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케블라

Kevlar
케블라
Ball-and-stick model of a single layer of the crystal structure
Aramid fiber2.jpg
이름
IUPAC 이름
폴리(아자네딜-1,4-페닐렌아자네딜테레프탈로일)[1]
식별자
켐스파이더
  • 없음.
특성.
[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n
달리 명시되지 않은 한 표준 상태(25°C[77°F], 100kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.

케블라(파라아라미드)[2]는 열에 강하고 강한 합성 섬유로, 노멕스나 테크노라와 같은 다른 아라미드와 관련이 있습니다.1965년 [3][2][4]DuPont의 Stephanie Kwolek에 의해 개발된 이 고강도 재료는 1970년대 초에 경주용 타이어의 강철 대체재로 상업적으로 처음 사용되었습니다.일반적으로 로프나 섬유 시트로 회전하여 사용할 수 있으며 복합 재료 구성요소의 성분으로 사용할 수 있습니다.

Kevlar는 높은 인장 강도 대 중량비 때문에 자전거 타이어, 경주용 돛에서부터 방탄 조끼에 이르기까지 많은 응용 분야를 가지고 있습니다. 이 측정치에 따르면 [2]강철보다 5배나 강합니다.그것은 또한 높은 충격에도 견딜 수 있는 현대의 행군용 드럼헤드를 만드는 데에도 사용된다.계류선 및 기타 수중 응용 프로그램에도 사용됩니다.

1970년대에 같은 화학구조의 Twaron이라고 불리는 비슷한 섬유가 Akzo에 의해 개발되었고, 1986년에 상업생산이 시작되었고, Twaron은 현재 Teijin에 [5][6]의해 제조되고 있다.

역사

케블라의 발명가 스테파니 쿨렉, 미국 화학자

Kevlar 브랜드인 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드(K29)는 미국 화학자 Stephanie Kwolek가 가솔린 부족을 예상하고 DuPont에서 일하는 동안 발명했습니다.1964년, 그녀의 그룹은 가볍지만 튼튼한 [7]타이어에 사용할 새로운 경량 강섬유를 찾기 시작했다.당시 그녀가 연구해 온 폴리머인 폴리페닐렌 테레프탈레이트나 [8]폴리벤자미드는 용액 속에 있는 동안 액정을 형성했는데,[7] 이것은 그 당시 그 폴리머들만의 독특한 것이었다.

용액은 "혼합 시 흐릿하고, 오팔레스 향이며, 점도가 낮습니다.그러나 Kwolek는 스피너렛을 작동시킨 기술자 Charles Smullen을 설득하여 그녀의 용액을 테스트했고, 나일론과 달리 섬유질이 손상되지 않았다는 것을 발견하고 놀랐다.그녀의 상사와 연구소장은 그녀의 발견의 중요성을 이해했고, 고분자 화학의 새로운 분야가 빠르게 생겨났다.1971년까지, 현대의 케블라는 [7]소개되었다.그러나 Kwolek는 Kevlar의 [9]응용 프로그램을 개발하는 데 그다지 관여하지 않았습니다.케블라 149는 1980년대에 [10]듀퐁의 제이콥 라히자니 박사에 의해 발명되었다.

생산.

케블라를 생성하는 1,4-페닐렌디아민(파라-페닐렌디아민)과 염화테레프탈로일의 반응

단량체 1,4-페닐렌디아민(파라-페닐렌디아민)과 염화테레프탈로일로부터 수용액으로 케블라를 합성하여 염산을 부산물로 한다.그 결과, 액정 거동이 발생하며, 기계적으로 폴리머 체인을 섬유 방향으로 끌어당깁니다.헥사메틸포스포라마이드(HMPA)는 처음에는 중합에 사용된 용매였으나 안전상의 이유로 DuPont는 N-메틸피롤리돈과 염화칼슘 용액으로 대체하였다.이 공정은 트와론 제작에서 아크조(위 참조)에 의해 특허를 받았기 때문에 특허전쟁이 이어졌다.[11]

케블라 생산은 농축된 황산을 사용하는데서 발생하는 어려움 때문에 비용이 많이 듭니다. 이 황산은 합성 및 [citation needed]회전하는 동안 수용성 고분자를 용액에 보관하는 데 필요합니다.

몇 가지 등급의 Kevlar를 사용할 수 있습니다.

