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PBI: 소방관, 경찰, 그리고 시민들을 보호하는 폴리머 원단

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PBI: 소방관, 경찰, 그리고 시민들을 보호하는 폴리머 원단

심우주의 -270℃ 부터 대기권 재진입의 1,260℃에 이르기까지, 극한의 온도로부터 우주비행사를 보호하는 것은 미 항공우주국(NASA)의 유인우주비행 프로그램에 중요한 사항입니다. 우주왕복선과 캡슐은 필수적으로 상당한 수준의 단열 보호를 받지만, 우주비행사가 착용하는 우주복과 개인장비 역시 주의를 기울여야 하는 품목입니다. NASA는 우주선과 우주복을 비롯한 극한의 내열성을 요하는 다양한 영역에서 사용할 방염 소재를 개발하고 개선하는데 많은 노력을 기울여왔으며, 고온의 환경에서도 안정적인 폴리머의 첨단기술들에 계속 주목해왔습니다.

1950년대 후반 칼 마블 (Carl Marvel) 박사는 미 공군의 의뢰로 고온에서도 안정적인 폴리머의 제조를 연구하던 중 최초로 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 합성해냈습니다. 그는 허발트 포겔(Herward Vogel) 박사와 1961년에 PBI에 대한 추가적인 연구를 진행하면서 이 신소재가 탁월한 열안정성과 산화안정성을 가지게 될 것이라는 예상을 하였고, 이는 곧 현실이 됩니다. 1963년 NASA와 공군 소재연구소는 난연성과 열안정성을 갖춘 텍스타일 섬유로서의 PBI를 항공우주와 국방분야에 적용하기 위한 연구를 지원합니다.

 

PBI 섬유 (현미경 확대)

1967년 1월 27일, 아폴로 1호라는 명칭으로도 알려진 AS-204 미션의 첫 시험 비행을 위한 아폴로/새턴(Apollo/Saturn) 우주선의 발사대 연습 중, 사령선 012에서 플래시 화재가 발생하면서 우주비행사가 직면하는 화재 위험의 엄중함과 시급함이 극명하게 드러납니다. 세 명의 우주비행사 -머큐리(Murcury) 미션과 제미니(Gemini) 미션에도 참가했던 버질 I. 그리솜(Virgil I. Grissom) 중령, 제미니 프로그램 중 미국인 중 최초로 선외 활동을 했던 에드워드 H. 화이트(Edward H. White) 중령, 우주비행사로서의 첫 비행을 준비하고 있던 로저 B. 채피(Roger B. Chaffee) 소령- 이 이 비극적인 사고로 목숨을 잃습니다.

 

아폴로 1호 화재 사고

1967년 4월에 완성된 이 사건의 최종보고서는 사령선과 우주복에서 사용되는 가연성 물질의 양과 위치를 엄격하게 제한하고 통제하는 내용을 포함한 설계 수정을 구체적으로 권고합니다. NASA는 고성능 방염 소재에 대한 관심을 강화했는데, 이미 다년간의 연구 경험으로 친숙도가 높았기 때문에 PBI는 최초로 고려대상이 된 소재들 중 하나가 됩니다.

 

파트너십

NASA는 뉴욕의 셀라니즈 코퍼레이션(Celanese Corporation)과 계약을 맺고 우주복과 우주선에 사용할 PBI 원단들의 개발에 나섭니다. 셀라니즈의 엔지니어들은 PBI 섬유의 고온사용성에 기반하여 열과 화염에 저항성이 있는 PBI 원단을 개발합니다. PBI 폴리머로부터 만들어지는 PBI 섬유는 뛰어난 난연성, 융용점 없음, 화염 노출 후에도 유지되는 강도와 유연성과 같은 매우 바람직한 특성들을 보여주었습니다. PBI 섬유는 고온에 노출되었을 때도 온전함을 유지했으며 곰팡이, 마모, 화학물질에 대해서도 저항성이 있었습니다.

1970년대와 80년대에 PBI는 아폴로, 스카이랩을 비롯한 다수의 우주왕복선 미션에 사용되며 우주비행의 중요한 요소가 됩니다. 본래 의도된 적용영역이었던 우주비행사의 비행복에서부터 웨빙, 밧줄 등 내구성과 극한의 열적 허용성을 요구하는 다른 장비로 PBI의 사용은 점차 확대됩니다.

아폴로14호에서 사용되었던 우주복

By Mary Mark Ockerbloom – Own work, CC BY-SA 4.0,

 

제품의 결과

1978년, FIRES(소방관 통합대응장비 시스템 Firefighter Integrated Response Equipment System) 프로젝트*에서 당시에 막 개발된 PBI Gold 겉감 원단이 높은 평가를 받음에 따라 PBI는 미국에서 소방에 도입됩니다. 증가하는 수요에 대응하기 위해, 사우스캐롤라이나주 록힐(Rock Hill)에 건설된 전용 플랜트에서 1983에 PBI의 상업생산이 개시됩니다. 1986년에는 NASA 스핀오프(Spinoff)가 PBI 역사의 초기 이야기를 소개했으며, 마블 박사는 로널드 레이건 대통령으로부터 “국가 과학 훈장”을 받습니다.

 

PROJECT FIRES의 최종보고서

* 국제소방관협회(Inernational Association of Fire Fighters: IAFF)에서 개시한 이 프로젝트의 최종 보고서는 이후 NFPA 1971의 기반이 됩니다.

