KR20180113269A - 내열성이 우수한 절연 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 옥내/외 배선용으로 사용될 수 있는 내열성이 우수한 절연 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 내열성, 절연성, 내수성, 포설성, 난연성, 내한성, 내유성 등의 특성이 모두 우수하고, 환경 친화적이며, 제조비용이 절감될 수 있고 재활용이 용이한 절연 케이블에 관한 것이다.

Description

내열성이 우수한 절연 케이블{Insulated cable having an excellent heat resistance}

본 발명은 옥내/외 배선용으로 사용될 수 있는 내열성이 우수한 절연 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 내열성, 절연성, 내수성, 포설성, 난연성, 내한성, 내유성 등의 특성이 모두 우수하고, 환경 친화적이며, 제조비용이 절감될 수 있고 재활용이 용이한 절연 케이블에 관한 것이다.

일반 전기 공작물 또는 전기기기의 배선, 옥내배선 등의 용도로 사용되고 있는 케이블은 이를 구성하는 절연체에 대하여 화재, 침수 등을 대비하여 우수한 내열성, 내수성, 절연성, 난연성, 내약품성, 내한성, 내유성 등의 특성이 요구된다.

종래 옥내배선용 등으로 사용되고 있는 내열성 절연 케이블은 폴리염화비닐 수지(PVC)로 절연한 케이블로서, 특히 상기 폴리염화비닐 수지(PVC)는 내열성, 난연성, 내약품성, 포설성 등이 우수한 반면, 상대적으로 케이블의 최고 허용 온도가 낮고, 인체에 유해할 뿐만 아니라 케이블의 폐기를 위한 연소시 유독가스를 발생하는 등 환경 문제를 유발하기 때문에 최근에는 이의 사용을 규제하고 있는 추세이다.

한편, 상기와 같은 문제점을 갖는 폴리염화비닐(PVC) 수지를 대체하기 위해 가교 폴리올레핀 수지(XLPO)가 개발되어 사용되고 있다.

다만, 상기 가교 폴리올레핀 수지(XLPO)는 상기 폴리염화비닐 수지(PVC)에 비해 고가이고, 상기 폴리염화비닐 수지(PVC)에 비해 난연성, 포설성 등이 불충분하며, 이로부터 형성되는 절연층을 갖는 케이블의 최고 허용 온도가 여전히 불충분하며, 특히 가교에 의한 제조비용의 상승과 재활용이 곤란한 문제가 있다.

따라서, 내열성, 절연성, 내수성, 포설성, 난연성, 내한성, 내유성 등의 특성이 모두 우수하고, 환경 친화적이며, 제조비용 절감될 수 있고 재활용이 용이한 옥내/외 배선용 절연 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 내열성, 절연성, 내수성, 포설성, 난연성, 내한성, 내유성 등의 특성이 모두 우수한 절연 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 환경 친화적이고 제조비용이 절감될 수 있으며 재활용이 용이한 절연 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

도체 및 상기 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 절연 케이블로서, 상기 절연층은 베이스 수지로서 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함하는 절연 조성물로부터 형성되고, 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편은 규격 KSC 3341에 따른 90℃에서의 가열변형율이 50% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

여기서, 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편은 규격 IEC 60227에 따른 80℃에서의 가열변형율이 80% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

또한, 상기 절연 조성물로부터 형성되고 두께가 0.2 내지 0.4 mm이며 크기가 50×50 mm인 절연 시편의 절연 파괴 강도가 100 내지 130 kV/mm인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

한편, 상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 최고 결정화 온도가 110 내지 125℃인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

여기서, 상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단독중합체나 프로필렌 공중합체 또는 이들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

또한, 상기 프로필렌 단독중합체와 상기 프로필렌 공중합체의 배합비가 80:20 내지 50:50인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

그리고, 상기 프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체와 에틸렌 단량체의 공중합체인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

나아가, 상기 에틸렌 단량체의 함량은 상기 프로필렌 공중합체를 구성하는 총 단량체의 몰 수를 기준으로 15 몰% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

또한, 상기 절연 조성물은 핵제, 절연유, 난연제, 가소제, 활제 및 산화방지제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

한편, 상기 도체의 탄성계수는 15,000 내지 21,000 MPa인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블을 제공한다.

