아라미드 섬유는 방향족 폴리아미드 섬유의 줄임말로, 탄소 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유(UHMWPE), 현무암 섬유와 함께 중국에서 개발 우선 순위가 높은 4대 고성능 섬유 중 하나로 꼽힙니다. 일반 나일론과 마찬가지로 아라미드 섬유는 주 분자 사슬에 아미드 결합을 가진 폴리아미드 섬유 계열에 속합니다. 핵심적인 차이점은 결합 방식에 있습니다. 나일론의 아미드 결합은 지방족기와 연결되어 있는 반면, 아라미드의 아미드 결합은 벤젠 고리와 공액되어 있습니다. 이러한 특수한 분자 구조 덕분에 아라미드 섬유는 매우 높은 축 방향 강도(>20cN/dtex)와 탄성률(>500GPa)을 가지므로 고성능 케이블 보강재로 선호됩니다.
아라미드 섬유의 종류
아라미드 섬유주로 순수 방향족 폴리아미드 섬유와 헤테로고리 방향족 폴리아미드 섬유를 포함하며, 이는 다시 오르토-아라미드, 파라-아라미드(PPTA), 메타-아라미드(PMTA)로 분류될 수 있다. 이 중 메타-아라미드와 파라-아라미드가 산업화되었다. 분자 구조적 관점에서 이 둘의 주요 차이점은 아미드 결합이 연결된 벤젠 고리 내 탄소 원자의 위치에 있다. 이러한 구조적 차이는 기계적 특성과 열 안정성에 상당한 차이를 가져온다.
파라아라미드
파라아라미드(PPTA), 또는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)는 중국에서는 아라미드 1414로도 알려져 있으며, 아미드 결합의 85% 이상이 방향족 고리에 직접 연결된 선형 고분자입니다. 상업적으로 가장 성공적인 파라아라미드 제품으로는 듀폰의 케블라®와 테이진의 트와론®이 있으며, 이 두 제품이 세계 시장을 장악하고 있습니다. 파라아라미드는 액정 폴리머 방사법을 사용하여 생산된 최초의 섬유로, 고성능 합성 섬유의 새로운 시대를 열었습니다. 기계적 특성 면에서 인장 강도는 3.0~3.6 GPa, 탄성 계수는 70~170 GPa, 파단 신율은 2~4%에 달합니다. 이러한 탁월한 특성 덕분에 광케이블 보강, 방탄 보호 등 다양한 분야에서 대체 불가능한 이점을 제공합니다.
메타아라미드
메타아라미드 또는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(PMTA), 중국에서는 아라미드 1313으로도 알려진 이 소재는 고온 내성이 뛰어난 유기 섬유의 대표적인 소재입니다. 분자 구조는 아미드기가 메타페닐렌 고리를 연결하여 지그재그 형태의 선형 사슬을 형성하고, 강한 분자간 수소 결합으로 안정화된 3차원 네트워크를 이룹니다. 이러한 구조 덕분에 메타아라미드는 우수한 난연성, 열 안정성 및 방사선 저항성을 나타냅니다. 대표적인 제품으로는 듀폰의 노멕스(Nomex®)가 있으며, 산소 한계 지수(LOI)는 28~32, 유리 전이 온도는 약 275°C, 연속 사용 온도는 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 용융액 발생 없음, 무독성 가스 배출 등의 특성을 제공합니다. 케이블 적용 관점에서 파라아라미드는 메타아라미드보다 내열성이 우수하며, -196~204°C의 연속 사용 온도 범위에서 작동 가능하고 500°C에서도 분해되거나 녹지 않습니다. 파라아라미드의 가장 주목할 만한 특성은 초고강도, 고탄성률, 내열성, 내화학성, 저밀도입니다. 강도는 25g/dtex를 초과하는데, 이는 고품질 강철의 5~6배, 유리섬유의 3배, 고강도 나일론 산업용 섬유의 2배에 해당합니다. 탄성률은 강철이나 유리섬유의 2~3배, 고강도 나일론의 10배입니다. 이 소재는 강철 와이어보다 강도가 두 배나 높고 무게는 1/5밖에 되지 않아 광케이블, 해저 케이블 및 기타 고급 케이블 유형의 보강재로 사용하기에 특히 적합합니다.
아라미드 섬유의 기계적 특성
메타아라미드는 일반 폴리에스터, 면, 나일론보다 파괴 강도가 높은 유연한 고분자입니다. 높은 신장률, 부드러운 촉감, 우수한 방사성을 지니고 있으며, 다양한 데니어의 단섬유 또는 필라멘트로 생산할 수 있습니다. 표준 섬유 기계를 사용하여 직물 및 부직포로 방사할 수 있으며, 다양한 산업 분야의 보호복 요구 사항을 충족하도록 가공할 수 있습니다. 전기 절연 분야에서 메타아라미드는 뛰어난 난연성과 내열성을 자랑합니다. LOI가 28 이상으로 화염에서 벗어난 후에도 계속 타지 않습니다. 메타아라미드의 난연성은 화학 구조 자체에 내재되어 있어 세탁이나 장기간 사용에도 성능 저하 없이 영구적인 난연성을 유지합니다. 또한, 메타아라미드는 열 안정성이 뛰어나 205°C에서 연속 사용 가능하며, 205°C 이상의 온도에서도 강도를 강하게 유지합니다. 분해 온도가 높아 고온에서도 녹거나 흘러내리지 않으며, 370°C 이상에서야 탄화가 시작됩니다. 이러한 특성 덕분에 고온 또는 내화 케이블의 절연 및 보강재로 사용하기에 이상적입니다.
