KR100737598B1 - 저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선 - Google Patents

저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저발연 고난연성 재료용 조성물은, 중합도가 800 내지 2,000인 폴리염화비닐(PVC) 수지를 기본수지로 사용하며, 상기 기본수지 100 중량부에 대해, 40 내지 80 중량부의 가소제; 50 내지 100 중량부의 난연제; 1 내지 10 중량부의 난연 보조제; 및 0.5 내지 20 중량부의 연기 억제제;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르는 저발연 고난연성 재료용 조성물을 이용하여 전선 또는 케이블의 절연재를 제조하는 경우에는 상온 또는 가열 후의 기계적 특성을 요구되는 기준치를 충분히 만족시키면서도 저발연 특성과 고난연 특성을 발현시킬 수 있는 장점을 갖는다.
저발연, 고난연, 화재, 전선, 케이블, 시스체, PVC

Description

저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선{Composition for producing of low smoke and flame retardant material and insulator and cable using the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 저발연 고난연성 재료용 조성물로 시스체가 제조된 UTP 케이블(카테고리 5)의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저발연 고난연성 재료용 조성물로 시스체가 제조된 UTP 케이블(카테고리 6)의 단면도이다.
<도면의 주요부에 대한 설명>
11...도선 13...페어 15...시스체
17...도체 19...절연 피복층 21...크로스 필러
100...카테고리 5의 UTP 케이블 200...카테고리 6의 UTP 케이블
본 발명은 저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소정의 중합도를 갖는 폴리염화비닐(PVC)을 기본 수지로 이용하고, 가소제, 난연제, 난연 보조제 및 연기 억제제를 적량 혼합시켜 블랜딩시킨 조성물을 이용하여 저발연 및 고난연성의 절연재를 제조할 수 있는 저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선에 관한 것이다.
UTP는 언실드 트위스티드 페어(unshieled twisted pair)의 머리글자이다. 비차폐(非遮蔽)쌍케이블, 비차폐연선이라고도 한다. UTP의 가장 일반적인 형태는 구리선으로서, 일반 전화선이나 랜(LAN:근거리통신망)의 환경을 이어주는 신호선으로 이용되고 있다. UTP는 100 메가비트(Mbit) 랜카드에 사용되는 표준 신호선으로, 그 외관은 전화선과 비슷한 RJ-45 규격의 커넥터와 케이블로 이루어져 있으며, 그 내부의 선은 8가닥의 신호선으로 이루어져 있으며, 케이블 외피를 벗기고 안을 들여다보면 두 가닥씩 꼬인 4쌍의 선이 존재하고 있다. 이들 두 가닥씩 4쌍의 선을 구성하는 총 8가닥의 선 색깔은 각기 다르며, 서로 다른 색깔에 따라 핀 번호가 규격으로 정해져 있다. 이들 8가닥의 선 중 실제로 사용되는 신호선은 4가닥이며, 나머지 4개의 선은 모두 접지에 사용된다.
UTP 케이블은 케이블의 질에 따라 여러 개의 카테고리로 나뉜다. 카테고리는 미국전자산업진흥회(EIA)에서 품질에 따라 등급을 매긴 UTP 케이블 표준으로서, 품질이 가장 낮은 것을 1, 가장 높은 것을 5의 등급으로 표시한다. 카테고리 2까지는 일반 전화선, 카테고리 3은 10Mbps 랜, 카테고리 4는 16Mbps 토큰링 네트워크, 카 테고리 5는 100Mbps 랜 등에 사용한다. 최근에는 카테고리 6으로 구분되는 케이블도 제안되고 있다.
전술한 UTP를 비롯한 일반 전선, 전화선, 각종 통신 케이블 등의 각종 전선의 외표면은 절연재료로써 피복되어 있으며, 이러한 절연재층은 외부와 직접 접촉하도록 노출되어 있다. 그런데, 이러한 전선 등이 가설된 공간에서 화재가 발생되는 경우에 연기 발생이 과다하게 이루어지며, 연소성이 강한 물질인 경우에는 화재 확산의 통로로 이용될 수도 있다는 점에서 발연성이 낮고 난연성이 높은 물성을 갖는 재료가 이용되어야 함에는 이론의 여지가 없을 것이다.
