KR102038709B1 - 전력 케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 친환경적이고, 내열성 및 기계적 강도가 우수한 동시에, 이들 물성과 상충관계(trade-off)에 있는 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등이 우수한 절연재료로 이루어진 절연층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

전력 케이블{Power cable}
본 발명은 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 친환경적이고, 내열성 및 기계적 강도가 우수한 동시에, 이들 물성과 상충관계(trade-off)에 있는 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등이 우수한 절연재료로 이루어진 절연층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.
일반적인 전력케이블은 도체와 이를 감싸는 절연층을 포함하고, 고전압 또는 초고전압 케이블의 경우 상기 도체와 절연층 사이에 내부 반도전층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층 등을 추가로 포함할 수 있다.
최근, 증가하는 전력 수요에 따라 고용량 케이블의 개발이 요구되고 있으며 이를 위해서는 기계적, 전기적 특성이 우수한 절연층을 제조하기 위한 절연 재료가 필요한 상황이 되었다. 종래 상기 절연 재료를 구성하는 기재 수지로서 폴리에틸렌, 에틸렌/프로필렌 탄성 공중합체(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 공중합체(EPDM) 등의 폴리올레핀계 고분자를 가교시킨 것이 일반적으로 사용되어 왔다. 이러한 종래의 가교 수지는 심지어 고온하에서도 우수한 유연성 및 만족스런 전기적·기계적 강도 등을 유지하기 때문이다.
그러나, 절연 재료를 구성하는 기재 수지로 사용되어 온 상기 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등은 가교 형태이기 때문에 상기 가교 폴리에틸렌 등의 수지로 제조된 절연층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 불가능하고 소각에 의해 폐기할 수밖에 없어 환경 친화적이지 않다. 또한, 쉬스층의 재료로서 폴리비닐클로라이드(PVC)를 사용하는 경우 이를 상기 절연 재료를 구성하는 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등으로부터 분리하는 것이 곤란하여, 소각시 유독성 염소화 물질이 생성되는 등 환경 친화적이지 않은 단점이 있다.
한편, 비가교 형태의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 이로부터 제조된 절연층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 가능한 등 환경 친화적이나, 가교 형태의 폴리에틸렌(XLPE)에 비해 내열성이 열등하여 낮은 운전온도로 인해 그 용도가 매우 제한적인 단점이 있다. 나아가, 상기 비가교 폴리에틸렌 등의 내열성 등을 개선하기 위해 카본블랙 등의 무기 입자를 첨가하는 기술이 공지되어 있으나, 상기 카본블랙의 첨가로 제조비용이 상승하고 상기 카본블랙과 수지와의 상용성, 즉 카본블랙의 수지에 대한 분산성을 해결해야 하는 등의 문제가 있어, 절연 재료의 제조공정이 복잡할 수 있다.
한편, 고분자 자체의 용융점이 160℃ 이상으로 가교하지 않고도 내열성이 우수하여 환경 친화적인 폴리프로필렌 수지를 기재 수지로 사용하는 것을 고려해 볼 수 있다. 다만, 상기 폴리프로필렌 수지는 이의 높은 강성(rigidity)에 의한 불충분한 유연성, 굴곡성(flexibility) 등으로 인해, 이로부터 제조되는 절연층을 포함하는 케이블의 포설 작업시 작업성이 떨어지고 그 용도가 제한되는 문제가 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허공보 제10-2011-0084544호, 제10-2009-0037945호, 제10-2007-0086013호 등에는 폴리프로필렌 수지를 포함하는 다양한 절연재료가 개시되어 있으나, 이들은 상충관계(trade-off)에 있는 수지의 강성과 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내상성, 포설성, 작업성 등을 동시에 만족시키기에는 매우 불충분하다.
