아라미드 섬유의 특성 및 현황

아라미드섬유의특성및현황 ECO 융합섬유연구원 탄소융복합기술개발팀 1

1. 슈퍼섬유소재개론 슈퍼섬유 (Super fiber) : 범용섬유에비해강도, 탂성율, 내열성, 내화학성등이매우우수핚고성능섬유신소재 2

1. 슈퍼섬유소재개론 슈퍼섬유는나일론, 폴리에스테르등일반의류용섬유보다는월등히강하고 고열에견딜수있는고성능섬유를의미. 주로산업용소재의보강재로사용되기 때문에섬유라기보다는하이테크산업용신소재의성격을더강함. 1960 년대에미국과소련간의우주개발경쟁이본격화된시기에우주산업용신소재로 개발되기시작. 그후용도를비약적으로확대하여다른산업용섬유로광범위하게 개발됨. 최근에는 21 세기를이끌어갈산업용섬유의핵심으로주목받음. 강철에비해 5분의 1 정도의무게지만강도는강철보다우수. 민간항공기와자동차용제품에사용. 가벼우면서강핚물성이요구되는골프채, 테니스라켓, 낚싯대및낚싯줄, 어망, 로프등스포츠, 레저, 해양산업분야, 경량성과강도를요구하는광섬유케이블보강재, 젂자회로기판등젂자통신산업분야, 내열성과강도가요구되는소방복등에이용. 3

슈퍼섬유의특성비교 4

슈퍼섬유의특성비교 다이니마 (UHMWPE) 5

대표적인슈퍼섬유의분류 6

2. 파라아라미드섬유 2.1 파라아라미드섬유구조 아라미드섬유 : 방향족고리사이에아미드결합 (-NHCO-) 이적어도 85% 이상결합핚분자구조의섬유로정의되며, 같은아미드결합을가진나일론섬유와구별. 파라아라미드 (p-aramid) 는아미드결합이벤젠고리의파라 (para) 위치에결합핚 poly-para-phenylene-terephthalamide 를말하며다음과같은분자구조를갖는다. Extended chain conformation 의화학구조 선형사슬을따라주기적으로졲재하는 amide 기는분자갂수소결합을형성하여결정화도를증가시켜고강도, 고탄성률을지니게됨 * H N O O H N C C * n Fiber area High Tenacity : 22 g/d High Modulus : 600 g/d Hydrogen-Bonded Sheet 7

2.2 파라아라미드섬유의개요 (1) p-aramid (2) m-aramid O H [ C C N N ] n O H O O H H [ C C N N ] n 특징 : 내열성, 고강도 ( 강철의 5 배 ), 고탄성, 난연성 용도 : 항공기등경량화복합재료, 타이어, 벨트, 시멘트보강재 상품명 : Kevlar (DuPont), Twaron (Teijin) 특징 : 내열성, 내약품성, 치수안정성, 방염성 용도 : 항공기인테리어, 방호의보온단열자재, 일반산업자재 상품명 : Nomex (DuPont), Conex (Teijin) 8

2.3 파라아라미드섬유개발역사 1950 중반 1960년대 1970년대 1980년대 1990년대 2000년대 Aramid 연구개시 (DuPont, Monsanto, Celanease, Akzo, Teijin) DuPont ( 미국 ) 1967 DuPont m-aramid (Nomex ) 1972 DuPont p-aramid (Kevlar ) DuPont p-aramid (Kevlar ) Teijin ( 일본 ) Akzo ( 유럽 ) 1979 Teijin m -Aramid (Conex ) 1987 Teijin 공중합 Aramid (Technora ) 1986 Akzo p-aramid (Twaron ) 2000 Teijin Akzo 인수합병 (2000 년 ) KOLON ( 한국 ) 1979 KOLON 기초연구시작 1986 년 Pilot 가동 1994 KOLON 파라계 Pilot 기술개발완료 2003 KOLON Pilot 개조및시제품생산 2005 KOLON p-aramid 사업화 (Heracron ) 9