  • Kevlar K-29 – 케이블, 석면 교체, 타이어 및 브레이크 라이닝과 같은 산업용 애플리케이션에 사용됩니다.
  • Kevlar K49 – 케이블 및 로프 제품에 사용되는 고모듈러스.
  • Kevlar K100 – 컬러 버전 Kevlar
  • Kevlar K119 – 고융도, 유연성 및 내피로성
  • Kevlar K129 – 탄도 어플리케이션용 고강도
  • Kevlar K149 – 탄도, 갑옷 및 항공우주[12][13] 분야에서 최고의 내구성을 발휘합니다.
  • Kevlar AP – K-29보다[14] 15 % 높은 인장 강도
  • Kevlar XP – 경량 레진과 KM2 및 섬유 조합[15]
  • Kevlar KM2 – 장갑 용도에[16] 적합한 향상된 탄도 저항성

햇빛의 자외선 성분은 UV 열화라고 알려진 문제인 케블라를 분해하고 분해하기 때문에 [17]햇빛을 차단하지 않고 야외에서 사용하는 경우는 거의 없습니다.

구조 및 속성

케블라의 분자 구조: 굵은 글씨는 단량체 단위를 나타내고, 점선은 수소 결합을 나타냅니다.

Kevlar가 회전할 때 생성되는 섬유는 인장 강도가 약 3,620 MPa([18]525,000 psi)이고 상대 밀도는 1.44(0.052 lb3/in)입니다.고분자는 많은 사슬간 결합에 의해 높은 강도를 가진다.이러한 분자간 수소 결합은 카르보닐기와 NH 중심 사이에 형성된다.추가적인 강도는 인접한 가닥 사이의 방향족 적층 상호작용에서 도출됩니다.이러한 상호작용은 일반적으로 초고분자 폴리에틸렌과 같은 다른 합성 고분자 및 섬유의 특성에 영향을 미치는 판데르발스 상호작용 및 체인 길이보다 케블라에 더 큰 영향을 미칩니다.소금 및 기타 특정 불순물, 특히 칼슘의 존재는 가닥의 상호작용을 방해할 수 있으며, 그 생산에 포함되지 않도록 주의를 기울여야 한다.케블라의 구조는 실크 [19]단백질과 같은 평면적인 시트 형태의 구조를 형성하는 경향이 있는 비교적 단단한 분자로 구성되어 있습니다.

열특성

Kevlar는 저온 온도(-320.8°F)까지 강도와 복원력을 유지합니다. 실제로 저온에서 약간 더 강합니다.고온에서 인장 강도는 즉시 약 10-20% 감소하며, 몇 시간 후에는 강도가 점차적으로 감소합니다.예를 들어 160°C(320°F)를 500시간 동안 지속하면 강도가 약 10% 감소하고 260°C(500°F)를 70시간 동안 지속하면 강도가 약 50%[20] 감소합니다.

적용들

과학

케블라는 열전도율이 낮고 서스펜션 용도로 다른 재료에 비해 강도가 높아 저온학 분야에서 자주 사용됩니다.상사성 물질에 대한 열 누출을 최소화하기 위해 상사성 소금 외피를 초전도 자석 맨드렐로부터 매달아 놓는 데 가장 많이 사용됩니다.또한 낮은 열 누출이 필요한 경우 서멀 스탠드오프 또는 구조 지지대로도 사용됩니다.

CERN의 NA48 실험에서 얇은 Kevlar 창을 사용하여 직경 192cm(76인치)에 가까운 기압의 용기로부터 진공 용기를 분리했습니다.유리창은 상당히 적은 양의 재료와 함께 진공 밀도를 제공합니다(방사선 [citation needed]길이의 0.3~0.4%에 불과합니다).

보호.

수류탄의 폭발을 흡수하는 데 사용되는 케블라 헬멧 조각

케블라는 전투용 헬멧, 탄도 마스크, 탄도 조끼와 같은 개인용 갑옷의 잘 알려진 구성요소이다.미군에 의해 사용되는 PASGT 헬멧과 조끼는 케블라를 건설의 핵심 부품으로 사용한다.다른 군사적인 용도로는 방탄 마스크와 장갑차 승무원을 보호하기 위해 사용되는 스폴 라이너 등이 있다.니미츠급 항공모함은 중요 지역에 케블라 보강재를 사용한다.민간 응용 프로그램에는 소방관이 착용하는 내열성 유니폼, 경찰관이 착용하는 신체 갑옷, 보안 [21]및 SWAT와 같은 경찰 전술 팀이 포함됩니다.

