KR20110104331A - 전선용 절연 조성물 및 이를 이용한 전선 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전선용 절연 조성물은 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체 및 에틸렌 프로필렌 공중합체 중에서 선택된 1종 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 수지 100 중량부에 대하여, 유기 과산화물계 가교제 1 내지 10 중량부를 포함하는 고분자 조성물로서, 상기 고분자 조성물의 용융온도가 30 내지 110℃이고, 결정성이 10 내지 30%인 것을 특징으로 한다.
이러한 전선용 절연 조성물을 사용한 절연층을 구비하는 전선은 기계적인 고강도가 확보되면서도 유연성이 우수하다.

Description

전선용 절연 조성물 및 이를 이용한 전선{Insulation Composition For Electric Wire And Electric Wire Produced Therewith}
본 발명은 전선에 사용되는 절연성 조성물에 관한 것이다.
현재 국내에서 사용되고 전선 케이블 중 한 형태는 도 1에 도시된 바와 같이, 도체(1, conductor)를 중심으로 절연층(2, insulation), 베딩층(3, bedding layer), 편조층(4, braid) 및 시스층(5, sheath)으로 이루어져 있다. 상기 전선의 절연층에 적용되고 있는 가교 폴리에틸렌은 전선 규격에서 요구하는 높은 인장강도의 기계적 특성을 만족하기 위하여 결정성이 30%를 초과하는 결정성 폴리에틸렌을 기본 수지로 사용하였다.
그러나, 기존 가교 폴리에틸렌은 결정을 가지고 있기 때문에 상온에서 굴곡강도가 높아 케이블의 절연체로 적용될 경우 전선의 유연성을 확보할 수 없었다. 이로 인해 현장에서 포설 작업시 어려움이 따르고, 특히 좁은 공간에서 전선을 포설하기 위하여 구부려야 할 경우 많은 힘을 요구하여, 전선을 설치하는데 더 많은 노력과 기술이 필요하고 설치 비용이 높으므로 생산성이 저하되는 단점을 지니고 있다.
또한, 가교 폴리에틸렌에 있어서 결정의 함량이 증가할수록 밀도가 상승하게 되는데 이 경우 전체 전선의 중량을 증가하게 되고 이는 곧 제품이 사용되는 선박이나 군함의 무게를 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다. 아울러 이러한 무게 증가는 가벼워야 할 선박이나 해양시설 그리고 군함의 속력 저하를 야기시켜 최종적으로 에너지 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
이를 해결하고자 저결정성 수지인 에틸렌 부텐 공중합체 또는 에틸렌 옥텐 공중합체를 단독 또는 혼용하여 전선의 절연층에 적용하였다. 이들 수지를 적용한 절연층을 가교 공정을 통해 제조하고 열경화성인 시스(Sheath)층을 다시 가교 공정을 통해 완제품을 생산하게 된다. 이 때에는, 상기 절연층은 두 번의 가교 공정을 통해 높은 기계적 강도를 나타나게 된다. 반면에 가교 공정을 거치지 않는 열가소성인 시스층를 사용하는 경우에는 절연층이 한 번의 가교 공정만 거치기 때문에 유연성을 만족하지만 기계적 강도인 고강도를 만족하지 못하는 문제가 발생하고 있다.
따라서, 본 발명은 가교 공정을 거치지 않는 열가소성 시스층을 적용할 경우에도 유연성과 고강도를 만족하는 절연층을 형성하는 고분자 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 전선용 절연 조성물은, 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체 및 에틸렌 프로필렌 공중합체 중에서 선택된 1종 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 수지 100 중량부에 대하여, 유기 과산화물계(Organic Peroxide) 가교제 1 내지 10 중량부를 포함하는 고분자 조성물로서, 상기 고분자 조성물의 용융온도가 30 내지 110℃이고, 결정성이 10 내지 30%인 것을 특징으로 한다.
이러한 유기 과산화물계 가교제로는 디-(2,4-디클로로벤조일)-퍼옥사이드(Di-(2,4-dichlorobenzoyl)-peroxide), 디벤조일퍼옥사이드(Dibenzoyl peroxide), t-부틸퍼옥시벤조에이트(t-butyl peroxybenzoate), 1,1-디-(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-Di-(t-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane), 디큐밀퍼옥사이드(Dicumyl peroxide), 디-(2-t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠(Di-(2-t-butylperoxyisopropyl)benzene), t-부틸큐밀퍼옥사이드(t-butylcumylperoxide), 2,5-디메틸-2,5디(t-부틸퍼옥시)-헥산(2,5-Dimethyl-2,5di(t-butylperoxy)-hexane) 및 디-t-부틸퍼옥사이드(Di-t-butylperoxide) 등을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 전선용 절연 조성물은 상온에서 80 내지 90인 경도(Shore A)이고, 신장율 3%에서의 모듈러스는 1.5 내지 5 N/mm2일 수 있다.
