KR20010038625A

KR20010038625A - 옥외절연용 이피디엠 고무 조성물

Info

Publication number: KR20010038625A
Application number: KR1019990046680A
Authority: KR
Inventors: 이철호; 전영준
Original assignee: 이철호; 화인폴리머 주식회사
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-05-15
Also published as: KR100307365B1

Abstract

본 발명은 종단접속재, 폴리머 현수애자, 폴리머 피뢰기, 폴리머 지지애자, 각종 부싱, 폴리머COS(Cut-Out-Switch) 등과 같은 전기 기기의 옥외절연용 재료로 사용되는 EPDM 고무 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 옥외에서 사용되는 고전압 절연물로서의 요구특성인 전기적 특성, 장기신뢰성, 내트래킹성이 우수한 EPDM 고무조성물을 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적은 EPDM 고무 조성물의 각종 첨가제를 조절하여 제품성형시 문제점이 없도록 점도를 낮추었으며 금형에서 탈형시 이형성이 우수하도록 하며 내후성, 내트래킹성 및 발수성을 주요 특성으로 갖도록,

EPDM 고무 100 중량부에 대하여 수산화알루미늄 100~150 중량부, 산화티타늄 5~10 중량부, 파라핀계 오일 10~20 중량부, 파라핀 왁스 5~10 중량부, 스테아린산 1~3 중량부, 산화아연 2~5 중량부, 산화방지제 0.1~5 중량부를 니더에 투입하여 80~ 100℃에서 15~25분간 혼련 후 상기 조성물에 유기과산화물(디큐밀퍼옥사이드) 경화제를 5~10 중량부 첨가하여 80~100℃ 온도의 롤에서 15~25분간 재혼련 후 냉각시켜 제조된 EPDM 고무 조성물에 그 특징이 있다.

이러한 본 발명의 실시에 의하여 내트래킹성과 기타 절연특성이 기존의 조성물보다 월등히 뛰어난 옥외절연물의 제조가 가능하여 옥외절연물의 성능을 향상시키는 효과가 있고, 성형성의 향상과 금형으로부터 성형제품의 탈형시 이형성이 우수하여 제품의 불량율을 극소화하여 원가절감은 물론 제품의 신뢰성이 극대화된다.

Description

옥외절연용 이피디엠 고무 조성물{EPDM COMPOSITION FOR OUTDOOR INSULATING USE}

본 발명은 종단접속재, 폴리머 현수애자, 폴리머 피뢰기, 폴리머 지지애자, 각종 부싱, 폴리머COS(Cut-Out-Switch) 등과 같은 전기 기기의 옥외절연용 재료로 사용되는 EPDM 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 옥외에서 사용되는 고전압 절연물로서의 요구특성인 전기적 특성, 장기신뢰성, 내트래킹성이 우수한 EPDM 고무조성물에 관한 것이다.

전기가 실용화된 1900년대 이후부터 옥외절연물인 애자 및 애관의 재료로는 자기(瓷器) 재료가 절연 특성 및 내구성이 우수하여 널리 사용되어 왔었다.

그러나, 상기 자기 재료가 절연 특성과 내구성이 우수한 반면에 무겁고 외부충격에 부서지기 쉬워서 설치작업이 어려운 점이 있었고, 발수성이 적어서 표면에 각종 오손물이 부착되면 습기와 작용하여 누설전류가 흐르고, 외부섬락(外部閃絡)이 발생하여 정전사고를 일으키는 단점이 있었다.

또한, 상기 자기제는 충격에 깨지기 쉬운 단점으로 비래물(飛來物)이 충돌하던지, 구조물의 내부에 절연파괴가 발생되었을 경우에는 쉽게 파괴되어 그 파편이 주위에 비산되어 주변기기나 설비에 충돌됨에 의한 파괴로 안전성의 문제가 대두되었다.

이러한 자기제의 단점을 해결하고자 최근에는 무게가 가볍고, 내충격성이 우수하며 절연특성 및 발수성이 좋은 고분자의 사용이 요구되었으며, 이러한 고분자로는 EPDM 고무, 실리콘고무, 에틸렌 비닐 아세테이트 및 에폭시 수지 등이 검토되었다.

그러나, 고전압 기기의 전기절연재료에 적합한 요구특성으로는 절연내력이 높아야 하는 것은 물론이고, 내트래킹성, 유전특성(유전정접 및 비유전율), 내열성, 내수성, 기계적 특성 등의 종합적인 성능이 고려되어야 한다.

