KR20110100018A - 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물 및 이를 이용한 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1% 이상 30% 미만의 결정성을 가지는 에틸렌 공중합체 기본 수지 100 중량부에 대하여 유기 과산화물계 가교제 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 절연재용 수지 조성물과 이를 이용한 케이블에 관한 것이다. 본 발명의 케이블은, 시스체를 압출한 후 고온 고압 분위기의 가교 공정을 거친 후에 변형이 발생하지 않는 내열 특성을 갖는다.

Description

내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물 및 이를 이용한 케이블{INSULATION RESIN COMPOSITION RESISTANT TO THERMAL DEFORMATION AND THE CABLE USING THE SAME}

본 발명은 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물 및 이를 이용한 케이블에 관한 것이다. 본 발명의 절연재용 수지 조성물을 이용하여 절연 전선을 제조하고 상기의 절연 전선을 연합하여 형성된 케이블은 시스체를 압출한 후 고온 고압 분위기의 가교 공정을 거친 후에 변형이 발생하지 않는 내열 변형성을 갖는다.

종래에는 절연 저항과 내전압 특성과 같은 전기적 특성 및 기계적 특성을 만족하는 결정성 수지로서, 주로 저밀도 폴리에틸렌 또는 선형 저밀도 폴리에틸렌을 사용하였다. 그러나 상기의 결정성 수지를 이용하여 절연 전선을 제조한 후 이들을 연합하여 제조한 케이블에 있어서, 시스체를 고온 고압(예를 들면 180 ℃의 온도, 8 bar의 기압)의 스팀 분위기에서 가교시킬 경우, 절연체에 변형이 일어날 뿐만 아니라 절연체들끼리 눌러 붙는 현상이 발생하였다. 이와 같이 절연체들이 눌러 붙을 경우, 절연체에 기본적으로 요구되는 원형의 형상을 유지하지 못하고 찌그러지게 된다. 그 결과, 케이블의 기본적 외형에 대한 감성 품질 문제가 야기될 수 있다. 또한, 절연체의 가장 중요한 특성인 내전압 테스트의 절연저항 등의 전기적 특성을 확보할 수 없게 되므로 고압의 전기를 사용하면 절연 파괴가 발생할 수 있다.

따라서, 업계에서는 상기의 문제점을 방지하기 위하여 결정성이 높은 수지를 사용하되, 가교관 내에서 시스체를 가교시키지 않고 가류관 내에서 배치(Batch) 방식으로 시스체를 가교시키는 방법을 고안하였다. 그러나, 상기의 배치 방식으로 가교할 경우 절연체의 열변형이 발생하지 않는 낮은 온도에서 매우 긴 시간동안 가교해야 하기 때문에 생산성이 저하되는 단점이 발생하였다.

따라서, 절연체의 열변형이 발생하지 않으면서도 생산성이 우수한 절연체를 제조할 수 있는 절연재용 수지 조성물의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명의 기술적 과제는 시스체를 압출한 후 고온 고압 분위기의 가교 공정을 거친 후에 케이블의 변형이 발생하지 않는 절연재용 수지 조성물을 개발하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물은 에틸렌 공중합체 기본 수지 100 중량부에 대하여 유기 과산화물계 가교제 0.5 내지 20 중량부를 포함한다. 이때 상기 기본 수지로서, 1 이상 30% 미만의 결정성을 가지는 에틸렌 공중합체가 사용된다.

또한, 본 발명은 상기 절연재용 수지 조성물로 형성된 절연재를 포함하는 절연 전선 및 상기 절연 전선을 포함하는 케이블을 제공한다. 상기 케이블은 상온에서 12.5 N/m² 이상의 인장강도, 250% 이상의 신장율을 가지며, 쇼어 경도 A를 기준으로 상온에서 90 이하의 경도를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물을 이용하여 케이블을 제조함에 있어서, 고온 고압의 분위기에서 시스체를 가교하여도 절연체의 변형이 발생하지 않으므로 케이블의 생산성을 높일 수 있다.