또한, 본 발명의 전선은 중심 도체, 상기 중심 도체를 피복하는 절연층을 포함하는 코아부과 이 코아부을 피복하는 시스층을 구비하는 전력 케이블에 있어서, 절연체는 상기 조성물로 형성된다.
바람직하게는 이러한 코아부은 절연층에 감싸여진 도체를 전체적으로 감싸는 베딩층을 구비할 수 있고, 또한 코아부의 표면에 편조층을 구비할 수 있다.
본 발명의 전선용 절연 조성물은 용융온도가 30 내지 110℃이고, 결정성이 10 내지 30%인 것을 특징으로 하는 고분자 조성물로, 이를 사용한 절연층을 갖는 전선은 기계적인 고강도가 확보되면서도 유연성이 우수하다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상의 이해를 돕기 위한 것이므로, 본 발명은 아래 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 전선의 단면도이다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명의 전선용 절연 조성물은 도 1과 같은, 도체(1)를 중심으로 절연층(2), 베딩층(3), 편조층(4) 및 시스층(5)으로 이루어진 구조를 가지는 전선의 절연층(2)을 형성하기 위하여 사용된다. 그러나, 도 1의 전선에 있어서 베팅층(3)과 편조층(4)은 필요에 따라 선택가능하다.
본 발명의 전선용 절연 조성물은 고분자 조성물로 이루어져 있는데, 절연성 수지에 가교제가 혼합된 것이다. 이러한 절연성 수지로는 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체 및 에틸렌 프로필렌 공중합체 중에서 선택된 1종 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 수지가 사용된다. 이러한 조성물은 용융온도가 30 내지 110℃이고, 결정성이 10 내지 30%인 것을 특징으로 한다. 일반적으로 고분자의 결정성은 분자간의 결합에너지가 높은 경우에 결정성이 높게되고, 결정성이 높을수록 높은 인장강도를 나타내지만 유연성은 떨어지게 된다. 즉,결정성이 30%를 초과하는 경우에는 경도 및 모듈러스 값이 높고 고강도를 나타내지만 유연성이 결여되게 되어 전선용 절연 조성물로 적합하지 않다. 또한, 용융온도가 높은 경우에는 고분자 사슬간의 결합이 강하다는 것으로 용융온도가 110℃를 초과하는 경우에는 유연성이 결여되게 된다.
바람직하게는 본 발명의 전선용 절연 조성물은 상온에서 80 내지 90인 경도(Shore A)를 갖는데, 이는 90 초과하는 경도를 가지는 경우에는 유연성이 저하된다.
또한, 본 발명의 전선용 절연 조성물의 신장율 3%에서의 모듈러스는 1.5 내지 5 N/mm2인 것이 바람직하다. 신장율 3%에서의 모듈러스가 1.5N/mm2 미만인 경우에는 기계적 강도가 저하되고, 5N/mm2을 초과하는 경우에는 유연성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명에 사용되는 절연성 수지는 용융온도가 25 내지 120 ℃, 결정성이 1 내지 40%인 수지를 단독 또는 혼합하여 사용하는데, 주로 에틸렌 공중합 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 절연성 수지들 중에서 적절한 수지 및 적절한 혼합비율을 선택하여 용융온도가 30 내지 110℃이고, 결정성이 10 내지 30%인 고분자 조성물을 제조할 수 있다.
가교제는 화학가교를 위해 첨가되는 것으로 유기 과산화물계(Organic Peroxide) 가교제가 사용된다. 고분자의 결정이 30% 이하인 경우에는 유연성은 확보되는 반면에 강도가 저하되므로 가교를 통하여 일정수준의 강도를 확보할 수 있다. 유기 과산화물계 가교제의 함량은 기본수지 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부인 것이 바람직하다. 유기 과산화물계 가교제의 함량에 대한 상기 수치범위와 관련하여, 상기 하한치에 미달하면 충분한 가교가 되지 않아 기계적 물성이 낮아지고, 상기 상한치를 초과하면 가교시 열적 부산물의 과다로 절연 특성인 체적 저항과 기계적 특성인 신장율이 저하되는 문제를 발생시키게 된다.
