KR20100099688A - 반도체 또는 절연체 조성물에의 유기점토 사용을 통한 유전체 손실의 감소 - Google Patents

Abstract

절연부로 이동되어 원하지 않는 높은 유전체 손실을 야기할 수 있는 종을 함유하는 반도체성 층을 가지는 적층 복합물들의 유전체 손실의 감소를 제공하기 위해 유기점토가 반도체성 조성물에 첨가된다. 본 발명의 반도체성 조성물은 전력 케이블 적용분야에서 향상된 성능을 제공한다.

Description

반도체 또는 절연체 조성물에의 유기점토 사용을 통한 유전체 손실의 감소{REDUCTION OF DIELECTRIC LOSSES THROUGH USE ORGANOCLAY IN SEMICONDUCTOR OR INSULATOR COMPOSITIONS}

<관련 출원과의 상호 참조>

본 출원은 그 출원이 전체로서 본원에 참고문헌으로 도입된 2007.11.02에 출원된 미국 가출원 제60/984,813호에 기초하여 우선권을 주장한다.

<기술분야>

본 발명은 일반적으로 유전체 손실을 감소하는 것, 그리고 더욱 구체적으로는 전력 케이블에의 적용 등에서의 향상된 성능을 위한 반도체 또는 절연체 조성물의 제형에 관한다.

옥외 발전소 간(outdoor station-to-station) 전력 케이블에의 작은 기기들을 위한 것들을 포함하는 통상적인 전력 케이블은 하나 이상의 층으로 둘러싸여 있을 수 있는 코어 내에 종종 하나 이상의 전도체를 포함한다. 이러한 층들은 하나 이상의 다음의 것들을 포함할 수 있다: 제1 중합성 반-도체성 차폐층; 중합성 절연층; 제2 중합성 반-도체성 차폐층; 및 선택적으로, 금속성 테이프 차폐물; 및 중합성 재킷(jacket).

반도체성 조성물들은 절연 조성물에서 사용되는 경우 높은 유전체 손실을 나타낸다고 알려진 수지 성분을 포함할 수 있다. 이러한 것이 반도체성 조성물에서는 문제가 되지 않을 수 있는 반면, 반도체성 층으로부터 인접한 절연층으로의 종들의 이동은 적층 복합물의 증가된 유전체 손실을 야기할 수 있다. 반도체성 층으로부터 절연부로 확산되는 종들의 이동의 감소, 또는 이러한 종들의 반도체성 층 내에서의 증강된 가용화는 적층 복합물의 개선된 유전 속성을 수득케할 것으로 기대된다. 이것은 전력 케이블과 같은 전기적 적용분야에서 유용할 것이다.

반도체성 차폐 제형에서 사용되는 일부 엘라스토머성 성분들은, 절연부로 확산되서 전력 케이블에서 증강된 유전체 손실을 야기하는(특히, 케이블의 일반적인 정격 작동 온도 90 ℃를 초과하는 온도에서) 종들을 함유할 수 있다.

본 발명은 케이블 디자인의 반도체성 조성물에서 엘라스토머성 물질 집단의 사용을 가능케하는 수단을 제공하며, 이것이 가능하지 않으면 더 짧은 노화 시간 안에 더 높은 케이블 유전체 손실을 야기하게 된다.

본 발명은 반도체성 층 및/또는 절연체 층에의 특정 유기점토의 사용으로 감소된 유전체 손실을 제공하는 것에 관한다. 개선된 유전체 성능은 소량의 유기점토를 반도체성 조성물 또는 절연체에 첨가함에 의해 증명되었다. 유기점토를 함유한 반도체성 층에 인접한 절연부의 유전체 손실의 증가는 유사한 기간의 열 노화 후에 확연하게 감소되었다.

일 실시태양에서, 본 발명은 제1 중합성 수지 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 물질을 포함하는 반도체성 층 및 제2 중합성 수지를 포함하는 제2 물질을 포함하는 절연층을 포함하고, 여기에서 반도체성 층 및 절연층은 적어도 부분적으로 서로 물리적으로 접촉하며, 여기에서 제1 물질 및 제2 물질 중 하나 이상은 유기점토를 포함하고, 여기에서 제1 중합성 수지 및 제2 중합성 수지는 동일하거나 상이할 수 있는 구조물이다.

본 발명의 또다른 실시태양은 하나 이상의 중합성 수지 및 하나 이상의 유기점토를 포함하는 조성물을 포함하는 절연층을 포함하는 물품이다.