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 1은 종래 기술의 케이블의 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 케이블의 종단면도이다.

이하 본 발명을 자세히 설명한다. 본 발명의 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물은 1% 이상 30% 미만의 결정성을 갖는 에틸렌 공중합체 기본 수지 100 중량부에 대하여 유기 과산화물계 가교제 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 것이 특징이다. 바람직하게는 상기 절연재용 수지 조성물은 1% 이상 30% 미만의 결정성을 갖는 에틸렌 공중합체 기본 수지 100 중량부에 대하여 유기 과산화물계 가교제 1 내지 10 중량부를 포함한다.

본 발명의 에틸렌 공중합체로는 에틸렌 프로필렌 공중합체, 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체 등을 단독으로 사용하거나, 이들을 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 결정성이 1% 미만인 에틸렌 공중합체를 사용하여 제조된 절연체는 상온 인장강도가 낮고, 결정성이 30% 이상인 경우에는 상온에서의 경도, 저신장율에서의 모듈러스가 다소 높은 문제점이 있기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 상기의 문제점을 보완하기 위하여 1% 이상 30% 미만의 결정성을 갖는 에틸렌 공중합체를 사용한다.

본 발명에서는 가교제로서, 화학 가교를 위한 유기 과산화물계 가교제가 사용된다. 상기 유기 과산화물계 가교제로서 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide), 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-bis(t-butylperoxy)3,3,5-trimethylcyclohexane), 디큐밀 퍼옥사이드(dicumyl peroxide), t-부틸퍼옥시 벤조에이트(t-butylperoxy benzoate), 디-t-부틸퍼옥시헥산(di-t-butylperoxyhexane) 등이 사용될 수 있다.

상기 가교제는 기본 수지 100 중량부에 대하여 0.5 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 상기 수치 범위의 하한치에 미달하면 충분한 가교가 되지 않기 때문에 제조된 절연체의 기계적 물성이 낮아지는 문제점이 발생한다. 또한, 상기 수치 범위의 상한치를 초과하면 가교시에 열적 부산물이 과다하게 발생하여 제조된 절연체의 절연 특성인 체적 저항과 기계적 특성인 신장율이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명의 유기 과산화물계 가교제는 상기의 수치범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.

상기 유기 과산화물계 가교제와 함께 가교 속도와 가교 밀도를 향상시킬 수 있는 가교조제로서 다관능성을 가진 불포화 유기화합물이 사용될 수 있다. 그러한 가교조제로서, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트과 같은 다중관능기를 가진 아크릴계 가교조제, 액상 폴리부타디엔 가교조제, 트리알릴 이소시아누레이트과 같은 알릴계 가교조제 등이 사용될 수 있다.

이 외에도, 본 발명에 따른 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물에는 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 절연재용 수지 조성물에 통상적으로 사용되는 각종 기능성 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 첨가제에는 난연제, 보강제, 자외선 안정제, 산화방지제, 윤활제, 항블록킹제, 정전기 방지제, 왁스, 커플링제, 안료 등이 포함되며, 그러나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 필요에 따라서 다양한 종류의 물질들이 첨가제로서 선택되어 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 절연재용 수지 조성물로 형성된 절연재를 포함하는 절연 전선을 제공한다. 상기 절연 전선은 중심 도체 및 이를 감싸는 절연체를 포함하며, 상기 절연체는 본 발명의 절연재용 수지 조성물을 이용하여 제조된 절연재로 이루어진다.

