내마모성과 내화학성을 자랑합니다. 국내산 메타아라미드로 제작된 원단은 100회 세탁 후에도 원래 인열 강도의 85% 이상을 유지합니다. 케이블 분야에서 이러한 내구성은 장기적인 기계적 및 전기적 성능 안정성을 보장합니다.
아라미드 섬유의 응용 분야
아라미드 섬유는 우수한 기계적 물성, 고온 저항성, 그리고 화학적 안정성으로 인해 중국의 항공우주, 자동차, 전기기계, 건설, 스포츠 산업 등에서 널리 사용되고 있습니다. 미래 고성능 산업 발전을 위한 핵심 소재로 여겨지고 있습니다. 특히, 아라미드는 통신 광케이블, 전력 케이블, 고온 케이블, 해저 케이블, 특수 케이블 분야에서 대체 불가능한 역할을 수행하고 있습니다.
항공우주 및 군사 분야
아라미드 섬유는 밀도가 낮고 강도가 높으며 내식성이 우수합니다. 로켓 모터 케이싱이나 광대역 레이돔 구조와 같은 항공우주 비행체의 구조 부품에 널리 사용됩니다. 아라미드 복합 소재는 뛰어난 내충격성과 전자파 투과성을 자랑하여 항공기 중량을 크게 줄이고 안전성을 향상시킵니다. 방위 산업에서는 방탄조끼, 헬멧, 방폭 용기 등에 사용되어 차세대 경량 군용 방호복의 주요 소재로 자리매김하고 있습니다.
건설 및 운송 분야
건설 산업에서 아라미드 섬유는 경량성, 유연성, 그리고 내부식성으로 인해 구조 보강 및 교량 케이블 시스템에 사용됩니다. 특히 불규칙한 구조물의 보강에 효과적입니다. 운송 산업에서는 자동차 및 항공기용 타이어 코드 직물에 아라미드가 사용됩니다. 아라미드 강화 타이어는 고강도, 내펑크성, 내열성, 그리고 긴 수명을 제공하여 현대 고속 차량 및 항공기의 성능 요건을 충족합니다.
전기, 전자 및 케이블 산업
아라미드 섬유는 특히 전기, 전자, 전선 및 케이블 제조 부문에서 두드러지게 활용되며, 특히 다음과 같은 분야에서 활용됩니다.
광케이블의 인장재: 높은 인장 강도와 탄성률을 지닌 아라미드 섬유는 통신 광케이블의 인장재 역할을 하며, 섬세한 광섬유가 장력에 의해 변형되는 것을 방지하고 안정적인 신호 전송을 보장합니다.
케이블 보강재: 특수 케이블, 해저 케이블, 전력 케이블 및 고온 내열 케이블에서 아라미드는 일반적으로 중앙 보강재 또는 외장층으로 사용됩니다. 금속 보강재와 비교하여 아라미드는 더 낮은 무게로 뛰어난 강도를 제공하여 케이블 인장 강도와 기계적 안정성을 크게 향상시킵니다.
절연성 및 난연성: 아라미드 복합재는 뛰어난 유전적 및 열적 안정성을 가지고 있습니다. 케이블 절연층, 난연성 재킷, 그리고 할로겐프리 저연성 외장재에 널리 사용됩니다. 아라미드 종이는 절연 바니시를 함침시킨 후 천연 운모와 결합하여 고온 내열 모터 및 변압기에 사용됩니다.
내화성 및 철도 운송 케이블: 아라미드 섬유는 고유한 내화성과 내열성을 갖추고 있어 안전 기준이 엄격한 선박용 케이블, 철도 운송 케이블, 핵 등급 내화 케이블에 사용하기에 이상적입니다.
EMC 및 경량화: 아라미드는 뛰어난 전자기적 투명성과 낮은 유전율로 인해 EMI 차폐층, 레이더 레이돔, 광전자 통합 구성 요소에 적합하여 전자기적 적합성을 개선하고 시스템 중량을 줄이는 데 도움이 됩니다.
기타 응용 프로그램
아라미드 섬유는 높은 방향족 고리 함량으로 인해 탁월한 화학적 안정성과 내식성을 제공하여 해양 로프, 석유 시추 케이블, 혹독한 환경의 가공 송전 광케이블에 적합합니다. 또한 고급 스포츠 장비, 보호 장비, 자동차 브레이크 패드 등에 널리 사용되고 있으며, 밀봉 및 단열 용도, 단열 패널, 기타 밀봉 부품에서 석면의 친환경적 대안으로 점점 더 많이 채택되고 있어 성능과 환경 안전성을 모두 보장합니다.
게시 시간: 2025년 7월 31일