KR102279438B1 - 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 변압기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 변압기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에폭시 수지 조성물은 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하고, 일 실시예에 따른 변압기는 수직 방향상 다층으로 권선되는 절연 도체; 상기 절연 도체상에 구비되고 집중되는 전계를 분산시키는 반도전층; 상기 절연 도체와 상기 반도전층 상에 주조되며, 변압기의 외형을 형성하는 절연체를 포함하고, 상기 절연체는 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 변압기{Epoxy resin composition and transformer comprising the same}
본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 변압기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 경화 시간을 크게 단축시켜 공정 시간을 크게 줄일 수 있는 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 변압기에 관한 것이다.
변압기란 전자기유도현상을 이용하여 교류의 전압이나 전류의 값을 변화시키는 장치로서 전력회사에서 사용자로 공급할 때 송전효율을 높이기 위해 승압하거나 송전해 준 전력을 수용가가 사용할 전압에 맞게 강하시키기 위해 사용하는 전기설비에 가장 중요한 기기이다.
이러한 변압기는 변전소 또는 대규모 전력수용가의 수전측에 설치되고 정격 전압이 수십 킬로볼트 이상인 것으로서 건식 변압기와 유입 변압기 및 몰드 변압기를 예로 들 수 있다.
여기서, 유입 변압기는 정격전압은 높으나 절연재로서 환경오염을 일으킬 수 있는 기름을 사용하고 화재 및 폭발의 위험성이 있어 실내 사용에 부적합한 변압기이다.
건식 변압기는 공기 절연식 변압기로서 화재 및 폭발의 위험성이 유입 변압기보다 적으나 정격전압이 낮아 비교적 저용량의 변압기로서 사용이 제한되고 있다.
몰드 변압기는 변압용 권선의 외부를 고체절연물로 절연하는 구조로서, 절연물로서 환경오염을 일으킬 수 있는 기름을 사용하지 않는 친환경적 변압기이고, 고체절연물로서 난연성이 우수한 에폭시(Epoxy)와 같은 절연물을 사용하여 화재 및 폭발의 위험성이 최소화되어 실외 및 실내 설치가 가능하여 그 수요가 증가되고 있다.
그러나 종래기술에 따른 몰드 변압기는 고체절연물로 사용되는 에폭시 조성물의 공정 단축을 위해 경화 온도를 상승시키거나 촉매량을 증가시키는 방법을 이용하고 있으나, 경화온도를 높이게 되면 급격한 경화 반응에 의한 경화 수축으로 인해 변압기에 크랙을 발생시킬 수 있다.
또한, 촉매량을 증가시키는 방법의 경우에도 급격한 초기 발열로 인해 경화 속도가 가속화되고 경화 온도를 높인 것과 동일한 현상이 발생된다. 이는 액상 형태를 유재하는 시간의 척도인 겔화시간을 단축시켜 주형 공정에 어려움을 야기시킨다.
따라서, 본 발명은 내크랙성이 향상되고, 변압기 제조시 경화 시간을 크게 단축시킬 수 있는 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 크랙 억제를 위한 가소제가 필요하지 않는 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내크랙성 및 성형성이 우수하며, 경화시간 단축으로 공정 시간을 크게 단축시킬 수 있는 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체를 포함하는 변압기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지; 전기 절연 및 열 전도를 위한 충진제; 상기 에폭시 수지를 경화시키기 위한 경화제; 및 이미다졸계 촉매;를 포함하고, 에폭시 주사슬 내에 글리콜계 관능기와 같은 유연한 관능기를 포함하여 경화시 발생되는 응력에 대한 내성을 가질 뿐 아니라, 이미다졸계 촉매를 이용하여 온도를 높인 이후에는 반응 속도가 빨라 에폭시 수지 조성물의 경화시간을 크게 단축시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 변압기는 수직 방향상 다층으로 권선되는 절연 도체; 상기 절연 도체상에 구비되고 집중되는 전계를 분산시키는 반도전층; 및 상기 절연 도체와 상기 반도전층 상에 주조되며, 변압기의 외형을 형성하는 절연체;를 포함하고, 상기 절연체는 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 에폭시 주사슬 내에 유연한 관능기를 추가하여 경화시 발생되는 응력에 대한 내성을 부여할 수 있으며, 유리전이온도가 낮아져 장기적으로 내열성이 향상되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 내크랙성 향상을 위한 가소제가 포함되지 않아 공정 비용 절감 효과를 도모할 수 있고, 에폭시 수지 조성물을 주형 후 경화 시간을 크게 단축시킬 수 있어 에폭시 수지 조성물의 생산량을 크게 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에폭시 조성물을 포함하는 변압기의 제조공정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에폭시 조성물의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 발명은 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하는 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 종래 비스페놀 A 또는 비스페놀 F를 원료로 합성된 에폭시 수지로 이루어진 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법과는 달리 공정 시간 단축을 위해 경화 온도를 상승시키거나 촉매량을 증가시킬 필요가 없다.
