케블라

케블라(Kevlar®; poly paraphenylene terephthalamide)는 1960년대 듀퐁(DuPont)사가 개발한 방향족 폴리아마이드(polyamide; aramide) 섬유이다. 1,4-다이아미노벤젠(1,4-diaminobenzene; p-diaminophenylene)과 1,4-벤젠다이카복실산(1,4-benzenedicarboxylic acid; terephthalic acid)가 축합 반응을 하여 형성하는 중합체이다. 케블라는 많은 제품의 재료로 사용되는 상업적으로 중요한 고분자 섬유 가운데 하나이다.

케블라를 발명한 듀퐁사의 화학자 스테파니 퀄렉(Stephanie Kwolek; 1923-2014)이 분자 모형을 들고 있는 모습. 퀄렉은 튜퐁사에서 40여년간 재직하였고 1965년 케블라의 모태가 되는 고분자를 처음으로 개발하였다. (출처: GettyimagesKorea)

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케블라는 나일론 6,6(nylon 6,6)과 같은 종류의 폴리아마이드인데, 나일론6,6과 다른 점은 벤젠 고리가 중합체 사슬에 삽입되어 있는 방향족 폴리아마이드라는 점이다. 방향족 고리가 고분자 사슬에 첨가됨으로써 고분자의 물리적 강도가 크게 증가하였다. 케블라 섬유는 같은 무게의 강철보다 다섯 배나 강도가 더 크다고 알려졌다.

케블라 사슬의 구조 (출처:대한화학회)

무게는 가볍지만 강력한 케블라 고분자 섬유는 여러 제품의 재료로 사용된다. 강도가 큰 성질을 이용하여 군인들의 방탄 헬멧과 가벼운 성질을 활용하는 방탄복의 재료가 우리에게 많이 알려진 사용처이다. 그 외에도 자동차 부품, 고급 스키 재료, 화성 탐사선과 아메리카 컵 요트 대회에서 사용된 밧줄등의 재료가 되었다. 또한, 고온에 잘 견디는 성질을 이용하여 소방관들의 옷을 제조하는 재료가 된다.

케블라는 저온에서도 부수어지거나 깨지지 않고 그 강력한 특성을 잘 유지하며, 여러 종류의 용매에 의해 부식되는 경향이 거의 없다고 알려졌다. 자외선에 의해 표면이 조금 상하기는 하지만 그 특성에는 영향을 거의 미치지 않는다.

이와 같은 케블라의 성질은 폴리아마이드 사슬이 서로 수소 결합으로 연결되기 때문이라고 설명한다. 사슬들이 연결되어 긴 줄이 아닌 마치 종이 같은 얇은 면을 형성함으로써 케블라의 여러 가지 물리적 특성을 나타낸다고 한다.

케블라 섬유의 미세 구조. 수소결합으로 사슬들이 서로 연결되어있다. (출처:대한화학회)

Organic Chemistry 2nd edition, Janice Gorzynski Smith.

Organic Chemistry Sixth Eedition, Paula Yurkanis Bruice.