따라서, 환경친화적이고 제조비용이 저렴할 뿐만 아니라, 내열성 및 기계적 강도과 이와 상충관계(trade-off)에 있는 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 동시에 만족시킬 수 있는 새로운 절연재료 및 이로부터 제조된 절연층을 갖는 전력 케이블이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 수명이 다한 후 재활용이 가능한 등 환경친화적이고, 가교를 위한 공정이 불필요하여 제조비용이 저렴한 절연재료로 이루어진 절연층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내열성 및 기계적 강도과 이와 상충관계(trade-off)에 있는 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 동시에 만족시킬 수 있는 절연재료로 이루어진 절연층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
하나 이상의 도체, 상기 각각의 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층을 포함하는 전력 케이블에 있어서, 상기 절연층은, (A) 폴리프로필렌 수지와 (B) 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지가 중량비(A:B) 2:8 내지 6:4로 블렌딩(blending)된 비가교 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 폴리프로필렌 수지(A)는 아래 a) 내지 i)의 조건을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
a) 밀도가 0.87 내지 0.92 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정),
b) 용융 유속(MFR)이 1.7 내지 1.9 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정),
c) 인장탄성율이 930 내지 980 MPa(1mm/분의 인장속도로 측정),
d) 항복시 인장응력이 22 내지 27 MPa(50mm/분의 인장속도로 측정),
e) 항복시 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정),
f) 0℃ 및 23℃에서의 샤르피(charpy) 충격강도가 각각 1.8 내지 2.1 kJ/㎡ 및 5.5 내지 6.5 kJ/㎡,
g) 열변형온도가 68 내지 72℃(0.45 MPa에서 측정),
h) Vicat 연화점이 131 내지 136℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 및
i) 쇼어 D 경도가 67
또한, 상기 헤테로상 수지(B)는 아래 조건 a) 내지 j)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
a) 밀도가 0.86 내지 0.90 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정됨),
b) 용융 유속(MFR)이 0.5 내지 1.0 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정),
c) 파단시 인장응력이 10 MPa 이상(50mm/분의 인장속도로 측정),
d) 파단시 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정),
e) 굴곡강도가 95 내지 105 MPa
f) -40℃에서의 노치 아이조드(notched izod) 충격강도가 각각 68 내지 72 kJ/㎡,
g) 열변형온도가 38 내지 42 ℃(0.45 MPa에서 측정),
h) Vicat 연화점이 55 내지 59 ℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정),
i) 쇼어 D 경도가 28, 및
j) 용융점이 155 내지 165 ℃
한편, 상기 폴리프로필렌 수지(A)는, 단량체의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 단량체의 함량이 1 내지 5 중량%인 랜덤 프로필렌-에틸렌 공중합체이고, 상기 헤테로상 수지(B)에 포함된 상기 폴리프로필렌 매트릭스는 프로필렌 단독중합체인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 헤테로상 수지(B)에 포함된 상기 프로필렌 공중합체는, 단량체의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 단량체의 함량이 20 내지 30 중량%이고, 입자 크기가 1㎛ 이하인 프로필렌-에틸렌 고무(EPR) 입자인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 프로필렌 공중합체의 함량은, 상기 헤테로상 수지(B)의 총 중량을 기준으로, 42 내지 49 중량%인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 헤테로상 수지(B)는 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융엔탈피가 25 내지 40 J/g인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
나아가, 상기 절연층은, 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 0.5 중량부의 핵제(nucleating agent)를 추가로 포함하고, 상기 폴리프로필렌 수지(A)의 결정 크기가 1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 절연층은, 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로, 1 내지 10 중량부의 절연유를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
한편, 상기 절연층은, 상기 절연층의 총 중량을 기준으로, 산화방지제, 충격 보조제, 열 안정제, 조핵제 및 산 스캐빈저(acid scavengers)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 기타 첨가제 0.001 내지 10 중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 비가교 열가소성 수지는, 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융점(Tm)이 150 내지 160℃이고, 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융엔탈피가 50 내지 85 J/g이며, 자일렌 용해도가 19 내지 36 %(135℃의 자일렌(xylene)에 2g의 수지를 첨가하여 D5492-10에 준하여 측정됨)인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
또한, 상기 비가교 열가소성 수지는, ASTM D790에 따라 측정된 굴곡강도가 200 내지 650 MPa 이하인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 전력 케이블은 그 자체로서 내열성이 우수한 비가교 폴리프로필렌을 절연층의 기재 수지로 사용함으로써, 환경 친화적인 동시에 가교를 위한 공정이 불필요하여 제조비용이 저렴한 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 전력 케이블은 내열성과 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 이들과 상충관계(trade-off)에 있는 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 동시에 만족시키는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 단면구조를 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 단면구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 실시예를 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블은 구리, 알루미늄 등의 전도성 물질로 이루어진 도체(1), 절연성 고분자로 이루어진 절연층(3), 상기 도체(1)와 상기 절연층(3) 사이에 위치하여 도체(1)와의 계면에서의 부분방전을 억제하고, 상기 도체(1)와 상기 절연층(3) 사이의 공기층을 없애주며, 국부적인 전계집중을 완화시켜 주는 등의 역할을 수행하는 내부 반도전층(2), 케이블의 차폐 역할 및 절연체에 균등한 전계가 걸리도록 하는 역할을 수행하는 외부 반도전층(4), 케이블 보호를 위한 쉬스층(5) 등을 포함할 수 있다.