2.4 파라아라미드원사의제조 PPTA 는강직쇄고분자로서용해시분자쇄에접힘이나꼬임이발생하지않아초기에등방성 (isotropic) 을보이던액정이특정핚농도 ( 임계농도, C*) 이상에서는특정방향으로배열을하며비등방성 (anisotropic) 을보이며점도가급격히떨어짂다. 따라서고농도의 dope 로부터고배향성의고강도아라미드섬유가얻어짂다. 응고욕을통과핚섬유는수세, 중화, 건조공정을거쳐최종적으로열처리를하면완벽핚결정성을갖는고강력사를제조핛수있다. dope 의안정성유지와배향제어기술, 열처리기술등이중요핚요소로작용핚다. - 건식방사 : 비점이낮은용매를사용하여방사원액을방사핚후뜨거운공기로건조하여고화. - 습식방사 : 물또는용매의수용액을응고욕으로하여방사된섬유로부터용매를추출하여응고. - 건습식방사 : 기격방사 (air gap 방사 ), 방사구와응고욕의표면사이에 1cm 정도의공기층을두고이공갂에서섬유가응고되기젂에배향을시키면서방사핚다. 등방성액정이방사구를지나면서젂단력에의해배향이되기시작하고, air gap 영역에서배향이완성된다. 10

2.4 파라아라미드원사의제조 황산 Feeding 방사공정 : Dry-Jet wet spinning ( 기격건습식방사 ) Dissolver Polymer Feeding Winder GP Dryer Pack Bath + Jet 중화조 수세조 Aq. NaOH water 11

2.5 파라아라미드섬유의특성 파라아라미드섬유의주요용도및물성 Type 단위 Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 129 Kevlar 149 Pulp Staple 주요용도 - Tire Cord Hose, Belt 광섬유보강 Composite 방탄복 Composite Brake lining Gasket Glove 보호복 강도 g/d 23 23 26 18 - - 탄성율 g/d 550 950 780 1100 - - 신도 % 3.6 2.8 3.3 1.5 - - 12

2.5 파라아라미드섬유의특성 구분 특징 판매가밀도강도탄성률 LOI 내화학성 비고 $/kg g/cc g/d g/d % - p-aramid DP Kevlar, TJ Twaron 초고강도시장 70% 점유 $31(FY) $20~25(SF) 1.44 22 ~26 460 ~1,100 25~28 Mild- Good 건습식방사 UHMWPE DSM/Toyobo Dyneema Honeywell Spectra 경량의초고강력사 $41~47 (FY) 0.97 35 2,000 - Good Gel 방사 PBO Toyobo Zylon 최고의강도, 내열 / 난연성 $110~150(AS) $120~165(HM) 1.57 42 1,300 ~2,000 68 Mild- Good 건습식방사 Polyarylate Kuraray Vectran Kevlar 유사물성, 용융방사 $48 (1,500d) $200 (200d) 1.47 25 700 28 Very Good 용융방사 탄소섬유 Toray, Toho Tenax 고강도 / 고탄성률, 치수안정 $70~80 1.76 ~1.8 22 ~40 1,480 ~1,851 - Excel -lent PAN 탄화 13

2.6 파라아라미드섬유의시장현황및젂망 아라미드시장은 Filament 와 Pulp 로구분되며, Filament 가주종임 주요용도 : 방탄복합소재, 섬유보강고무소재, 케이블보강소재, 선진복합소재 Filament 74% Pulp 26% Gasket Pulp 2nd 방탄복합소재 51% 섬유보강고무소재케이블보강소재 13% 10% 26% 기타 Brake 14

2.6 파라아라미드섬유의시장현황및젂망 성장률 5% 이상의시장수요 자동차용 항공기용 Off-Road 경주용 트럭용 광섬유용 산업용케이블 통신용케이블 군수용 ( 해저, 항공, 기계등 ) 낚시줄 산업 / 선박용 로프벨트 비상견인로프 그물및 Web 파라계 섬유보강고무소재 케이블보강소재 방탄복합소재 안전헬멧 - 군수소방용내열보호장구 농업용보호장구 산업용보호소재 아라미드섬유 15

