KR20190003079A - 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블 - Google Patents

반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 친환경적이고, 내열성, 기계적 강도 등이 우수하고 이와 상충관계(trade-off)에 있는 압출성이 우수한 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블{Semiconductive composition and power cable having a semiconductive layer formed from the same}
본 발명은 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 친환경적이고, 내열성, 기계적 강도 등이 우수하고 이와 상충관계(trade-off)에 있는 압출성이 우수한 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.
일반적인 전력케이블은 도체와 이를 감싸는 절연층을 포함하고, 상기 도체와 절연층 사이에 내부 반도전층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층 등을 추가로 포함할 수 있다.
종래 반도전층을 형성하는 반도전성 조성물은 베이스 수지로서 폴리에틸렌, 에틸렌/프로필렌 탄성 공중합체(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 공중합체(EPDM) 등의 폴리올레핀계 고분자를 가교시킨 것이 일반적으로 사용되어 왔다. 이러한 종래의 가교 수지는 심지어 고온하에서도 우수한 유연성 및 만족스런 전기적·기계적 강도 등을 유지하기 때문이다.
그러나, 반도전성 조성물을 구성하는 베이스 수지로 사용되어 온 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등은 가교 형태이기 때문에 상기 가교 폴리에틸렌 등의 수지로 제조된 반도전층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 반도전층을 구성하는 수지의 재활용이 불가능하고 소각에 의해 폐기할 수밖에 없어 환경 친화적이지 않다.
또한, 쉬스층의 재료로서 폴리비닐클로라이드(PVC)를 사용하는 경우 이를 상기 반도전층을 구성하는 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등으로부터 분리하는 것이 곤란하여, 소각시 유독성 염소화 물질이 생성되는 등 환경 친화적이지 않은 단점이 있다.
한편, 비가교 형태의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 이로부터 제조된 반도전층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 반도전층을 구성하는 수지의 재활용이 가능한 등 환경 친화적이나, 가교 형태의 폴리에틸렌(XLPE)에 비해 내열성이 열등하여 낮은 운전온도로 인해 그 용도가 매우 제한적인 단점이 있다.
따라서, 고분자 자체의 융점(Tm)이 160℃ 이상으로 가교하지 않고도 내열성이 우수하여 환경 친화적인 폴리프로필렌 수지를 베이스 수지로 사용하는 것을 고려해 볼 수 있다. 다만, 상기 폴리프로필렌 수지는 이의 높은 융점 및 낮은 용융지수(melting index; MI)에 의해 압출성이 크게 저하될 수 있다.
나아가, 상기 반도전성 조성물은 반도전 특성을 구현하기 위해 베이스 수지 내에 카본 블랙 등의 전도성 첨가제를 혼합하는데 이러한 전도성 첨가제에 의해 압출성이 크게 저하될 수 있다.
따라서, 친환경적이고, 내열성, 기계적 강도 등이 우수하고 이와 상충관계(trade-off)에 있는 압출성이 우수한 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 친환경적인 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내열성, 기계적 강도 등이 우수하고 이와 상충관계에 있는 압출성이 동시에 향상될 수 있는 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
베이스 수지로서 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지를 포함하는 비가교 열가소성 수지 및 도전성 첨가제를 포함하고, 상기 헤테로상 수지는 융점(Tm)이 155 내지 170℃이고 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)이 0.1 내지 1.0 g/10분인 헤테로상 수지(A1) 및 융점이 140 내지 150℃이고 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)이 3 내지 10 g/10분인 헤테로상 수지(A2)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 헤테로상 수지(A1)는 폴리프로필렌 매트릭스로서 프로필렌 단독중합체를 포함하고 상기 헤테로상 수지(A2)는 상기 폴리프로필렌 매트릭스로서 랜덤 프로필렌 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
또한, 상기 헤테로상 수지(A1)와 상기 헤테로상 수지(A2)의 중량비는 50:50 내지 80:20인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체는 용융엔탈피가 10 J/g 미만인 잔류 결정도를 갖는 무정형인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체는 에틸렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐 및 1-옥텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
또한, 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체는 이의 총 중량을 기준으로 20 내지 50 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체의 함량은 상기 헤테로상 수지의 총 중량을 기준으로 60 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
나아가, 상기 도전성 첨가제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 30 내지 70 중량부인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
또한, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 산화방지제 0.2 내지 3.0 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물을 제공한다.