아라미드 섬유의 화학적 안정성
메타아라미드는 대부분의 화학물질과 고농도 무기산에 대한 내성이 뛰어나지만, 고농도 황산과 질산에는 민감합니다. 또한 상온에서 알칼리에 대한 내성도 우수합니다.
아라미드 섬유의 방사선 저항성
메타아라미드는 탁월한 방사선 저항성을 나타냅니다. 예를 들어, 1.2×10⁻² W/cm²의 자외선과 1.72×10⁸ rad의 감마선에 장시간 노출되어도 강도가 변하지 않습니다. 이러한 뛰어난 방사선 저항성 덕분에 원자력 발전소 및 우주선에 사용되는 케이블에 특히 적합합니다.
아라미드 섬유의 내구성
메타아라미드는 내마모성 및 내화학성 또한 뛰어납니다. 국내산 메타아라미드로 만든 직물은 100회 세탁 후에도 초기 인장 강도의 85% 이상을 유지합니다. 케이블 용도에서 이러한 내구성은 장기적인 기계적 및 전기적 성능 안정성을 보장합니다.
아라미드 섬유의 응용 분야
아라미드 섬유는 우수한 기계적 특성, 고온 저항성 및 화학적 안정성 덕분에 중국의 항공우주, 자동차, 전기기계, 건설 및 스포츠 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 고성능 산업의 미래 발전을 위한 핵심 소재로 여겨지고 있으며, 특히 통신 광케이블, 전력 케이블, 고온 내성 케이블, 해저 케이블 및 특수 케이블 분야에서 대체 불가능한 역할을 수행합니다.
항공우주 및 군사 분야
아라미드 섬유는 낮은 밀도, 높은 강도, 그리고 뛰어난 내식성을 특징으로 합니다. 로켓 엔진 케이스나 광대역 레이돔 구조물과 같은 항공우주 차량의 구조 부품에 널리 사용됩니다. 아라미드 복합재료는 탁월한 충격 저항성과 전자기파 투과성을 보여 항공기 중량을 크게 줄이고 안전성을 향상시킵니다. 방위 산업 분야에서는 방탄조끼, 헬멧, 방폭 용기 등에 사용되어 차세대 경량 군사 보호 장비의 핵심 소재로 주목받고 있습니다.
건설 및 운송 분야
건설 산업에서 아라미드 섬유는 경량성, 유연성 및 내식성 덕분에 구조물 보강재 및 교량 케이블 시스템에 사용됩니다. 특히 불규칙한 구조물을 보강하는 데 효과적입니다. 운송 분야에서는 자동차 및 항공기용 타이어 코드 직물에 아라미드가 적용됩니다. 아라미드 강화 타이어는 높은 강도, 내펑크성, 내열성 및 긴 수명을 제공하여 현대 고속 차량 및 항공기의 성능 요구 사항을 충족합니다.
전기, 전자 및 케이블 산업
아라미드 섬유는 특히 전기, 전자, 전선 및 케이블 제조 분야에서 두드러진 응용 분야를 가지고 있으며, 특히 다음과 같은 분야에서 활용됩니다.
광케이블의 인장 부재: 높은 인장 강도와 탄성 계수를 지닌 아라미드 섬유는 통신 광케이블의 인장 부재 역할을 하여, 섬세한 광섬유가 장력에 의해 변형되는 것을 방지하고 안정적인 신호 전송을 보장합니다.
케이블 보강: 특수 케이블, 해저 케이블, 전력 케이블 및 고온 내성 케이블에서 아라미드는 일반적으로 중심 보강 요소 또는 외장층으로 사용됩니다. 금속 보강재와 비교했을 때, 아라미드는 더 가벼운 무게로 우수한 강도를 제공하여 케이블의 인장 강도와 기계적 안정성을 크게 향상시킵니다.
절연성 및 난연성: 아라미드 복합재는 우수한 유전 안정성과 열 안정성을 지니고 있습니다. 케이블 절연층, 난연 재킷, 할로겐 프리 저연 피복재 등에 널리 사용됩니다. 아라미드 종이는 절연 바니시로 함침 처리 후 천연 운모와 결합하여 고온 내성 모터 및 변압기에 사용됩니다.
내화 및 철도 운송 케이블: 아라미드 섬유는 고유의 난연성 및 내열성을 지니고 있어 안전 기준이 엄격한 선박용 케이블, 철도 운송용 케이블, 원자력 발전소용 내화 케이블에 사용하기에 이상적입니다.
EMC 및 경량화: 아라미드는 뛰어난 전자기 투과성과 낮은 유전 상수 덕분에 EMI 차폐층, 레이더 레이돔, 광전자 집적 부품에 적합하여 전자기 호환성을 향상시키고 시스템 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.
기타 응용 프로그램
아라미드 섬유는 방향족 고리 함량이 높아 화학적 안정성과 내식성이 뛰어나 해양 로프, 석유 시추 케이블, 가공 송전 광케이블 등 극한 환경에서도 사용하기에 적합합니다. 또한 고급 스포츠 장비, 보호 장비, 자동차 브레이크 패드에도 널리 사용되며, 밀봉 및 절연 용도, 단열 패널, 기타 밀봉 부품 분야에서 석면을 대체하는 친환경 소재로 채택이 증가하고 있어 성능과 환경 안전성을 모두 보장합니다.
게시 시간: 2025년 7월 31일