KR101408922B1

KR101408922B1 - 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물 및 이를 이용하여 제조된 케이블

Info

Publication number: KR101408922B1
Application number: KR1020100030232A
Authority: KR
Inventors: 김윤진; 고창모; 남진호; 조호숙; 박영호
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2014-06-17
Also published as: EP2436014A4; WO2011122742A1; US20120000694A1; KR20110110928A; EP2436014A1; EP2436014B1; CN102812521B; US8648257B2; CN102812521A

Abstract

본 발명은 가교 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여, 표면개질된 나노크기의 정육면체형 산화마그네슘 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 절연 재료 조성물로부터 형성된 절연체를 구비하는 직류용 전력 케이블은 상승된 부피비 저항과 우수한 공간전하 저감 효과를 갖는다.

Description

직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물 및 이를 이용하여 제조된 케이블{Insulation Material Composition For DC Power Cable And The DC Power Cable Using The Same}

본 발명은 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 절연 재료 조성물로부터 형성된 절연체는 해저 케이블 등의 고압 직류 송전 선로에 매우 적합한 직류용 전력 케이블로 이용될 수 있다.

현재 국내에서 사용되고 있는 전력 케이블은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 도체(1)를 중심으로 내부 반도전층(2), 절연층(3), 외부 반도전층(4), 납(lead) 시스층(5) 및 폴리에틸렌(PE) 시스층(6)으로 이루어져 있다.

종래부터 전력 케이블을 구성하는 절연층(3)으로서 폴리에틸렌과 가교(架橋) 폴리에틸렌이 널리 사용되어 왔다. 그런데, 폴리에틸렌 혹은 가교 폴리에틸렌 등에 의해 제조된 절연체를 포함하는 전력 케이블을 고압 송전선으로 사용할 경우 몇 가지 문제점을 발생시킨다. 그 중 최대의 문제점은, 케이블에 직류 고전압이 인가(印加)될 때 절연체에 전극으로부터의 전하 주입 및 가교 부산물의 영향으로 공간전하(space charge)가 형성되기 용이하다는 것이다. 그리고, 전력 케이블에 인가된 직류전압에 의해 폴리에틸렌 절연체 내에 이와 같은 공간전하가 축적되면, 전력 케이블의 도체 근방의 전계강도가 상승하므로 케이블의 파괴전압이 저하되는 문제점이 생긴다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 산화마그네슘을 포함하여 절연체를 제조하려는 방안이 제시되었다. 상기 산화마그네슘은 기본적으로 면심입방구조(FCC)의 결정 구조를 갖지만 합성 방법에 따라 다양한 형태, 순도, 결정화도, 물성을 가질 수 있다. 상기의 산화마그네슘의 형태는, 도 2a 내지 도 2e에서 표시한 바와 같이 정육면체형(Cubic), 적층형(Terrace), 막대형(Rod), 다공성(Porous), 구형(Spherical)으로 구분되며, 각각의 특이한 물성에 따라 다양하게 이용된다. 상기 산화마그네슘의 형태 중에서, 구형 산화마그네슘은 일본 특허 제2541034호 및 제3430875호에서 제시된 바와 같이 전력 케이블의 공간전하를 억제하기 위하여 사용된다. 이와 같이, 폴리에틸렌 혹은 가교 폴리에틸렌 등에 의해 제조된 절연체를 구비하는 전력 케이블에서 공간전하를 억제하려는 방법은 지금도 지속적으로 연구되고 있다.

본 발명의 기술적 과제는 우수한 공간전하 저감 효과를 갖는 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물은 가교 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여, 표면 개질된 나노 크기의 정육면체형 산화마그네슘 0.5 내지 5 중량부를 포함한다.

본 발명의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조한 절연체를 구비하는 직류용 전력 케이블은 상승된 부피비 저항과 우수한 공간전하의 저감 효과를 갖는다.

본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상의 이해를 돕기 위한 것이므로, 본 발명은 아래 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1a는 직류용 전력 케이블의 종단면도를 나타낸다.
도 1b는 직류용 전력 케이블의 횡단면도를 나타낸다.
도 2a는 정육면체형(Cubic) 산화마그네슘의 SEM 사진을 나타낸다.
도 2b는 적층형(Terrace) 산화마그네슘의 SEM 사진을 나타낸다.
도 2c는 막대형(Rod) 산화마그네슘의 SEM 사진을 나타낸다.
도 2d는 다공성(Porous) 산화마그네슘의 SEM 사진을 나타낸다.
도 2e는 구형(Spherical) 산화마그네슘의 TEM 사진을 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 절연체의 FIB(Focused Ion Beam)-SEM 사진을 나타낸다.
도 3b는 상기 도 3a를 확대한 것으로서, 절연체 내에 포함된 정육면체형 산화마그네슘 입자의 크기를 나타낸 도면이다.
도 3c는 본 발명의 절연체의 TEM 사진을 나타낸다.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.