한편, 도체; 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층; 및 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층을 포함하는 전력 케이블로서, 상기 내부 반도전층은 상기 반도전성 조성물로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 반도전성 조성물은 베이스 수지로서 비가교 프로필렌 중합체를 채택함으로써 환경 친화적인 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 반도전성 조성물은 베이스 수지로서 2종 이상의 특정한 헤테로상 수지를 포함함으로써 내열성, 기계적 강도 등이 우수하고 이와 상충관계에 있는 압출성이 동시에 향상되는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 케이블의 계단식 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 전력 케이블의 반도전층을 형성할 수 있는 반도전성 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도전성 조성물은 베이스 수지로서 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지(A)를 포함하는 비가교 열가소성 수지를 포함하는 반도전성 조성물로부터 형성될 수 있다.
여기서, 상기 폴리프로필렌 매트릭스는 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체, 바람직하게는 프로필렌 단독중합체를 포함하는 매트릭스, 더욱 바람직하게는 프로필렌 단독중합체만을 포함하는 매트릭스일 수 있다. 상기 프로필렌 단독중합체는 단량체 총 중량을 기준으로 99 중량% 이상, 바람직하게는 99.5 중량% 이상의 프로필렌의 중합에 의해 형성되는 폴리프로필렌을 의미한다.
상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체(이하, '분산된 프로필렌 공중합체'라 한다)는 실질적으로 무정형이다. 여기서, 프로필렌 공중합체가 무정형이라 함은 용융엔탈피가 10 J/g 미만인 잔류 결정도를 갖는 것을 의미한다. 상기 분산된 프로필렌 공중합체는 에틸렌 및 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐 등의 C4-8 알파-올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체를 포함할 수 있다.
상기 분산된 프로필렌 공중합체는 상기 헤테로상 수지(A)의 총 중량을 기준으로 60 내지 90 중량%, 바람직하게는 65 내지 80 중량%일 수 있다. 여기서, 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 함량이 60 중량% 미만인 경우 형성되는 내부 반도전층(20)의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성 등이 불충분할 수 있는 반면, 90 중량%를 초과하는 경우 형성되는 반도전층의 내열성, 기계적 강도 등이 불충분할 수 있다.
상기 분산된 프로필렌 공중합체는 단량체 총 중량을 기준으로 20 내지 50 중량%, 바람직하게는 30 내지 40 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 프로필렌-에틸렌 고무(PER) 또는 프로필렌-에틸렌 디엔 고무(EPDM)일 수 있다. 상기 에틸렌 단량체의 함량이 20 중량% 미만인 경우 형성되는 반도전층의 유연성, 굴곡성, 내충격성은 우수하나 내한성 등이 불충분할 수 있는 반면, 50 중량%를 초과하는 경우 반도전층의 내한성, 내열성과 기계적 강도는 우수하나 유연성 등은 저하될 수 있다.
상기 분산된 프로필렌 공중합체의 입자 크기는 1 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.9 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.8 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 이러한 입자 크기는 상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에서의 상기 분산된 프로필렌 공중합체의 균일한 분산을 담보하고, 이를 포함하는 반도전층의 충격 강도를 개선시킬 수 있다. 또한, 상기 입자 크기는 상기 입자에 의해 개시되는 균열의 위험 요인을 감소시키면서 이미 형성된 균열 또는 크랙을 중단시킬 가능성을 향상시킨다.