즉, 종래 에폭시 수지 조성물은 공정 시간 단축을 위해 전술한 바와 같이 경화 온도 상승 및 촉매량 증가를 이용하고 있지만, 이러한 방법으로 인해 제조된 에폭시 수지 조성물은 내크랙성 및 내열성 저하와 성형성 저하의 문제를 갖는다.
구체적으로, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 에폭시 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지를 사용하고 이미다졸계 촉매를 이용함으로써, 크랙 억제를 위해 가소제를 사용할 필요가 없고, 종래 에폭시 수지 조성물이 갖는 문제를 발생시키지 않으면서 경화 시간을 절반으로 단축시킬 수 있어 생산량을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지를 포함하고, 상기 에폭시 수지는 1 당량당 분자량이 300 ~ 400이다. 상기 에폭시 수지는 전술한 범위의 분자량을 가져 에폭시 수지의 유연성이 향상되고, 점도는 낮아지며, 최종적으로 에폭시 수지의 연신율이 향상되어 제조후 내크랙성이 향상되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물에서 상기 에폭시 수지는 주사슬에 글리콜계 관능기를 가질 수 있으며, 이러한 관능기의 예로는 탄소수 2개 이상이고 6개 미만의 메틸 글리콜, 에틸 글리콜, 부틸 글리콜 및 프로필 글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 반복 단위를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지를 사용함으로써, 내크랙성이 향상되고 종래 에폭시 수지 조성물에 포함되는 가소제를 사용할 필요가 없는 이점이 있다.
특히, 본 발명은 종래 가소제를 포함하는 에폭시 수지 조성물 대비 유리전이온도가 낮아지지 않아 내열성 저하의 문제가 발생하지 않는다.
상기 에폭시 수지는 에폭시 수지 조성물의 총 중량의 15 ~ 25 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 에폭시 수지가 15 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 에폭시 수지 조성물의 내크랙성 및 내열성이 저하되는 문제가 있고, 25 중량%를 초과하는 경우에는 성형성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물에서 상기 충진제는 전기 절연 및 열 전도를 위해 사용된다. 상기 충진제로는 석영, 용융된 실리카, 천연 실리카, 합성 실리카, 천연 산화알루미늄, 합성 산화알루미늄, 삼수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화수산화알루미늄, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 운모, 산화아연 등을 사용할 수 있다.
상기 충진제는 에폭시 수지 조성물의 총 중량의 30 ~ 70 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 전술한 범위에서 에폭시 수지 조성물에 적합한 전기 절연성 및 열 전도성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 경화제를 포함한다. 상기 경화제는 상기 에폭시 수지를 경화시키기 위한 것으로, 메틸 테트라하이드로프탈릭 무수물(MeTHPA), 메틸 헥사하이드로프탈릭 무수물(MeHHPA) 및 나딕-메틸 무수물(NMA) 등을 사용할 수 있다.
상기 경화제는 에폭시 수지 조성물의 총 중량의 10 ~ 20 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 전술한 범위에서 에폭시 수지의 경화 반응을 완결할 수 있다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물에서 이미다졸계 촉매는 저온의 초기 주형 작업에서는 경화 속도가 느리고 이후 성형을 위한 고온에서는 경화 속도가 빠른 특징이 있어, 전체적인 경화 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 이미다졸계 촉매로는 1-이미다졸, 1-비닐이미다졸, 1-에틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸 및 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸 등을 사용할 수 있다.