따라서, 관련업계에서는 요구되는 기본 물성에 큰 변화를 초래하지 않으면서 첨가된 물질에서 기대하는 효과까지도 충분하게 발현될 수 있도록 하기 위한 재료 혼합에 대한 꾸준한 노력이 지속적으로 이루어져 왔으나, 기본수지의 적절한 선택과 요구되는 효과를 충분하게 발현시킬 수 있는 첨가물의 선택 및 그 함량의 적정 범위를 찾아내는 것은 관련 업계에서 용이하지 않을 뿐만 아니라 기초되는 선행자료가 존재한다 하여도, 이들로부터 기술 개발에 대한 여하한 동기도 얻을 수 없는 기술적 한계가 존재하고 있는 자명한 사실이다.
본 발명은 전선의 절연재층을 구성하되, 저발연 고난연 효과를 발현시키되, 종래에 요구되는 기계적 특성을 유지하거나 개선시킬 수 있는 재료를 제조하기 위한 조성물을 제공하기 위한 노력의 일환에서 각고의 노력과 연구를 통하여 본 발명이 안출된 것이다.
전술한 종래의 문제점에 기초하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래에 이용되던 전선 등의 절연층에 요구되는 기계적 강도에 영향을 주지 않으면서도, 화재 발생시에 연기 발생을 억제하고 화재 확대를 방지할 수 있는 난연성을 발현시키고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 저발연 고난연성 재료용 조성물과 이를 이용한 절연체 및 전선을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물은, 중합도가 800 내지 2,000인 폴리염화비닐(PVC) 수지를 기본수지로 사용하며, 상기 기본수지 100 중량부에 대해, 40 내지 80 중량부의 가소제; 50 내지 100 중량부의 난연제; 1 내지 10 중량부의 난연 보조제; 및 0.5 내지 20 중량부의 연기 억제제;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명에서 제공되는 저발연 난연재로 피복된 전선은 전술한 저발연 고난연성 재료용 조성물을 이용하여 전선의 절연층 및 시스층 등의 저발연 고난연성 절연체가 제조될 수 있으며, 이러한 절연체가 피복된 전선을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 구체적인 실시예를 들어 설명하고, 필한 경우에는 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어지지 않아야 한다. 본 발 명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
전술한 바와 같은 통신 케이블로 사용되는 UTP(unshielded twisted pair) 케이블 구조에 대해서는 첨부 도면 및 하기 설명을 통해 더 구체적으로 이해할 수 있다.
도 1은 페어가 4개인 카테고리 5의 UTP 케이블(100)의 단면도이고, 도 2는 크로스필러(21)가 더 구비된 카테고리 6의 UTP 케이블(200)을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바를 참조하면, UTP 케이블의 내부에는 2개의 도선(11)이 서로 나선형으로 꼬인 형태의 페어(13)를 다수 구비하며, 그 외부는 0.5㎜의 두께를 갖는 시스체(15)로 감싸여 있다. 이때. 각 도선(11)은 도체(17) 다발과 이들 도체(17) 다발을 감싸고 있는 절연 피복층(19)으로 이루어진다. 도 1 및 도 2에서, 동일 참조부호는 동일부재를 의미한다. 도체(17) 다발을 감싸고 있는 절연 피복층(19)은 플루오로에틸렌프로필렌(Fluoroethylenepropylene, FEP) 불소 수지를 이용하여 제조하였다. FEP 불소 수지는 우수한 유전체로서 유전 용량이 낮고, 압출시 도체와의 접착력이 뛰어나며, 매끈한 표면 조도를 가지며, 균일한 두께의 절연피복층(19)을 제조함에 적합하다. 또한, FEP 불소 수지는 자체의 소화성을 가짐으로써 고난연 케이블의 제조를 가능하게 하는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 저발연 난연재 제조용 조성물은 전선의 절연재로 활용될 수 있으며, 구체적으로는 일반 전선, 일반 전화선, UTP(Unshieled twisted pair cable) 케이블 또는 광케이블 등의 각종 절연층으로 이용될 수 있으며, 도 1 및 도 2에서의 시스체(15)의 제조에 이용될 수도 있다.