본 발명에 따른 절연 케이블은 이의 절연층을 형성하는 베이스 수지로서 특정한 수지와 첨가제의 조합을 통해 내열성, 절연성, 내수성, 포설성, 난연성, 내한성, 내유성 등의 특성이 모두 우수한 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 절연 케이블은 이의 절연층에 비할로겐계 수지를 적용함으로써 환경 친화적이고 상기 수지의 비가교를 통해 제조비용이 절감될 수 있으며 재활용이 용이하다는 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 내열성이 우수한 절연 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명 되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공 되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 내열성이 우수한 절연 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내열성이 우수한 절연 케이블은 도체(10)와 이를 감싸는 절연층(20)을 포함할 수 있다. 상기 도체(10)는 구리, 알루미늄 등의 전도성 금속으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 구리로 이루어질 수 있다. 상기 도체(10)는 단선이거나, 복수, 예를 들어, 7개 또는 19개의 단선을 꼬아 합한 연선일 수 있고, 옥내배선 등의 용도로 사용되는 절연 케이블의 경우, 단선에 비해 유연성(flexibility) 측면에서 우수한 연선인 것이 바람직하다.

상기 도체(10)는 상기 절연 케이블의 정격전압에 따라 직경이 결정되고, 예를 들어, 정격전압 450/750 V의 옥내배선용 절연 케이블에 사용되는 도체(10)는 소선수 7의 연선의 경우 각 소선의 지름이 약 0.53 내지 1.35 ㎜일 수 있고, 단선 또는 연선의 공칭 단면적은 1.5 내지 300 ㎟, 특히 1.5 내지 4 ㎟일 수 있다.

본 발명에 따른 내열성이 우수한 절연 케이블은 전등용, 전열용 등의 옥내배선용으로 사용되는 경우 비노출 포설시 천장, 벽, 바닥 등의 특정 지점에서 천장 등의 내부로 인입된 후 상기 특정 지점과 일정 간격 이격된 지점에서 바깥으로 인출되는 방식으로 포설되는데, 여기서 천장, 벽, 바닥 등의 내부로 인입된 케이블은 이를 보호하고 이의 인출시까지 가이드하는 케이블관, 예를 들어 PVC 등의 소재로 이루어진 케이블관을 통해 이송된다.

상기 케이블관을 통해 이송되는 케이블은 이의 유연성(flexibility)이 너무 과도하거나, 혹은 이의 강성(stiffness)이 너무 과도한 경우 이송이 어려울 수 있고, 또한 상기 케이블관의 내벽 또는 함께 인입된 다른 케이블과의 마찰에 의해 이송이 어려울 수 있다. 특히, 상기 케이블이 건축물, 시설물의 천장, 벽, 바닥 등의 구조에 따른 굴곡된 영역에서 상기 케이블관을 통해 이송되는 경우에는 더욱더 이송이 어려울 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 내열성이 우수한 절연 케이블은 옥내배선용으로 사용되는 경우 우수한 포설성을 확보하기 위해 정밀하게 제어된 유연성(flexibility)과 강성(stiffness)의 균형이 요구되고, 상기 절연 케이블의 유연성과 강성은 상기 절연 케이블의 탄성력에 의해 결정된다.

여기서, 상기 절연 케이블의 탄성력은 상기 절연 케이블을 구성하는 도체(10)와 절연층(20)의 탄성계수에 의해 결정되고, 여기서 상기 케이블이 우수한 포설성을 보유하기 위해 상기 도체(10)의 탄성계수는 약 15,000 내지 21,000 MPa, 바람직하게는 17,000 내지 18,000 MPa일 수 있다.

상기 절연층(20)은 절연 조성물의 압출에 의해 형성될 수 있다. 상기 절연 조성물은 베이스 수지로서 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있다.

상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌과 에틸렌 또는 탄소수 4 내지 12의 α-올레핀, 예를 들어, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센 및 이들의 조합으로부터 선택되는 공단량체 등, 바람직하게는 에틸렌과의 공중합체를 포함할 수 있다. 프로필렌과 에틸렌을 공중합시키면 단단하면서 유연한 성질을 나타내기 때문이다. 여기서, 상기 프로필렌 단독중합체와 프로필렌 공중합체의 배합비는 예를 들어 80:20 내지 50:50일 수 있다.

상기 프로필렌 공중합체에 있어서, 공단량체의 함량은 바람직하게는 상기 프로필렌 공중합체를 구성하는 단량체 총 몰 수를 기준으로 15 몰% 이하, 바람직하게는 6 내지 7 몰%일 수 있다. 또한, 상기 프로필렌 공중합체는 프로필렌과 에틸렌 및/또는 α-올레핀이 규칙성 없이 중합된 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다. 그리고, 상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀을 추가로 포함할 수 있다.