상기 헤테로상 수지(A)는 비가교 폴리프로필렌을 포함하므로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에, 내열성이 우수한 폴리프로필렌 매트릭스에 의해 형성되는 반도전층의 내열성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 헤테로상 수지(A)는 2종 이상의 헤테로상 수지의 블렌딩 수지를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 2종 이상의 헤테로상 수지는 융점(Tm)이 155 내지 170℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정)이고 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)이 0.1 내지 1.0 g/10분, 바람직하게는 0.1 내지 0.8 g/10분인 헤테로상 수지(A1) 및 융점이 140 내지 150℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정)이고 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)은 3 내지 10 g/10분인 헤테로상 수지(A2)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 헤테로상 수지(A1)는, 바람직하게는, 파단시 인장응력이 10 MPa 이상, 파단시 인장변형율이 490 % 이상, 굴곡강도가 95 내지 105 MPa, -40℃에서 측정한 노치 아이조드(notched izod) 충격 강도가 68 내지 72 kJ/㎡, 열변형온도가 38 내지 42℃(0.45 MPa로 측정), Vicat 연화점이 55 내지 59℃(A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 쇼어 D 경도가 25 내지 31(ISO 868에 따라 측정됨), 용융엔탈피가 25 내지 40 J/g(DSC에 의해 측정됨)일 수 있다.
그리고, 상기 헤테로상 수지(A1)의 밀도는 ISO 11883에 따라 측정하는 경우 0.86 내지 0.90 g/㎤, 바람직하게는 0.88 g/㎤일 수 있고, 상기 밀도는 내부 반도전층(20)의 특성, 예를 들어, 충격 강도 및 수축 특성에 영향을 미친다.
구체적으로, 상기 헤테로상 수지(A1)는 상기 폴리프로필렌 매트릭스로서 프로필렌 단독중합체를 포함하고 상기 헤테로상 수지(A2)는 상기 폴리프로필렌 매트릭스로서 랜덤 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 랜덤 프로필렌 공중합체만을 포함할 수 있으며, 상기 헤테로상 수지(A1)와 상기 헤테로상 수지(A2)의 중량비는 50:50 내지 80:20일 수 있다.
여기서, 상기 헤테로상 수지(A1)의 함량이 50 중량부 미만이고 상기 헤테로상 수지(A2)의 함량이 50 중량부 초과인 경우, 상기 내부 반도전층(20)의 내열성 및 신장율이 크게 저하될 수 있는 반면, 상기 헤테로상 수지(A1)의 함량이 80 중량부 초과이고 상기 헤테로상 수지(A2)의 함량이 20 중량부 미만인 경우, 상기 내부 반도전층(20)을 형성하는 조성물의 점도 상승으로 압출시 스크류 부하가 상승하여 작업성이 크게 저하될 수 있다.
상기 반도전성 조성물은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 카본 블랙 등의 도전성 첨가제 30 내지 70 중량부 및 산화방지제 0.2 내지 3.0 중량부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 카본 블랙 등의 도전성 첨가제의 함량이 30 중량부 미만인 경우 형성되는 반도전층의 저항이 급증하여 반도전 특성이 구현되지 않을 수 있는 반면, 70 중량부 초과인 경우 반도전층을 형성하는 조성물의 점도 상승으로 압출시 스크류 부하가 상승하여 작업성이 크게 저하될 수 있다.
그리고, 상기 산화방지제의 함량이 0.2 중량부 미만인 경우 형성되는 반도전층이 고온 환경에서의 장기내열성 확보가 어려울 수 있는 반면, 3 중량부 초과인 경우 상기 산화방지제가 반도전층 표면으로 하얗게 용출되는 블루밍(blooming) 현상이 발생하여 반도전 특성이 저하될 수 있다.
