KR100249944B1 - 장기출력안정성이 향상된 정온도계수 특성의 고분자 수지 조성물과 이를 이용한 고분자 발열체 - Google Patents
장기출력안정성이 향상된 정온도계수 특성의 고분자 수지 조성물과 이를 이용한 고분자 발열체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고분자 발열체로 사용될 때 전원을 인가하기 위해 발열체(1)내 삽입되는 도체(2)와 발열체 수지 조성물(3)간에 접착특성을 개선하여 발열체의 출력안정성을 향상시킨 고분자 수지 조성물과 고분자 발열체에 관한 것으로, 본 발명의 수지 조성물은 무수 말레산이 0.1 내지 10 중량부가 그라프팅된 폴리올레핀계 수지에 전체 함량이 8 내지 50 중량부의 카본블랙, 5 내지 40 중량부의 무기충진제, 0.1 내지 10 중량부의 페놀계 또는 아민계 산화방지제로 구성된다.
Description
본 발명은 정온도계수 특성을 갖는 고분자 수지 조성물과 이를 이용한 고분자 발열체에 관한 것으로, 특히 고분자 발열체로 사용될 때 전원을 인가하기 위해 발열체내 삽입되는 도체와 발열체 수지 조성물간에 접착특성을 개선하여 발열체의 출력안정성을 향상시킨 고분자 수지 조성물과 고분자 발열체에 관한 것이다.
정온도계수(Positive Temperature Coefficient, PTC) 특성을 나타내는 고분자 수지 조성물(이하 수지 조성물이라 한다)은 기본적으로 고분자 수지에 카본블랙 등의 전도성 충진제와 산화방지제와 같은 첨가제들을 섞어 혼련하여 제조한다. 이렇게 제조된 수지 조성물은 압출기를 통해 두 가닥의 와이어(이하 도체라 한다)를 내포한 도1에 도시된 바와 같은 발열체의 형태로 만들어지게 되는데, 발열체(1)에 내포된 도체(2)는 외부의 전원에 연결되어 전극으로서 작용하여 발열체를 구성하고 있는 수지 조성물(3)에 전류를 흐르게 하고 발열체에 열을 발생시킨다.
발열체로부터 발생한 열은 발열체의 대상물인 파이프나 탱크 등의 동파방지나 온도보상에 사용되며, 이러한 발열체의 열원으로서의 기능은 포설 후 장기간에 걸쳐 지속적으로 발휘되어야 한다. 그러나 사용중인 발열체는 여러 원인에 의해서 발생되는 출력이 감소될 수 있는데 이러한 현상의 발생원인중 도체와 발열체의 수지 조성물간의 접착성도 한 가지 원인으로 작용한다.
종래의 수지 조성물로 제조된 고분자 발열체에서 수지 조성물과 도체사이의 접착성은 발열체 압출성형시 압출조건의 조정 또는 압출공정 후 후처리공정을 통해 개선을 시켰다. 그러나 이러한 공정을 통한 접착성의 개선은 공정상의 여러 문제점으로 인해 효과를 증가시키는데 한계가 있었다.
완제품의 발열체를 실제 사용환경에 포설하였을 때, 발열체를 구성하는 수지 조성물은 자체발열에 의한 열적 스트레스와 전극으로 작용하는 도체에서 인가된 전기적 스트레스를 받게 되며 이러한 요인들은 발열체의 출력안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 특히 접착성이 나쁜 발열체의 경우 도체와 수지 조성물 사이의 접착 부위에서 국부적으로 열화가 발생하고 이것이 접착 부위를 따라 진행되어 시간이 경과함에 따라 전체적으로 발열체의 출력안정성을 감소시키게 된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발열체에 사용되는 수지 조성물에 접착특성을 개선하기 위한 첨가제를 혼합, 발열체의 수지 조성물과 전극으로 작용하는 발열체내 도체 사이의 접착특성을 개선하여 발열체의 장기출력안정성을 향상시킨 수지 조성물과 고분자 발열체를 제공하고자 하는 것으로 혼합된 첨가제에 의해서 발열체의 수지 조성물과 도체와의 접착성을 증가시켜 사용환경의 열적, 전기적 스트레스에 의한 접착 부위의 열화발생 가능성을 감소시킬 뿐만 아니라 이의 진행을 억제하여 발열체의 장기적인 출력안정성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하는 정온도계수 특성의 고분자 수지 조성물은 무수 말레산이 0.1 내지 10 중량부가 그라프팅된 폴리올레핀계 수지에 전체 함량이 8 내지 50 중량부의 카본블랙, 5 내지 40 중량부의 무기충진제, 0.1 내지 10 중량부의 페놀계 또는 아민계 산화방지제로 구성된다.
