KR101307489B1 - 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 절연파괴특성을 가진 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 절연용 나노 복합재는 특정 비율의 SiO₂가 계면 접착력을 증진시키고, 미립자간 치밀도를 높임으로써 절연파괴강도가 증가되는 장점이 있다.

Description

절연용 나노 복합재 및 그 제조방법 {NANO COMPOSITE FOR INSULATION AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 절연파괴특성을 가진 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전력 수요의 증가와 더불어 전력기기용 절연재료는 다양한 물성과 함께 전력 설비의 대용량화와 콤팩트화가 요구된다. 전력 기기에 사용 되는 재료로는 PE, 에폭시, 마이카, EPDM등이 있다.

일반적으로 고전압화가 될수록 높은 내전압 특성이 요구되며, 전력기기의 계면은 절연강도를 낮추는데 활용 되고 있으며, 콤팩트화를 위하여도 계면간의 상호 작용의 이해도는 필수 요소이다.

고전압 기기에 있어서 절연재료가 담당하고 있는 역할은 매우 중요하며, 절연 재료의 특성이 전기기기 전체의 설계를 결정하는 중요한 요인이 된다. 전기기기에 사용하는 재료 단위체의 물성만으로는 절연재료로서 적용할 수 없을 뿐 아니라 필러(무기입자) 또는 유리 섬유질과의 복합화에 의한 절연 재료의 고성능화가 필요하다.

최근 나노 사이즈의 입자와 폴리머를 복합화한 폴리머 형태의 나노 복합재료가 전력 변성기기 제작에 적용되고 있으며, 첨가물을 나노 입자 형태로 분산 시키는 제어 기술이 나노 복합재료의 실용화를 위하여는 중요시 되고 있다.

이러한 나노 복합재료에 대한 연구 중, 본 발명자는 에폭시 수지와 경화제, 경화촉진제에 배합되는 SiO₂의 함량에 따라 상기 복합재료의 X선 패턴, FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy)의 패턴, 절연파괴특성이 달라진다는 것을 발견하였다.

이에 본 발명자는 에폭시 수지에 경화제, 경화촉진제 및 SiO₂를 최적화 비율로 첨가하여, 절연파괴강도가 높은 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법을 발명하게 되었다.

본 발명의 목적은 높은 절연파괴특성을 가진 절연용 나노 복합재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 적절한 양의 SiO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연용 나노 복합재를 제공한다.

또한, 본 발명은

1) 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 적절한 양의 SiO₂를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;

2) 상기 단계 1)에서 제조된 혼합액을 1차 경화시키는 단계;

3) 상기 단계 2) 이후, 탈포시키는 단계; 및

4) 상기 단계 3) 이후, 2차 경화시키는 단계;

를 포함하는 절연용 나노 복합재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 절연용 나노 복합재는, 전기 절연 (electrical insulation) 특성 측면에서, 적절한 범위 내의 SiO₂ 함유량을 갖지 못한 절연용 나노 복합재에 비하여, 미립자간 치밀도가 높으며, 에폭시기와 시료에 첨가된 SiO₂의 화학적 결합으로 인하여 절연파괴특성이 양호하다.

도 1은 에폭시 시료에 첨가된 SiO₂ 첨가량에 따른 절연파괴특성을 나타낸 도이다.
도 2는 SiO₂를 첨가한 복합재료의 X선 패턴을 나타낸 도이다.
도 3은 SiO₂를 첨가한 복합재료의 FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) 패턴을 나타낸 도이다.

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은

에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 적절한 양의 SiO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연용 나노 복합재를 제공한다.

상기 에폭시 수지는 단분자 속에 2개 이상의 반응성 에폭시기를 가지는 화합물을 말하며, 바람직하게는, 페놀 (phenol) 2분자와 아세톤 (aceton) 단분자와의 축합 반응으로 얻어지는 비스페놀 A 한 분자와 에피클로르하이드린 2분자와의 축합 반응으로 생성되는 비스페놀 A의 디글리시딜에테르를 말한다.

에폭시 수지는 그 분자 구조로부터 반응성이 풍부하며, 경화 수축이 적고, 강인성이나 고온특성 및 내약품성이 우수하며, 접착성이 높은 성능을 나타난다.

상기 에폭시 수지는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 바람직하게는 89~94 중량%, 더 바람직하게는 89~91 중량%이나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 경화제는 고분자 수지를 경화시키기 위한 것으로서 열개시제 또는 광개시제를 포함한다.