본 발명의 절연 재료 조성물은 가교 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여, 표면 개질된 나노 크기의 정육면체형 산화마그네슘 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 기타 목적에 따라 상기 절연 재료 조성물에 다이큐밀퍼옥사이드 가교제 0.1 내지 3 중량부, 산화방지제 및 이온 스캐빈저(ion scavenger)로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 첨가제 0.1 내지 2 중량부가 더 포함될 수 있다.

바람직하게 상기 산화마그네슘은 비닐실란, 스테아린산, 올레인산, 아미노폴리실록산 등으로 표면개질하는 것이 바람직하다. 통상적으로 산화 마그네슘은 고표면 에너지를 갖는 친수성인 반면, 폴리에틸렌 기본 수지는 저표면 에너지를 갖는 소수성이기 때문에, 산화마그네슘이 폴리에틸렌 기본수지에 대한 분산성이 좋지 않고 전기적 특성에도 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화마그네슘을 표면개질하는 것이 바람직하다.

산화마그네슘 입자를 표면개질 하지 않을 경우, 산화마그네슘과 폴리에틸렌 수지 사이에 갭(gap)이 생겨 기계적 물성을 저하시킴은 물론 절연파괴강도 등의 전기절연특성의 저하를 유발한다.

반면, 본 발명의 산화마그네슘은 비닐실란으로 표면개질 됨으로써 폴리에틸렌 기본 수지에 대해 더욱 우수한 분산성을 보이며 개선된 전기적 특성을 나타낸다. 비닐실란의 가수분해기가 축합반응에 의해 산화마그네슘의 표면에 화학 결합을 하여 표면개질된 산화마그네슘이 형성된다. 그 후, 상기 비닐실란으로 표면개질된 산화마그네슘의 실란기가 폴리에틸렌 기본 수지와 반응하여 우수한 분산성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 상기 산화마그네슘은 순도 99.9% 이상 100% 이하이며, 평균 입경이 500nm 이하인 것이 바람직하며, 단결정 또는 다결정의 결정 형태를 모두 가질 수 있다.

그리고 상기 표면개질된 나노크기의 정육면체 산화마그네슘은 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기의 수치 범위와 관련하여, 0.5 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 공간 전하의 저감 효과를 발휘하지만 DC 절연 파괴 강도가 상대적으로 낮아지며, 5 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 기계적 성능 및 연속 압출성을 저하시킨다.

본 발명의 산화방지제로서는 아민계, 디알킬에스테르계, 티오에스테르계 및 페놀계 산화방지제로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.

본 발명의 이온 스캐빈저는 아릴계 실란 등이 사용될 수 있으며, 상기 이온 스캐빈저를 사용함으로써 공간전하의 저감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 전력 케이블의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조된 절연체는 직류용 전력 케이블의 제조시에 사용될 수 있다.

[실시예]

이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.

본 발명의 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물의 산화마그네슘의 형태 및 입경에 따른 성능 변화를 살펴보기 위하여 아래 표 1에 나타낸 조성으로 실시예와 비교예의 절연 재료 조성물을 제조하였다. 표 1의 각 성분의 함량의 단위는 중량부이다.

성분		실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
기본 수지 함량		100	100	100	100	100	100
산화 마그네슘	함량	2.0	2.0	2.0	무첨가	2.0	2.0
	형상	정육면체	정육면체	정육면체		적층형	구형
	D50(nm)	70	100	240		100	100
	D99(nm)	110	150	270		150	150
	순도(%)	99.95	99.95	99.95		99.95	99.95
가교제 함량		2	2	2	2	2	2
산화방지제 함량		0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4

[표에 사용한 성분의 설명]

기본 수지 : 가교 저밀도 폴리에틸렌 수지(LG화학, LE2030; 밀도 : 0.85 ~ 0.95 ㎏/㎥, 용융지수(MI) : 1 ~ 2)

산화마그네슘 : 비닐실란으로 표면개질된 산화마그네슘을 분쇄한 것으로서, 분산성을 개선하기 위하여 D99(단, D99는 이 입자의 최대 크기를 나타냄)가 D50(단, D50은 이 입자의 평균 크기를 나타냄)의 세 배가 넘지 않도록 혼련한 것을 사용함

가교제 : 다이큐밀퍼옥사이드

산화방지제: 테트라키스-(메틸렌-(3,5-디-(tert)-부틸-4-히드로시나메이트))메탄 (tetrakis-(methylene-(3,5-di-(tert)-butyl-4-hydrocinnamate))methane)

물성 측정 및 평가

상기 실시예(1~3) 및 비교예(1~3)에 따르는 절연 재료 조성물을 이용하여 마스터 뱃치(Master batch) 컴파운드를 제조하고 스크루 직경이 25 mm(L/D = 60)인 2축 압출기를 사용하여 압출 공정하였다. 그 결과 제조된 본 발명의 절연체의 FIB(Focused Ion Beam)-SEM 사진을 도 3a에 나타내고, 절연체 내에 함유된 정육면체 산화마그네슘을 확인하기 위하여 상기 도 3a를 확대하여 도 3b에 나타냈다. 또한, 제조된 본 발명의 절연체의 TEM 사진을 도 3c에 각각 도시하였다.