도1은 본 발명의 발열체의 구성을 도시하는 단면도
도2 및 도3은 본발명의 실시예1과 비교예1의 출력안정성을 측정하여 결과를 나타낸 도표
도4 및 도5는 본 발명의 실시예2와 비교예2의 출력안정성을 측정하여 나타낸 도표
＜도면의 부호에 대한 설명＞
1: 발열체 2: 도체 3: 수지 조성물
본 발명을 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
자율제어형 고분자 발열체는 정온도계수 특성을 갖는 수지 조성물과 전원이 연결되는 두 도체가 압출기를 통해 발열체의 형태로 성형된 후 열처리, 자켓압출, 발열체의 가교 등 후공정을 거쳐 완제품으로 만들어진다. 이렇게 만들어진 발열체는 실제 사용환경에 포설되어 동파방지나 결빙방지 또는 온도유지의 목적이 되는 대상물에 열원으로서 열을 공급하게 된다. 작동하는 발열체는 인가되는 전압에 의한 전기적 스트레스 또는 설치된 주위환경과 자체발열에 의한 열적인 스트레스를 받게 되며, 이러한 스트레스는 발열체의 출력안정성을 떨어뜨리는 기본적인 원인중에 하나로 작용하게 된다.
발열체의 출력안정성은 발열체를 구성하고 있는 수지의 내열화성, 발열체내 전도성 충진제가 형성한 안정적인 도전로의 정도, 도체와 수지 조성물간 접착성등 여러 요소에 영향을 받을 수 있다. 특히 출력안정성에 영향을 미치는 다른 요소들과는 달리, 도체와 발열체의 수지 조성물간 접착성에 의해 발생하는 출력안정성의 감소는 단기적으로 나타나는 것이 아니라 비교적 장기간에 걸쳐 점진적으로 일어나는 경향이 있다.
도체와 수지 조성물간의 접착상태가 좋고 나쁨에 따라 발열체의 장기적인 출력안정성에 미치는 영향은 매우 크며, 실제 사용환경에서 발생하는 현상은 다음과 같이 설명될 수 있다. 발열체는 실제 사용환경에서 도체를 통해 전압이 인가되고 도체와 접착된 수지 조성물내에 형성된 도전로를 따라 전류가 흐르게 되며 이것은 도전로가 갖고 있는 저항성분에 의해 열에너지를 발생하게 된다. 이 경우 수지 조성물은 자체의 정온도계수 특성에 따라 저항(또는 비저항)이 증가하며 설치된 주위환경과 평형을 이루는 지점까지 저항의 증가는 지속된다. 이러한 특징으로 인해 일반적인 자율제어형 발열체를 통해 흐르는 전류는 전압을 인가한 초기에 큰 값을 나타내며 점차적으로 감소하여 저항이 평형에 도달하는 지점에 이르러 통전전류의 값도 안정상태를 나타내지만, 도체와 수지 조성물간 접착상태에 따라 수지 조성물을 따라 흐르는 전류의 변화폭이 변하며 접착상태가 나쁠수록 변화폭이 크다.
이러한 전류의 급격한 변화는 일종의 전기적 쇼크로서 수지 조성물의 열화를 촉진할 수 있다. 더욱이 도체와 수지 조성물의 접착부위는 완벽한 오믹접촉(Ohmic contact)이 아니므로 이 부분을 통한 전류의 흐름은 다소 방해를 받을 수 있다. 특히 접착상태가 나쁘게 되면 전류의 흐름은 커다란 방해를 받을 뿐 아니라, 심지어 이 분분에서 부분방전(partial discharge)과 같은 현상의 발생으로 수지 조성물이 열화반응을 일으키게 된다. 이와같이 나쁜 접착상태의 발열체는 사용중에 발생하게 되는 열화요인에 의해서 접착상태가 더욱 나빠져 도체를 통한 전류의 흐름을 방해하고 결국은 발열체의 출력을 급감시키게 된다.