상기 도체(1), 절연층(3), 반도전층(2,4), 쉬스층(5) 등의 규격은 케이블의 용도, 송전압 등에 따라 다양할 수 있으며, 상기 절연층(3), 반도전층(2,4), 쉬스층(5)을 구성하는 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층(3)은 (A) 폴리프로필렌 수지와 (B) 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지가 블렌딩(blending)된 비가교 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(A)는 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있다. 상기 프로필렌 단독중합체는 단량체 총 중량을 기준으로 99 중량% 이상, 바람직하게는 99.5 중량% 이상의 프로필렌의 중합에 의해 형성되는 폴리프로필렌을 의미한다.
상기 프로필렌 공중합체는 프로필렌과 에틸렌 또는 탄소수 4 내지 12의 α-올레핀, 예를 들어, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센 및 이들의 조합으로부터 선택되는 공단량체 등, 바람직하게는 에틸렌과의 공중합체를 포함할 수 있다. 프로필렌과 에틸렌을 공중합시키면 단단하면서 유연한 성질을 나타내기 때문이다.
상기 프로필렌 공중합체는 랜덤 프로필렌 공중합체 및/또는 블록 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 랜덤 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 랜덤 프로필렌 공중합체만을 포함할 수 있다. 상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체와 다른 올레핀 단량체가 임의로 교호 배열되어 이루어진 프로필렌 공중합체를 의미한다. 상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 전체 단량체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 4 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 랜덤 프로필렌 공중합체가 바람직하다.
상기 랜덤 프로필렌 공중합체는, 바람직하게는, 밀도가 0.87 내지 0.92 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정), 용융 유속(MFR)이 1.7 내지 1.9 g/10분(ISO 1133에 ㄸ따라 0℃에서 2.16kg의 하중하에 측정), 인장탄성율이 930 내지 980 MPa(1mm/분의 인장속도로 측정), 인장응력이 22 내지 27 MPa(50mm/분의 인장속도로 측정), 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정), 0℃ 및 23℃에서의 샤르피 충격강도가 각각 1.8 내지 2.1 kJ/㎡ 및 5.5 내지 6.5 kJ/㎡, 열변형온도가 68 내지 72℃(0.45 MPa에서 측정), Vicat 연화점이 131 내지 136℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 쇼어 D 경도가 67일 수 있다.
상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 형성되는 절연층(3)의 인장 강도 등 기계적 강도를 향상시킬 수 있고, 투명도가 높아 투명한 성형품용으로 적합하며, 결정화 온도(Tc)가 상대적으로 높아 케이블 제조를 위한 상기 절연층(3)의 압출 후 냉각시 소요되는 시간을 단축함으로써 케이블의 제조 수율을 향상시키는 동시에 상기 절연층(3)의 수축율 및 가열변형성을 최소화할 수 있으며, 상대적으로 낮은 단가에 의해 케이블 제조 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(A)는 중량평균 분자량(Mw)이 200,000 내지 450,000일 수 있고, 이로 인해 용융지수(Melting Index; MI)가 3 내지 10dg/분(ASTM D-1238에 의해 측정됨)일 수 있다. 나아가, 상기 폴리프로필렌 수지(A)는 용융점(Tm)이 140 내지 175℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정됨), 용융엔탈피가 30 내지 85 J/g(DSC에 의해 측정됨), 실온에서의 굴곡강도가 30 내지 1,000 MPa, 바람직하게는 60 내지 1,000 MPa(ASTM D790에 따라 측정됨)일 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(A)는 통상적인 입체-특이 지글러-나타 촉매, 메탈로센 촉매, 구속 기하 촉매, 다른 유기금속 또는 배위 촉매하에서 중합될 수 있고, 바람직하게는 지글러-나타 촉매 또는 메탈로센 촉매하에서 중합될 수 있다. 여기서, 상기 메탈로센은 사이클로펜타디엔과 전이금속이 샌드위치 구조로 결합한 새로운 유기금속화합물인 비스(사이클로펜타이덴일)금속의 총칭으로, 가장 간단한 구조의 일반식은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Zr, Hf 등)이다. 상기 메탈로센 촉매하에서 중합된 폴리프로필렌은 촉매 잔량이 약 200 내지 700 ppm으로 낮기 때문에, 상기 촉매 잔량에 의해 상기 폴리프로필렌을 포함하는 절연 조성물의 전기적 특성이 저하되는 것을 억제하거나 최소화할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(A)는 비가교 형태임에도 불구하고 자체적인 용융점이 높아 충분한 내열성을 발휘함으로써 연속 사용 온도가 향상된 전력 케이블을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 비가교 형태이므로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 우수한 효과를 나타낸다. 반면, 종래의 가교 형태의 수지는 재활용이 어려워 친환경이지 않을 뿐만 아니라, 절연층(3) 형성시 가교 결합 또는 스코치(scorch)가 조기에 발생하면 균일한 생산 능력을 발휘할 수 없는 등 장기 압출성 저하를 야기할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지(B)에 있어서, 상기 폴리프로필렌 매트릭스는 상기 폴리프로필렌 수지(A)와 동일하거나 상이할 수 있고, 바람직하게는 프로필렌 단독중합체를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 프로필렌 단독중합체만을 포함할 수 있다.