이러한 유기 과산화물계 가교제로는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 디-(2,4-디클로로벤조일)-퍼옥사이드(Di-(2,4-dichlorobenzoyl)-peroxide), 디벤조일퍼옥사이드(Dibenzoyl peroxide), t-부틸퍼옥시벤조에이트(t-butyl peroxybenzoate), 1,1-디-(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-Di-(t-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane), 디큐밀퍼옥사이드(Dicumyl peroxide), 디-(2-t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠(Di-(2-t-butylperoxyisopropyl)benzene), t-부틸큐밀퍼옥사이드(t-butylcumylperoxide), 2,5-디메틸-2,5디(t-부틸퍼옥시)-헥산(2,5-Dimethyl-2,5di(t-butylperoxy)-hexane) 및 디-t-부틸퍼옥사이드(Di-t-butylperoxide) 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 전선은 중심 도체, 상기 중심 도체를 피복하는 절연층을 포함하는 코아부과 이 코아부을 피복하는 시스층을 구비하는 전력 케이블에 있어서, 상기 절연층은 본 발명의 전선용 절연 조성물로 형성된다.
도 1을 참조하면, 중심부의 각각 도체(1)를 본 발명의 전선용 절연 조성물로 형성된 절연층(2)이 각각 감싸고 있으며, 이러한 절연층(2)에 감싸여진 복수개의 도체를 열가소성 재료로 이루어진 베딩층(3)이 전체적으로 감싸고 있으며, 상기 베딩층(3)의 외부 표면을 구리 또는 주석이 도금된 구리 소재로 이루어진 편조층(4)이 감싸고 있다. 마지막으로 열가소성 재료를 이용하여 제조된 시스층(5)이 상기 편조층(4) 외부를 감싸고 있다. 그러나, 도 1의 전선에 있어서 베팅층(3)과 편조층(4)은 필요에 따라 선택가능하다.
본 발명의 전선용 절연 조성물을 사용하여 제조된 절연재료는 높은 기계적 강도와 유연성이 요구되는 전선의 제조시에 사용될 수 있다.
실시예
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.
본 발명의 전선용 절연 조성물의 성분에 따른 성능 변화를 살펴보기 위하여 하기 표 1에 나타낸 조성으로 실시예와 비교예의 절연 조성물을 제조하여 고분자재료 시편을 준비하였다. 표 1의 모든 단위는 중량부이다.
성분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3
수지a 20
수지b 60 30
수지c 80
수지d 80 20
수지e 100
수지f 40 20 100
수지g 70 80
가교제 3 3 3 3 3 3 3
결정성 15.6 % 13 % 14.6 % 21 % 27.1 % 33 % 32.8 %
용융온도(℃) 45, 105 35, 65 55, 105 75 45, 115 105 65, 115
비고 만족 만족 만족 만족 온도초과 결정성초과 모두초과
[표 1에 사용한 성분의 설명]
수지a : 용융온도 35℃, 결정성이 1%인 에틸렌 프로필렌 공중합체
수지b : 용융온도 45℃, 결정성이 4%인 에틸렌 부텐 공중합체
수지c : 용융온도 55℃, 결정성이 10%인 에틸렌 부텐 공중합체
수지d : 용융온도 65℃, 결정성이 16%인 에틸렌 옥텐 공중합체
수지e : 용융온도 75℃, 결정성이 21%인 에틸렌 옥텐 공중합체
수지f : 용융온도 105℃, 결정성이 33%인 에틸렌 부텐 공중합체
수지g : 용융온도 115℃, 결정성이 37%인 에틸렌 옥텐 공중합체
가교제: 디큐밀퍼옥사이드
물성 측정 및 평가
1. 경도
경도는 실시예 1-4 및 비교예 1-3의 시편을 두께 3 mm 로 제작한 후 ASTM D 2240 의 방법으로 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 본 발명의 경도는 Shore A를 기준으로 한다.