본 발명의 일 실시태양은 하나 이상의 전도체를 포함하는 코어; 제1 중합성 수지 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 물질을 포함하는 반도체성 층 및, 반도체 층에 인접한, 제2 중합성 수지를 포함하는 제2 물질을 포함하는 절연층을 포함하며, 여기에서 반도체성 층 및 절연층은 직접적으로 또는 간접적으로 코어를 둘러싸고, 여기에서 제1 물질 및 제 2 물질 중 하나 이상은 유기점토를 포함하고, 여기에서 제1 중합성 수지 및 제 2 중합성 수지는 동일하거나 상이할 수 있는 케이블이다.

일 실시태양에서, 대조 구조물(대조 구조물은 유기점토를 갖지 않는다는 점만 제외하면 본 구조물과 동일하다) 대 본 구조물의 AC 유전체 손실의 비는 1.5를 초과한다.

본 발명의 일 실시태양은 하나 이상의 중합성 수지 및 하나 이상의 유기점토를 포함하는 조성물을 포함하는 절연층을 포함하고, 여기에서 중합성 수지는 층의 AC 유전체 손실보다 1.5 배 이상 더 큰 AC 유전체 손실을 가지는 물품이다.

본 발명의 일 실시태양은, 중합성 수지 및 유기점토를 포함하고, 여기에서 중합성 수지의 AC 유전체 손실 대 절연체의 AC 유전체 손실의 비가 1.5 이상인 절연체이다.

도 1은 절연층의 손실 계수를 나타내는 그래프이다.
도 2는 각종 반도체성 조성물과의 접촉에서 제거된 절연체의 손실 계수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 각종 조성물의 반도체와 접촉된 채 노화된 후의 손실 계수를 나타내는 그래프이다.
도 4는 EPDM 수지에서의 손실 계수의 그래픽 표현이다.
도 5는 각종 조성물들의 손실 계수를 나타내는 그래프이다.

본 발명은, 케이블 디자인의 반도체성 조성물에서 엘라스토머성 물질 집단의 사용을 가능케 하며, 이것이 가능하지 않으면 더 짧은 노화 시간 안에 훨씬 더 높은 케이블 유전체 손실을 야기하게 된다. 유기점토들은 반도체성 조성물 또는 절연 화합물의 제조에서 사용되어서, 반도체성 조성물로부터 인접한 절연층으로의 종들의 이송을 감소(그렇지 않으면, 이들은 적층 복합물의 유전체 손실을 현저하게 증가하는데 기여한다)하였다. 결과는, 반도체성 층이 절연부로 이송되어서 원하지 않게 높은 유전체 손실을 초래할 수 있는 종을 함유하는 적층 복합물에서의 유전체 손실의 감소였다. 유사하게, 유기점토의 사용은 반도체성 층에 인접할 필요가 없는 절연부에 또한 이로울 수 있다. 이런 경우에, 손실되기 쉬운 유전체 종들은 절연부 내에 내재될 수 있고, 유기점토의 사용은 절연부의 손실되기 쉬운 성질을 경감시키는 것을 돕는다.

본원에서 사용되는 경우 용어 "절연체" 또는 "절연부"는 물질을 통한 전기의 흐름에 저항하거나, 또는 막는 임의의 물질을 의미한다. 본 발명의 절연체는 일반적으로 하기에 설명하는 바대로 중합성 수지 또는 화합물을 포함한다. 이러한 중합성 수지들은 통상적으로 고유 절연성을 가진다.

본원에서 사용되는 경우 용어 "반도체" 또는 "반도체성"은 전기 전도성이 전도체와 절연체 사이의 중간인, 전도가 홀(holes) 및 전자에 의해 일어나는 임의의 물질 또는 속성을 각각 의미한다. 본 발명의 반도체는 하기에 설명되는 바와 같이, 일반적으로 중합성 물질과 전도성 충전제의 조성물이다.

광범위한 각종 중합성 물질들이 전력 케이블 및 다른 수많은 적용에서 전기 절연성 및 반-도체성 차폐 물질로 이용되었다. 장기간의 성능이 적절하거나 요구되는 서비스 또는 제품들에서 이용되기 위해서, 이러한 중합성 물질들은, 적합한 유전체 속성을 가지는 것에 더하여, 다년간의 서비스에 걸친 유효하고 안전한 성능을 위해 그들의 초기의 속성들 또한 지속되어야 하고, 실질적으로 유지되어야한다. 예컨대, 빌딩 배선, 전기 모터 또는 기계적인 전력 배선, 지하 전력 전송 케이블, 광통신 섬유 케이블, 및 심지어 작은 전기 기기에 이용되는 중합성 절연부는 안전성을 위해서 뿐만이 아니라, 경제적 필요 및 실용성으로부터도 지속되어야한다. 빌딩 전기 배선 또는 지하 전송 케이블 상의 비-지속성 중합성 절연부는 이러한 배선 또는 케이블을 빈번하게 대체해야 하는 결과를 초래할 수 있다.

