KR20120009146A - 고내화 특성을 갖는 전선 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고내화 특성을 갖는 전선에 관한 것이다. 본 발명의 고내화성 전선은 중심도체; 상기 중심도체 상에 압출되어 형성되는 내화층; 상기 내화층 상에 압출되어 형성되는 절연층; 및 상기 절연층 상에 압출되어 형성되는 시스층;을 포함하고, 상기 내화층은 폴리에틸렌과 에틸렌 공중합체의 혼용 수지, 운모 및 금속 수산화물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 고내화성 전선은 기본적인 내화성이 우수하고, 내화층이 포설이 용이하며 절연층과의 접착성도 우수하다. 또한 내화층이 압출 가공이 가능하며 비가교형 수지를 사용하므로 추가적인 가교공정이 필요치 않기 때문에 생산성 및 경제성이 우수하다.

Description

고내화 특성을 갖는 전선{Cable having high fire resistance property}
본 발명은 도체선 전선에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 열에 견딜 수 있는 내화 특성이 우수한 전선에 관한 것이다.
일반적으로 내화 케이블은 높은 열에 견뎌야 하는 고내화 특성이 요구되는 소방용, 건축용, 기계용, 해양용 케이블 등에 사용된다. 특히, 내화 케이블은 화재시 소방용으로 사용되어 화재에 의한 케이블의 연소 중에서도 전류를 공급할 수 있도록 하여 비상 화재 경보 장치, 스프링 쿨러, 비상발전기 등에 동력을 전달하여 화재시에도 내부 탈출 및 화재진압에 유용하게 사용되고 있다.
이러한 내화 케이블의 성능을 나타내는 내화 특성은 국제 규격인 BS 6387이나 IEC 60331에 의해 평가되며, 시험 온도에서 일정 시간 동안 600V의 전압을 가했을 때 절연 파괴 여부를 측정하여 평가한다.
상기 내화 특성을 만족하기 위해서 내화 케이블은, 내화 특성을 부여하는 내화층과, 절연 특성을 부여하는 절연층과, 난연성을 부여하는 시스층을 포함한다.
이 중 내화층은 통상적으로 운모(雲母, mica)를 주성분으로 하는 테이프를 감아서 형성된다. 운모 테이프는 내화 특성을 부여하기 위한 운모 파우더와, 테이프의 형상과 인장 강도 등의 기계적 특성을 유지하기 위한 유리 섬유나, 폴리에스테르 재질의 테이프로 구성된다. 이러한 운모 테이프에서 운모 파우더는 통상적으로 금운모(Phlogopite)나 백운모(muscovite)로 구분된다.
그런데, 운모 테이프는 내화 특성은 우수하지만 내화 테이프를 적용한 구조에 따라 내화 특성이 차이를 나타낸다. 또한, 운모는 근본적으로 절연성능이 매우 우수한 무기물로 내화 케이블을 포설할 때는 이와 같은 절연 물질을 완전히 제거하고 커넥터를 접속하거나 접속 단자에 고정해야만 사용시 전기적인 문제를 발생시키지 않는다. 그런데, 현장에서 포설시 도체 위에 얇게 접착되어 있는 운모의 잔류물을 완벽하게 제거하지 않아 접속 후 통전이 정상적으로 되지 않는 등 문제가 발생하기도 한다. 또한, 테이프 단면에 얇은 두께로 접착되어 있는 운모는 무기물의 특성상 매우 쉽게 부서지는 현상을 나타낸다. 이 결과 포설시 도체 위에 단단하게 감겨져 있는 테이프 층을 일정 간격으로 탈피하는데 매우 숙련된 기술이 요구되며 정상적인 설치를 위해 많은 시간을 필요로 함에 따라 시공비가 높아지는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 내화 실리콘 수지를 내화층에 적용한 내화 전선이 제안되었다. 실리콘 내화 전선은 열적 저항성이 우수하여 900℃ 이상의 내화 특성을 만족시킬 수 있다.
그러나, 내화 특성이 우수한 실리콘 화합물은 상온에서 점도가 낮고 형상을 유지할 수가 없어 일반적으로 압출 후 고온 고압의 분위기에서 가교를 시켜 사용한다. 이렇게 가교된 실리콘 화합물은 탄성을 가지며 기계적 특성이 향상되어 절연체로 사용할 수 있다. 그런데, 가교 공정이 필요한 실리콘 화합물은 컴파운드 제조 공정이 어려울 뿐만 아니라 압출 후 가교 공정이라는 추가적인 제조 공정을 거치게 됨에 따라 제조 경비가 상승하는 단점이 있고 생산 속도도 제한된다. 더욱이, 실리콘 내화층 위에 가교 폴리에틸렌층을 형성해야 하는 경우에는 실리콘과 가교 폴리에틸렌의 접착력이 낮아 문제가 발생하는 경우도 있고 내화 특성과 절연 성능을 만족하기 위해 적용된 이중 절연 구조의 두께가 두꺼워져 전체 케이블의 외경이 증가하고 이로 인해 장비에 설치하는데 문제점이 있다.