또한, 본 발명에서는 상기 절연 전선을 포함하는 케이블을 제공한다. 상기 케이블은 상온에서 12.5 N/m² 이상의 인장강도, 250% 이상의 신장율을 가지며, 쇼어 경도 A를 기준으로 상온에서 90 이하의 경도를 가진다. 따라서 본 발명의 케이블은, 외부 환경에 의해 자주 꼬이거나 풀림에 따라 유연성이 감소되어 파손되거나 고온에서 하중을 견디지 못하여 파손되기 쉬운 외부 환경에 노출되는 발전소용 케이블 또는 선박용 케이블에 매우 효과적으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교하기 위한, 종래 기술의 케이블의 단면도의 일례를 보여준다. 도 1의 케이블은 중심부의 복수 개의 도체(1); 상기의 각각의 도체를 감싸는 30% 이상의 결정성을 갖는 저밀도 폴리에틸렌 또는 선형 저밀도 폴리에틸렌 소재의 절연층(2); 상기 절연층(2)을 감싸는 열가소성 또는 열경화성 소재의 베딩층(3); 상기 베딩층(3)을 감싸는 구리 또는 주석이 도금된 구리 소재의 편조층(4); 상기 편조층(4)을 감싸는 열경화성 소재의 시스층(5)으로 구성된 모습이다. 상기 베딩층(3), 편조층(4)은 다양한 실시예에 따라 케이블의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예의 케이블의 단면도의 일례를 보여준다. 도 2의 케이블은 중심부의 복수 개의 도체(11); 상기의 각각의 도체를 감싸는 30% 미만의 결정성을 갖는 에틸렌 공중합체를 포함하는 절연재용 수지 조성물에 의해 제조된 절연층(12); 상기 절연층(12)을 감싸는 열가소성 또는 열경화성 소재의 베딩층(13); 상기 베딩층(13)을 감싸는 구리 또는 주석이 도금된 구리 소재의 편조층(14); 상기 편조층(14)을 감싸는 열경화성 소재의 시스층(15)으로 구성된 모습이다. 상기 베딩층(13), 편조층(14)은 다양한 실시예에 따라 케이블의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.

본 발명에 따른 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물을 이용하여 케이블을 제조하게 되면, 고온 고압의 분위기에서 시스체를 가교하여도 절연체의 변형이 발생하지 않으므로 케이블의 생산성을 높일 수 있는 장점이 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 내열 특성을 갖는 절연재용 수지 조성물의 성분에 따른 성능 변화를 살펴보기 위하여 아래 표 1에 나타낸 조성으로 실시예와 비교예의 절연재용 수지 조성물을 제조하였다. 표 1의 모든 단위는 중량부이다.

성분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예1	비교예2
기본수지a	100
기본수지b		100
기본수지c			100
기본수지d				100
기본수지e					100
기본수지f						100
기본수지g							100
가교제	3	3	3	3	3	3	3

[표에 사용한 성분의 설명]

기본수지a : 결정성이 1%인 에틸렌 부텐 공중합체

기본수지b : 결정성이 4%인 에틸렌 부텐 공중합체

기본수지c : 결정성이 10%인 에틸렌 부텐 공중합체

기본수지d : 결정성이 16%인 에틸렌 옥텐 공중합체

기본수지e : 결정성이 21%인 에틸렌 옥텐 공중합체

기본수지f : 결정성이 33%인 에틸렌 부텐 공중합체

기본수지g : 결정성이 37%인 에틸렌 옥텐 공중합체

가교제: 디큐밀퍼옥사이드

물성 측정 및 평가

상기 실시예(1~5) 및 비교예(1~2)에 따르는 절연재용 수지 조성물을 이용하여 절연재를 제조하였고, 상기 절연재를 절연층으로 하는 케이블 시편을 통상의 방법에 의해 제조하였다. 상기 실시예(1~5)의 절연재용 수지 조성물을 이용한 케이블의 구조는 도 2에 나타낸 바와 같고, 상기 비교예(1~2)의 절연재용 수지 조성물을 이용한 케이블의 구조는 도 1에 나타낸 바와 같다.

이렇게 얻은 실시예와 비교예의 케이블 시편에 대하여 기계적 물성, 난연성과 외관을 시험한 결과를 아래 표 2에 정리하였다. 간략한 실험 조건은 다음과 같다.

㉠ 경도

케이블의 경도는 쇼어(Shore) 경도 A를 기준으로 90 이하여야 한다.