전기 장치에서 사용되기 위한 일반적인 중합성 조성물은 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리에틸렌 단독중합체 및 공중합체, 에틸렌/비닐 아세테이트(EVA) 공중합체 또는 에틸렌-프로필렌 엘라스토머(다르게는 에틸렌-프로필렌-고무(EPR)로 공지됨)으로부터 만들어진다. 이러한 중합성 조성물들 각각은 하나 이상의 이유로 종종 적합하지 않다. 예컨대, PVC의 사용 및 폐기는 종종 환경적 이유에서 엄격하게 규제되며, 전기 절연부에 사용하기 위한 적합한 대체 물질이 요망될 것이다.

폴리에틸렌은 일반적으로 충전제없이 전기 절연 물질로서 순수하게 사용된다. 선행기술에서 장기간의 전기적 안정성을 가지는 폴리에틸렌-기반 중합체를 만들려는 시도가 있었다. 예컨대, 폴리에틸렌은 고온에서 개선된 물리적 성능을 갖추고, 트리 형성(tree formation)이라고 알려진 공정인 중합체를 통한 전하의 전파의 저해제로서 기능하는 퍼옥사이드 잔기를 가지도록 디큐밀 퍼옥사이드와 가교되었다. 불행히도, 이러한 잔기들은 전기적 전력 케이블 서비스에서 이들이 겪게되는 대부분의 온도에서 종종 분해된다.

폴리에틸렌과는 대조적으로, EPR은 일반적으로 높은 농도의 충전제(통상적으로, 약 20 내지 50 중량%)와 조합되어 전기 절연체로서 사용된다. 불행히도, 이러한 EPR과 충전제의 조합은 대체로 나쁜 유전성을 제공한다.

본 발명의 장치의 반-도체성 조성물은 통상적으로 중합체 또는 중합체 블렌드 및 조성물에 반-도체성을 제공하기 위한 전도성 충전제를 포함한다. 반-도체성 조성물용으로 가장 일반적인 충전제는 카본 블랙 및 흑연이다. 충전제의 양은 충전제의 타입과 기타 성분들에 따라 변할 것이다. 일반적으로, 충전제는 충전된 반-도체성 조성물의 약 10 내지 약 55 중량%를 구성할 것이다. 바람직하게는, 충전제는 충전된 반-도체성 조성물의 약 20 내지 약 45, 더욱 바람직하게는 약 30 내지 약 40 중량%를 구성할 것이다. 만약 적합하다면, 대체로 구리로 만들어지는 복수의 중성 배선이 반-도체성의 절연 차폐 층 내에 매립될 수 있거나, 절연된 케이블 주위의 동심성 나선의 형태로 그 주위를 감쌀 수 있다.

본원에서 사용되는 경우, 유기점토(친유기성 점토로도 알려짐)는 일반적으로 유기폴리실리케이트(organopolysilicate)이다. 유기점토는 이온 교환 메카니즘을 통해서, 유기양이온(organocation)을 천연 점토와 반응시킴으로서 만들어진다. 유기양이온은 천연 점토와 유사한 층상 구조를 유지하면서, 점토의 천연 층간 양이온과 교환되어서 친유기성 표면을 생성시킨다. 통상적으로, 유기양이온들은 4차 암모늄 화합물이다. 유기점토의 일반적인 예는, 유기 구조물들이 화학적으로 결합된 점토, 예컨대, 고령토(kaolin) 또는 몬모릴로나이트를 포함한다. 본 발명에서 사용되는 유기점토들은 과량의 4차 암모늄 화합물을 가질 수 있다. 유기점토를 생산하는 더욱 상세한 사항들은 예컨대, 미국 제5,780,376호에서 찾을 수 있다. 유기점토들은 또한 사우던 클레이 프로덕츠, 인크.(Southern Clay Products, Inc.)로부터 입수가능한 4차 암모늄 염으로 개질된 천연 몬모릴로나이트 점토의 클로이사이트®(CLOISITE®) 계열과 같이 상업적으로 입수가능하다. 유기점토는 통상적으로 화합물 내 중합성 수지의 전체 중량에 기초하여 최대 약 3 중량% 농도로 첨가된다. 일부 실시태양에서, 유기점토의 양은 화합물 내 수지의 전체 중량에 기초하여 약 1 중량% 내지 약 3 중량% 범위이다.