본 발명은 앞서 기술한 반도전성 조성물로부터 형성된 반도전층, 특히 내부 반도전층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이고, 도 1 및 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 하나의 실시예에 관한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블은 구리, 알루미늄 등의 전도성 물질로 이루어진 도체(10)와 절연성 고분자 등으로 이루어진 절연층(30), 상기 도체(10)를 감싸고 상기 도체(10)와 상기 절연층(30) 사이의 공기층을 없애주며 국부적인 전계집중을 완화시켜 주는 등의 역할을 수행하고 앞서 기술한 본 발명에 따른 반도전성 조성물로부터 형성된 내부 반도전층(20), 케이블의 차폐역할 및 절연층(30)에 균등한 전계가 걸리도록 하는 역할을 수행하는 외부 반도전층(40), 케이블 보호를 위한 시스층(50) 등을 포함할 수 있다.
상기 도체(10), 절연층(30), 반도전층(20,40), 쉬스층(50) 등의 규격은 케이블의 용도, 송전압 등에 따라 다양할 수 있다.
상기 도체(10)는 전력 케이블의 내한성, 유연성, 굴곡성, 포설성, 작업성 등을 향상시키는 측면에서 복수개의 소선이 연합된 연선으로 이루어질 수 있고, 특히 복수개의 소선이 상기 도체(10)의 원주방향으로 배열됨으로써 형성된 복수개의 도체층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층(30)은 앞서 기술한 내부 반도전층(20)에 포함되는 베이스 수지로서 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지(A1)와 폴리프로필렌 수지(B)가 블렌딩(blending)된 비가교 열가소성 수지를 베이스 수지로 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리프로필렌 수지(B)는 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체, 바람직하게는 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있다. 상기 프로필렌 단독중합체는 단량체 총 중량을 기준으로 99 중량% 이상, 바람직하게는 99.5 중량% 이상의 프로필렌의 중합에 의해 형성되는 폴리프로필렌을 의미한다.
상기 프로필렌 공중합체는 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.
상기 프로필렌 공중합체는 랜덤 프로필렌 공중합체 및/또는 블록 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 랜덤 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 랜덤 프로필렌 공중합체만을 포함할 수 있다. 상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체와 다른 올레핀 단량체가 임의로 교호 배열되어 이루어진 프로필렌 공중합체를 의미한다. 상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 전체 단량체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 4 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 랜덤 프로필렌 공중합체가 바람직하다.
상기 랜덤 프로필렌 공중합체는, 바람직하게는, 밀도가 0.87 내지 0.92 g/㎤(ISO 11883에 따라 측정), 용융 유속(MFR)이 1.7 내지 1.9 g/10분(ISO 1133에 따라 230℃에서 2.16kg의 하중하에 측정), 인장탄성율이 930 내지 980 MPa(1mm/분의 인장속도로 측정), 인장응력이 22 내지 27 MPa(50mm/분의 인장속도로 측정), 인장변형율이 13 내지 15%(50mm/분의 인장속도로 측정), 0℃ 및 23℃에서의 샤르피 충격강도가 각각 1.8 내지 2.1 kJ/㎡ 및 5.5 내지 6.5 kJ/㎡, 열변형온도가 68 내지 72℃(0.45 MPa에서 측정), Vicat 연화점이 131 내지 136℃(규격 A50에 따라 50℃/h 및 10N에서 측정), 쇼어 D 경도가 63 내지 70(ISO 868에 따라 측정됨)일 수 있다.