㉡ 상온 기계적 물성

케이블은 IEC 60811-1-1에 준하여 인장속도 250 mm/분으로 측정하였을 때 인장강도는 12.5N/mm² 이상, 신장율은 250% 이상이어야 한다.

㉢ 모듈러스

케이블은 신장율 3%에서 5 N/mm² 이하의 모듈러스를 가져야 한다.

㉣ 내가열 변형성

고온(150 ~ 210℃), 고압(6 ~ 20 bar)의 분위기에서 시스체를 가교한 후 절연층의 눌림성 정도를 평가하였다.

㉤ 상온 체적저항

ASTM D257에 준하여 상온 체적저항을 측정하였다. 시편은 실온에서 3시간 이상 방치한 후 충전시키고, 전원으로는 직류 500V를 사용하였다. 1분간의 충전 후 상온 체적저항을 측정하였다. 요구되는 상온 체적저항 수치는 10¹⁵Ω 이상이다.

시험항목		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예1	비교예2
경도(Shore A)		75	86.2	87	76	88	96.0	97.8
상온	인장강도	13.1	18.6	21.6	15.3	24.5	18.8	20.5
	신장율	560	538	472	450	500	424	485
모듈러스		1.3	2.8	3.8	2.4	4.7	5.5	6.0
내가열 변형성		눌림 없음					눌림 심함
상온 체적저항		3.52E+15	5.68E+15	1.28E+16	8.54E+15	9.19E+15	1.95E+16	9.11E+15

상기 표 2에 정리한 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 절연재용 수지 조성물을 이용하여 제조된 절연층을 포함하는 케이블은 경도, 상온 기계적 특성, 모듈러스, 상온 체적저항에서 모두 기준치를 만족하였고 내가열 변형성에서도 눌림이 없었다.

그러나 비교예 1 내지 2의 절연재용 수지 조성물을 이용하여 제조된 절연층을 포함하는 케이블은 경도, 모듈러스에서 기준치를 만족하지 못하였고 내가열 변형성에서 심한 눌림이 있었다.

이와 같은 결과는 에틸렌 공중합체의 결정성의 차이에 기인된 것이다. 즉, 본 발명의 케이블은 1% 이상 30% 미만의 결정성을 가지는 에틸렌 공중합체를 이용하여 제조된 절연층을 포함하였기 때문에, 시스체의 압출 후 고온 고압 분위기에서 가교 공정을 거치더라도 절연층의 눌림이 발생하지 않았다. 반면, 비교예의 케이블은 30% 이상의 결정성을 가지는 소재를 이용하여 제조된 절연층을 포함하였기 때문에 시스체의 압출 후 고온 고압 분위기에서 가교 공정을 거치면서 절연층의 눌림이 상당한 수준으로 발생하였다.

이와 같은 결과로부터 본 발명의 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물을 이용하여 제조한 케이블은 상온에서의 쇼어 경도와 모듈러스가 케이블에 필요한 기준치를 만족시킬 뿐만 아니라 눌림 현상도 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다.

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 1 및 도 2에 사용된 부호를 설명하면 다음과 같다.
1, 11 : 도체 2, 12 : 절연층
3, 13 : 베딩층 4, 14 : 편조층
5, 15 : 시스층

Claims (5)

1. 30% 미만의 결정성을 가지는 에틸렌 공중합체로 이루어진 기본 수지 100 중량부에 대하여 유기 과산화물계 가교제 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기본 수지는 1% 이상 30% 미만의 결정성을 가지는 에틸렌 공중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내열 변형성을 갖는 절연재용 수지 조성물.
3. 중심 도체와; 이 중심 도체를 상기 제 1 항 또는 제 2 항의 절연재용 수지 조성물로 피복한 것을 특징으로 하는 절연 전선.
4. 상기 제 3 항의 절연 전선을 적어도 하나 이상 포함하는 케이블.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 케이블은 상온에서 12.5 N/m² 이상의 인장강도 및 250% 이상의 신장율 및 쇼어 경도 A를 기준으로 상온에서 90 이하의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 케이블.

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