상기 이미다졸계 촉매는 에폭시 수지 조성물 총 중량의 0.001 ~ 0.1 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 촉매 함량이 0.001 중량% 미만인 경우에는 경화 속도를 단축시킬 수 없고, 0.1 중량%를 초과하는 경우에는 초기 주형 공정에서 경화 속도가 크게 증가하여 내크랙성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 발명은 수직 방향상 다층으로 권선되는 절연 도체;
상기 절연 도체상에 구비되고 집중되는 전계를 분산시키는 반도전층;
상기 절연 도체와 상기 반도전층 상에 주조되며, 변압기의 외형을 형성하는 절연체를 포함하고,
상기 절연체는 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 변압기를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 변압기는 절연체 형성 단계, 경화 단계 및 이형 단계를 포함하여 제조되고, 절연체 형성 단계는 해당 간격 부분, 즉 반도전층(20) 및 절연 도체(10)와, 주형(IS, OS) 사이에 용융된 절연체(30)를 넣어 수행된다.
반도전층(20) 및 절연 도체(10)와, 주형(IS, OS) 사이에 용융된 절연체는 경화 단계에 의해 경화되고, 금형을 떼어내는 이형 단계를 거쳐 완성된 변압기를 얻을 수 있다.
여기서, 변압기는 절연 도체(10), 반도전층(20) 및 절연체(30)를 포함하고, 상기 절연체(30)는 전술한 바와 같이, 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진다.
상기 절연 도체(10)는 변압기의 수평 방향상(변압기의 두께 방향)으로 단층으로 구성될 수 있고, 절연 도체(10)는 전기적 도체부 및 상기 전기적 도체부상에 감은 절연 필름 또는 부직포의 절연 피복층을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 반도전층(20)은 절연 도체(10) 중 적어도 상부 또는 하부의 일층의 절연 도체(10) 상에 구비되어 집중되는 전계를 고르게 분산시킬 수 있다.
상기 반도전층(20)은 카본 블랙을 혼합한 폴리머 수지로 형성되는 층이며, 폴리머 수지는 전기적 절연성을 가지고 카본 블랙은 도전성을 가지므로 2가지 재료를 혼합하여 반도전성을 갖는 층으로 제조되는 것이다.
상기 절연체(30)는 전술한 바와 같이, 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매를 포함하여 크랙억제를 위해 가소제를 사용할 필요가 없고, 종래 에폭시 수지 조성물이 갖는 문제를 발생시키지 않으면서 경화 시간을 절반으로 단축시킬 수 있어 생산량을 크게 향상시킬 수 있다.
참고로, 상기 변압기는 구체적으로 몰드 변압기에 관한 것이며, 몰드 변압기는 건식 변압기 또는 캐스팅 레진 변압기로 명명될 수도 있다.
실시예 1: 에폭시 수지 조성물의 제조
주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지를 제1 진공 예혼합기(100)에 넣고, 경화제 및 촉매를 제2 진공 예혼합기(200)에 넣은 후 제1 진공 예혼합기 및 제2 진공 예혼합기에 충진제를 섞어 예비 교반한 후 스태틱 믹서(300)에서 혼합하였다.
그 후, 진공 오븐(400)에 들어 있는 코일이 포함된 주형 금형으로 스태틱 믹서에서 혼합된 혼합물을 주입하고, 주입이 끝나면 약 1시간 정도 탈포 공정을 거친 뒤 경화로로 이동하여 80℃ ~ 130℃에서 약 23시간 정도 경화를 수행하였다. 이때 경화시간은 경화로의 사양에 따라 온도를 변경할 수 있다.
이때, 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지는 에틸렌 글리콜 에폭시가 사용되었고, 에폭시 수지 조성물 총 중량의 22.01 중량%가 되게 혼합하였다.
또한, 경화제로 나딕-메틸 무수물(NMA)을 에폭시 수지 조성물 총 중량의 13.43 중량%가 되게 혼합하였고, 촉매는 1-메틸 이미다졸을 사용하였으며 0.06 중량%가 되게 혼합하였으며, 충진제로는 실리카를 사용하고 64.50 중량%가 되게 혼합하였다.
하기 표 1은 본 발명에서 사용되는 이미다졸계 촉매의 온도에 따른 겔화 시간을 나타낸 것이다.