상기 열개시제는 아민계, 벤조일 퍼옥사이드와 같은 과산화물계, 또는 아조비스이소부틸로니트릴 등으로부터 선택할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 광개시제는 알파-하이드록시아세토페논, 1-하이드록시싸이클로헥실페닐 케톤, 2,2-디메톡시-2페닐-아세토페논, 잔톤, 벤즈알데히드, 안트라퀴논, 3-메틸아세토페논, 4-클로로벤조페논, 4,4′-디메톡시 벤조페논, 벤조인 프로필 에테르, 벤조인 에틸에테르, 1-(4-이소프로필-페놀)-2히드록시-2-메틸프로판-1-온, 또는 티옥잔톤 등으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 경화제는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 바람직하게는 5~10 중량%, 더 바람직하게는 8~10 중량%이나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 경화 촉진제는 특별한 제한이 없고, 조성물의 경화 반응 시간의 조절을 위해 첨가되는 것으로, 그 예로는 3급 아민, 이미다졸 화합물, 4급 암모늄 또는 트리페닐 포스핀(TPP)의 일종 또는 이종 이상의 혼합을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 경화촉진제는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 0.1~1 중량%, 바람직하게는 0.1~0.5 중량%이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

시료 중에 분산된 상기 SiO₂ 입자는 계면 접착력을 증진시킴으로써 시료를 강화하는 기능을 효율적으로 향상시킨다.

상기 SiO₂는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 0.1~0.3 중량%, 바람직하게는 0.15~0.25 중량%이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 SiO₂ 함량이 0.2 중량%인 절연용 나노 복합재는, SiO₂가 전혀 들어 있지 않거나, 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 SiO₂ 함량이 0.4 중량% 및 0.6 중량%인 절연용 나노 복합재에 비하여 미립자간 치밀도가 높아짐을 알 수 있다 (도 4).

또한, 본 발명은

1) 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 적절한 양의 SiO₂를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;

2) 상기 단계 1)에서 제조된 혼합액을 1차 경화시키는 단계;

3) 상기 단계 2) 이후, 탈포시키는 단계; 및

4) 상기 단계 3) 이후, 2차 경화시키는 단계;

를 포함하는 절연용 나노 복합재의 제조방법을 제공한다.

상기 단계 2)의 1차 경화는, 바람직하게는 100~150℃에서, 더 바람직하게는 120~150℃ 로, 바람직하게는 0.5~2시간, 더 바람직하게는 1~2시간 동안 진행되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 단계 3)의 탈포는, 바람직하게는 0.01~0.1 torr에서, 더 바람직하게는 0.05~0.1 torr에서, 바람직하게는 0.5~1시간 동안 진행되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 단계 4)의 2차 경화는, 바람직하게는 100~130℃에서, 더 바람직하게는 110~130℃로, 바람직하게는 3~7시간, 더 바람직하게는 3~5시간 동안 진행되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 절연용 나노 복합재의 제조는 2차에 걸친 경화과정을 거치는데, 그 이유는 치밀한 경화를 위해서는 고온에서 순간적인 경화를 수행하는 것 보다 상대적으로 저온에서 서서히 경화를 진행 시켜야 치밀한 가교가 이루어지기 때문이다.

상기 제조방법에서, 상기 에폭시 수지는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 89~94 중량%, 바람직하게는 89~91 중량%; 상기 경화제는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 5~10 중량%, 바람직하게는 8~10 중량%; 상기 경화촉진제는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 0.1~1 중량%, 바람직하게는 0.1~0.5 중량%; 상기 SiO₂는 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 0.1~0.3 중량%, 바람직하게는 0.15~0.25 중량% 이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 제조방법에 따라 제조된 절연용 나노 복합재는 그렇지 않은 절연용 나노 복합재에 비하여 절연파괴특성이 양호하고 (도 2), 미립자들의 치밀도가 높은 것을 볼 수 있다 (도 4).

또한 본 발명은 본 발명의 절연용 나노 복합재를 포함하는 전기 절연체를 제공한다.

본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 절연용 나노 복합재는 그렇지 않은 절연용 나노 복합재에 비하여 절연파괴특성이 양호하므로 이를 포함하는 전기 절연체는 여러 전기기구에서 유용하게 사용할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 등에 의하여 한정되는 것은 아니다.

제조예 1: 절연용 나노 복합재의 제조

	실험예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3
비스페놀 A형 YD-128	89.8 중량%	90 중량%	89.6 중량%	89.4 중량%
HN-2200	9 중량%	9 중량%	9 중량%	9 중량%
경화촉진제	1 중량%	1 중량%	1 중량%	1 중량%
Aerosil200	0.2 중량%	0 중량%	0.4 중량%	0.6 중량%

에폭시 수지로서 비스페놀 A형 YD-128 (Kukdo Chemical), 경화제로서 HN-2200 (Kukdo Chemical), 경화촉진제로서 디메틸아닐린 (Kukdo Chemical), SiO₂로서는 Aerosil200 (Degussa사)를 표 1과 같은 비율로 혼합하였다.