상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 형성되는 절연층(30)의 인장 강도 등 기계적 강도를 향상시킬 수 있고, 투명도가 높아 투명한 성형품용으로 적합하며, 결정화 온도(Tc)가 상대적으로 높아 케이블 제조를 위한 상기 절연층(30)의 압출 후 냉각시 소요되는 시간을 단축함으로써 케이블의 제조 수율을 향상시키는 동시에 상기 절연층(30)의 수축율 및 가열변형성을 최소화할 수 있으며, 상대적으로 낮은 단가에 의해 케이블 제조 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(B)는 중량평균 분자량(Mw)이 200,000 내지 450,000일 수 있다. 나아가, 상기 폴리프로필렌 수지(B)는 용융점(Tm)이 140 내지 175℃(시차주사열량계(DSC)에 의해 측정됨), 용융엔탈피가 50 내지 100 J/g(DSC에 의해 측정됨), 실온에서의 굴곡강도가 30 내지 1,000 MPa, 바람직하게는 60 내지 1,000 MPa(ASTM D790에 따라 측정됨)일 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(B)는 통상적인 입체-특이 지글러-나타 촉매, 메탈로센 촉매, 구속 기하 촉매, 다른 유기금속 또는 배위 촉매하에서 중합될 수 있고, 바람직하게는 지글러-나타 촉매 또는 메탈로센 촉매하에서 중합될 수 있다. 여기서, 상기 메탈로센은 사이클로펜타디엔과 전이금속이 샌드위치 구조로 결합한 새로운 유기금속화합물인 비스(사이클로펜타이덴일)금속의 총칭으로, 가장 간단한 구조의 일반식은 M(C5H5)2(여기서, M은 Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Zr, Hf 등)이다. 상기 메탈로센 촉매하에서 중합된 폴리프로필렌은 촉매 잔량이 약 200 내지 700 ppm으로 낮기 때문에, 상기 촉매 잔량에 의해 상기 폴리프로필렌을 포함하는 절연 조성물의 전기적 특성이 저하되는 것을 억제하거나 최소화할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지(B)는 비가교 형태임에도 불구하고 자체적인 용융점이 높아 충분한 내열성을 발휘함으로써 연속 사용 온도가 향상된 전력 케이블을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 비가교 형태이므로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 우수한 효과를 나타낸다. 반면, 종래의 가교 형태의 수지는 재활용이 어려워 친환경이지 않을 뿐만 아니라, 절연층(30) 형성시 가교 결합 또는 스코치(scorch)가 조기에 발생하면 균일한 생산 능력을 발휘할 수 없는 등 장기 압출성 저하를 야기할 수 있다.
상기 헤테로상 수지(A1)는 비가교 폴리프로필렌을 포함하므로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에, 내열성이 우수한 폴리프로필렌 매트릭스에 의해 형성되는 절연층(30)의 내열성을 향상시킬 수 있고, 상기 폴리프로필렌 수지(B)의 강성(rigidity)에 의해 저하된 절연층(30)의 내한성, 유연성, 굴곡성, 내충격성, 포설성, 작업성 등을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리프로필렌 수지(B)와 상기 헤테로상 수지(A1)의 중량비(B:A1)는 3:7 내지 6:4, 바람직하게는 5:5일 수 있다. 상기 중량비가 3:7 미만인 경우 형성되는 절연층(30)의 인장 강도 등의 기계적 강도가 불충분할 수 있고, 6:4 초과인 경우 절연층(30)의 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성 등이 불충분할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 절연층(30)에 포함되는 비가교 열가소성 수지는 우수한 내열성, 기계적 강도 등을 나타내는 상기 폴리프로필렌 수지(B)와 우수한 내열성, 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 나타내는 상기 헤테로상 수지(A1)의 조합 및 이들의 상용성에 의해 상충관계에 있는 상기 특성들, 즉 내열성 및 기계적 강도과 유연성, 굴곡성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성 등을 동시에 달성할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
여기서, 상기 비가교 열가소성 수지는 용융점(Tm)이 150 내지 160℃(시차주사열량계(DSC)로 측정)이며, 용융엔탈피가 30 내지 80 J/g(시차주사열량계(DSC)로 측정)일 수 있다.
