KR20120085606A - 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 포함하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물 - Google Patents

메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 포함하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스(sheath) 재료 조성물에 관한 것이다. 상기 시스 재료 조성물은 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지 80 내지 90 중량%와 에틸렌 공중합체 10 내지 20 중량%가 혼합된 혼합 수지를 기본수지로 사용하며, 상기 기본 수지 100 중량부에 대하여 난연제 60 내지 100 중량부 및 적인 난연보조제 2 내지 10 중량부를 포함한다. 본 발명에 따른 시스 재료 조성물로부터 형성된 시스는 인장 강도, 신장율, 인열 강도가 우수할 뿐만 아니라 고난연성의 특성을 갖는다.

Description

메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 포함하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물{Composition For Power Cable Sheath With High Strength Comprising Metallocene Linear Low Density Polyethylene Resin And High Performance Flame Retardant}
본 발명은 전력 케이블용 시스 재료 조성물에 관한 것이다.
현재 국내에서 사용되고 전력 케이블 중 한 형태는 도체를 중심으로 내부 반도전층, 절연층, 외부 반도전층, 금속 쉴드 및 시스층으로 이루어져 있다. 상기 전력 케이블의 난연성을 확보하기 위하여 종래에는 시스층의 표면에 난연 페이트를 도포하거나, 시스 재료로서 난연제의 투입성이 좋은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 또는 에틸렌 에틸아크릴레이트(EEA)와 같은 에틸렌 공중합체를 사용하는 방식을 적용하였다. 그러나, 상기의 방식에 의해 제조된 전력 케이블의 시스는 용융점이 낮아서 고온에서의 내열 특성을 만족하기 어려울 뿐만 아니라 전력 케이블용 시스에 요구되는 인장 강도 또는 인열 강도(tear test)의 기준치를 만족하지 못하는 단점이 있었다.
전력 케이블의 난연성을 확보하기 위한 또다른 방법으로서 폴리에틸렌에 산화마그네슘과 같은 무기난연제를 첨가한 시스 재료가 고안되었다. 그러나 시스 재료로 일반적으로 사용되는 폴리에틸렌은 밀도가 높은 고밀도 폴리에틸렌으로서 결정성이 높기 때문에 소량의 무기난연제가 첨가되어도 시스의 인장 강도, 인열 강도와 같은 기계적 물성이 크게 저하되는 문제점이 발생되었다.
본 발명의 기술적 과제는 기계적 물성이 우수할 뿐만 아니라 고난연성의 특성을 갖는 시스 재료 조성물을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물은 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌(Metallocene Linear Low Density Polyethylene : Metallocene LLDPE) 수지 80 내지 90 중량%와 에틸렌 공중합체 수지 10 내지 20 중량%가 혼합된 혼합 수지를 기본수지로 사용하며, 상기 기본 수지 100 중량부에 대하여 난연제 60 내지 100 중량부 및 적인 난연보조제 2 내지 10 중량부를 포함한다.
본 발명의 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물을 이용하여 제조한 시스는 인장 강도, 인열 강도 등의 기계적 물성뿐만 아니라 난연성도 우수하다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 시스를 이용하여 고강도 및 고난연성의 전력 케이블을 제조할 수 있다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명의 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물은 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌(Metallocene Linear Low Density Polyethylene : Metallocene LLDPE) 수지 80 내지 90 중량%와 에틸렌 공중합체 수지 10 내지 20 중량%가 혼합된 혼합 수지를 기본수지로 사용하며, 상기 기본 수지 100 중량부에 대하여 난연제 60 내지 100 중량부 및 적인 난연보조제 2 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 시스 재료 조성물에서는 일반적으로 사용되는 고밀도 폴리에틸렌을 사용하지 않고 분자 구조를 조절할 수 있는 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 사용한다. 그 결과 본 발명의 시스 재료 조성물에 의해 제조되는 시스는 인장 강도, 인열 강도와 같은 기계적 물성과 내열성이 뛰어나다. 이러한 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지의 분자량은 50,000 내지 100,000 g/mol이 바람직하다.
본 발명의 기본수지에 포함된 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지의 용융지수(MI)는 1 내지 2가 바람직하다. 상기 용융지수가 1 미만인 경우에는 조성물의 흐름성이 나빠져 가공성이 떨어지며, 용융지수가 2를 초과하는 경우에는 조성물의 흐름성은 좋아지지만 제조된 시스의 기계적 물성이 나빠진다.
또한 상기 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지의 밀도는 0.91 내지 0.92 g/cm3인 것이 바람직하다.
본 발명의 기본수지에 포함된 에틸렌 공중합체 수지로서 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 에틸아크릴레이트(EEA) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 상기 에틸렌 공중합체 수지의 용융지수(MI)는 1 내지 16이 바람직하다. 상기 용융지수가 1 미만인 경우에는 압출 흐름성이 나쁘고 난연제 등의 첨가제와의 혼합이 어려운 문제점이 있으며, 용융지수가 2를 초과하는 경우에는 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지와의 상용성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명에서는 난연제로서 수산화마그네슘이 사용되며, 바람직하게 상기의 난연제는 실란, 올레산(oleic acid), 지방산(fatty acid) 등과 같은 고분자 수지로 표면처리된 수산화마그네슘이 사용된다. 또한 상기의 난연제는 60 내지 100 중량부의 함량으로 사용되는 것이 바람직하다. 그 함량이 60 중량부 미만이면 시스의 난연 특성이 저하되며 그 함량이 100 중량부를 초과하면 시스의 기계적 물성이 저하되기 때문이다.