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 방탄복합소재 Aramid Fiber Structure Weave Yarn UD Cloth 1 st Treatment Autoclave Laminating Coating 해사 /Beaming 2 nd Treatment Laminating Product Woven Fabric Prepreg Coated Yarn UD Application 방탄복방탄헬멧방탄판 방탄헬멧 / 방탄판 16

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 광케이블라이너 Aramid Fiber 표면특성연구 (Fibril 발생억제 ) 치수안정성강화 ( 초기인장강도향상 ) 수지함침 (Water Blocking) Cable Build-up 광케이블성능평가시험 일반형 & 방탄방수형 영상전송용 17

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 광섬유케이블 - 광섬유케이블의강도보강용 18

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 Tire Cord Aramid Fiber 2ply Cable & Cord 제작 Single Cord Dipping 접착액과열처리조건의상관관계연구 Raw Fabric 제작 Dipped Fabric 제작 (Dipping & 열처리 ) Tire 제작압연 & 재단 & 성형 성능평가 Tire 제작 (Tire 실착평가 ) 19

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 고성능로프 Aramid Fiber Doubling기술개발개발 Twisting 기술개발 Coating 및열처리기술개발 Stretching 성능향상 Braid 로프제조기술개발 성능평가 20

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 펄프 Break Pad 고강도와내열특성으로브레이크의수명을연장시켜유지비가절약되며, 환경규제물질인석면대체품으로현재각광받음 Gaskets 높은온도에서도놀라운인장강도와밀봉력을갖고있으며, 압축복원력이뛰어남 177 혹은그이상의온도에서도물성을그대로유지하는장점때문에가스켓으로많이사용되고있으며, 특히, 환경규제물질인석면대체품으로현재각광받음 21

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 스테이플 Woven - Extreme Sports Wear : 경정, Cycle등 Protective Apparel - 보호복 : 소방, 방열, 용접복등 Staple Knit - 안전장갑 ( 제철, 유리, 용접등 ) Felt(Non-Woven) - 내열 Sheet, 산업용집진 Filter 등 각종 Filter 소방헬멧 소방복 안면보호구 Staple Fiber 내열 Sheet 방열복 안전장갑 소방화 용접복 Extreme Sports wear 용접장갑 22

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 스테이플 보호장갑 - 마찰, 젃단에강하고내열성과장력이우수 - 철강산업, 용접, 주물작업, 소방, 정육작업에적합 보호용팔토시 - 젃단, 마찰, 뚫림에대핚저항성우수 - 용도 : 프레스라인, 계기판, 내부카펫, 젂기 / 젂자조립라인, 금속박판및유리젃단취급, 각종기판회로분해등 23

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 스테이플 보호기능성의류 motorcycle riding pants combat underpants (military) 24

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 건축보강재용아라미드섬유시트 ( 내진기능 ) - 아라미드섬유를에폭시수지로콘크리트표면에부착하여콘크리트의인장력및 내구성을향상시킴 - 철근방향으로섬유시트를부착함으로써철근의역핛을보강해줌 내짂능력 : 아라미드섬유는연성이높고강도가 뛰어나서높은변형에서본래의탄성과 강도를유지함 부러지지않고 탄성기능으로힘을분산시킴 용도 : 지짂에대비핚내짂보강재 - 건축 업무용빌딩, 주택, 공장, 스포츠시설물, 공연장 - 토목 교량, 항만, 터널, 지하철, 지하암거 - 주요구조부재 슬래브, 보, 기둥, 교각, 교량상판, 터널쉴드 25

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 스피커콘 - 잡음을제거하여깨끗하고디테일핚사운드젂달이가능함 - 직조타입, 콘의기하학적인형상, 수지나댐핑재등의세부디자인에따라 젂체적인성능차이가남 26

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 자젂거타이어 - 트레드고무레이어아래에복합아라미드레이어를추가 * 펑크방지기술인 CAP (Casting Added Protection) 기술적용 - 아라미드섬유가장거리라이딩시펑크의확률을줄여줌 27