상기 헤테로상 수지(B)에 있어서, 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체(이하, '분산된 프로필렌 공중합체'라 한다)는 실질적으로 무정형이다. 여기서, 프로필렌 공중합체가 무정형이라 함은 용융엔탈피가 10 J/g 미만인 잔류 결정도를 갖는 것을 의미한다. 상기 분산된 프로필렌 공중합체는 에틸렌 및 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐 등의 C4 -8 알파-올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체를 포함할 수 있다.
상기 분산된 프로필렌 공중합체는 상기 헤테로상 수지(B)의 총 중량을 기준으로 40 내지 50 중량%, 바람직하게는 42 내지 49 중량%일 수 있다. 여기서, 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 함량이 40 중량% 미만인 경우 형성되는 절연층(3)의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성 등이 불충분할 수 있는 반면, 50 중량%를 초과하는 경우 절연층(3)의 내열성, 기계적 강도 등이 불충분할 수 있다.
상기 분산된 프로필렌 공중합체는 단량체 총 중량을 기준으로 20 내지 30 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 프로필렌-에틸렌 고무(EPR) 또는 프로필렌-에틸렌 디엔 고무(EPDM)일 수 있다. 상기 에틸렌 단량체의 함량이 20 중량% 미만인 경우 형성되는 절연층(3)의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성 등이 불충분할 수 있는 반면, 30 중량%를 초과하는 경우 절연층(3)의 내열성, 기계적 강도 등이 불충분할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 입자 크기는 1 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.9 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.8 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 이러한 입자 크기는 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에서의 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 균일한 분산을 담보하고, 이를 포함하는 절연층의 충격 강도를 개선시킬 수 있다. 또한, 상기 입자 크기는 상기 입자에 의해 개시되는 균열의 위험 요인을 감소시키면서 이미 형성된 균열 또는 크랙을 중단시킬 가능성을 향상시킨다.
상기 헤테로상 수지(B)는, 바람직하게는, 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)이 0.5 내지 1.0 g/10분, 바람직하게는 0.8 g/10분, 파단시 인장응력이 10 MPa 이상, 파단시 인장변형율이 490 % 이상, 굴곡강도가 95 내지 105 MPa, -40℃에서 측정한 노치 아이조드(notched izod) 충격 강도가 68 내지 72 kJ/㎡, 열변형온도가 38 내지 42℃(0.45 MPa로 측정), Vicat 연화점이 55 내지 59℃(A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 쇼어 D 경도가 28, 용융점(Tm)이 155 내지 165℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정됨), 용융엔탈피가 25 내지 40 J/g(DSC에 의해 측정됨)일 수 있다.
또한, 상기 헤테로상 수지(B)의 밀도는 ISO 11883에 따라 측정하는 경우 0.86 내지 0.90 g/㎤, 바람직하게는 0.88 g/㎤일 수 있고, 상기 밀도는 절연층(3)의 특성, 예를 들어, 충격 강도 및 수축 특성에 영향을 미친다.