이러한 관점에서 최근에는 상기에서 언급한 바와 같은 고전압 기기의 요구특성에 적합한 절연재료로서 EPDM 고무를 이용한 조성물이 다양한 기술로 개시되고 있다.

상기 EPDM 고무 조성물은 에틸렌, 프로필렌, 디엔의 삼원공중합체인 EPDM 고무에 충전제, 가교제, 가교활성제, 윤활제, 산화방지제 등을 첨가한 EPDM 컴파운드로 주지되고 있다.

이러한 EPDM 고무를 주성분으로 하는 EPDM 고무 조성물에 있어, 상기 EPDM 고무는 주사슬에 이중결합이 포함되어 있지 않아 내오존성, 내후성, 내열성 등이 뛰어나고,

유리전이 온도가 -60℃ 정도에 이르므로 저온에서의 특성도 우수한 것으로 알려지고 있다.

또한, 분자 구조가 탄소-탄소, 탄소-수소 결합으로 만 이루어져 있어서 극성기가 없으므로 절연성능이 뛰어난 특징이 있다.

다시 말하여, EPDM 고무는 분자 구조 내에 불포화도가 낮아 산소나 오존에 대한 저항성이 매우 강하고, 고온에서도 안전한 절연특성을 갖으며,

비극성구조로서 낮은 유전손실 값을 갖는 등 뛰어난 전기적 특성을 갖고 있음에도 불구하고 가격이 비교적 저렴하여 고전압 기기 구조재의 주소재로서 많이 활용되고 있다.

그러나, 이러한 EPDM 고무는 밀도(0.86 g/㎠)가 낮아 각종 첨가제의 충진 능력이 뛰어나고 일반적으로 베이스 폴리머 보다 첨가제의 함량이 더 많으므로 상기 EPDM 고유의 특성에도 불구하고 첨가제의 배합에 따라서 성형성 및 물성이 크게 달라지는 특성에 의하여 첨가제의 사용량 및 가공 기술이 매우 중요하다.

이러한 이유에 기인하여, 고전압 옥외 절연물로 사용되는 EPDM 고무 조성물(합성고무 조성물)의 배합 설계시 가장 고려되어야 할 점은,

첫째, 사출성형에 대한 작업성이 우수하여야 한다.

즉, 사출성형에 따른 성형물의 사출작업이 원만하고 순조롭게 성형이 이루어져야 함은 물론 성형물 조직이 조밀하여야만 기계적인 특성도 우수하게 된다.

둘째, 성형물에 대한 장기 신뢰성과 전기적 특성이 우수해야만 한다.

즉, 상기 성형물은 옥외에 직접적으로 폭로됨으로서 자외선에 대한 저항을 갖는 내후성과, 재료 표면에 누설전류가 흐르고 이 누설전류로 불꽃방전이 생기며 재료가 탄화되는 트래킹 현상을 방지하는 내트래킹성 및, 누설전류 자체가 흐르지 않도록 유도하는 발수성이 우수해야 한다.

종래 기술로서 이러한 EPDM 고무에 수산화알루미늄을 사용하여 내트래킹성을 향상시킨 고전압 기기 조성물로서 일본국 특개평 9-298013(공개일:1997.11.18)호가 개시되고 있다.

상기 선원기술은 EPDM 고무 100중량부와 수산화알루미늄 150중량부, 퍼옥사이드계 유기 과산화물 4중량부를 기본으로 하고 카본블랙 2중량부, 스테아린산 1중량부, 산화아연 1중량부를 사용한 조성물로 제안되고 있다.

이러한 선원 기술은 IEC 587의 시험방법으로 내트래킹성을 평가한 경우 가장 우수한 조성이 최대 4.5 kV에서 2시간 시험하였을 때 시료의 중량감소가 1.8 g이었으나,

상기 IEC 587의 원래 시험 방법이 6시간을 기준으로 하고 있는 점을 감안하면, 상기 선원기술 정도의 중량 감소는 상당한 양으로 내트래킹성을 만족할 수 없다.

이러한 선원기술의 내트래킹성 미약으로 예상되는 원인으로는 상기의 조성물에서는 카본블랙을 2 중량부 사용하였으나, 상기 카본블랙은 일반적으로 도전성을 갖고 있기 때문에 이러한 도전성으로 내트래킹성이 저하됨이 판단된다.