이 외에도 마그네시아 절연물과 구리 재킷으로 구성되는 내화 전선이 소개되었으나, 내화 특성은 우수하지만 가격이 비싸고 마그네시아와 같은 무기 절연층을 절단하여 설치하기가 매우 어려워 사용상에 문제점이 많다. 그리고, 마그네시아와 같은 무기물을 압출 성형하는데 고도의 기술과 특수 설비가 필요하다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 포설이 용이하며 압출 공정으로 제조될 수 있으며 가교 공정은 필요치 않아, 제조공정이 단순하고 제품의 품질 및 생산성이 우수한 고내화성 전선을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중심도체; 상기 중심도체의 외면을 둘러싸는 내화층; 상기 내화층의 외면을 둘러싸는 절연층; 및 상기 절연층의 외면을 둘러싸는 시스층;을 포함하고, 상기 내화층은 폴리에틸렌과 에틸렌 공중합체의 혼용 수지, 운모 및 금속 수산화물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고내화성 전선을 제공한다.
바람직하게, 상기 금속 수산화물은 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄, 수산화 붕산염 및 수산화 칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
바람직하게, 상기 내화층은 클레이, 장석 또는 이들의 혼합물인 무기 첨가제를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 내화층의 운모는 혼용 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 100 중량부일 수 있다.
바람직하게, 상기 내화층의 금속 수산화물은 혼용 수지 100 중량부에 대하여 20 내지 130 중량부일 수 있다.
바람직하게, 상기 혼용 수지의 폴리에틸렌은 선형 폴리에틸렌이며, 에틸렌 공중합체는 에틸렌 비닐아세테이트일 수 있다.
바람직하게, 상기 혼용 수지는 혼용수지 전체 100 중량부를 기준으로 에틸렌 공중합체가 30 내지 90 중량부로 혼합될 수 있다.
바람직하게, 상기 절연층은 가교 폴리 에틸렌 수지, 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene rubber) 또는 이들의 혼합물을 포함하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 시스층은 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 클로로프렌 고무(CR), 클로로 술포네이티드 폴리에틸렌 고무(CSP), 에틸렌 메타아크릴레이트(EMA) 및 에틸렌 비닐아세테이트(EVA)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 고내화성 전선은 기본적인 내화성이 우수하고, 내화층이 포설이 용이하며 절연층과의 접착성도 우수하다. 또한 내화층이 압출 가공이 가능하며 비가교 폴리에틸렌계 공중합체를 사용하므로 추가적인 가교공정이 필요치 않기 때문에 생산성 및 경제성이 우수하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 고내화성 전선의 일 실시예를 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고내화성 전선의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고내화성 전선은 내부로부터 외부로 가면서, 중심도체(10), 상기 중심도체(10)의 외면을 둘러싸는 내화층(20), 상기 내화층(20)의 외면을 둘러싸는 절연층(30) 및 상기 절연층(30)의 외면을 둘러싸는 시스층(50)을 포함하는 구조를 갖는다. 상기 도 1에는 절연층(30)과 시스층(50) 사이에 추가 기능층(40)이 도시되어 있다.
상기 중심도체(10)는 단선 또는 2 이상의 금속 소선들을 꼬아서 제조될 수 있으며, 주로 구리, 또는 구리 합금으로 이루어진다. 도 1에서는 상기 중심도체(10)가 단심인 경우를 도시하였지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니며, 상기 중심도체(10)의 외주를 절연 피복층(미도시)으로 피복한 도체선(미도시)이 하나 이상 원형으로 꼬여진 연선 형태의 다심 구조로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 내화층(20)은 폴리에틸렌과 에틸렌 공중합체의 혼용 수지, 운모 및 금속 수산화물을 포함하여 중심도체(10)의 외면에 둘러싸게 형성되며, 바람직하게는 압출 성형법을 사용할 수 있다.
상기 내화층의 폴리에틸렌은 바람직하게는 선형 폴리에틸렌이 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 선형 저밀도 폴리에틸렌을 사용할 수 있다. 또한, 에틸렌 공중합체로는 바람직하게는 에틸렌 비닐아세테이트가 사용될 수 있다.