본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물의 기본수지로는 중합도가 800 내지 2,000인 PVC 수지가 사용되면 바람직하다. 상기 폴리염화비닐 수지의 중합도에 관한 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 경우에는 전선용으로 물리적 특성이 부족하여 바람직하지 못하며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 전선용으로 가공성이 좋지 않아 바람직하지 못하다.
본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물에 포함되는 가소제는 상기 기본수지 100 중량부에 대해, 40 내지 80 중량부의 함량이 사용되면 바람직하다. 상기 가소제 함량의 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 경우에는 가공성을 개선하기 위한 가소화가 충분하게 진행되지 않아 바람직하지 못하며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 첨가량에 비례적인 효과는 발생하지 않으면서 과량 첨가에 따른 원가 상승 요인으로만 제공하여 바람직하지 못하다.
한편, 상기 가소제는, 탄소수가 12 내지 16개인 알킬 그룹을 포함하는 알킬디페닐에스테르 가소제와 브롬계 가소제를 3:7 내지 8:2의 비율로 혼합된 물질이면 바람직하며, 특히 상기 브롬계 가소제는, 브롬처리된 디옥틸 프탈레이트(brominated dioctyl phthalate), 브롬처리된 디이소데실 프탈레이트(brominated Diisodecyl phthalate) 및 브롬처리된 디이소노닐 프탈레이트(brominated Diisononyl phthalate) 중 선택된 어느 하나를 이용하면 바람직하다. 상기 가소제를 구성하는 알킬디페닐에스테르 가소제 성분에 포함되는 알킬 그룹의 탄소수에 대한 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 경우에는 분자량이 적어 내열성 이 나빠져 바람직하지 못하며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 분자량이 커져 그 배합이 어렵게 되어 바람직하지 못하다. 그리고, 상기 가소제를 구성하는 알킬디페닐에스테르 가소제와 브롬계 가소제의 혼합비율에 관한 수치범위와 관련하여, 상기 알킬디페닐에스테르 가소제 함량의 하한치에 미달하는 경우에는 난연특성은 개선되나 발연특성은 저하되어 바람직하지 못하며, 상기 알킬디페닐에스테르 가소제 함량의 상한치를 초과하는 경우에는 발연특성은 개선되나 난연특성이 크게 저하되어 바람직하지 못하다.
본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물에 포함되는 난연제는 상기 기본수지 100 중량부에 대해 50 내지 100 중량부의 함량이 사용되면 바람직하다. 상기 난연제 함량의 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 경우에는 기계적 특성은 향상되지만 난연 특성이 저하되어 바람직하지 못하며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 난연 특성은 향상되나 기계적 특성이 저하되어 바람직하지 못하다. 한편, 상기 난연제는, 수산화알루미늄(Aluminum hyoxide, Al(OH)3), 수산화마그네슘(Magnesium hydroxide, Mg(OH)2), 훈타이트(Huntite) 및 마그네슘수화물(Magnesium hydrate)로 이루어진 물질군 중 선택된 어느 하나의 단일물 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합물이면 바람직하다.
본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물에 포함되는 난연 보조제는 상기 기본 수지 100 중량부에 대해 1 내지 10 중량부의 함량으로 사용되면 바람직하다. 상기 난연 보조제 함량의 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 경우에는 난연성 향상에 기여하는 바가 없어 바람직하지 못하며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 난연성 향상 목적과 관련하여 첨가되는 양에 비례적인 효과는 발생하지 않으면서, 오히려 기계적 물성을 저하시키는 원인이 되어 바람직하지 못하다. 한편, 상기 난연 보조제는, 붕산화아연(zinc borate), 삼산화안티몬(Sb2O3) 및 산화안티몬 중 선택된 어느 하나의 단일물 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합물이면 바람직하다.
본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물에 포함되는 연기 억제제 는 상기 기본 수지 100 중량부에 대해 0.5 내지 20 중량부의 함량으로 사용되면 바람직하다. 상기 연기 억제제 함량의 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 경우에는 연기 억제의 효과를 기대할 수 없어서 바람직하지 못하며, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 물성 저하가 발생하는 문제점과 재료 원가의 상승 요인이 되어 경제적으로 바람직하지 못하다. 한편, 상기 연기 억제제는, 나트륨이 수화된 알루미노실리케이트(Sodium hydrated aluminosilicate)이면 바람직하다.