상기 헤테로상 수지(B)는 비가교 폴리프로필렌을 포함하므로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에, 내열성이 우수한 폴리프로필렌 매트릭스에 의해 형성되는 절연층(3)의 내열성을 향상시킬 수 있고, 상기 폴리프로필렌 수지(A)의 강성(rigidity)에 의해 저하된 절연층(3)의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 향상시킬 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(A)와 상기 헤테로상 수지(B)의 중량비(A:B)는 2:8 내지 6:4일 수 있다. 상기 중량비가 2:8 미만인 경우 형성되는 절연층(3)의 인장 강도 등의 기계적 강도가 불충분할 수 있고, 6:4 초과인 경우 절연층(3)의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성 등이 불충분할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층(3)에 포함되는 비가교 열가소성 수지는 우수한 내열성, 기계적 강도 등을 나타내는 상기 폴리프로필렌 수지(A)와 우수한 내열성, 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 나타내는 상기 헤테로상 수지(B)의 조합 및 이들의 상용성에 의해 상충관계에 있는 상기 특성들, 즉 내열성 및 기계적 강도과 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 동시에 달성할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
여기서, 상기 비가교 열가소성 수지는 굴곡강도가 200 내지 650 MPa 이하이고, 용융점(Tm)이 150 내지 160℃(시차주사열량계(DSC)로 측정)이며, 용융엔탈피가 50 내지 85 J/g(시차주사열량계(DSC)로 측정)이고, 자일렌 용해도(135℃의 자일렌(xylene)에 2g의 수지를 첨가하여 D5492-10에 준하여 측정)가 19 내지 36 %일 수 있다.
상기 비가교 열가소성 수지의 굴곡강도가 650 MPa를 초과하는 경우 케이블의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등이 불충분할 수 있고, 용융점(Tm)이 150℃ 미만인 경우 케이블의 내열성 등이 불충분할 수 있으며, 용융엔탈피가 50 J/g 미만인 경우 결정의 크기가 작고 결정화도가 낮음을 의미하고 케이블의 내열성, 기계적 강도 등이 저하되는 반면, 85 J/g을 초과하는 경우 결정의 크기가 크고 결정화도가 높음을 의미하고 상기 절연층(3)의 전기적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 자일렌 용해도가 36 %를 초과하는 경우 수지의 입체규칙성(isotacticity)이 과도하게 낮아 기계적 강도가 불충분할 수 있고, 19 % 미만인 경우 수지의 입체규칙성이 과도하게 높고 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성 등이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층(3)은 상기 비가교 열가소성 수지 이외에 핵제(nucleating agent)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 핵제는 솔비톨(sorbitol)계 핵제일 수 있다. 즉, 상기 핵제는 솔비톨계 핵제로서 예를 들어 1,3:2,4-비스(3,4-디메틸디벤질리딘) 솔비톨(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene) Sorbitol), 비스(p-메틸디벤질리딘) 솔비톨(Bis(p-methyldibenzulidene) Sorbitol), 치환된 디벤질리딘 솔비톨(Substituted Dibenzylidene Sorbitol), 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 핵제는 케이블의 압출 공정에서 급냉하지 않아도 상기 비가교 열가소성 수지의 경화를 촉진함으로써 케이블의 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 비가교 열가소성 수지의 경화시 생성되는 결정의 크기를 작게, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛로 제한함으로써, 제조되는 절연층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 나아가 상기 결정이 생성되는 결정화 사이트를 다수 개 형성시킴으로써 결정화도를 증가시켜 상기 절연층의 내열성, 기계적 강도 등도 동시에 향상시키는 우수한 효과를 발휘한다.
상기 핵제는 용융 온도가 높기 때문에 약 230℃의 높은 온도에서 사출 및 압출 가공을 해야 하며, 2 이상의 솔비톨계 핵제를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 2 이상의 서로 다른 솔비톨계 핵제를 조합하여 사용하는 경우 낮은 온도에서도 핵제의 발현성이 높아질 수 있다.
상기 핵제는 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 핵제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우 큰 결정 크기, 예를 들어, 10 ㎛를 초과하는 결정 크기 및 불균일한 결정 분포로 인해 상기 비가교 열가소성 수지 및 이를 포함하는 절연층의 내열성, 전기적·기계적 강도가 저하될 수 있는 반면, 상기 핵제의 함량이 0.5 중량부를 초과하는 경우 너무 작은 결정 크기, 예를 들어, 1 ㎛ 미만의 결정 크기로 인해 상기 결정과 상기 수지의 무정형 부분 사이의 표면 계면 면적의 증가로 상기 비가교 열가소성 수지 및 이를 포함하는 절연층의 교류절연파괴(AC dielectric breakdown; ACBD) 특성, 임펄스 (impulse) 특성 등이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층(3)은 절연유를 추가로 포함할 수 있다.