상기 비가교 열가소성 수지의 용융엔탈피가 30 J/g 미만인 경우 결정의 크기가 작고 결정화도가 낮음을 의미하고 케이블의 내열성, 기계적 강도 등이 저하되는 반면, 80 J/g을 초과하는 경우 결정의 크기가 크고 결정화도가 높음을 의미하고 상기 절연층(30)의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층(30)은 상기 비가교 열가소성 수지 이외에 핵제(nucleating agent)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 핵제는 솔비톨(sorbitol)계 핵제일 수 있다. 즉, 상기 핵제는 솔비톨계 핵제로서 예를 들어 1,3:2,4-비스(3,4-디메틸디벤질리딘) 솔비톨(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene) Sorbitol), 비스(p-메틸디벤질리딘) 솔비톨(Bis(p-methyldibenzulidene) Sorbitol), 치환된 디벤질리딘 솔비톨(Substituted Dibenzylidene Sorbitol), 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 핵제는 케이블의 압출 공정에서 급냉하지 않아도 상기 비가교 열가소성 수지의 경화를 촉진함으로써 케이블의 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 비가교 열가소성 수지의 경화시 생성되는 결정의 크기를 작게, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛로 제한함으로써, 제조되는 절연층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 나아가 상기 결정이 생성되는 결정화 사이트를 다수 개 형성시킴으로써 결정화도를 증가시켜 상기 절연층의 내열성, 기계적 강도 등도 동시에 향상시키는 우수한 효과를 발휘한다.
상기 핵제는 용융 온도가 높기 때문에 약 230℃의 높은 온도에서 사출 및 압출 가공을 해야 하며, 2 이상의 솔비톨계 핵제를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 2 이상의 서로 다른 솔비톨계 핵제를 조합하여 사용하는 경우 낮은 온도에서도 핵제의 발현성이 높아질 수 있다.
상기 핵제는 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 핵제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우 큰 결정 크기, 예를 들어, 10 ㎛를 초과하는 결정 크기 및 불균일한 결정 분포로 인해 상기 비가교 열가소성 수지 및 이를 포함하는 절연층의 내열성, 전기적·기계적 강도가 저하될 수 있는 반면, 상기 핵제의 함량이 0.5 중량부를 초과하는 경우 너무 작은 결정 크기, 예를 들어, 1 ㎛ 미만의 결정 크기로 인해 상기 결정과 상기 수지의 무정형 부분 사이의 표면 계면 면적의 증가로 상기 비가교 열가소성 수지 및 이를 포함하는 절연층의 교류절연파괴(AC dielectric breakdown; ACBD) 특성, 임펄스 (impulse) 특성 등이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층(30)은 절연유를 추가로 포함할 수 있다.