이외에도, 본 발명의 조성물에는 케이블 피복재료에 통상적으로 사용되고 있는 다양한 첨가제들이 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 더 사용될 수 있다. 이러한 첨가제들의 예로서는 산화방지제, UV안정제, 열안정제, 윤활제, 정전기 방지제, 왁스, 커플링제, 안료, 가공조제, 카본블랙 등이 있는데 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 전선 피복재료 조성물은 당업계에 알려진 방법에 의해 제조될 수 있는데, 그 방법에 있어서 특별히 제한되지 않는다. 이때, 니더, 벤 버리 믹서 또는 오픈롤 등을 사용할 수 있음은 자명하다. 이러한 본 발명에 따른 저발연 난연재 제조용 조성물은 다양한 종류의 전선, 전화선, 케이블 등의 시스층, 버퍼층, 절연층 등에 적용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 (1) 및 비교예 (1~3)
하기 표 1에 따른 성분과 이들 각각 함량에 따라 본 발명에 따르는 조건을 만족하는 실시예(1)와 이에 대비되는 비교예(1~3)을 각각 구분 설정하여 나타내었다. 한편, 전술한 도 1 및 도 2의 시스체(15)를 제조하기 위한 조성으로는 실시예 1의 조성물을 이용하는 것이 바람직하다.
구분 (함량 단위 : 중량부) 비교예(1~3) 실시예 1
1 2 3
폴리비닐클로라이드(PVC) 100 100 100 100
디옥틸 프탈레이트(DOP) - - 20 -
이소-데실 디페닐 포스페이트 20 20 - -
인산과 C16-알킬 디페닐의 혼합물 - - - 30
브롬처리된 디옥틸 프탈레이트 30 30 30 20
산화알루미늄 100 150 200 80
암모늄 옥타몰리브데이트 10 20 30 -
나트륨이 수화된 알루미노실리케이트 - - - 3
삼산화안티몬 3 3 3 -
붕산화아연 6 6 6 6
파라핀왁스 1 1 1 1
페놀계 산화방지제 1 1 1 1
납계 열안정제 7 7 7 7
시험 시편의 제조
상기 표 1에 따라 구분 설정된 실시예(1) 및 비교예(1~3)에 따른 조성물 각각 오픈롤에서 혼련시킨 후, 170℃에서 10분간 성형하여 시험 시편을 제조하였다.
물성 평가
상기한 바에 따라 제조된 시험 시편 각각에 대해 하기와 같은 항목 및 내용과 기준에 따라 각각의 물성을 평가한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
상온특성은 상온에서 UL444 기준에 따라 인장강도 및 신장율을 각각 측정하였다. UL444 기준에 따르면, 상온에서 인장강도는 1.41 ㎏f/㎟ 이상, 신장율은 100% 이상을 각각 보유하여야 상온에서의 적합성을 갖는 것으로 평가하고 있다.
내열특성은 100℃에서 10일 동안 시험 시편을 방치한 후, UL444 기준에 따라 인장강도 및 신장율을 측정하고, 상온 값에서 측정된 수치와 상대적인 유지 정도를 측정하였다. UL444 기준에 따르면, 가열 후 인장강도 잔율은 85% 이상, 신장율의 잔율은 50% 이상을 각각 유지하여야 내열특성을 갖는 것으로 평가하고 있다.
UL910 기준에 따라 평균연기밀도(average optical density)를 측정하여 발연성을 평가하였으며, 평균연기밀도가 0.15 이하이면 합격의 판정을 하였다. 한편, UL910 기준에 따라 연소길이(flame distance)를 측정하여 난연성을 평가하였으며, 연소길이가 5.0 피트(ft) 이하이면 합격을 판정을 하였다.