2. 인장강도
인장강도는 실시예 1-4 및 비교예 1-3의 시편을 폭 4mm, 길이 78mm 덤벨형으로 제작한 후 ASTM D 638의 방법으로 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
3. 신장율
신장율은 실시예 1-4 및 비교예 1-3의 시편을 폭 4mm, 길이 78mm 덤벨형으로 제작한 후 ASTM D 638의 방법으로 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
4. 모듈러스(탄성율)
모듈러스는 응력과 변형의 비를 나타내는 탄성계수를 의미하는 것으로, 실시예 1-4 및 비교예 1-3의 시편을 폭 4mm, 길이 78mm 덤벨형으로 제작한 후 ASTM D 638의 방법으로 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
5. HOT/SET 시험
HOT/SET 시험은 주어진 하중이 가해지는 고온에서 신장율을 통해 가교도를 확인하고, 영구 SET치에 의해 재료의 탄성의 정도를 확인하는 시험으로, IEC 60811-1-2에 준하여 실시예 1-4 및 비교예 1-3의 시편을 폭 4mm, 길이 78mm 덤벨형으로 제작한 후 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 시험 조건은 200℃, 20N/cm2의 하중을 가한 상태에서 15분가 방치한 후 늘어난 길이(HOT)를 측정하고 하중을 제거한 후 다시 5분간 방치하여 상온에서 건조한 후 수축된 길이(SET)를 측정하였다.
6. 상온 체적저항
체적저항은 전류에 대한 절연체 내부의 저항을 말하는 것으로, ASTM D257에 준하여 실시예 1-4 및 비교예 1-3의 시편을 실온에서 3시간 이상 방치한 후에 직류 500V를 전원으로 사용하여 1분간의 충전 후 상온 체적저항을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
요구되는 상온 체적저항 수치는 1015Ω 이상인데, 실시예 1-4는 이를 모두 만족하므로 전열체에 적합함을 알 수 있다.
시험항목 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3
경도(Shore A) 89.2 86.5 87.3 84.5 97.9 97.8 95.9
상온 인장강도 1.762 1.525 2.085 2.169 1.471 2.052 1.719
신장율 547.17 375.88 555.78 653.90 304.36 485.69 481.61
3% 모듈러스 3.253 3.273 2.734 1.862 7.624 5.733 5.576
HOT/SET (%) 0 / 0 0 / 0 0 / 0 10 / 5 5 / 5 45 / 0 15 / 0
상온체적저항
(Ω)		 4.12E+15 6.70E+15 3.27E+15 4.47E+15 3.97E+15 2.30E+16 1.42E+16
상기 실시예 1-4의 경우에, 상온에서의 경도, 저신장율에서의 모듈러스가 비교예 1-3의 수지 조성물에 비하여 낮게 나타났다.
이 결과 본 발명의 조성을 적용한 전선은 기존의 절연재료를 적용한 전선에 비하여 고강도이면서 유연한 전선을 제조할 수 있었다.
1 : 도체(conductor)) 2 : 절연층(insulation)
3 : 베딩층(bedding layer) 4 : 편조층(braid)
5 : 시스층(sheath)

Claims (7)

  1. 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체 및 에틸렌 프로필렌 공중합체 중에서 선택된 1종 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 수지 100 중량부에 대하여, 유기 과산화물계 가교제 1 내지 10 중량부를 포함하는 고분자 조성물로서,
    상기 고분자 조성물의 용융온도가 30 내지 110℃이고, 결정성이 10 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전선용 절연 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 과산화물계 가교제는 디-(2,4-디클로로벤조일)-퍼옥사이드(Di-(2,4-dichlorobenzoyl)-peroxide), 디벤조일퍼옥사이드(Dibenzoyl peroxide), t-부틸퍼옥시벤조에이트(t-butyl peroxybenzoate), 1,1-디-(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-Di-(t-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane), 디큐밀퍼옥사이드(Dicumyl peroxide), 디-(2-t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠(Di-(2-t-butylperoxyisopropyl)benzene), t-부틸큐밀퍼옥사이드(t-butylcumylperoxide), 2,5-디메틸-2,5디(t-부틸퍼옥시)-헥산(2,5-Dimethyl-2,5di(t-butylperoxy)-hexane) 및 디-t-부틸퍼옥사이드(Di-t-butylperoxide) 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전선용 절연 조성물.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전선용 절연 조성물은 상온에서 80 내지 90인 경도(Shore A)인 것을 특징으로 하는 전선용 절연 조성물.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전선용 절연 조성물의 신장율 3%에서의 모듈러스는 1.5 N/mm2 내지 5 N/mm2인 것을 특징으로 하는 전선용 절연 조성물.
  5. 중심 도체, 상기 중심 도체를 피복하는 절연층을 포함하는 코아부과 이 코아부를 피복하는 시스층을 구비하는 전력 케이블에 있어서,
    상기 절연층은 청구항 1의 조성물로 형성된 것을 특징으로 하는 전선.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 코아부는 절연층에 감싸여진 도체를 전체적으로 감싸는 베딩층을 구비하는 것을 특징으로 하는 전선.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 코아부의 표면에 편조층을 구비하는 것을 특징으로 하는 전선.
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