촉매 겔화 시간(분)
140℃ 120℃ 100℃ 80℃
1MZ 2.55 4.54 12.31 59.48
1VZ 2.13 3.42 7.46 30.01
1EZ 1.32 3.51 8.2 35.5
1B2PZ 1.32 3.09 5.4 16.18
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물에 사용되는 이미다졸계 촉매는 낮은 온도에서는 겔화 시간이 길고 높은 온도에서는 겔화 시간이 짧은 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물에 사용되는 이미다졸계 촉매는 초기 주형 작업에 유리하고, 에폭시 수지 조성물의 경화 시간을 절반으로 단축시킬 수 있다.
실시예 2: 에폭시 수지 조성물을 포함하는 절연체로 이루어진 몰드 변압기의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 에폭시 수지 조성물을 반도전층 및 절연 도체와 주형 사이에 용융된 상태로 주입하여 절연체를 형성시킨 후 용융된 절연체를 경화시키고 금형을 떼어내어, 절연 도체, 반도전층 및 절연체를 포함하는 몰드 변압기를 제조하였다.
이때, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물을 절연체로 사용하여 경화시키는데 소요되는 시간이 12시간 이하였다.
비교예 1: 비스페놀 A 및 3급 아민으로 제조된 종래 에폭시 수지 조성물
1몰의 에폭시 관능기당 중량이 170 ~ 190 사이의 액상 비스페놀 A를 주원료로 제조된 에폭시 수지를 사용하였고, 가소제로 폴리 프로필렌 글리콜(PPG), 경화제로 메틸 테트라 하이드로 프탈레이트 무수물(MeTHPA), 가소제로 폴리 프로필렌 글리콜, 촉매로 3급 아민인 벤질디메틸아민(BDMA)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
실험예 1: 물성 분석
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체와 종래 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체의 물성 분석을 수행하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1
경화시간(h) <12 >20
겔화시간@140℃(min) 8 20
굴곡강도[Mpa] 150 140
굴곡신율[%] 1.6% 1.4%
유리전이온도 70~90 70~90
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체는 비교예 1의 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체 대비 전체적인 겔화 시간이 크게 단축되는 것을 알 수 있고, 특히 140 ℃에서의 겔화시간이 8분으로 매우 짧은 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 1의 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체는 종래 에폭시 수지 조성물로 이루어진 절연체 대비 굴곡강도 및 굴곡신율이 향상되며, 가소제를 사용하지 않아 유리전이온도가 낮아지지 않는 것을 알 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지;
    전기 절연 및 열 전도를 위한 충진제;
    상기 에폭시 수지를 경화시키기 위한 경화제; 및
    이미다졸계 촉매;로 이루어지고,
    상기 에폭시 수지 조성물의 총 중량에 대해 에폭시 수지 15 ~ 25 중량%, 충진제 30 ~ 70 중량%, 경화제 10 ~ 20 중량% 및 이미다졸계 촉매 0.001 ~ 0.1 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기의 절연체용 에폭시 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는 1 당량당 분자량이 300 ~ 400인 변압기의 절연체용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 글리콜계 관능기는 에틸 글리콜, 메틸 글리콜, 부틸 글리콜 및 프로필 글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 변압기의 절연체용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이미다졸계 촉매는 1-이미다졸, 1-비닐이미다졸, 1-에틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸 및 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택되는 변압기의 절연체용 에폭시 수지 조성물.
  6. 수직 방향상 다층으로 권선되는 절연 도체;
    상기 절연 도체상에 구비되고 집중되는 전계를 분산시키는 반도전층;
    상기 절연 도체와 상기 반도전층 상에 주조되며, 변압기의 외형을 형성하는 절연체를 포함하고,
    상기 절연체는 주사슬에 글리콜계 관능기를 갖는 에폭시 수지, 충진제, 경화제 및 이미다졸계 촉매로 이루어지는 에폭시 수지 조성물이고,
    상기 에폭시 수지 조성물의 총 중량에 대해 에폭시 수지 15 ~ 25 중량%, 충진제 30 ~ 70 중량%, 경화제 10 ~ 20 중량% 및 이미다졸계 촉매 0.001 ~ 0.1 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는 1 당량당 분자량이 300 ~ 400인 변압기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 글리콜계 관능기는 에틸 글리콜, 메틸 글리콜, 부틸 글리콜 및 프로필 글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 변압기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 이미다졸계 촉매는 1-이미다졸, 1-비닐이미다졸, 1-에틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸 및 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택되는 변압기.
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