유기점토는 절연체 또는 반도체 조성물 내에 적합한 분포 및 혼합을 제공하는 임의의 방법으로 혼입될 수 있다. 통상적으로, 유기점토는 용융 혼합기, 압출기, 또는 유사한 장비 내에서 수지와 용융 혼합된다. 모든 타입의 첨가제와 중합체의 용융 블렌딩을 위한 기술은 당 분야에 공지되었으며 이 발명의 실시에서 통상적으로 사용될 수 있다. 통상적으로, 본 발명의 실시에서 유용한 용융 블렌딩 작동에서, 중합체 수지는 중합체 용융물을 형성하기에 충분한 온도로 가열되고 적합한 혼합기, 예컨대, 압출기, 반바리 혼합기, 브라벤더(Brabender) 혼합기, 또는 연속 혼합기 내에서 적절한 양의 유기점토와 합쳐진다. 복합물은 용융물 내의 중합체 및 유기점토를 중합체의 용융점과 같거나 또는 초과하는 온도에서 전단함으로써 제조될 수 있다. 기계적 전단 방법은, 예컨대, 압출기, 사출 성형 기계, 반바리 타입 혼합기, 또는 브라벤더 타입 혼합기에 의해 사용된다. 전단은 중합체 용융물을 압출기(단일 스크류 또는 이중 스크류)의 한 단부에 도입하고 압출기의 다른 단부에서 전단된 중합체를 받음으로써 달성될 수 있다. 용융물의 온도, 용융물의 압출기 내에서의 잔류 시간 및 압출기의 디자인(단일 스크류, 이축 스크류, 단위 길이당 플라이트(flights) 수, 채널 깊이, 플라이트 간극, 혼합 구역)은 적용될 전단의 양을 조절하는 수개의 변수들이다.

다르게는, 중합체가 과립화되고 유기점토와 건조-혼합될 수 있고, 그 후에, 중합체 수지가 용융되어 유동성 혼합물을 형성할 때까지 조성물이 혼합기 내에서 가열된다. 이러한 유동성 혼합물은 그 후에 적절한 복합물을 형성하기에 충분하도록 혼합기 내에서 전단될 수 있다. 중합체는 또한 유기점토의 첨가에 앞서, 혼합기 내에서 가열되어서 유동성 혼합물을 형성할 수 있다. 유기점토 및 중합체 수지는 그 후에 적절한 복합물을 형성하기에 충분하도록 전단될 수 있다.

본 발명은 절연층에 인접한 반도체 층을 가지는 구조물, 특히, 배선 및 케이블에서 장기간의 유전체 손실을 예방하는데 있어서 유용하다.

실시예

하나의 절연층 및 반도체성 조성물의 다른 층으로 제조된 "샌드위치(sandwich)"를 열적 노화(140 ℃에서 1 주)하고, 그 후 절연층만의 유전체 분석을 위해 층들을 분리하도록 실험용 방법을 전개하였다. 그럼으로서, 절연층의 유전체 손실의 차이는 절연층이 노화 과정동안 접촉된 채에 있었던 반도체성 제형의 차이에서 기인될 수 있다. 손실들을 또한 반도체 층에 노출됨이 없이 열적 노화된 절연층, 노화없이 반도체 조성물에서 제거된 절연층, 및 노화된 후에 엘라스토머를 함유하지 않은 반도체 조성물의 반도체에서 제거된 절연층과 비교한다. 관찰된 유전체 손실의 증가가 트리-지연성(tree-retardant) 절연 제형 또는 그 제형과 반도체 조성물의 요소와의 특정한 상호작용에 관련된 것이 아님을 입증하기 위해 두 개의 다른 절연 제형을 사용한다. 시험 제형은 표 1에 나타나고 시험 결과들은 표 2A 및 2B, 및 도 1 및 2에 나타난다.

비교예 1-12 및 실시예 13

비교예 1은 140 ℃에서의 1 주일간의 노화 후 절연 유전성의 기준 특징을 나타낸다. 비교예 1의 절연부는 반도체성 조성물과 접촉하지 않았다. 60 Hz 손실 계수는 실온 및 90 ℃ 사이에서 현저하게 변화하지 않았고, 약 1e-4 였다. 저밀도 폴리에틸렌 절연부의 용융점을 초과하여 온도가 증가함에 따라, 손실 계수는 증가하고, 실온 측정치와 비교했을 때, 130 ℃에서 약 열 배까지의 범위(1 order of magnitude)의 증가가 관찰되었다.