상기 절연유는 광유, 합성유 등을 사용할 수 있다. 특히, 상기 절연유는 디벤질톨루엔, 알킬벤젠, 알킬디페닐에탄 같은 방향족 탄화수소 화합물로 이루어진 방향족계 오일, 파라핀계 탄화수소 화합물로 이루어진 파라핀계 오일, 나프텐계 탄화수소 화합물로 이루어진 나프텐계 오일, 실리콘유 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 절연유의 함량은 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 7.5 중량부일 수 있고, 상기 절연유의 함량이 10 중량부 초과인 경우 도체(1) 상에 절연층(3)을 형성하는 압출 과정에서 상기 절연유가 용출되는 현상이 발생하여 케이블의 가공이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 절연유는 앞서 기술한 바와 같이 강성(rigidity)이 커서 유연성(flexibility)이 다소 낮은 폴리프로필렌 수지를 기재 수지로 하는 절연층(3)의 유연성, 굴곡성 등을 추가로 개선함으로써 케이블의 포설 작업을 용이하게 하는 동시에, 상기 폴리프로필렌 수지가 본질적으로 가지는 우수한 내열성, 기계적·전기적 특성을 유지 또는 개선시키는 탁월한 효과를 나타낸다. 특히, 상기 절연유는 상기 폴리프로필렌 수지가 메탈로센 촉매하에서 중합되는 경우 다소 좁은 분자량 분포에 의해 다소 저하된 가공성을 보충하는 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층(3)은 산화방지제, 충격 보조제, 열 안정제, 조핵제, 산 스캐빈저(acid scavengers) 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 기타 첨가제는 이의 유형에 따라 상기 절연층(3)의 총 중량을 기준으로 0.001 내지 10 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
1. 제조예
아래 표 1 및 2에 나타난 바와 같은 구성성분 및 함량으로 실시예 및 비교예 각각에 따른 절연 조성물을 제조하고, 단축압출기(제조사 : Royle, 미국)를 이용하여 압출한 후, 가압로(hot press)에서 2 mm 두께와 30 cm × 30 cm 크기를 갖는 시트를 각각 제조했다. 아래 표 2에서 함량의 단위는 중량부이다.
물성 단위(측정조건) 수지 1 수지 2
밀도 g/㎤ 0.88 0.900
용융 유속 g/10분
(230℃/2.16kg)		 0.8 1.8
인장탄성율 MPa(1mm/분) - 950
항복시 인장응력 MPa(50mm/분) - 25.0
항복시 인장변형율 %(50mm/분) - 14
파단시 인장응력 MPa(50mm/분) >11 -
파단시 인장변형율 %(50mm/분) >500 -
굴곡강도 MPa 100 -
노치 아이조드 충격강도
 kJ/㎡(23℃) 파단 없음 -
kJ/㎡(-40℃) 70 -
샤르피 충격강도
 kJ/㎡(0℃) - 2.00
kJ/㎡(23℃) - 6.00
열변형온도 ℃(0.45MPa) 40 70.0
Vicat 연화점 ℃(A50 (50℃/h 10N)) 57 134
용융점 ℃ 160 -
쇼어 D 경도 28 67
- 수지 1 : 프로필렌 단독중합체 매트릭스 내에 1㎛ 이하의 프로필렌-에틸렌 고무(EPR) 입자가 분산된 헤테로상 수지
- 수지 2 : 랜덤 프로필렌-에틸렌 공중합체(에틸렌 함량 : 3 중량%)
구성성분 실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4
수지 1 80 70 50 40 100 90 30
수지 2 20 30 50 60 100 10 70
2. 물성 평가
1) 상온 및 가열 후 기계적 물성 평가
IEC-60811-1-1 규격에 준하여 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 샘플 시트에 대하여 상온에서 인장속도 250 mm/분으로 연신율 10%일때의 인장강도를 측정했다.
2) 용융온도와 용융엔탈피 평가
시차주사현미경(DSC)를 이용하여 측정하였으며, 용융온도(Tm)는 10℃/min으로 가열하면서 흡열피크가 관찰되는 시점의 온도로 측정했고, 용융엔탈피는 용융온도에서의 적분값에 의하여 비교하여 계산했다.
3) 자일렌 용해도 평가
D5492-10에 준하여 측정하였으며, 135℃의 자일렌(xylene)에서 2g의 시료를 교반하면서 용해시키고 상온에서 건조시킨 후, 비교하여 계산했다. 수지의 자일렌 용해도가 높을수록 낮은 입체규칙도(isotacticity) 및 프로필렌 공중합체의 함량이 높음을 의미한다.
4) 내한성 평가
KSC IEC 60811-1-4에 준하여 -40℃에서 내한타격실험을 수행했고, 크랙/부러짐/파괴의 현상을 관찰한 결과를 기록했고, 파괴가 일어나지 않을수록 내한성이 우수한 것을 나타낸다.