본 발명에서는 난연보조제로서, 2 내지 10 중량부의 적인이 사용된다. 상기의 난연보조제의 함량이 2 중량부 미만이면 시스의 고난연성의 효과를 얻기 어렵고 그 함량이 10 중량부를 초과하면 시스의 기계적 물성이 저하될 뿐만 아니라 외관도 거칠어지기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 기타 목적에 따라 상기 시스 재료 조성물에 1 내지 10 중량부의 첨가제가 더 포함될 수 있다. 상기 첨가제로서 활제, 산화방지제 등이 단독으로 사용되거나 이들이 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 활제는 제품 상태에서의 물성을 그대로 유지하고 가공성을 향상시킬 수 있는 특성을 가진 물질을 의미한다. 상기의 활제로서 파라핀 왁스와 같은 탄화수소계 활제, 스테아린산과 같은 지방산계 활제, 스테아린산 아미드와 같은 지방산 아미드계 활제, 세틸 알코올과 같은 알코올계 활제, 스테아린산 칼슘과 같은 금속염계 활제 등을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 산화방지제로서 힌더드 페놀(hindered phenol)계 산화방지제, 2차 아릴아민(secondary arylamine)계 산화방지제 등을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 시스 재료 조성물을 사용하여 제조한 시스는 고강도 및 고난연성의 전력 케이블의 제조시에 사용될 수 있다.
[실시예]
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 형태 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 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물의 성분에 따른 성능 변화를 살펴보기 위하여 아래 표 1에 나타낸 조성으로 실시예와 비교예의 시스 재료 조성물을 제조하였다. 표 1의 모든 단위는 중량부이다.
Figure pat00001
[표에 사용한 성분의 설명]
수지 a : 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(MI:1, 밀도:0.918 g/cm3, 분자량:88,000 g/mol)
수지 b : 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(MI:3, 밀도:0.922 g/cm3, 분자량:47,000 g/mol)
수지 c : 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(MI:0.8, 밀도:0.916 g/cm3, 분자량:110,000 g/mol)
수지 d : 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(MI:1, 밀도:0.92 g/cm3, 분자량:80,000 g/mol)
수지 e : 에틸렌 공중합체 수지(MI: 4)
난연보조제 : 적인
산화방지제: 힌더드(hindered) 페놀계
활제 : 스테아린산 칼슘
물성 측정 및 평가
상기 실시예(1~4) 및 비교예(1~6)에 따르는 시스 재료 조성물을 이용하여 시스를 제조하였고, 상기 시스를 구비하는 전력 케이블을 통상의 방법에 의해 제조하였다. 제조된 전력 케이블의 시스층을 슬라이스(slicing)하여 얻은 실시예와 비교예의 각각의 시편에 대하여 기계적 물성(인장 강도, 신장율, 인열 강도), 난연 특성(산소 지수 및 난연성)을 시험한 결과를 아래 표 2에 정리하였다. 간략한 실험 조건은 다음과 같다.
㉠ 인장 강도
시편의 기계적 특성 시험(IEC60811-1-1의 9항)에 의해 상온에서의 인장 강도를 측정하였다. 상온에서의 인장 강도는 1.275 kgf/cm2 이상이어야 한다.
㉡ 신장율
시편의 기계적 특성 시험(IEC60811-1-1의 9항)에 의해 상온에서의 신장율을 측정하였다. 상온에서의 신장율은 300 % 이상이어야 한다.
㉢ 인열 강도(tear test)
시편의 인열 강도는 ASTM D624의 시험에 의해 측정하였다. 인열 강도는 9 N/mm2 이상이어야 한다.
㉣ 산소 지수
시편의 산소 지수는 ASTM D2863의 시험에 의해 측정하였다. 양호한 난연 특성을 위해서는 산소 지수가 30%이상이 되어야 한다.
㉤ 난연성
시편의 난연성 시험(IEC60332-1)에 의해 난연성을 측정하였다. 난연성 측정 방법은 다음과 같다. 시편에 45도 각도로 불꽃을 60초 동안 인가한 후 불꽃을 제거하여 총 연소한 길이가 불꽃 인가 지점으로부터 상부 425 mm 이하, 하부 65 mm 이하여야 한다.
Figure pat00002
표 2에 정리한 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 시편은 기계적 물성(인장 강도, 신장율, 인열 강도), 산소 지수에서 모두 기준치를 만족하였고, 난연성 시험에서 모두 합격하였다.
비교예 1의 시편은 기계적 물성(인장 강도, 신장율, 인열 강도)에서 모두 기준치를 만족하였으나 산소 지수 및 난연성 시험에서 불합격하였다. 이러한 결과가 발생된 것은 시스 재료 조성물에 40 중량부의 난연제를 포함하여 난연제 함량이 부족하였기 때문이다.
비교예 2의 시편은 산소 지수에서 기준치를 만족하고 난연성 시험에서 합격하였으나, 기계적 물성(인장 강도, 신장율, 인열 강도)의 기준치를 만족하지 못하였다. 이러한 결과가 발생된 것은 120 중량부의 과다한 난연제를 사용하여 난연제와 기본수지 간의 분산성이 좋지 못하였기 때문이다.
비교예 3의 시편은 기계적 물성(인장 강도, 신장율, 인열 강도) 및 산소 지수에서 모두 기준치를 만족하였으나, 난연성 시험에서 불합격하였다. 이러한 결과가 발생된 것은 시스 재료 조성물에 1 중량부의 난연보조제를 포함하여 난연보조제 함량이 부족하였기 때문이다.
비교예 4의 시편은 산소 지수에서 기준치를 만족하고 난연성 시험에서 합격하였으나, 기계적 물성(인장 강도, 신장율, 인열 강도)의 기준치를 만족하지 못하였다. 이러한 결과가 발생된 것은 용융지수가 높고(MI:3) 분자량이 낮은 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 사용하였기 때문이다.
비교예 5의 시편은 인장 강도, 신장율, 산소 지수 및 난연성에서 모두 기준치를 만족하였으나, 인열 강도에서 기준치를 만족하지 못하였다. 이러한 결과가 발생된 것은 용융지수가 낮고(MI:0.8) 분자량이 높은 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 사용함에 따라 시스 재료 조성물의 흐름성이 낮아져 난연제의 분산성이 나빠졌기 때문이다.
비교예 6의 시편은 신장율, 산소 지수의 기준치를 만족하고 난연성 시험에서 합격하였으나, 인장 강도 및 인열 강도에서 기준치를 만족하지 못하였다. 이러한 결과는 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 사용하지 않고, 당업계에서 일반적으로 사용되는 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(강도, 신율 등의 기계적 물성이 낮음)를 사용하였기 때문이다.
이와 같은 결과로부터 본 발명의 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물에 의해 제조된 시스 및 이를 구비하는 전력 케이블은 기계적 물성, 난연 특성의 기준치를 모두 만족하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 얻을 수 있었던 것은 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를를 포함하는 기본수지를 사용하고, 적절한 조성비의 기본수지, 난연제, 난연보조제를 포함하는 시스 재료 조성물을 사용하였기 때문이다.
위와 같이 본 발명의 최적 실시예들을 개시하였다. 본 실시예를 포함하는 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아님을 밝혀 둔다.