비교예 2에서, 절연부를 반도체 제형에 대해서 성형하였다. 층들은 어떠한 열적 노화라도 있기 전에 분리하였다. 결과로 얻은 절연부의 유전성들은 비교예 1 과 유사했다. 비교예 3에서, 절연부-반도체 복합물을 층들의 분리에 앞서서 노화시켰다. 절연부의 유전성은 실온에서 실질적으로 변성되지는 않았으나, 더 높은 온도에서 현저하게 더 높은 손실을 경험하였다. 90 ℃ 이상의 온도에서, 비교예 3의 절연부는 비교예 2의 노화되지 않은 절연부 또는 비교예 1의 반도체와 접촉하지 않은 절연부보다 약 20 배 높은 손실 계수를 나타냈다. 본 결과는 본 방법이 조성물 SC-1의 엘라스토머-함유 반도체를 사용한 케이블 구조 내의 열적 노화 후에 높은 유전체 손실 경험을 야기하는 메카니즘을 충분히 재현함을 명확히 보인다. 본 결과는 또한, 증가된 유전체 손실을 야기하는 메카니즘이 손실되기 쉬운 종들의 반도체성 물질로부터 절연층으로의 확산에 관련됨을 보인다.

비교예 4 내지 8에서, HFDB-4202 트리-지연성 절연 제형을 사용하였다. 이것은 열적 노화 후에 높은 유전체 손실을 나타낸 케이블에서 사용한 것과 동일한 절연부였다.

비교예 8은 반도체성 조성물과 접촉이 없는 절연부의 열적 노화 후의 유전체 손실을 나타낸다. 온도의 함수로서의 손실 계수는 130 ℃에서 2e-4 내지 3e-4 범위 내의 값으로 비교예 1의 HFDE-4201 절연부에 의해 나타난 것과 유사하다.

비교예 4 및 6에서, 다른 엘라스토머 함량을 함유하는 반도체성 조성물에 대해서 성형된 절연부의 손실 계수를 그 어떤 열적 노화보다도 앞서서 측정하였다. 결과로 얻은 손실 계수는 비교예 8의 노화되지 않은 절연부와 유사했다.

비교예 5 및 7에서, 절연층의 유전성의 측정에 앞서서 절연부 반도체 샌드위치를 열적으로 노화시켰다. 비교예 3의 HFDE-4201로 한 유사한 실험에서 관찰된 바와 같이, HFDB-4202 절연부가 엘라스토머를 함유한 반도체성 조성물과 접촉된 채로 노화된 비교예 5 및 7의 절연부에 대해 손실 계수 값은 90 ℃ 이상의 온도에서 극적으로 증가했다. 130 ℃에서 경험된 손실 계수는 매우 높아서 손실 계수 측정을 하는 것에 어려움이 있었다(따라서, 그 값은 "읽히지 않음"이라고 보고하였다.) 그럼에도, 110 ℃에서의 손실 계수 값은, 동일한 절연부가 반도체성 조성물과의 접촉없이 열적 노화된 비교예 8의 것의 약 100 배였다고 볼 수 있다.

비교예 5 내지 비교예 7의 비교는 SC-2 및 SC-3에서 사용된 엘라스토머의 농도의 차이가 고온 손실 계수에서 주목할만한 차이를 만들기에 충분히 현저하지 않았음을 보인다.

비교예 4 내지 8의 결과는 본 시험 방법이 열적으로 노화된 케이블에서 증가된 유전체 손실을 야기하는 메카니즘의 효과를 탐침하는 데에 적합함과, 그 메카니즘이 손실되기 쉬운 종들의 반도체성 조성물로부터 절연층 내로의 확산에 관련됨을 확실케 한다.

비교예 9는 반도체성 조성물 SC-4에 대해서 열적으로 노화된 HFDE-4201를 사용한다. 그럼에도, SC-4는 프로필렌-에틸렌 엘라스토머의 존재없이 제형화되었다. 절연부 상의 유전체 측정의 결과는 반도체성 조성물과 접촉한 적이 전혀 없는, 노화된 절연부인 비교예 1의 그것과 유사하다.

이는 엘라스토머가 절연부 내로 확산되어서 높은 유전체 손실을 생성시키는 종의 공급원(source)임을 명확히 입증한다.

비교예 10 내지 12 및 실시예 13은 반도체성 조성물에 대해서 열적으로 노화된 경우에 절연부의 결과로 얻은 유전체 성능에 영향을 미치려는 노력으로 반도체성 조성물 내의 각종 충전제의 사용을 시험한다. 비교예 10 및 11은 칼슘 카르보네이트 또는 활석을 함유한 반도체성 조성물 SC-5 및 SC-6을 이용한다. 이러한 광물 충전제는 이동되는 종의 확산 속도를 감소시킬 잠재성을 가지고, 유전체 성능에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 산성 종들을 중화시킬 수 있다. 그럼에도, 비교예 10 및 11의 절연부의 결과로 얻은 유전체 성능은 비교예 3의 절연부에서 경험된 높은-손실에 대해 상대적으로 개선되지 않았다.

비교예 12는 중성 몬모릴로나이트 점토가 혼입된 반도체성 조성물 SC-7을 사용한다. 이러한 점토는 장벽성을 개선하기 위해서 사용되었다(확산 감소). 그럼에도, 비교예 12의 절연부로부터 결과로 얻은 유전성은 비교예 3에서 경험된 높은 손실에 대해 상대적으로 개선되지 않았다.