Kevlar는 절단, 찰과상 및 열로부터 사용자를 보호하기 위해 설계된 장갑, 소매, 재킷, 챕 및 기타 의류[22] 물품을 제조하는 데 사용됩니다.케블라 기반 보호장비는 기존 [21]소재의 동급 장비보다 훨씬 가볍고 얇은 경우가 많습니다.

케블라는 경주용 카누로 매우 인기 있는 재료입니다.

특히 어깨나 팔꿈치와 같은 패딩이 특징인 부위에서 오토바이 안전 의류에 사용됩니다.펜싱에서는 보호 재킷, 바지, 플라스틱 및 마스크의 턱받이에 사용됩니다.그것은 투우장에서 피카도르들의 말을 보호하는 패딩 덮개인 페토에 점점 더 많이 사용되고 있다.스피드 스케이팅 선수들은 또한 넘어지거나 충돌할 때 스케이트로 인한 잠재적 상처를 방지하기 위해 케블라 천의 밑단을 자주 착용한다.

스포츠

큐도, 즉 일본의 활쏘기에서는 활시위를 위해 더 비싼[23] 삼베의 대체품으로 사용될 수 있다.패러글라이더 서스펜션 [24]라인에 사용되는 주요 재료 중 하나입니다.일부 자전거 타이어의 이너 라이닝으로 사용되어 펑크를 방지합니다.탁구에서 케블라의 플라이는 바운스를 높이고 무게를 줄이기 위해 커스텀 플라이 블레이드 또는 패들에 추가됩니다.테니스 라켓은 때때로 케블라와 함께 매달려 있다.그것은 고성능 경주용 보트의 돛에 사용된다.

2013년, 기술의 진보로 나이키는 신발에 케블라를 처음으로 사용했다.그것은 신발 끈뿐만 아니라 앞쪽에 케블라를 사용함으로써 이전 버전의 농구화를 개량한 Elite II [25]시리즈를 출시했다.이는 케블라가 나일론을 약 30% 확장한 것에 비해 기존 나일론과는 달리 신발 끝의 탄력을 감소시키기 위해 수행되었습니다.이 범위의 신발은 르브론, 하이퍼덩크, 줌 고베 VII를 포함했다.하지만 이 신발은 농구화의 평균 가격보다 훨씬 높은 가격대로 출시되었습니다.그것은 또한 아디다스 F50 adiZero Prime 축구화를 위한 끈에도 사용되었다.

Continental AG를 포함한 몇몇 회사들은 [26]펑크로부터 보호하기 위해 케블라로 사이클 타이어를 제조하고 있다.

1984년 [27][circular reference]톰 리치가 사이클링을 도입한 접이식 비드 자전거 타이어는 경량화와 강도를 위해 강철 대신 케블라를 비드로 사용합니다.접이식 비드의 부작용은 소매 환경에서 사이클 타이어를 접어서 작은 상자에 넣을 때 진열하는 데 필요한 선반과 바닥 공간이 감소하는 것입니다.

음악

또한 Kevlar는 라우드스피커 콘, 특히 베이스 및 미드레인지 드라이브 [28]유닛에 유용한 음향 특성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌습니다.또한 Kevlar는 오디오 데이터 [29]전송에 사용되는 광케이블 등 광섬유 케이블에서 강도 부재로 사용되고 있습니다.

케블라는 현악기의 [30]활에 음향 코어로 사용할 수 있습니다.Kevlar의 물리적 특성은 활의 사용자에게 힘, 유연성 및 안정성을 제공합니다.현재까지 이런 활의 제조사는 [31]CodaBow뿐입니다.

케블라는 또한 현재 테일피스를 활로 [32]된 현악기의 엔드핀에 연결하는 테일코드(일명 테일피스 어저스터)의 재료로 사용되고 있습니다.

케블라는 때때로 행진하는 스네어 드럼의 재료로 사용된다.이것은 매우 높은 장력을 허용하여 보다 깨끗한 사운드를 제공합니다.보통 머리를 밀폐시키기 위해 케블라 위에 수지를 붓고 평평하게 부딪히는 표면을 만들기 위해 나일론 윗층이 있습니다.이것은 행진 스네어 드럼 헤드의 주요 유형 중 하나입니다.Remo의 Falam Slam 패치는 Kevlar로 만들어지며 비터가 [33]치는 베이스 드럼 헤드를 보강하는 데 사용됩니다.