구분 평가기준 비교예 실시예 1
1 2 3
상온특성 (가열전) 인장강도(㎏f/㎟) 1.41 이상 1.55 0.85 1.25 1.75
신장율(%) 100 이상 210 57 170 230
내열특성 (가열후) 인장강도 잔율(%) 85 이상 90 65 91 95
신장율 잔율(%) 50 이상 91 23 60 92
발연성 평가 평균 연기 밀도 0.15 이하 불합격 합격 합격 합격
난연성 평가 연소 길이 5.0 ft 이하 불합격 합격 불합격 합격
상기 표 2에 나타난 결과를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 실시예 1의 경우에는 상온특성, 내열특성, 발연성 평가 및 난연성 평가의 모든 항목에서 양호한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
이와 달리, 비교예 1의 경우에는 발연성 및 난연성 평가에서는 기준 조건을 만족하지 못하여 불합격 판정을 받아 바람직하지 못하며, 비교예 2의 경우에는 비교예 1과는 반대의 결과로서 상온특성 및 내열특성에 요구되는 기준치를 만족하지 못하여 바람직하지 못하며, 비교예 3의 경우에는 상온특성 중 인장강도의 기준치 미달 및 발연성 평가에서 불합격 판정을 받아 바람직하지 못함을 알 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.
본 발명에 따르는 저발연 고난연성 재료용 조성물을 이용하여 전선 또는 케이블의 절연재를 제조하는 경우에는 상온 또는 가열 후의 기계적 특성을 요구되는 기준치를 충분히 만족시키면서도 저발연 특성과 고난연 특성을 발현시킬 수 있는 장점을 갖는다. 이로써, 화재 발생시에 연기 발생을 억제하고 연소성에 대한 내성이 강하게 발생하여, 연기로 인한 질식 등의 문제를 최소화할 수 있으며, 자체적인 난연성으로 인해 화재가 확산되는 것을 억제하는 효과를 발휘하여 화재 발생으로 인해 소중한 인명과 재산에 가해지는 피해를 최소화할 수 있는 장점을 갖는다. 본 발명에서 제공되는 저발연 난연재 제조용 조성물은 전선의 절연재로 활용될 수 있으며, 구체적으로는 일반 전선, 일반 전화선, UTP(Unshieled twisted pair cable) 케이블 또는 광케이블 등의 각종 절연층 또는 시스층으로 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 중합도가 800 내지 2,000인 폴리염화비닐(PVC) 수지를 기본수지로 사용하며,
    상기 기본수지 100 중량부에 대해,
    40 내지 80 중량부의 가소제;
    50 내지 100 중량부의 난연제;
    1 내지 10 중량부의 난연 보조제; 및
    0.5 내지 20 중량부의 연기 억제제;를 포함하여 이루어지되
    상기 가소제는, 탄소수가 12 내지 16개인 알킬 그룹을 포함하는 알킬디페닐에스테르 가소제와 브롬계 가소제를 3:7 내지 8:2의 비율로 혼합된 물질이고,
    상기 난연제는, 수산화알루미늄(Aluminum hyoxide, Al(OH)3), 수산화마그네슘(Magnesium hydroxide, Mg(OH)2), 훈타이트(Huntite) 및 마그네슘수화물(Magnesium hydrate)로 이루어진 물질군 중 선택된 어느 하나의 단일물 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합물이고,
    상기 난연 보조제는, 붕산화아연(zinc borate), 삼산화안티몬 및 산화안티몬 중 선택된 어느 하나의 단일물 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합물이며,
    상기 연기 억제제는, 나트륨이 수화된 알루미노실리케이트(Sodium hydrated aluminosilicate)인 것을 특징으로 하는 저발연 고난연성 재료용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브롬계 가소제는, 브롬처리된 디옥틸 프탈레이트(brominated dioctyl phthalate), 브롬처리된 디이소데실 프탈레이트(brominated Diisodecyl phthalate) 및 브롬처리된 디이소노닐 프탈레이트(brominated Diisononyl phthalate) 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저발연 고난연성 재료용 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 따르는 저발연 고난연성 재료용 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 저발연 고난연성 절연체.
  4. 제3항에 따른 저발연 고난연성 절연체를 이용하여 피복된 것을 특징으로 하는 전선.
  5. 삭제
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  7. 삭제
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