5) 가열변형성 평가
KSC IEC 60811-3-1에 준하여 160g의 하중으로 0.75mm 폭의 칼날을 130℃에서 6시간 동안 변형실험을 한 후 변형율을 측정하였을 때, 변형율이 50%를 넘지 않아야 한다.
6) 굴곡성 평가
ASTM D790 규격에 따라 굴곡강도를 측정하였으며, 200 내지 650 MPa의 굴곡강도를 나타내는 경우 내충격성, 유연성, 굴곡성, 포설성 등과 내열성, 기계적 강도의 균형이 양호한 것으로 판단된다.
상기 물성 평가의 결과는 아래 표 3에 나타난 바와 같다.
물성 실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4
인장강도(kg/㎟) 0.87 1.04 1.46 1.56 0.6 2.68 0.65 1.78
용융온도(℃) 158 156 152 151 162 147 159 150
용융엔탈피(J/g) 66 63 60 54 33 110 40 82
자일렌 용해도(%) 33 32 25 19 38 6 37 10
내한성 양호 양호 양호 양호 양호 파괴 양호 파괴
가열변형율(%) 21 9 5.8 4.5 ≥70 ≤4 ≥70 4
굴곡강도(MPa) 250 350 530 620 100 1,000 100 800
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1 및 3의 절연시편은 유연성, 굴곡성 등이 우수한 수지 1만을 포함하거나 수지 1을 과량 포함하는 비가교 열가소성 수지로부터 제조되었기 때문에, 제조되는 케이블의 유연성, 굴곡성, 내한성 등을 증가시킬 수는 있으나, 낮은 용융엔탈피, 즉 낮은 결정화도로 인해 인장 강도 등의 기계적 강도가 불충분하고, 상대적으로 고가인 수지 1에 의해 제조비용이 증가하는 문제를 나타낼 수 있다.
또한, 비교예 2 및 4의 절연시편은 기계적 강도가 우수한 수지 2만을 포함하거나 수지 2를 과량 포함하는 비가교 열가소성 수지로부터 제조되었기 때문에, 제조되는 케이블의 인장 강도 등의 기계적 강도를 증가시킬 수는 있으나, 유연성, 굴곡성, 내한성 등이 불충분하고, 특히 비교예 2는 높은 용융엔탈피, 즉 높은 결정화도 및 결정크기의 증가에 의해 전기적 특성이 저하되는 문제 및 낮은 용융온도에 의한 내열성의 저하를 나타낼 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
1 : 도체 2 : 내부 반도전층
3 : 절연층 4 : 외부 반도전층
5 : 쉬스층

Claims (19)

  1. 하나 이상의 도체, 상기 각각의 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층을 포함하는 전력 케이블에 있어서,
    상기 절연층은, (A) 폴리프로필렌 수지와 (B) 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지가 중량비(A:B) 2:8 내지 6:4로 블렌딩(blending)된 비가교 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 헤테로상 수지(B)에 포함된 상기 프로필렌 공중합체는, 단량체의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 단량체의 함량이 20 내지 30 중량%이고, 입자 크기가 1㎛ 이하인 프로필렌-에틸렌 고무(EPR) 입자인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지(A)는 아래 a) 내지 i)의 조건을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
    a) 밀도가 0.87 내지 0.92 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정),
    b) 용융 유속(MFR)이 1.7 내지 1.9 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정),
    c) 인장탄성율이 930 내지 980 MPa(1mm/분의 인장속도로 측정),
    d) 항복시 인장응력이 22 내지 27 MPa(50mm/분의 인장속도로 측정),
    e) 항복시 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정),
    f) 0℃ 및 23℃에서의 샤르피(charpy) 충격강도가 각각 1.8 내지 2.1 kJ/㎡ 및 5.5 내지 6.5 kJ/㎡,
    g) 열변형온도가 68 내지 72℃(0.45 MPa에서 측정),
    h) Vicat 연화점이 131 내지 136℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 및
    i) 쇼어 D 경도가 67
  3. 제2항에 있어서,
    상기 헤테로상 수지(B)는 아래 조건 a) 내지 j)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
    a) 밀도가 0.86 내지 0.90 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정됨),
    b) 용융 유속(MFR)이 0.5 내지 1.0 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정),
    c) 파단시 인장응력이 10 MPa 이상(50mm/분의 인장속도로 측정),
    d) 파단시 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정),
    e) 굴곡강도가 95 내지 105 MPa
    f) -40℃에서의 노치 아이조드(notched izod) 충격강도가 각각 68 내지 72 kJ/㎡,
    g) 열변형온도가 38 내지 42 ℃(0.45 MPa에서 측정),
    h) Vicat 연화점이 55 내지 59 ℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정),
    i) 쇼어 D 경도가 28, 및
    j) 용융점이 155 내지 165 ℃