1986년 이래로 PBI는 군수와 민수 분야에서 적용영역을 늘려나가며 난연 소재 산업에서 뚜렷한 인지도와 명성을 쌓아갑니다. 2005년, 셀라니즈는 PBI 섬유와 폴리머 사업부문을 인터테크 그룹(The InterTech Group)이 소유한 PBI 퍼포먼스 프로덕트(PBI Performance Products, Inc.)에 매각합니다.

 

 제품의 역사와 미래에 대한 자부심을 가지고 있는 헌신적인 제조사에 의해 만들어지는 PBI섬유를 사용한 원단들은 소방, 모터 스포츠, 군, 산업계, 그리고 (여전히) 우주항공 등 다양한 영역에서 유명한 제품들이 됩니다. PBI 퍼포먼스 프로덕트는 이제 두 개의 뚜렷한 사업부문을 가지게 되었습니다. 본래의 주 사업영역이었던 난연 열저항성 섬유인 PBI, 그리고 폴리머 형태로 제공되는 PBI인 Celazole(셀라졸)입니다.

다양한 종류의 PBI 원단

 

l PBI 원단은 화재진압, 아크플래시 및 플래시 화재와 관련된 위험을 견뎌냅니다. 1992년, 경량의 PBI 원단이 전기작업자와 석유화학노동자용 난연보호복에 채택되었고 현재(2008년) 아프가니스탄과 이라크의 미 육군 대원들에게도 화염으로부터의 보호를 제공하고 있습니다. PBI 섬유는 자동차 브레이크 시스템이나 비행기 좌석의 화재확산 방지막으로 사용되고 있습니다.

l PBI Gold는 열저항성 PBI 섬유 40%와 고강도 파라아라미드 60%의 혼방으로서, 극도의 고온과 화염에 노출되더라도 수축하거나, 약해지거나, 탄화되어 부서지지 않습니다. PBI Gold는 소방관과 산업노동자에게 우수한 보호를 제공하며 모든 미국방화협회(NFPA)표준과 EN 469(소방관용 보호복의 유럽표준)의 요건들을 충족한다. 1994년에는 뉴욕시 소방본부(FDNY)가 검은색으로 제작된 PBI Gold 원단을 방화복에 사용하도록 명시하였습니다. 지난 10년간 PBI Gold는 유럽, 중동, 아시아, 오스트레일리아와 남 태평양 지역에서 주요 산업, 군, 도시 소방대들의 선택을 받으며 국제적으로도 성장했습니다.

 

PBI 방화복을 입은 FDNY 소속 소방관들

 

l PBI Matrix는 PBI Gold 원단에 고내구성·고강도 아라미드 필라멘트를 격자무늬로 넣는 “파워 그리드” 방식을 채택한 원단입니다. 불꽃과 열에 대한 우수한 보호성능은 유지하면서 마모와 찢어짐에 대한 저항성을 높였습니다. PBI Matrix는 2003년에 미국에서 상용화 되었으며 차세대 방화복용 원단으로 소개되었습니다. PBI Matrix는 이후 2008년이 유럽에서도 상용화 됩니다.

l PBI Triguard 원단은 PBI, Lenzing FR (렌징 FR), MicroTwaron(마이크로트와론) 혼방원단으로서 화염에 대한 보호, 착용감과 내구성을 목적으로 고안된 제품입니다. 이 고성능 원단은 미국 산업안전보건청(OSHA)과 NFPA 표준들을 충족하며 석유화학, 가스, 전기 및 산불진압, 특수임무, 모터스포츠 영역에 사용되도록 인증 받았습니다. PBI Triguard와 PBI Gold 니트 원단은 여러 주요 레이싱 경기에서 사용되고 있습니다.

l Celazole T-Series는 PBI와 폴리에테르에테르케톤(PEEK)을 혼합한 제품으로서 성형, 사출의 방식으로 활용할 수 있습니다.

l Celazole U-Series는 PBI의 고온 형태안정성, 강도, 화학저항성을 활용한 제품으로서 평면 패널 디스플레이나 반도체 웨이퍼 생산에 사용되는 기구의 부품으로 사용됩니다.

 

Celazole로 제조한 부품

 

PBI는 고온의 환경에서도 소재의 안정성이 요구되는 영역으로 적용 분야를 넓혀가고 있습니다. PBI는 에탄올 생산의 효율을 높이거나 천연가스에서 이산화탄소를 분리해내는 고온 분리막으로 개발되고 있으며, 수소 연료전지에서도 사용될 것입니다. 단섬유 형태의 PBI는 안전하고 효과적인 석면의 대체재로 활용되고 있습니다.

PBI는 NASA의 컨스텔레이션(Constellation) 프로그램을 통해 우주비행으로도 돌아올 것입니다. 아폴로와 스카이랩 미션에서 우주복에 쓰였던 만큼, NASA의 차세대 우주선에 사용될 아레스 I과 아레스 V 로켓의 모터 단열재로 사용하는 것이 검토되고 있습니다.

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원문: Polymer Fabric Protects Firefighters, Military, and Civilians | NASA Spinoff

PBI Gold®, PBI Matrix®, Celazole®은 PBI Performance Products, Inc. 의 등록상표이며, PBI Triguard는 PBI Performance Products, Inc.의 상표입니다.

Lenzing FR®은 Lenzing Fibers GmbH의 등록상표입니다.

MicroTwaron은 Teijin의 상표입니다.