상기 절연유는 광유, 합성유 등을 사용할 수 있다. 특히, 상기 절연유는 디벤질톨루엔, 알킬벤젠, 알킬디페닐에탄 같은 방향족 탄화수소 화합물로 이루어진 방향족계 오일, 파라핀계 탄화수소 화합물로 이루어진 파라핀계 오일, 나프텐계 탄화수소 화합물로 이루어진 나프텐계 오일, 실리콘유 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 절연유의 함량은 상기 비가교 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 7.5 중량부일 수 있고, 상기 절연유의 함량이 10 중량부 초과인 경우 도체(10) 상에 절연층(30)을 형성하는 압출 과정에서 상기 절연유가 용출되는 현상이 발생하여 케이블의 가공이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 절연유는 앞서 기술한 바와 같이 강성(rigidity)이 커서 유연성(flexibility)이 다소 낮은 폴리프로필렌 수지를 기재 수지로 하는 절연층(30)의 유연성, 굴곡성 등을 추가로 개선함으로써 케이블의 포설 작업을 용이하게 하는 동시에, 상기 폴리프로필렌 수지가 본질적으로 가지는 우수한 내열성, 기계적·전기적 특성을 유지 또는 개선시키는 탁월한 효과를 나타낸다. 특히, 상기 절연유는 상기 폴리프로필렌 수지가 메탈로센 촉매하에서 중합되는 경우 다소 좁은 분자량 분포에 의해 다소 저하된 가공성을 보충하는 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층(30)은 산화방지제, 충격 보조제, 열 안정제, 조핵제, 산 스캐빈저(acid scavengers) 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 기타 첨가제는 이의 유형에 따라 상기 절연층(30)의 총 중량을 기준으로 0.001 내지 10 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 외부 반도전층(40)은 베이스 수지로서 상기 헤테로상 수지(A1)와 에틸렌 공중합체의 블렌딩 수지를 포함하는 비가교 열가소성 수지를 포함하는 반도전성 조성물로부터 형성될 수 있고, 상기 에틸렌 공중합체는 예를 들어 에틸렌부틸아크릴레이트(EBA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌메틸아크릴레이트(EMA) 등 또는 이들의 배합물을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 헤테로상 수지(A1)의 함량이 10 내지 40 중량부이고 상기 에틸렌 공중합체의 함량이 60 내지 90 중량부일 수 있으며, 카본블랙 30 내지 70 중량부, 산화방지제 0.2 내지 3 중량부 등을 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 헤테로상 수지(A1)의 함량이 10 중량부 미만이고 상기 에틸렌 공중합체의 함량이 90 중량부 초과인 경우, 상기 전력 케이블이 고온 환경에서의 내열성 확보가 어려울 수 있고 상기 절연층(30)에 대한 상기 외부 반도전층(40)의 밀착성이 크게 저하될 수 있는 반면, 상기 헤테로상 수지(A1)의 함량이 40 중량부 초과이고 상기 에틸렌 공중합체의 함량이 60 중량부 미만인 경우, 상기 절연층(30)에 대한 상기 외부 반도전층(40)의 박리용이성이 크게 저하되어 케이블 포설시 케이블 접속공정에서 상기 절연층(30)으로부터 상기 외부 반도전층(40)을 부분적으로 박리하는 것이 곤란하거나 장시간 소요되는 문제가 유발될 수 있다.
또한, 상기 카본블랙의 함량이 30 중량부 미만인 경우 상기 외부 반도전층(40)의 반도전 특성이 구현되지 않을 수 있는 반면, 70 중량부 초과인 경우 상기 외부 반도전층(40)을 형성하는 조성물의 점도 상승으로 압출시 스크류 부하가 상승하여 작업성이 크게 저하될 수 있다.
그리고, 상기 산화방지제의 함량이 0.2 중량부 미만인 경우 상기 전력 케이블이 고온 환경에서의 장기내열성 확보가 어려울 수 있는 반면, 3 중량부 초과인 경우 상기 산화방지제가 상기 외부 반도전층(40) 표면으로 하얗게 용출되는 블루밍(blooming) 현상이 발생하여 반도전 특성이 저하될 수 있다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 구성성분 및 함량으로 이루어진 반도전층 시편을 제조했다. 아래 표 1에 기재된 함량의 단위는 중량부이다.
