슈퍼 섬유로 알려진 케블라 섬유는 인간이 만들어낸 가장 질긴 섬유는 1972년 미국 듀폰사가 개발한 케블라(Kevlar)입니다. 머리카락보다 가는 섬유지만 인장강도는 강철에 비해서 10 배나 강한 섬유로 슈퍼섬유라고 불리고 있습니다. 슈퍼 섬유 답게 섭씨 500도가 넘는 고열에도 견디는 성질이 있으며 진동을 흡수하는 능력도 뛰어난 특성으로 총알도 막아주는 방탄복의 재료로도 사용하고 있습니다. 아래 글에서 슈퍼 섬유로 불리는 케블라 섬유의 장점과 단점및 원리와 구조 케블라 섬유 가격에 대해서 알아보겠습니다.
케블라 섬유의 장점
강하고 가벼운 특성
케블라 섬유는 유기 고분자 소재의 특성인 가벼운 특성이 있으며 약 1.44 g/ml의 밀도이며 케블라는 탄화수소 구조이기 때문에 원자량이 큰 금속 소재들에 비해서 상당히 가벼운 특징이 있습니다. 케블라 섬유는 매우 질기고 튼튼한 물성 3,500 MPa 이상의 인장 강도 (Tensile strength)가 있습니다. 또한 방향족 구조와 매우 강한 수소 결합에 베이스를 두기 때문에 매우 강력한 특성이 있습니다.
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섭씨 300도 이상에서 안정
케블라 섬유는 상당히 안정적인 결합으로 섭씨 300도 이상의 온도에서도 안정적인 모습을 보이는데 방향족 구조와 강한 수소결합 덕분에 고분자간 인력이 강해서 열에 견디는 성질이 매우 우수한 특성이 있습니다. 녹는점이 존재하지 않고 녹기 전에 불타 버리는 특성이 있습니다. 이런 다양한 성질로 인해서 강한 고분자 사슬간 인력에 의해 잘 용해되지 않고 내화학성이 상당히 우수한 특성이 있습니다.
케블라 섬유 단점
물에 약함
케블라 섬유는 물에 젖으면 강도가 약해지는 특성이 있기 때문에 방수처리가 필요합니다. 물에 젖으면 표면이 잘 미끄러지기 때문에 특유의 기능을 할 수 없기 때문에 방수처리를 필수로 해야 합니다. 고분자 사슬간의 결합이 상당히 강한 특성이 있기 때문에 용매에 용해되기 어렵습니다. 따라서 용매 내에서 합성 중에 충분히 반응이 진행되어 높은 분자량을 얻기 전에 용매에서 석출 되는 특성이 있습니다. 용매에 잘 용해되지 않기 떄문에 가공할 때 황산같은 강산에 용해시켜 가공해야 합니다. 따라서 가공 조건이 위험하고 가공 장비 또한 부식에 강해야 하기 때문에 가공 비용이 많이 필요합니다.
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높은 가격과 자외선에 약함
케블라 섬유의 경우 구조적 특성상 자외선인 UV에 분해될 수 있어서 옷의 겉감으로 사용하는 것에는 문제가 있습니다. 특히 케블라는 매우 비싼 금액의 섬유 입니다. 원재료 가격으로는 그렇게 비싸지 않지만 케블라 섬유는 가공이 매우 힘들기 떄문에 가공하는데 많은 비용이 들어서 가격이 매우 고가라고 할 수 있습니다. 방수 처리까지 하면서 많은 비용이 필요한 섬유 입니다.
케블라 섬유 원리와 구조
섬유의 특징을 가지고 있으면서도 가벼우면서도 나일론이나 PET보다 훨씬 질기고 튼튼한 게 구조를 가지고 있으며 신도와 강도가 거의 탄소섬유와 필적할 정도로 우수한 성질이 있습니다. 케블라 섬유의 원리와 구조를 살펴보신다면 철과 같은 무거운 원소보다는 탄소, 질소, 수소, 산소와 같은 가벼운 유기 고분자로 이루어졌음에도 철보다 5배 이상 강합니다. 그러면서도 무게는 플라스틱 정도밖에 되지 않는 것이 케블라 섬유의 특징입니다. 여기에 내화성 또한 강한 섬유이며 또한 마찰에 강하며 일반적인 가위로는 절단이 불가능 할 정도 입니다. 물에 젖으면 강도가 눈에 띄게 줄어들기 때문에 판매되는 케블라 상품에는 별도의 방수처리가 되어 있으며 이런 구조는 면 방향에서 가해지는 충격에 대해서는 넓은 각도까지 충격을 흡수할 수 있는 특성이 있습니다.
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케블라 섬유 용도
케블라 섬유는 강력한 내충격성으로 인해서 군사적 용도로 폭넓게 사용되고 있으며 그중 대표적인 것이 방탄모와 방탄복으로 사용되고 있습니다. 마찬가지 이유로 오토바이 헬멧처럼 생명을 지켜야 하는 다양한 내충격 장비로 사용되며 시설에 주요 보강재로 들어가기도 합니다. 자물쇠등 다른 용도로도 많이 사용되며 실, 스테이플, 펄프, 직물 등의 형태로, 단독생산은 물론 다른 고분자 물질과 결합하여, 또는 건축/토목용 시멘트의 보강재로도 사용되고 있습니다. 상당한 내구성이 요구되는 항공기 타이어 등 산업 보강재로도 널리 사용되고 있습니다. 특수한 용도로 우퍼 같은 스피커 유닛으로 쓰이기도 하며 스마트폰의 외관 또는 케이스에도 적용되고 있는 추세입니다. 끊어지면 반탄력으로 튕겨나가며 치명적인 인명사고를 일으키는 나일론 홋줄을 대체하고 있습니다.
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수퍼섬유 케블라 섬유 장점,단점,원리,구조,용도,가격 마무리
아라미드 섬유의 경우에 개발 자체가 듀폰 에서 개발한 섬유 였기 때문에 과거에는 전세계적으로 듀폰 사가 시장을 독점하다시피 하고 있을 정도로 높은 시장 점유율을 보였습니다. 하지만 2019년 이후로는 테크노라와 트와론을 생산하는 테이진에게 시장 점유율 1위 자리를 내놓은 상황 입니다.
우리나라에서도 효성그룹, 코오롱그룹에서 생산하고 있으며 코오롱 그룹의 헤라크론 파라아라미드는 현재 시장 점유율 3위 정도의 지위를 가진 것으로 알려져 있는 우수한 섬유 입니다. 어려운 가공공정을 거치면서 가격도 상당히 비싸고 용도 역시 많은 곳이 사용되고 있는 섬유 입니다.
케블라라는 이름은 상표이므로, 상업적 매체에서 케블라를 텍스트로 언급하는 경우 Kevlar®라고 등록상표 표기를 해야 하며 케블라 섬유는 특유의 강한 물성과 안정성 으로 인해서 용도는 방탄조끼, 내열 장갑, 낙하산줄 등 꼭 필요한 곳 다양한 분야에서 응용하여 사용하고 있습니다.