상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 최고 결정화 온도가 110 내지 125℃인 것이 바람직하다. 상기 최고 결정화 온도가 110℃ 미만인 경우 IEC 국제 규격에서 요구하는 노화(aging) 시험조건(135 또는 150℃)에서 상기 폴리프로필렌 단독중합체 및/또는 공중합체가 용융되거나 케이블의 연속사용 온도인 110℃ 조건을 만족할 수 없으며, 상기 최고 결정화 온도가 125℃를 초과하는 경우 냉각 중 결정화 속도가 빨라져 상온에서의 인장 신율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 중량평균 분자량(Mw)이 200,000 내지 450,000인 것이 바람직하다. 상기 중량평균 분자량(Mw)이 200,000 미만인 경우 가열 전후의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 450,000 초과인 경우 높은 점도로 인하여 가공성이 저하될 수 있다. 나아가, 상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 분자량 분포(Mw/Mn)가 2 내지 8인 것이 바람직하다. 상기 분자량 분포(Mw/Mn)가 2 미만인 경우 높은 점도로 인하여 가공성이 저하될 수 있고, 8 초과인 경우 가열 전후의 기계적 물성이 저하될 수 있다.

한편, 상기 프로필렌 단독중합체 또는 공중합체는 예를 들어 용융지수가 0.01 내지 1000 dg/분(ASTM D-1238에 의해 측정됨), 융점(Tm)이 140 내지 175℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정됨), 용융엔탈피가 30 내지 85 J/g(DSC에 의해 측정됨), 실온에서의 굴곡탄성률이 30 내지 1400 MPa, 더욱 바람직하게는 60 내지 1000 MPa(ASTM D790-00에 따라 측정됨)일 수 있다.

특히, 상기 절연 조성물은 80℃에서의 가열변형율이 80% 이하이고, 바람직하게는 90℃에서의 가열변형율이 50% 이하일 수 있다. 여기서, 상기 가열변형율은 규격 IEC 60227 또는 KSC 3341에 따라 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편의 가열시 길이의 증가율로 정의될 수 있다. 상기 절연 조성물의 90℃에서의 가열변형율이 50% 초과인 경우 내열성이 불충분하여 상기 케이블의 연속사용 온도인 110℃ 조건을 만족할 수 없고, 연속 허용 전류를 향상시킬 수 없다.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 절연 케이블에 있어서, 절연층(20)의 베이스 수지인 비가교 폴리프로필렌 수지는 비가교 형태임에도 불구하고 자체적인 융점이 높아 종래 폴리염화비닐(PVC) 수지나 가교 폴리에틸렌(XLPE) 수지에 비해 내열성이 20% 이상 우수하여 연속 허용 전류가 7 내지 8% 이상 향상시킬 수 있고, 내전압 특성도 우수하여 누설전류, 섬락, 절연파괴에 대해 높은 안정성도 가지고 있다.

또한, 본 발명에 따른 절연 케이블은 상기 절연층(20)을 형성하는 상기 절연 조성물이 할로겐계 수지나 난연제를 포함하지 않아 연소시 인체 유해물질 배출이 거의 없고, 비가교 형태의 폴리프로필렌 수지가 적용되어 상기 절연 케이블 제조시 가교 공정을 생략할 수 있으므로 제조비용이 절감되는 동시에, 재활용이 가능하고 용이한 등 환경 친화적인 우수한 효과를 나타낸다.

상기 절연 조성물은 상기 베이스 수지 이외에 상기 베이스 수지의 경화를 촉진함으로써 케이블의 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라 상기 베이스 수지의 경화시 생성되는 결정의 크기를 작게 제한하여 상기 절연층(20)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고 상기 결정이 생성되는 결정화 사이트를 다수 개 형성시킴으로써 결정화도를 증가시켜 상기 절연층(20)의 내열성, 기계적 특성 등도 동시에 향상시키는 핵제(nucleating agent), 상기 절연층(20)의 유연성을 향상시키는 동시에 내열성, 기계적·전기적 특성을 유지시키는 절연유, 상기 절연층(20)의 난연성을 향상시키기 위한 난연제, 상기 절연층(20)의 압출성을 향상시키기 위한 가소제, 상기 케이블의 포설성을 향상시키기 위한 활제, 상기 절연층(20)의 열화를 억제하는 산화방지제 등을 추가로 포함할 수 있다.

[실시예]

1. 제조예

아래 표 1에 나타난 구성성분 및 이의 함량에 따라 절연 조성물을 제조하고, T-다이(die)가 부착된 30 mm 단축압출기(제조사 : Royle)를 이용하여 압출한 후, 가압로(hot press)에서 0.2 내지 0.4 mm 두께와 50×50 mm 크기의 정사각형 시편을 각각 제조했다. 아래 표 1에 기재된 함량의 단위는 중량부이다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2
수지 1	100
수지 2		100
수지 3			100
기타 첨가제	10	10	10

- 수지 1 : 비가교 폴리프로필렌 수지

- 수지 2 : 폴리염화비닐 수지

- 수지 3 : 가교 폴리에틸렌 수지

- 기타 첨가제 : 핵제, 절연유, 산화방지제 등

2. 물성 평가

1) 내전압 특성 평가

규격 IEC 60243에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편 7 내지 10개에 대해 절연 파괴 실험을 실시했다.