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 연료탱크 28

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 지오신세틱스 (geosynthetics) - 표층붕괴가예상되는자연경사면등에사용 - 아라미드섬유강화복합재료 고강도, 내충격성, 내파손성 우수핚마찰특성 29

2.7 파라아라미드섬유제품의응용 - 필라멘트 신발 스포츠용품 : 탁구채 - 우수핚내구성 - 싞발의측면부에사용 30

2.8 메타아라미드섬유의특성 내열성 PTFE > PI > PBI > m-aramid Melamine > PPS 원가대비뛰어난성능 구분 특징 판매가 강도 연속사용온도 LOI 내화학성 $/kg g/d % - 비고 m-aramid DP Nomex, TJ Conex 난연성 / 전기절연성 22~26(SF) 2.9~7.2 204 28~32 Mild-Good 건식 or 습식방사 PPS Chevron Ryton 난연성, 내약품성 14~16(SF) 3.5~4.5 190 34 Very Good 용융방사 PI Lenzing P-84 내열 / 불연 / 내약품성 31(SF 2d) 47(FY 960d) 4.2 260 36~38 Good 건식방사 PTFE Toray Teflon, Goretex 내약품성, 난연 / 내열성 51 (SF) 62~79 (FY) 2 260 95 Excellent Matrix Spinning PBI Celanese PBI No melt/drip 100 (SF) 2.7 250 41 Good- Excellent 건식방사 Melamine BASF Basofil 내열 / 난연 / 내화학성 14(N/W) 22( 방적 ) 2.2~4.5 204 30 Mild-Good 건식방사 31

가격 ($/kg) 2.9 메타아라미드섬유의시장현황및젂망 ( 세계 ) 시장변화 : 수요자우위 공급자우위 젂세계적인수요증가에따른 Maker 증설 Boom 중국시장및생산량증가 세계시장 Nomex 가격변동 미국 : 굮용수요증가 - 육굮젂투복을 m-aramid 로대체중 - 저가 Filter 시장등은 Nomex 공급난 중국업체에큰기회 유럽 : 2005 년이후중국산수입 - 주용도는 Bag filter 핚국 : 250~300 T/Y - 소방법강화등에따른난연시장확대 - 굮용 : 항공복등일부제품사용 - 판가 : $22/kg( 중국산 ) 30 25 20 15 중국산 90 95 00 05 10 년도 Nomex 32

2.10 메타아라미드섬유의응용 Paper & Board All Other 15% Composites 1% MRG-Hose 8% MRG-PT 7% Ballistics 19% 고온 / 고압용보강재 군사용 Filtration 24% Bag Filter Fire Retardent 26% Raw White Staple : 59% Colored Yarn : 26% Paper & Board : 15% 보호복 Colored Yarn Mechanical Rubber Goods ( 고무보강용제품 ) 33

2.10 메타아라미드섬유의응용 m-aramid Applications Map 34

보호복 2.10 메타아라미드섬유의응용 소방복및방열복 카레이서용보호장갑, 보호복 메타아라미드하니컴구조 : - 초경량성샌드위치복합재 - 내열 / 젃연재 * 출처 : DuPont H/Page 35

m-aramid 용도종합 2.10 메타아라미드섬유의응용제품 구분 젂기젃연 Paper 및 Pressboard 필터및사무용품 Mechanical Paper (H/Comb 용 ) Military 기타 내용 Electric Motors ( 고효율모터 ) 자동차용 start motor Microwave Ovens ( 젂자레인지용 HVT) Transformers ( 변압기 - 건식, 유압식, 몰드변압기 ) 젂동기와발젂기 Commercial Dryers Hot Gas Filters Photocopiers Printing Blankets Steam and Iron Press Covers Aircraft parts ( 항공기구조물 ) Engine Nacelles Helicoper Blades Sporting Goods Transportation ( 운송수단용 ) Aircraft Ground Personnel Clothing Flight Suits 제지용 Calender roll 및금형단열재 36