케블라는 피브레이셀의 목관악 갈대에 사용된다.이 갈대들의 재료는 항공우주 재료의 복합체로 자연이 지팡이 갈대를 만드는 방식을 모방하도록 설계되었다.매우 단단하지만 흡음성이 뛰어난 케블라 섬유를 경량 수지 [34]제제로 현탁한다.

자동차

케블라는 때때로 자동차의 구조 부품, 특히 페라리 F40과 [35]같은 고부가가치 자동차에 사용된다.

잘게 썬 섬유는 브레이크 [36]패드의 석면 대체품으로 사용되어 왔다.케블러와 같은 아라미드는 석면 브레이크보다 공기 중의 섬유를 적게 방출하고 [37][38]석면과 관련된 발암성질을 가지고 있지 않습니다.

기타 용도

샌프란시스코 해변의 파이어포이
케블라 계류선

파이어 댄싱 소품용 심크는 케블라가 들어간 복합 소재로 만들어졌다.케블라는 그 자체로는 연료를 잘 흡수하지 못하기 때문에 섬유 유리나 면과 같은 다른 물질과 혼합된다.케블라의 높은 내열성으로 심지를 여러 번 재사용할 수 있습니다.

케블라는 때때로 붙지 않는 프라이팬에서 [39]테플론의 대용품으로 사용된다.

케블라 섬유는 폴리에틸렌 슬리브 내에서 평행하게 유지되는 로프와 케이블에 사용됩니다.케이블은 스코틀랜드 애버펠디의 다리와 같은 현수교에 사용되어 왔다.또한 콘크리트 냉각탑의 균열 안정화를 위해 원주 도포 후 균열을 막기 위한 장력을 가하여 사용되었습니다.Kevlar는 광섬유 케이블의 손상이나 구부러짐으로부터 케이블을 보호하기 위해 광섬유 케이블의 보호용 외피로 널리 사용되고 있습니다.이 어플리케이션에서 사용되는 경우 일반적으로 Parafil이라는 [40]상표명으로 알려져 있습니다.

케블라는 조지아 공과대학의 과학자들에 의해 전기를 생산하는 의류 실험을 위한 기초 섬유로 사용되었다.이것은 산화아연 나노와이어를 직물에 짜넣음으로써 이루어졌다.성공하면 새 직물은 [41]평방미터당 약 80밀리와트를 발생시킵니다.

케블라의 60,000 평방 피트 (5,6002 미터) 이상의 접이식 지붕은 1976년 하계 올림픽을 위한 몬트리올 올림픽 스타디움 디자인의 핵심 부분이었다.10년 늦게 완공되고 불과 10년 후인 1998년 5월 일련의 [42][43]문제 끝에 교체되는 등 큰 성공을 거두지 못했다.

케블라는 고무 벨로우즈 팽창 조인트 및 고무 호스의 보강층으로서 고온에서 사용 및 고강도로 사용될 수 있습니다.또한 날카로운 [44][45][46]물체에 대한 보호를 강화하기 위해 호스 어셈블리 외부에 사용되는 브레이드 레이어로도 사용됩니다.

일부 휴대폰(Motorola RAZR 패밀리, Motorola Droid Maxx, OnePlus 2 및 Pocophone F1)은 탄성 및 신호 [47]전송에 대한 간섭이 없기 때문에 탄소 섬유와 같은 다른 재료보다 Kevlar 백 플레이트를 사용합니다.

Kevlar 섬유/에폭시 매트릭스 복합 재료는 다른 [48]섬유에 비해 높은 비강도와 경량성으로 인해 해양 전류 터빈(MCT) 또는 풍력 터빈에 사용될 수 있습니다.

복합 재료

아라미드 섬유는 복합 재료 강화에 널리 사용되며, 탄소 섬유 및 유리 섬유와 함께 사용됩니다.고성능 복합 재료의 매트릭스는 보통 에폭시 수지입니다.F1 경주용 모노코크 차체, 헬리콥터 로터 블레이드, 테니스, 탁구, 배드민턴 및 스쿼시 라켓, 카약, 크리켓 배트, 필드 하키, 아이스 하키 및 라크로스 [49][50][51][52]스틱 등이 대표적인 응용 분야입니다.

케블라 149는 가장 강한 섬유이자 구조상 결정체이며 항공기 건설의 [53]특정 부분에 대한 대안이다.날개 앞쪽 가장자리는 하나의 용도이며, Kevlar는 새 충돌 시 탄소나 유리 섬유보다 깨지기 쉽습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크

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