2) 상온 인장강도 및 신율 평가

규격 IEC 60227에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편의 인장강도를 측정했고, 규격 KSC 3341에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편의 신율을 측정했다.

3) 가열 후 인장강도 및 신율 평가

규격 IEC 60227에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편을 80℃ 오븐에서 168 시간 동안 열화시킨 후 인장강도 및 신율을 측정하여, 상온의 인장강도 및 신율 대비 잔율 및 질량손실을 계산했고, 규격 KSC 3341에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편을 135℃ 오븐에서 168 시간 동안 열화시킨 후 인장강도 및 신율을 측정하여, 상온의 인장강도 및 신율 대비 잔율을 계산했다.

4) 가열변형 평가

규격 IEC 60227에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편을 80℃ 오븐에서 가열시 길이의 증가율을 측정했고, 규격 KSC 3341에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편을 90℃ 오븐에서 가열시 길이의 증가율을 측정했다.

5) 내수성 평가

규격 KSC 3341에 준하여 실시예 및 비교예 각각의 절연 시편이 수분 흡습량을 측정했다.

상기 물성의 평가 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.

		단위	spec.		실시예 1	비교예 1	비교예 2
			IEC60227	KSC3341
상온	인장강도	Mpa	12.5 이상	9.0 이상	24.275	13.048	14.521
	신율	%	125 이상	125 이상	684.44	126.78	135.8
절연 파괴 강도		kV/mm	IEC 60243		100-130	30-50	65-90
Aging 80℃ 168h	인장강도	Mpa	12.5 이상	-	27.744	14.969	17.437
	인장잔율	%	±20	-	14.29	14.72	20.08
	신율	%	125 이상	-	591.62	134.02	145.53
	신장잔율	%	±20	-	-13.56	19.90	18.51
	질량손실	mg/㎠	2	-	-0.0644	-0.1	0
Aging 135℃ 168h	인장강도	Mpa	-	-	28.902	15.66	17.70
	인장잔율	%	-	±40	19.06	-	21.89
	신율	%	-	100	450.58	-	100.99
	신장잔율	%	-	±40	-34.17	-	-17.76
가열번형(90℃)		%	-	50	45	570	95
가열변형(80℃)		%	50	-	26	406	27
수분흡습량		mg/㎠	-	10	-0.009	-0.007	0.006

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편은 상온 인장강도, 내열성, 내수성 등이 모두 우수한 것으로 확인된 반면, 종래 폴리염화비닐(PVC) 수지를 포함하는 비교예 1의 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편과 종래 가교 폴리에틸렌(XLPE) 수지를 포함하는 비교예 2의 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편은 모두 내열성이 기준에 크게 미치지 못하는 것으로 확인되었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

10 : 도체 20 : 절연층

Claims (10)

1. 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 절연 케이블로서,
   상기 절연층은 베이스 수지로서 비가교 폴리프로필렌 수지를 포함하는 절연 조성물로부터 형성되고,
   상기 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편은 규격 KSC 3341에 따른 90℃에서의 가열변형율이 50% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절연 조성물로부터 형성된 절연 시편은 규격 IEC 60227에 따른 80℃에서의 가열변형율이 80% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 절연 조성물로부터 형성되고 두께가 0.2 내지 0.4 mm이며 크기가 50×50 mm인 절연 시편의 절연 파괴 강도가 100 내지 130 kV/mm인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 최고 결정화 온도가 110 내지 125℃인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 비가교 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단독중합체나 프로필렌 공중합체 또는 이들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
6. 제5항에 있어서,
   상기 프로필렌 단독중합체와 상기 프로필렌 공중합체의 배합비가 80:20 내지 50:50인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
7. 제6항에 있어서,
   상기 프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체와 에틸렌 단량체의 공중합체인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
8. 제7항에 있어서,
   상기 에틸렌 단량체의 함량은 상기 프로필렌 공중합체를 구성하는 총 단량체의 몰 수를 기준으로 15 몰% 이하인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 절연 조성물은 핵제, 절연유, 난연제, 가소제, 활제 및 산화방지제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도체의 탄성계수는 15,000 내지 21,000 MPa인 것을 특징으로 하는, 절연 케이블.
    
    
    

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