반도체성 조성물 SC-8이 과량의 4차 암모늄으로 처리된 유기점토를 함유하는 실시예 13에 본 발명이 예시된다. SC-8에 대한 열적 노화 후의 절연부의 손실 계수는 90 ℃ 이상의 온도에서, 반도체 조성물 SC-1이 유기점토를 함유하지 않은 비교예 3의 것에 비해 실질적으로 개선되었다(더 낮았다). SC-8의 제형에서의 유기점토의 사용은 반도체와의 접촉없이 노화된 절연부의 손실 계수 성능을 초래하기에 충분하지 않았으며, 이는 반도체성 제형으로부터 손실되기 쉬운 종들의 이동이 감소되었지만 완전히 예방되지는 않았음을 나타낸다. 그럼에도, 동일한 부하량에서의 충전제의 사용이 손실되기 쉬운 종들의 확산을 지연시키는데 효과적이지 않다는 것은 확연하다.

조성물에서 유기점토의 벗겨짐은 예상되지 않음이 주목되어야 한다.

[표 2(A)]

[표 2(B)]

실시예 15-18

표 3에 나타난 대로 반도체성 조성물들을 제조하였다.

실시예 15-18의 유전체 측정이 표 4에 나타난다.

실시예 13에 대해서 논의된 바대로, 반도체성 조성물 내의 유기점토의 사용은 절연부와 반도체성 물질이 긴밀하게 접촉된 채 열적 노화된 후에 결과로 얻는 절연 손실 계수를 극적으로 감소시켰다. 이는 다시 실시예 15의 동일한 유기점토에서도 명백하다. 실시예 15의 손실 계수 값은 실시예 13에서 경험된 그것들에 비해서 낮으나, 그럼에도 실시예 15에서 보고된 매우 낮은 유전 상수는 더 높은 시험 온도에서 가교(bridge)가 알맞게 균형잡히지 않았음을 시사할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 실시예 16에서 보이는 바와 같이, 손실 계수 감소 효과는 반도체 조성물 내의 유기점토 함량이 증가할수록 더욱 명확해졌다. 실시예 17 및 18에서, 대체 유기점토가, 다시 1 중량% 및 3 중량%로 조성물 내에 사용되었다. 이 유기점토로 인한 효과는 실시예 15 및 16의 그것과 유사하다.

이 결과는 약 3 %의 유기점토의 사용은 확산-관계된 손실 계수 증가를 거의 제거할 수 있음을 보인다. 1 % 유기점토 부하량에서 주목된 df 증가는 유기점토의 존재에 기인한 확산 속도의 미미한 감소를 시사한다. 3 %에서 확산의 추가적인 감소가 기대되나, 그럼에도, 엘라스토머가 이용되지 않은 시스템에 의해 경험된 df 값의 감소는 140 ℃에서 확산에 걸리는 기간이 1-주일의 노화 시간에 비해서 훨씬 길거나, 또는 소산되는 종들 및 유기점토 사이에 형성되는 물리적 결합이 있을 수 있다는 것을 시사한다.

4차 암모늄 처리가 상이한 수준으로 된 유기점토로 제조된 조성물들의 효과의 비교는 손실 계수 감소는 과다한 처리의 존재에 직접적으로 관계되지 않음을 보인다.

비교예 19 및 22 및 실시예 20, 21, 23-26

손실되기 쉬운 엘라스토머성 성분도 또한 함유하는 반도체성 차폐 조성물 내에 유기점토를 소량 첨가하는 것을 통한 개선된(감소된) 케이블 유전체 손실의 효과는 앞선 실시예에서 입증되었다. 여기에서 조사는 유기점토가 손실되기 쉬운 절연층 내에서도 유사한 효과를 제공할 수 있는지(이는 종들의 이동에 있어서의 감소 대신에 손실되기 쉬운 종들의 트랩핑(trapping)을 입증할 것이다) 결정하기 위해 한걸음 더 나아갔다.

이 연구에는 에틸렌-프로필렌-디엔 엘라스토머가 선택되었다. 이 중합체는 유기점토의 수개의 다른 층과, 다른 수준으로 4차 암모늄 처리된 유기점토의 클로이사이트® 등급들과 함께 배합되었다. 이 제형은 표 4에 나타난다. 결과는 도 4 및 5에 해당하는 그래픽 표현과 함께 표 5, 6에 제시된다.