도체와 수지 조성물간의 접착성은 몇가지 요소로써 조정할 수 있는데, 압출공정이나 후처리를 통해 가능하다. 그러나 이러한 시도는 공정상의 여러 가지 제약과 추가적인 설비의 보완과 같은 문제점을 안고 있으며, 또한 이 방법들을 통해 개선할 수 있는 접착성에는 한계가 있다.
따라서 본 발명에서는 언급된 접착성 개선의 한계를 극복할 수 있고 공정의 제약을 받지 않는 방법으로, 접착성 개선의 첨가제가 혼합된 수지 조성물을 개발하였으며, 그 방법을 기술하면 다음과 같다.
본 발명은 발열체용 수지 조성물에 사용되는 기본수지에 무수 말레산(Malric Anhydride, MAH)을 그라프트시킨 동종의 고분자 수지를 블렌딩하고, 여기에 전도성을 부여하기 위해 10 내지 50 중량부의 카본블랙과 2 내지 30 중량부의 무기충진제 혼합물 그리고 산화방지제 등의 안정제를 혼련하여 제조한다. 기본수지와 블렌딩되는 고분자 수지로서는 고밀도폴리에틸렌, 중밀도폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 선형저밀도폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 사용하였다.
본 발명의 수지 조성물에 사용되는 카본블랙은 입자크기가 25 나노미터(ASTM 분류로 N330)에서 75 나노미터(ASTM 분류로 N770)의 크기를 갖는다.
본 발명의 수지 조성물에 사용되는 무기충진제는 산화아연, 탄산칼슘, 산화마그네슘이 1 종 또는 2 종 이상이 혼합되어 사용된다.
본 발명의 수지 조성물은 비저항이 10℃ 에서 101내지 104Ωcm 이며, (수지의 녹는 온도 -40℃)의 온도에서 비저항이 105내지 109Ωcm 을 갖는다.
본 발명에서 언급한 접착성 개선을 통한 출력안정성이 향상된 수지 조성물과 발열체는 다음의 공정을 거쳐 제조하였다.
1)기본수지인 폴리올레핀(HDPE, MDPE, LDPE, LLDPE, PP) 수지와 무수 말레산이 그라프트된 동종의 고분자 수지를 일정 중량비가 되도록 평량하여 텀블러믹서 또는 헨셀믹서에서 드라이 상태로 섞는다.
2)드라이 믹싱된 고분자 수지와 전도성 카본블랙, 무기충진제 등의 첨가제를 반바리믹서, 트윈 스크류 압출기 또는 부스니더 등에서 충분히 혼련하고 혼련된 수지 조성물을 적당한 크기의 펠릿으로 분쇄한다.
3)펠릿 형태의 수지 조성물과 도체를 압출기를 통해 발열체로 성형한다.
4)성형된 발열체는 후처리 과정과 조사가교 또는 화학가교를 거쳐 제품을 완성한다.
본 발명은 아래의 실시예에서 상세히 설명된다.
(실시예1)
선형저밀도 폴리에틸렌 60 중량부와 무수 말레산이 2% 무게비로 그라프트된 선형저밀도 폴리에틸렌 40 중량부를 혼합한 고분자 수지에 전도성을 부여하기 위해 카본블랙(ASTM 분류로 N550)을 30 중량부, 산화아연 20 중량부, 페놀계 산화방지제인 상표명 이가녹스 1010을 1 중량부를 첨가하여 부스니더에서 혼련한 후 압출기를 이용하여 발열체를 압출성형하고 후처리공정과 조사가교시킴으로써 시편을 제조하였다.
(실시예2)
고밀도 폴리에틸렌 50 중량부와 무수 말레산이 2% 무게비로 그라프트된 고밀도 폴리에틸렌 50 중량부를 혼합한 고분자 수지에 전도성을 부여하기 위해 카본블랙(ASTM 분류로 N330)을 25 중량부, 산화아연 18 중량부, 페놀계 산화방지제인 상표명 이가녹스 1010을 1 중량부를 첨가하여 부스니더에서 혼련한 후 압출기를 이용하여 발열체를 압출 성형하고 후처리공정과 조사가교시킴으로써 시편을 제조하였다.
