케블라 섬유의 구조, 특징, 용도 간단 정리

오늘은 방탄소재로 잘 알려진 케블라 섬유의 구조, 특징, 용도에 대해 알아보겠습니다. 케블라는 미국 듀폰사의 아라미드(Aramid) 소재의 브랜드명이에요. 아라미드(Aramid)란 Aromatic amide의 줄임말인데, 말 그대로 폴리 아미드 (polyamide) 소재인데 벤젠고리 같은 aromatic 구조에 베이스를 둔 폴리 아미드 입니다.  

케블라 섬유의 합성 과정과 모양

 

본격적인 내용에 다루기에 앞서 방탄조끼에 대한 기사를 소개하겠습니다 . 꼭읽어보세요!

[추억저장소] RAIN모자·방탄조끼…시대를 '뒷서간' 비의 '깡' 패션

 

1. 케블라 섬유의 특징

 

케블라 섬유의 장점

1)     유기 고분자 소재 특유의 가벼움 (약 1.44 g/ml의 밀도)

-케블라는 탄화수소 구조이기 때문에 원자량이 큰 금속 소재들보다 훨씬 가볍습니다.

 

2)     매우 질기고 튼튼한 물성 (3,500 MPa 이상의 인장 강도 (Tensile strength))

-방향족 (aromatic) 구조와 강력한 수소결합에 베이스를 두기 때문에 매우 강력한 물성을 자랑 합니다.

 

3)     열적 안정성 (섭씨 300도 이상에서 안정)

-방향족 (aromatic) 구조와 강한 수소결합 덕분에 고분자간 인력이 강해 내열성도 우수합니다. 사실상 녹는점이 존재하지 않고 녹기 전에 타버립니다.

 

4)     내화학성

-위와 같은 이유로 강한 고분자 사슬간 인력에 의해 잘 용해되지 않고 내화학성이 우수합니다.

 

케블라 섬유의 단점

1)     물에 젖으면 강도가 약해짐 (방수처리 필요)

-물에 젖으면 표면이 잘 미끄러지기 때문에, 제 기능을 할 수 없다고 합니다. 그래서 방수처리를 필수로 해야합니다.   

 

2)     가공하기 힘듦

-케블라는 고분자 사슬간의 인력이 매우 강해요 그래서 용매에 용해되기 어렵습니다. 그러므로 용매 내에서 합성 중에 충분히 반응이 진행되어 높은 분자량을 얻기 전에 용매에서 석출됩니다. (사실상 올리고머입니다.). 용매에 잘 용해되지 않기 떄문에 가공시에 황산 (H2SO4) 같은 강산에 용해시켜 가공해야 합니다. 따라서 가공 조건이 다소 위험하고 가공 장비 또한 부식에 강해야 하기 때문에 가공 비용이 많이 드는 편입니다.

 

3)     자외선에 분해 (별도의 코팅 필요)

-구조적 특성상 자외선인 UV에 분해될 수 있어서 겉감으로 사용하는 것에는 문제가 있다고 합니다.

 

4)     높은 가격

-케블라는 매우 고가입니다. 원재료 가격상으로는 비쌀 이유가 없지만. 위에서 언급한 바와 같이 가공이 매우 힘들기 떄문에 가공하는데 많은 비용이 들어서 가격이 매우 고가입니다. 거기다 방수처리도 하려면 정말 많은 비용이 필요합니다.

 

2. 구조적 특이성

케블라는 구조적으로 매우 특이합니다. 바로 주사슬이 결합각이 180도인 파라 (para) 구조로 연결되어 있다는 점입니다. 다시 말해서 벤젠 구조에서 일자로 뻗어 나갑니다. 그러므로 위의 그림처럼 고분자 사슬이 차곡차곡 쌓일 수 있게 되구요, 이들 사슬 사이에 벤젠 특유의 파이-파이 stacking 현상과 아마이드기 사이의 수소결합이 가세하면 매우 큰 인력이 생깁니다. 

 

이러한 현상 때문에 케블라는 액정 (liquid crystal) 현상을 갖습니다. 그래서 구조의 맨 끝단에 전하를 가지는 작용기를 달아주면 전하를 걸어주었을 때 원하는 방향으로 배치시킬 수도 있습니다. 케블라 특유의 우수한 물리적 특성은 이로 인한 것이죠. 하지만 이로 인해 가공하기 매우 어렵다는 단점이 있습니다.

 

 

3. 케블라의 응용

케블라 섬유는 특유의 강한 물성과 안정성 덕분에 방탄조끼, 내열 장갑, 낙하산줄 등 다양한 분야에서 응용하고 있습니다.

 

관련 포스팅

원자량과 질량수 어떻게 다를까?