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지(A)는, 단량체의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 단량체의 함량이 1 내지 5 중량%인 랜덤 프로필렌-에틸렌 공중합체이고, 상기 헤테로상 수지(B)에 포함된 상기 폴리프로필렌 매트릭스는 프로필렌 단독중합체인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로필렌 공중합체의 함량은, 상기 헤테로상 수지(B)의 총 중량을 기준으로, 42 내지 49 중량%인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤테로상 수지(B)는 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융엔탈피가 25 내지 40 J/g인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층은, 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 0.5 중량부의 핵제(nucleating agent)를 추가로 포함하고, 상기 폴리프로필렌 수지(A)의 결정 크기가 1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층은, 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로, 1 내지 10 중량부의 절연유를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층은, 상기 절연층의 총 중량을 기준으로, 산화방지제, 충격 보조제, 열 안정제, 조핵제 및 산 스캐빈저(acid scavengers)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 기타 첨가제 0.001 내지 10 중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비가교 열가소성 수지는, 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융점(Tm)이 150 내지 160℃이고, 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융엔탈피가 50 내지 85 J/g이며, 자일렌 용해도가 19 내지 36 %(135℃의 자일렌(xylene)에 2g의 수지를 첨가하여 D5492-10에 준하여 측정됨)인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비가교 열가소성 수지는, ASTM D790에 따라 측정된 굴곡강도가 200 내지 650 MPa 이하인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
  13. (A) 폴리프로필렌 수지와 (B) 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지가 중량비(A:B) 2:8 내지 6:4로 블렌딩(blending)된 비가교 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 헤테로상 수지(B)에 포함된 상기 프로필렌 공중합체는, 단량체의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 단량체의 함량이 20 내지 30 중량%이고, 입자 크기가 1㎛ 이하인 프로필렌-에틸렌 고무(EPR) 입자인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지(A)는 아래 a) 내지 i)의 조건을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
    a) 밀도가 0.87 내지 0.92 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정),
    b) 용융 유속(MFR)이 1.7 내지 1.9 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정),
    c) 인장탄성율이 930 내지 980 MPa(1mm/분의 인장속도로 측정),
    d) 항복시 인장응력이 22 내지 27 MPa(50mm/분의 인장속도로 측정),
    e) 항복시 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정),
    f) 0℃ 및 23℃에서의 샤르피(charpy) 충격강도가 각각 1.8 내지 2.1 kJ/㎡ 및 5.5 내지 6.5 kJ/㎡,
    g) 열변형온도가 68 내지 72℃(0.45 MPa에서 측정),
    h) Vicat 연화점이 131 내지 136℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 및
    i) 쇼어 D 경도가 67
  15. 제14항에 있어서,
    상기 헤테로상 수지(B)는 아래 조건 a) 내지 j)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
    a) 밀도가 0.86 내지 0.90 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정됨),
    b) 용융 유속(MFR)이 0.5 내지 1.0 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정),
    c) 파단시 인장응력이 10 MPa 이상(50mm/분의 인장속도로 측정),
    d) 파단시 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정),
    e) 굴곡강도가 95 내지 105 MPa
    f) -40℃에서의 노치 아이조드(notched izod) 충격강도가 각각 68 내지 72 kJ/㎡,
    g) 열변형온도가 38 내지 42 ℃(0.45 MPa에서 측정),
    h) Vicat 연화점이 55 내지 59 ℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정),
    i) 쇼어 D 경도가 28, 및
    j) 용융점이 155 내지 165 ℃
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지(A)는, 단량체의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 단량체의 함량이 1 내지 10 중량%인 랜덤 프로필렌-에틸렌 공중합체이고, 상기 헤테로상 수지(B)에 포함된 상기 폴리프로필렌 매트릭스는 프로필렌 단독중합체인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  17. 삭제
  18. 제13항에 있어서,
    상기 프로필렌 공중합체의 함량은, 상기 헤테로상 수지(B)의 총 중량을 기준으로, 42 내지 49 중량%인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  19. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤테로상 수지(B)는 시차주사열량계(DSC)에 의해 측정된 용융엔탈피가 25 내지 40 J/g인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
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