이후, 미리 준비한 금형에 상기 혼합물을 주입하고, 경화로에서 130℃에서 1시간 동안 1차 경화시킨 후, 시료 중에 남아 있는 공기를 0.05 Torr에서 30분간 탈포시키고, 준비된 시편 금형에 탈포가 완료된 혼합액을 투입한 후, 진공 탈포 과정을 30분간 동안 수행하였다.

또한 혼합액의 미반응 물질들의 완전한 경화를 유도하기 위해서 탈포 이후, 경화로에서 120℃에서 5시간 동안 2차 경화시켜 절연용 나노 복합재를 제작하였다.

실시예 1: 절연파괴강도의 측정

완성된 복합재료는 절연파괴 실험용 시료의 형상으로 크기는 15×15×1.0 mm³로 하부 전극은 평판, 상부 전극은 구전극을 사용하여, 다섯 군데를 측정하여 평균값을 산정하였다. 절연 매질로는 실리콘 절연유를 사용하였다.

그 결과, 실험예 1에서 절연 파괴 전압이 가장 크게 나타났으며, 비교예 1과 같이 SiO₂가 첨가되지 않은 것에서는 절연 파괴 전압이 낮았으며, 실험예 1에서 정점을 이룬 절연 파괴 전압은 비교예 2, 3에서 보는 바와 같이, SiO₂의 첨가량이 증가 할수록 절연 파괴 전압이 감소하였다.

그 이유는 절연용 나노 복합재 내부에 분산된 SiO₂ 입자가 계면 접착력을 증진시킴으로써 시료를 강화하는 반면에, SiO₂의 첨가량이 증가할수록 나노 복합재 내부 미립자의 밀도가 감소하여 절연 파괴강도의 저하와 밀접하게 관련되는 것으로 판단된다.

실시예 2: XRD 의 측정

상기 표 1에 기재된 비율에 따라, 직경 10 mm×두께 1 mm의 절연용 나노 복합재 시료를 가공한 후, X-Ray 측정 기구(Rigaku사)를 이용하여 XRD를 측정하였다.

XRD의 결과로부터 각 시료들의 고차구조의 특징은 모두 유사한 특성을 보인다는 것을 알 수 있었다.

실시예 3: FESEM 이미지 측정

상기 표 1에 기재된 비율에 따라, 직경 10 mm×두께 1 mm의 절연용 나노 복합재 시료를 가공한 후, FESEM 이미지 측정기를 이용하여 (Jeol사) 절연용 나노 복합재 시료의 단면을 관찰하였다.

상기 표 1에 기재된 비율에 따라 제조된 절연용 나노 복합재 시료의 단면을 관찰한 결과, 비교예 1에서는 미립자간의 치밀도가 떨어짐이 관찰되었고, 실험예 1은 비교예 1에 비해 미립자의 크기는 커졌으나 미립자간 치밀도가 높아짐을 알 수 있었다.

이는 에폭시 시료에 SiO₂가 첨가됨에 따라 미립자 사이의 간격이 줄어들어 에폭시의 밀도가 높아지기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 시료 중에 분산된 SiO₂ 입자는 계면 접착력을 증진시킴으로써 시료를 강화하는 기능을 효율적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

반면에, 비교예 2 및 3에서는 시료 내에 분산된 미립자들의 뭉쳐짐의 정도가 치밀하지 못함을 볼 수 있다. 즉, 실험예 1의 표면은 매끈한 반면에 비교예 2 및 3의 표면 관찰결과, 미립자의 크기가 점차 커짐을 관찰하였다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 1) 에폭시 수지 89~94 중량%, 경화제 5~10 중량%, 경화촉진제 0.1~1 중량 % 및 SiO₂ 0.1~0.3 중량%를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
   2) 상기 단계 1)에서 제조된 혼합액을 100~150℃에서 1~2시간 동안 1차 경화시키는 단계;
   3) 상기 단계 2) 이후, 0.01~0.1 torr에서 0.5~1시간 동안 탈포시키는 단계; 및
   4) 상기 단계 3) 이후, 100~130℃에서 3~7시간 동안 2차 경화시키는 단계;
   를 포함하는 절연용 나노 복합재의 제조방법.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 절연용 나노 복합재의 제조방법은 단계 단계 1)에서 SiO₂를 전체 절연용 나노 복합재 중량 대비 0.15~0.25 중량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 절연용 나노 복합재의 제조방법.
5. 삭제

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