이러한 선원의 기술의 조성물은 옥외에서 직접적으로 폭로하여 사용할 경우에 전기적인 스트레스와 각종 대기 오염물로 인한 복합 스트레스에 대한 저항성이 미비할 수밖에 없다고 판단된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 해소하고자 연구 개발된 것으로서,

본 발명의 목적은 옥외절연물의 성형재료로서 내트래킹성과 기타 절연특성을 더욱 획기적으로 개선한 옥외절연용 EPDM 고무 조성물을 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 성형에 따른 성형성의 향상과 금형으로부터 성형제품의 탈형시 이형성이 우수하여 제품의 불량률을 극소화할 수 있는 옥외절연용 EPDM 고무 조성물을 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적은 EPDM 고무 조성물의 각종 첨가제를 조절하여 제품성형시 문제점이 없도록 점도를 낮추었으며 금형에서 탈형시 이형성이 우수하도록 하며 내후성, 내트래킹성 및 발수성을 주요 특성으로 갖도록 하기 위하여,

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명의 조성물에서 수산화알루미늄은 기본 EPDM 고무 100 중량부에 대한 비로 100~150 중량부인 것이 바람직하다.

상기 수산화알루미늄은 기본 EPDM 고무 100 중량부에 대한 비로 100 중량부 미만을 첨가하면 트래킹의 발생으로 절연성이 저하되고, 150 중량부를 초과하여 첨가하면 내트래킹성은 증가하지만 전기적 특성 및 기계적 특성이 저하된다.

본 발명의 조성물에서 산화티타늄은 내후성의 향상을 위하여 첨가하는 것으로 기본 EPDM 고무 100 중량부에 대한 비로 5 중량부 미만을 첨가하면 내후성이 저하되고, 10중량부를 초과하여 첨가하면 조성물의 점도가 증가하여 사출작업이 어렵게 된다.

상기 파라핀 오일, 파라핀 왁스 및 스테아린산은 윤활제로서 고무조성물의 혼련성, 경도, 점도를 조절하여 첨가제의 균일한 분산을 도와주고 사출작업성 및 금형으로부터의 탈형성을 좋게 하기 위하여 첨가하는 것으로,

본 발명에서 제안한 함량 미만이 되면 조성물의 혼련 및 사출작업성이 저하되며, 함량이 초과하면 내트래킹성 및 전기적 특성이 저하된다.

또한, 상기한 윤활제는 저 분자량으로서 분자운동이 활발하여 표면으로 이동하는 현상이 있어서 조성물의 발수성 증대에도 효과가 있다.

본 발명의 조성물 중 상기 산화아연은 내열성 향상에 효과가 있다.

특히, 본 발명에서 채택한 유기과산화물 가교시 조성물 내에 산성이 있으면 이 산성으로 유기과산화물의 활성을 저해하여 가교 반응을 지연시키는 특성이 있는 바, 상기 산화아연 2~5 중량부 첨가로서 산성 중화제 역할을 하여 안정화 효과가 있다.

이때, 상기 산화아연이 기본 EPDM 고무 100 중량부에 대한 비로 2 중량부 미만을 첨가하면 산성중화제 역할이 미미하고, 5 중량부를 초과하면 조성물의 비중이 높아져 가격 상승의 부담은 물론 다량 첨가시 금속산화물이므로 전기적 성능의 저하를 가져오게 된다.

본 발명의 조성물에서 상기 산화방지제는 내열성 및 내후성의 향상을 위하여 첨가하는 것으로 기본 EPDM 고무 100 중량부에 대한 비로 0.1 중량부 미만을 첨가하면 내열성, 내후성이 저하되고, 5 중량부를 초과하면 유기과산화물의 활성을 방해하여 가교가 어렵게 되어 제품 성형을 나쁘게 한다.

한편, 상기 니더 및 롤의 혼련시간이 15분 미만일 경우에는 조성물의 분산 분량이 일어나고, 25분을 초과하면 조성물의 온도상승에 따르는 첨가제의 열분해 현상이 일어난다.

이때, 상기 니더의 온도가 80℃ 미만일 경우에는 조성물의 분산불량(첨가제와 기본 EPDM 고무의 상용성 저하)가 발생되고,

100℃를 초과하면 첨가제(윤활제, 산화방지제)의 산화반응 및 열분해 현상이 발생된다.