본 발명의 내화층(20)에 사용되는 혼용 수지는 혼용수지 전체 100 중량부를 기준으로 에틸렌 공중합체를 30 내지 90 중량부로 혼합하는 것이 바람직하다. 에틸렌 공중합체가 30 중량부 미만이면 내화층에 포함되는 운모 및 금속 수산화물의 충전성이 저하되어 신장율 등 기계적 물성이 저하될 수 있고, 90 중량부 초과이면 미결정성의 에틸렌 공중합체의 수지 특성상 인장 강도가 저하되고, 내열성이 확보되지 않을 뿐만 아니라 절연저항 등 전기적 특성도 급격히 저하될 수 있다.
본 발명의 내화층(20)에 사용되는 운모는 내화성을 부여한다. 운모는 산화 규소(SiO2)와 마그네슘 옥사이드(MgO)를 주 성분으로 하는 금운모, 산화 규소 (SiO2)와 삼산화 알루미늄 (Al2O3)을 주 성분으로 하는 백운모 등이 사용될 수 있으며, 운모에는 상기 성분들 외에 다른 무기 화합물도 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 내화층의 운모는 혼용 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 100 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 내화층의 필요한 물성을 저해하지 않으면서 내화성이 가장 잘 발현될 수 있다.
또한, 본 발명의 내화층(20)에 사용되는 금속 수산화물은 운모와 연소 중 상승 효과를 발휘하여 차르(char)의 고형화를 촉진시킨다. 운모는 자체적으로 내화성과 절연 성능은 매우 우수하나 본 발명에서와 같이 400℃ 이상의 낮은 온도에서 분해되는 고분자 수지와 복합재료로 사용될 경우 난연성이 없어 수지의 분해 후 탄화층이 견고하지 못해 내화성과 절연성을 발휘하지 못한다. 본 발명에서는 이와 같은 단점을 금속 수산화물을 병용하여 극복하였다.
본 발명에 따른 금속수산화물은 예를 들면 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄, 수산화 붕산염, 수산화 칼슘 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 금속 수산화물은 혼용 수지 100 중량부에 대하여 20 내지 130 중량부인 것이 바람직하다. 함량이 20 중량부 미만에서는 운모와의 상승 효과가 미미하고, 130 중량부 초과이면 더 이상의 첨가에 의한 효과 상승은 기대하기 어렵다.
선택적으로, 본 발명의 내화층(20)은 장석, 클레이 또는 이들의 혼합물 등의 무기 첨가제를 더 포함할 수 있다. 장석은 정장석, 미사장석, 사장석 등을 포함할 수 있으며, 클레이는 함수규산알루미늄 또는 규산마그네슘 등이 있으며 그 조성과 결정 구조의 차이에 따라 보다 구체적으로 카올린계 클레이(소성형(WHTETEX, SP-33), 표면처리형(트란스 링크 37)), 파이로필라이트계 클레이, 셀리사이트, 탈크(3MgO.4SiO2.H2O), 벤토나이트, 소성 클레이 등이 있다. 상기 무기 첨가제는 연소 후 탄화층이 매우 고형화되어 전선 자체 하중 또는 외부 충격에 대하여 절연체가 깨지지 않고 형상이 올바로 유지될 뿐만 아니라 절연성을 유지하여 단락 현상이 발생하지 않게 되어 본 발명의 전선에 내화성을 더욱 강화시킬 수 있다.
본 발명의 절연층(30)은 상기 내화층(20)의 외면을 둘러싸게 형성되며, 바람직하게는 압출 성형법을 사용할 수 있다. 또한 절연층 재료로는 전선의 절연층에 통상적으로 사용되는 재료가 제한없이 적용될 수 있다. 예를 들면 가교 폴리 에틸렌 수지, 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene rubber) 등이 각각 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 고내화성 전선은 필요에 따라 추가적인 기능성층(40)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면 반도전층, 제2의 내화층, 제2의 절연층, 금속 테이프층 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 기능성층(40)은 단일층이거나 복수개의 층일 수도 있다. 적절한 층의 종류 및 개수는 전선의 용도에 따라 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 시스층(50)은 절연층(30) 또는 기능성층(40)의 외면을 둘러싸게 형성하고, 바람직하게는 압출 성형법을 사용할 수 있다. 시스층(50)은 전선의 최외부를 형성하며, 전선에 가해지는 충격을 흡수한다. 상기 시스층(50)은 난연성을 부여할 수 있도록 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 클로로프렌 고무(CR), 클로로 술포네이티드 폴리에틸렌 고무(CSP), 에틸렌 메타아크릴레이트(EMA) 및 에틸렌 비닐아세테이트(EVA)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예와 이에 대비되는 비교예를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 바람직한 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 서술하는 바람직한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
본 발명에 따른 전선 시편(실시예1, 2)과 이에 대비되는 전선 시편(비교예1, 2)을 제작하였다. 상기 전선 시편들은 중심도체, 내화층, 절연층, 시스층이 순차적으로 배치된 구조로 제작하였으며, 이 때, 내화층의 구조를 제외한 나머지 요소들은 동일하게 제작하였다. 상기 각 전선 시편의 내화층의 구성은 하기 표 1에 나타내었다.