결과는 100 ℃를 초과하는 온도에서 유기점토가 EPDM 수지의 유전체 손실을 극적으로 감소시키는 수단을 제공함을 보인다. 저온에서 유전체 손실의 일부 절충이 경험되었다. 그럼에도, 낮은 수준의 유기점토의 첨가에 의한 유전체 손실의 크기는, 시험된 온도 범위 전체에 걸쳐서 사용 온도를 경험하는 전력 케이블 절연부와 같은 적용분야에 대해서 유기점토가 없는 EPDM에 의해 입증된 성능보다 현저한 개선을 나타낸다.

EPDM 내 유기점토 사용의 이점은 절연성 조성물 또는 반도체성 조성물 내에서의 효과가, 손실되기 쉬운 종들의 이동의 감소보다도 엘라스토머 성분 내의 유기점토 및 손실되기 쉬운 종들 사이의 상호작용에서 기인한다는 것을 입증한다는 것이다.

본 발명은 비록 상기의 명세서에 의해 상당히 상세하게 설명되었으나, 이러한 세부사항은 설명의 목적을 위한 것이고 하기에 첨부된 청구항에 대한 제한으로서 해석되기 위한 것이 아니다. 모든 미국 특허, 특허 허여된 미국 특허 출원 및 미국 특허 출원 공보들이 본원에 참고문헌으로 도입되었다.

Claims (55)