또한, 롤의 온도가 80℃ 미만일 경우에는 유기산화물의 분산불량과 낮은 온도에서 조성물의 점도 증가에 따른 롤 작업성의 어려움이 있다.

상기 유기산화물은 5 중량부 미만을 첨가하면 본 조성물의 성형작업시 탈형성이 떨어지고, 미가교 현상의 발생과 가교시간의 지연을 가져오며, 10 중량부를 초과하면 성형작업시 과경화 현상 즉, 경도증가 및 인열강도 저하로 제품의 탈형시 찢어지는 문제가 있다.

(실시예 1~2, 비교예 1~3)

본 발명에서 가장 주안점을 둔 것 중 하나는 옥외 절연용에 적합하도록 내트래킹성의 향상시킨 것이다.

여기서, 트래킹이란 고분자 절연재료가 옥외에서 사용될 때, 염분, 공해 등의 오손물이 절연물의 표면에 부착되고, 눈, 비, 이슬, 안개 등의 습기의 영향과 고전압 스트레스로 표면에 누설전류가 흐르고 불꽃방전이 발생하여 절연재료가 탄화되어 도전성이 되어 절연성을 잃게 되는 현상을 말한다.

트래킹 현상이 발생하면 절연물로서의 역할을 하지 못하여 정전사고로 이어짐으로 옥외절연물로는 만족시키지 못함으로 본 발명에서는 수산화알루미늄을 사용하였다.

상기 수산화알루미늄은 205℃와 220℃ 사이에서 서서히 분해반응이 일어나기 시작하여 220℃ 이상에서는 분해반응이 빠르게 진행된다.

이 과정에서 흡열반응으로 트래킹 현상의 초기단계인 발열반응을 억제하며 이때, 생성된 알루미나(Al₂O₃)가 촉매의 역할을 하여 재료표면의 전도성 유리카본을 날려보냄으로서 내트래킹성에 효과적으로 작용한다.

이러한 수산화알루미늄의 내트래킹성의 향상 역할을 보여주는 분해과정을 하기에 나타내었다.

내트래킹성에 대한 수산화알루미늄의 효과를 알아보기 위해 하기의 표 1과 같은 조성물에 대한 특성평가를 표 2에 나타내었다. 각 조성물은 170℃의 프레스에서 10분간 압축 성형하여 경화시켰으며, 내트래킹성 시험 시료는 6 ㎜, 전기적 시험시료는 1 ㎜, 신장률 시료는 2 ㎜의 두께로 시료를 제작하였다.

여기서 상기에서 언급한 수산화알루미늄의 함량에 따른 내트래킹성, 전기적 특성 및 신장률을 평가하기 위하여 다른 첨가제의 함량은 표 1과 같이 고정하고, 수산화알루미늄을 0~200 중량부로 하여 실험한 결과를 표 2에 나타내었다.

수산화알루미늄의 조성비

조성물(중량비)	비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	비교예 3
EPDM	100	100	100	100	100
수산화알루미늄	0	50	100	150	200
산화티타늄	8	8	8	8	8
파라핀오일	15	15	15	15	15
파라핀왁스	5	5	5	5	5
스테아린산	2	2	2	2	2
산화아연	5	5	5	5	5
산화방지제(Poly-dihydroquinoline 계)	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
디큐밀퍼옥사이드	7	7	7	7	7

수산화알루미늄 조성비에 따른 특성평가

평 가 항 목	비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	비교예 3
트래킹발생시간(분)	25	76	＞360	＞360	＞360
6시간 후 중량감소(g)	측정불가	측정불가	1.2	0.3	0.1
체적저항율(Ωㆍ㎝	＞10¹⁷	1.9 ×10¹⁶	1.1 ×10¹⁶	5.5 ×10¹⁵	3.3 ×10¹⁵
유전정접	0.000	0.002	0.004	0.007	0.010
비유전율	2.34	2.52	3.03	3.37	3.45
신장률(%)	117	335	322	272	175

상기 표 1에 의한 수산화알루미늄 함량의 증가에 따라 표 2에서와 같이 내트래킹성이 급격히 향상됨을 확인하였다.

IEC 587에 따라 시험하였을 때 수산화알루미늄의 함량이 50 중량부까지 함유된 시료에서는 2시간 내에 트래킹이 발생하였고, 100 중량부 이상에서는 양호한 특성을 나타내었다.