수지1 수지2 카본블랙 산화방지제
실시예1 50 50 60 1
실시예2 80 20 60 1
비교예1 40 60 60 1
비교예2 90 10 60 1
비교예3 50 50 25 1
비교예4 50 50 75 1
비교예5 50 50 60 0.1
- 수지1 : 프로필렌 단독중합체 매트릭스 내에 프로필렌-에틸렌 고무(PER)가 분산된 헤테로상 수지(융점 : 155~170℃, 용융유속(2.16kg, 230℃) : 0.1~1.0 g/10분)
- 수지2 : 프로필렌 램덤 공중합체 매트릭스 내에 프로필렌-에틸렌 고무(PER)가 분산된 헤테로상 수지(융점 : 140~150℃, 용융유속(2.16kg, 230℃) : 6~8 g/10분)
2. 물성 평가
1) 체적저항 평가
실시예 및 비교예 각각에 따르고 두께 1mm, 폭 30mm, 길이 64mm 형상이며 길이 방향 양끝에 전극간 거리가 50mm가 되도록 은 페이스트가 도포된 반도전층 시편을 상온에서 최소 1시간 이상 건조시킨 후 각 전극에 외부연결용 단자를 연결한 상태에서 상대습도 50±5% 및 온도 90℃의 오븐에 넣고 24시간 동안 방치 후 저항을 측정했고, 측정된 체적저항은 50Ωm 이하여야 한다. 측정 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
2) 내열성 평가
실시예 및 비교예 각각에 따르고 아래 그림에 나타난 형상의 반도전층 시편을 온도 135℃의 오븐에 넣고 7일간 방치한 후 가열 전 신장율 대비 감소한 신장율인 신장 잔율을 측정했고, 신장 잔율은 80% 이상이어야 한다. 측정 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
Figure pat00001
3) 압출성 평가
케이블 시편의 제조를 위해 실시예 및 비교예 각각의 반도전층을 압출시 압출기 내 압출부하에 의한 스크린매쉬(screen mesh) 파괴 여부를 평가했고, 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
체적저항
(Ωm)		 내열성
(%)		 압출성
실시예1 34 84 정상
실시예2 22 87 정상
비교예1 17 65 정상
비교예2 25 85 파괴
비교예3 489 87 정상
비교예4 11 86 파괴
비교예5 22 71 정상
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 반도전층은 체적저항, 내열성 및 압출성이 모두 우수한 반면, 비교예 1의 반도전층은 융점이 낮은 수지 2의 함량이 기준 초과로 내열성이 저하된 반면, 비교예 2의 반도전층은 용융 지수가 낮은 수지 2의 함량이 기준 미달로 압출성이 저하되었고, 비교예 3의 반도전층은 카본블랙의 함량이 기준 미달로 체적저항이 크게 증가한 반면, 비교예 4의 반도전층은 카본블랙의 함량이 기준 초과로 압출성이 크게 저하되었고, 비교예 5의 반도전층은 산화방지제 함량의 기준 미달로 내열성이 저하되었다.
본 명세서는 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 : 내부 반도전층
30 : 절연층 40 : 외부 반도전층
50 : 시스층

Claims (10)

  1. 베이스 수지로서 폴리프로필렌 매트릭스 내에 프로필렌 공중합체가 분산된 헤테로상 수지를 포함하는 비가교 열가소성 수지 및 도전성 첨가제를 포함하고,
    상기 헤테로상 수지는 융점(Tm)이 155 내지 170℃이고 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)이 0.1 내지 1.0 g/10분인 헤테로상 수지(A1) 및 융점이 140 내지 150℃이고 2.16 kg의 하중 및 230℃에서 ISO 1133에 따라 측정된 용융 유속(MFR; melting flow rate)이 3 내지 10 g/10분인 헤테로상 수지(A2)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 헤테로상 수지(A1)는 폴리프로필렌 매트릭스로서 프로필렌 단독중합체를 포함하고 상기 헤테로상 수지(A2)는 상기 폴리프로필렌 매트릭스로서 랜덤 프로필렌 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 헤테로상 수지(A1)와 상기 헤테로상 수지(A2)의 중량비는 50:50 내지 80:20인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체는 용융엔탈피가 10 J/g 미만인 잔류 결정도를 갖는 무정형인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체는 에틸렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐 및 1-옥텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체는 이의 총 중량을 기준으로 20 내지 50 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 매트릭스 내에 분산된 프로필렌 공중합체의 함량은 상기 헤테로상 수지의 총 중량을 기준으로 60 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 첨가제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 30 내지 70 중량부인 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 산화방지제 0.2 내지 3.0 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도전성 조성물.
  10. 도체;
    상기 도체를 감싸는 내부 반도전층; 및
    상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층을 포함하는 전력 케이블로서,
    상기 내부 반도전층은 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 반도전성 조성물로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
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