내화층
실시예1 혼용수지(선형저밀도 폴리에틸렌(30 중량%) + 에틸렌 비닐 아세테이트(70 중량%))(100 중량부) + 금운모(50 중량부) + 수산화마그네슘(80 중량부)
실시예2 혼용수지(선형저밀도 폴리에틸렌(20 중량%) + 에틸렌 비닐 아세테이트(80 중량%))(100 중량부) + 금운모(30 중량부) + 클레이 (60 중량부) + 수산화마그네슘(50 중량부)
비교예1 운모 테이프
비교예2 실리콘 복합재료
표 1에서, 클레이로는 탈크(Talc, 3MgO.4SiO2.H2O)를 사용하였으며, 실리콘 복합재료는 유리사 편조체에 실리콘 수지가 접착된 테이프를 사용하였다.
상기 제조된 시편들에 대하여, 내화성(IEC 60331), 도체에 대한 내화층 탈피성, 절연층과의 접착성, 현장 포설 접속 시간 등을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
하기 표 2에서, 탈피성은 도체 표면에 잔존물을 남기지 않고 내화층을 탈피하는데 요구되는 시간 및 작업 편이성을 기준으로 평가하였으며, 접착성은 탈피 후 도체 표면에 내화층의 잔존물이 남아 있는 정도로 평가하였고, 접속시간은 도체 표면의 내화물을 완전히 제거하는데 소요되는 시간을 기준으로 평가하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
내화성 at 750℃ 합격 합격 합격 합격
내화성 at 900℃ 합격 합격 합격 합격
도체에 대한 내화층 탈피성 우수 우수 불량 양호
내화층과 절연체 접착성 양호 양호 강함 약함
현장 포설 접속 시간 단시간 단시간 장시간 중시간
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예들의 전선 시편도 750℃와 950℃에서 IEC 60331 규격에 준하는 내화 특성을 만족하였음을 알 수 있다.
또한, 내화층과 절연층의 접착성이 강할 경우 내화층을 분리하기가 어려우며, 약할 경우는 내화층과 절연층가 분리되어 전기적 특성 및 탈피 등에 문제가 발생할 수 있는데, 본 발명에 따른 내화층은 종래의 운모테이프(비교예 1)와 같이 과도한 접착성을 갖지 않음과 동시에 실리콘 수지를 사용하는 내화층(비교예 2)과 같이 접착성이 약하지도 않아, 현장에서 매우 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 중심도체;
    상기 중심도체의 외면을 둘러싸는 내화층;
    상기 내화층의 외면을 둘러싸는 절연층; 및
    상기 절연층의 외면을 둘러싸는 시스층;을 포함하고,
    상기 내화층은 폴리에틸렌과 에틸렌 공중합체의 혼용 수지, 운모, 및 금속 수산화물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 수산화물은 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄, 수산화 붕산염 및 수산화 칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내화층은 클레이, 장석 또는 이들의 혼합물인 무기 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내화층의 운모는 혼용 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내화층의 금속 수산화물은 혼용 수지 100 중량부에 대하여 20 내지 130 중량부인 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼용 수지의 폴리에틸렌은 선형 폴리에틸렌이며, 에틸렌 공중합체는 에틸렌 비닐아세테이트인 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 혼용 수지는 혼용수지 전체 100 중량부를 기준으로 에틸렌 공중합체가 30 내지 90 중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 가교 폴리 에틸렌 수지, 에틸렌 프로필렌 고무 또는 이들의 혼합물을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시스층은 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 클로로프렌 고무(CR), 클로로 술포네이티드 폴리에틸렌 고무(CSP), 에틸렌 메타아크릴레이트(EMA) 및 에틸렌 비닐아세테이트(EVA)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 고내화성 전선.
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