(비교예1)
실시예1 에서 사용한 동종의 선형저밀도 폴리에틸렌 100 중량부에 동일한 첨가제의 처방과 제조공정을 거쳐 시편을 제조하였다.
(비교예2)
실시예2 에서 사용한 동종의 선형저밀도 폴리에틸렌 100 중량부에 동일한 첨가제의 처방과 제조공정을 거쳐 시편을 제조하였다.
위에 명시된 실시예 및 비교예에서 언급된 시편으로 다음과 같은 방법으로 장기적인 출력안정성을 측정하여 결과를 도2 내지 도5에 나타내었다.
(장기출력안정성 측정방법)
1)일정 길이의 시편을 가지고 정해진 온도(10, 40℃)에서 출력을 측정한다.
출력은 유체의 순환에 의해 온도조정이 가능한 파이프에 파이프의 길이 방
향으로 시편을 설치하여 보온재로 단열시킨 후 상기한 온도에서 3 시간 동
안 열적 안정화시키고 이 상태에서 전압을 인가하여 측정된 전류로서 출력
을 계산한다.
2)1차로 출력측정이 끝난 시편을 각각의 온도(10,40℃)로 유지되는 챔버에 넣고 전원
을 연결한다. 연결된 전원은 일정한 시간을 주기로 전압 인가와 단락을 교
대로 반복하게 된다.
3)매 300 회를 기준으로 시편을 1) 에서와 같은 방법으로 출력을 측정하고 이 값을 초기 측정값과 비교한다.
상기와 같은 장기출력안정성 측정결과는 본 발명의 실시예가 비교예보다 출력안정성이 우수한 것임을 도2 내지 도5 로부터 알 수 있다.
본 발명에 따른 수지 조성물은 접착특성을 개선하기 위한 첨가제를 혼합하여 발열체의 수지 조성물과 전극으로 작용하는 발열체내 도체 사이의 접착특성을 개선하고 발열체의 장기출력안정성을 향상시킨다.
Claims (9)
- 무수 말레산이 0.1 내지 10 중량부가 그라프팅된 폴리올레핀계 수지에 전체 함량이 8 내지 50 중량부의 카본블랙, 5 내지 40 중량부의 무기충진제, 0.1 내지 10 중량부의 페놀계 또는 아민계 산화방지제로 구성되어 정온도계수 특성을 갖는 고분자 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 폴리올레핀계 수지로는 고밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 아크릴산 공중합체, 폴리프로필렌이 사용되는 고분자 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 카본블랙으로는 입자크기가 25 나노미터(ASTM 분류로 N330)에서 75 나노미터(ASTM 분류로 N770)의 크기를 갖는 카본블랙을 사용하는 고분자 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 무기충진제로는 산화아연, 탄산칼슘, 산화마그네슘이 1 종 또는 2 종 이상이 혼합되어 사용되는 고분자 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 수지 조성물의 비저항이 10℃ 에서 101내지 104Ωcm 이며, (수지의 녹는 온도 -40℃)의 온도에서 비저항이 105내지 109Ωcm 을 갖는 정온도계수 특성의 고분자 수지 조성물.
- 무수 말레산이 0.1 내지 10 중량부가 그라프팅된 폴리올레핀계 수지에 전체 함량이 8 내지 50 중량부의 카본블랙, 5 내지 40 중량부의 무기충전제, 0.1 내지 10 중량부의 페놀계 또는 아민계 산화방지제의 고분자 수지 조성물로 만들어진 자율제어형 고분자 발열체.
- 제6항에 있어서, 폴리올레핀계 수지로는 고밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 아크릴산 공중합체, 폴리프로필렌이 사용되는 고분자 발열체.
- 제6항에 있어서, 카본블랙으로는 입자크기가 25 나노미터(ASTM 분류로 N330)에서 75 나노미터(ASTM 분류로 N770)의 크기를 갖는 카본블랙을 사용하는 고분자 발열체.
- 제6항에 있어서, 무기충진제로는 산화아연, 탄산칼슘, 산화마그네슘이 1 종 또는 2 종 이상이 혼합되어 사용되는 고분자 발열체.
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| KR1019980007417A KR100249944B1 (ko) | 1998-03-06 | 1998-03-06 | 장기출력안정성이 향상된 정온도계수 특성의 고분자 수지 조성물과 이를 이용한 고분자 발열체 |
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