1. 제1 중합성 수지 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 물질을 포함하는 반도체성 층; 및
   반도체성 층과 적어도 부분적으로 서로에 대해 물리적으로 접촉하고 있고, 제2 중합성 수지를 포함하는 제2 물질을 포함하는 절연층
   을 포함하고, 상기 제1 물질 및 제2 물질 중 하나 이상이 유기점토를 포함하며, 상기 제1 중합성 수지 및 제2 중합성 수지는 동일하거나 상이할 수 있으며,
   유기점토를 갖지 않는다는 것을 제외하면 본 구조물과 동일한 대조 구조물 대 본 구조물의 AC 유전체 손실의 비가 1.5를 초과하는 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 및/또는 제2 물질에 물질 내 중합성 수지의 전체 중량을 기초로 최대 약 1 중량%의 양으로 존재하는 구조물.
3. 제1항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 및/또는 제2 물질에 물질 내 중합성 수지의 전체 중량을 기초로 최대 약 3 중량%의 양으로 존재하는 구조물.
4. 제1항에 있어서, 상기 유기점토가 4차 암모늄 화합물로 개질된 천연 몬모릴로나이트인 구조물.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합성 수지가 하나 이상의 열가소성 수지를 포함하는 구조물.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합성 수지가 하나 이상의 열경화성 수지를 포함하는 구조물.
7. 제5항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 구조물.
8. 제7항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체가 α-올레핀 내 에틸렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 구조물.
9. 제5항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체를 포함하는 구조물.
10. 제7항에 있어서, 상기 프로필렌 공중합체가 α-올레핀 내 프로필렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 구조물.
11. 제1항에 있어서, 상기 전도성 충전제가 하나 이상의 카본 블랙 화합물을 포함하는 구조물.
12. 제1항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 내에 존재하고, 유전체 손실 비는 열적 노화 후에 결정되는 구조물.
13. 하나 이상의 중합성 수지 및 하나 이상의 유기점토를 포함하는 조성물을 포함하고, 상기 중합성 수지가 조성물의 AC 유전체 손실보다 1.5 배 이상 더 큰 AC 유전체 손실을 가지는, 반도체성 층을 포함하는 물품.
14. 제13항에 있어서, 상기 유전체 손실 비가 열적 노화 후에 결정되는 물품.
15. 제13항에 있어서, 상기 유기점토가 중합성 수지의 전체 중량에 기초하여 1 중량% 이상의 양으로 존재하는 물품.
16. 제13항에 있어서, 상기 유기점토가 전체 조성물에 기초하여 약 3 중량% 이상의 양으로 존재하는 물품.
17. 제13항에 있어서, 상기 유기점토가 4차 암모늄 화합물로 개질된 천연 몬모릴로나이트인 물품.
18. 제13항에 있어서, 상기 조성물이 하나 이상의 열가소성 수지, 하나 이상의 유기점토 및 하나 이상의 전도성 충전제를 포함하는 물품.
19. 제13항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 물품.
20. 제13항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체가 α-올레핀 내 에틸렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 물품.
21. 제13항에 있어서, 상기 전도성 충전제가 하나 이상의 카본 블랙 화합물을 포함하는 물품.
22. 제13항에 있어서, 반도체성 층에 인접하는 하나 이상의 절연층을 추가로 포함하는 물품.
23. 하나 이상의 중합성 수지 및 하나 이상의 유기점토를 포함하는 조성물을 포함하고, 중합성 수지가 조성물의 AC 유전체 손실보다 1.5 배 이상 더 큰 AC 유전체 손실을 가지는, 절연층을 포함하는 물품.
24. 제23항에 있어서, 상기 유기점토가 중합성 수지의 전체 중량에 기초하여 1 중량% 이상의 양으로 존재하는 물품.
25. 제23항에 있어서, 상기 유기점토가 전체 조성물에 기초하여 약 3 중량% 이상의 양으로 존재하는 물품.
26. 제23항에 있어서, 상기 유기점토가 4차 암모늄 화합물로 개질된 천연 몬모릴로나이트인 물품.
27. 제23항에 있어서, 상기 조성물이 하나 이상의 열가소성 수지, 하나 이상의 유기점토 및 하나 이상의 유기 또는 무기 충전제를 포함하는 물품.
28. 제23항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 물품.
29. 제23항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체가 α-올레핀 내 에틸렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 물품.
30. 제23항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체를 포함하는 물품.
31. 제23항에 있어서, 상기 프로필렌 공중합체가 α-올레핀 내 프로필렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 물품.
32. 제23항에 있어서, 상기 전도성 충전제가 하나 이상의 카본 블랙 화합물을 포함하는 물품.
33. 제23항에 있어서, 절연층에 인접하는 하나 이상의 반도체성 층을 추가적으로 포함하는 물품.
34. 하나 이상의 전도체를 포함하는 코어;
    제1 중합성 수지 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 물질을 포함하는 반도체성 층; 및,
    제2 중합성 수지를 포함하는 제2 물질을 포함하고 반도체 층과 인접하는 절연층을 포함하고,
    여기에서 반도체성 층 및 절연층이 직접적으로 또는 간접적으로 코어를 둘러싸고, 상기 제1 물질 및 제2 물질 중 하나 이상이, 유기점토를 포함하는 물질의 중합성 수지의 AC 유전체 손실의 비가 각각의 유기점토를 갖는 중합성 수지에 대해서 1.5를 초과하도록 유기점토를 포함하고, 상기 제1 중합성 수지 및 제2 중합성 수지가 동일하거나 상이할 수 있는 케이블.
35. 제34항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 및/또는 제2 물질에 물질 내 중합성 수지의 전체 중량을 기초로 최대 약 1 중량%의 양으로 존재하는 케이블.
36. 제34항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 및/또는 제2 물질 내에 물질 내 중합성 수지의 전체 중량을 기초로 최대 약 3 중량%의 양으로 존재하는 케이블.
37. 제34항에 있어서, 상기 유기점토가 4차 암모늄 화합물로 개질된 천연 몬모릴로나이트인 케이블.
38. 제34항에 있어서, 상기 제1 중합성 수지가 하나 이상의 열가소성 수지를 포함하는 케이블.
39. 제38항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 케이블.
40. 제39항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체가 에틸렌의 α-올레핀과의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 케이블.
41. 제34항에 있어서, 상기 제1 중합성 수지가 하나 이상의 열경화성 수지를 포함하는 케이블.
42. 제38항에 있어서, 상기 열경화성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 케이블.
43. 제34항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체를 포함하는 케이블.
44. 제39항에 있어서, 상기 프로필렌 공중합체가 α-올레핀 내 프로필렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 케이블.
45. 제34항에 있어서, 상기 전도성 충전제가 하나 이상의 카본 블랙 화합물을 포함하는 케이블.
46. 중합성 수지의 AC 유전체 손실 대 절연체의 AC 유전체 손실 비가 1.5 이상인, 유기점토 및 중합성 수지를 포함하는 절연체.
47. 제46항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 및/또는 제2 물질에 물질 내 중합성 수지의 전체 중량을 기초로 최대 약 1 중량%의 양으로 존재하는 절연체.
48. 제46항에 있어서, 상기 유기점토가 제1 물질 및/또는 제2 물질에 물질 내 중합성 수지의 전체 중량을 기초로 최대 약 3 중량%의 양으로 존재하는 절연체.
49. 제46항에 있어서, 상기 유기점토가 4차 암모늄 화합물로 개질된 천연 몬모릴로나이트인 절연체.
50. 제46항에 있어서, 상기 중합성 수지가 하나 이상의 열가소성 수지를 포함하는 절연체.
51. 제46항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 절연체.
52. 제46항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체가 α-올레핀 내 에틸렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 절연체.
53. 제46항에 있어서, 상기 중합성 수지가 하나 이상의 열경화성 수지를 포함하는 절연체.
54. 제53항에 있어서, 상기 열경화성 수지가 하나 이상의 에틸렌 단독중합체 및/또는 에틸렌 공중합체를 포함하는 절연체.
55. 제54항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체가 α-올레핀 내 에틸렌의 또는 비닐 아세테이트 공단량체와의 공중합체인 절연체.

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