Claims (8)

  1. 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지 80 내지 90 중량%와 에틸렌 공중합체 수지 10 내지 20 중량%가 혼합된 혼합 수지를 기본수지로 사용하며,
    상기 기본 수지 100 중량부에 대하여,
    난연제 60 내지 100 중량부; 및
    적인 난연보조제 2 내지 10 중량부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탈로센 촉매 하에서 중합된 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지는 용융지수(MI)가 1 내지 2인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌 공중합체 수지는 용융지수(MI)가 1 내지 16인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 난연제는 산화마그네슘 또는 표면처리된 산화마그네슘인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 첨가제로서 활제 또는 산화방지제를 1 내지 10 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 활제는 탄화수소계, 지방산계, 지방산 아미드계, 알코올계 및 금속염계 활제로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 산화방지제는 힌더드(hindered) 페놀계 및 2차 아릴아민계로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물로 형성된 시스층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
KR1020110007046A 2011-01-24 2011-01-24 메탈로센 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 포함하는 고강도 및 고난연성 전력 케이블용 시스 재료 조성물 KR20120085606A (ko)

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KR20140094097A (ko) * 2013-01-21 2014-07-30 엘에스전선 주식회사 전력 케이블
KR20140102408A (ko) * 2013-02-14 2014-08-22 엘에스전선 주식회사 전력 케이블
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KR20190086627A (ko) * 2019-06-19 2019-07-23 엘에스전선 주식회사 전력 케이블
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