본 발명의 조성물에서는 실시예 1 및 실시예 2에서 처럼 6시간 이상 견디었고, 6시간 이후의 중량감소도 실시예 1은 1.2g, 실시예 2에서는 0.3g을 나타내므로 선원기술인 일본국 특개평 9-298013호의 2시간 후의 중량감소인 1.8g보다 훨씬 더 적은 중량감소를 나타내어 내트래킹성이 획기적으로 개선됨을 알 수 있었다.

한편, 수산화알루미늄의 첨가에 따라 체적저항율은 증가하고, 유전정접 및 비유전율은 저하되었다. 즉, 절연성능 및 유전특성이 저하되는 특성을 나타내었는 데, 이것은 수산화알루미늄 중의 수산기의 극성 때문이다.

또한, 고무 특유의 탄성 특성인 신장률의 결과도 상기 수산화알루미늄의 함량이 50~150 중량부에서 가장 우수한 특성을 나타내었으며, 수산화알루미늄 0 중량부나 200 중량부에서는 저하되는 특성을 나타내었다.

따라서, 수산화알루미늄의 함량증가에 의해 내트래킹성은 급격히 증가하지만 일정 함량 이상에서는 전기적 특성 및 기계적 특성이 저하되었으며, 기계적, 전기적 특성을 종합적으로 고려할 때, 본 발명에서 제안한 100~150 중량부 첨가가 가장 양호한 특성을 나타내었다.

한편, 옥외절연물의 또 다른 중요한 특성중의 하나인 내후성을 평가하기 위하여 폴리머애자 국제 규격(ANSI 29.11 및 CEA LWIWG-01) 및 국내 한국전력공사 구매 시방서에서 규정하는 가속열화 시험기인 자외선 형광 UV B 램프(미합중국 Q-Panel 사 Q-UV)를 사용하였다.

상기 시험규격에서는 가속열화 시험기 내에서 1000시간 열화 후 표면의 균열이 0.1㎜ 이하일 것을 규정하고 있으나,

본 발명에서는 더욱 가혹한 조건으로 2000시간 열화 후 표면의 균열, 인장강도, 신장률의 변화 및 내트래킹성을 평가하였다.

실시예 1 및 실시예 2의 조성물 시험결과, 표면의 균열은 발견되지 않았고, 인장강도 및 신장률이 열화 전의 80% 이상인 것으로 평가되었고, 열화 후에도 IEC 587의 내트래킹성 4.5 kV에서 6시간 이상 견딤으로서 내후성이 우수한 것으로 판명되었다.

또한, 발수성을 평가하기 위하여 접촉각 시험기(미합중국 First Ten Angstron사, FTA 200)를 사용하여 실험한 결과, 실시예 1의 조성물은 110도, 실시예 2의 조성물은 105도를 나타내므로 발수성이 우수한 것이 확인된다.

한편, 실시예 1 및 실시예 2의 조성물의 사출성형성을 평가하기 위하여 300ton 사출성형기에서 18kV급 폴리머피뢰기 애관을 사출하였으며, 이때의 금형온도는 170℃, 경화시간은 6분 이었다.

사출된 제품은 표면이 매끈하고 금형으로부터 탈형성이 좋아서 성형성이 우수함을 확인하였다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 본 발명은 내트래킹성과 기타 절연특성이 기존의 조성물보다 월등히 뛰어난 옥외절연물의 제조가 가능하여 옥외절연물의 성능을 향상시키는 효과가 있고, 성형성의 향상과 금형으로부터 성형제품의 탈형시 이형성이 우수하여 제품의 불량율을 극소화하여 원가절감은 물론 제품의 신뢰성이 극대화된다.

Claims

EPDM 고무 100 중량부에 대하여 수산화알루미늄 100~150 중량부, 산화티타늄 5~10 중량부, 파라핀계 오일 10~20 중량부, 파라핀 왁스 5~10 중량부, 스테아린산 1~3 중량부, 산화아연 2~5 중량부, 산화방지제 0.1~5 중량부를 니더에 투입하여 80~ 100℃에서 15~25분간 혼련 후 상기 조성물에 유기과산화물(디큐밀퍼옥사이드) 경화제를 5~10 중량부 첨가하여 80~100℃ 온도의 롤에서 15~25분간 재혼련 후 냉각시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 옥외절연용 EPDM 고무 조성물.