상기 실시예(1~3) 및 비교예(1~3)에 따라 제조된 절연체를 열간 가압하여 부피비 저항 및 직류 절연 파괴 강도 측정용 0.1mm 두께의 시편과 임펄스 강도 측정용 1mm 두께의 시트 형태의 시편을 각각 제조하고, 부피비 저항, 직류 절연 파괴 강도(ASTM D149), 임펄스 강도를 시험하여 그 결과를 아래 표 2에 정리하였다. 간략한 실험 조건은 다음과 같다.

㉠ 부피비 저항

직류 인가 전계 80 kV/mm일 때의 부피비 저항(x 10¹⁴Ω·㎝)을 측정한다.

㉡ 직류 절연 파괴 강도

90 ℃에서 직류 파괴 강도(kV)를 측정한다.

㉢ 임펄스(impulse) 강도

1mm 두께의 시트 형태의 시편에 전극을 연결하여 50㎸에서 5㎸씩 승압하여 파괴가 될 때까지 측정하여, 임펄스 강도를 측정한다.

성분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
부피비 저항 (x 10¹⁴Ω·㎝)	10	8	8	4	5	6
직류 절연 파괴 강도 (kV/mm)	125	115	110	55	80	95
임펄스 강도(kV/mm)	110	105	100	120	60	80

표 2에 정리한 바와 같은 물성 측정 결과, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 시편은 비교예 1(산화마그네슘을 사용하지 않음), 비교예 2(적층형 산화마그네슘 사용), 비교예 3(구형 산화마그네슘 사용)의 시편에 비해 부피비 저항 및 직류 절연 파괴 강도가 다소 높았다. 즉, 정육면체형 산화마그네슘을 사용한 본 발명의 실시예 1 내지 3의 시편은 우수한 전기 절연 특성을 보인다는 것을 알 수 있다.

또한, 임펄스 강도에 있어서 본 발명의 실시예 1 내지 3의 시편은 비교예 1(산화마그네슘을 사용하지 않음)의 시편에 비해 임펄스 강도의 저하가 거의 일어나지 않았음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 시편들은 우수한 전기 절연 특성을 발휘하기 위하여 무기 첨가제인 표면개질된 산화마그네슘을 사용하였음에도 불구하고, 산화마그네슘과 같은 무기 첨가제를 전혀 사용하지 않은 비교예 1의 임펄스 강도와 유사한 정도를 나타냈다.

특히, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3의 시편 중에서도 평균 입경이 가장 작은 실시예 1의 경우에 부피비 저항, 직류 절연 파괴 강도, 임펄스 강도에서 우수한 효과를 발휘하였다.

이와 같은 결과로부터 본 발명의 직류용 전력 케이블용 절연 재료 조성물에 의해 제조된 절연체 및 이를 구비하는 전력 케이블이 부피비 저항, 직류 절연 파괴 강도, 임펄스 강도에서 우수한 효과를 발휘할 수 있었던 것은 다음과 같은 이유 때문이다. 즉, i) 정육면체의 산화마그네슘을 공간전하 저감제로 사용하였고, ii) 산화마그네슘을 표면개질 함으로써 표면개질된 산화마그네슘의 표면에너지를 폴리에틸렌 기본수지의 표면에너지와 유사하게 만들어 이들간의 화학적 결합을 유도하여 최적의 분산성을 확보하였을 뿐만 아니라, iii) 절연 재료 조성물을 구성하는 각각의 성분들을 적절한 함량비로 혼합하여 사용하였기 때문이다.

위와 같이 본 발명의 최적 실시예들을 개시하였다. 본 실시예를 포함하는 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아님을 밝혀 둔다.

도 1a 및 도 1b에 표시된 부호는 다음을 의미한다.
1 … 도체
2 … 내부 반도전층
3 … 절연층
4 … 외부 반도전층
5 … 납(lead) 시스층
6 … 폴리에틸렌(PE) 시스층

Claims

가교 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여,
표면개질된 나노크기의 정육면체형 산화마그네슘 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여,
다이큐밀퍼옥사이드 가교제 0.1 내지 3 중량부; 및
산화방지제 및 이온 스캐빈저(ion scavenger)로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 첨가제 0.1 내지 2 중량부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 산화마그네슘은 순도 99.9% 이상이며, 평균 입경이 500nm 이하인 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 산화마그네슘은 단결정 또는 다결정인 것을 특징으로 하는 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물.
제 1항 또는 제 2항의 직류용 전력 케이블의 절연 재료 조성물을 이용하여 제조된 절연체를 포함하는 직류용 전력 케이블.