KR20210052962A - 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 이용하여 유연성, 내열성, 기계적 및 전기적 특성이 향상될 수 있도록 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 폴리프로필렌 매트릭스; 폴리프로필렌 매트릭스 상에 분산된 탄성체로 이루어진 탄성코어; 탄성코어의 외부를 감싸는 형태로 형성된 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 코폴리머 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블을 기술적 요지로 한다.
이러한 본 발명은 폴리프로필렌 매트릭스; 폴리프로필렌 매트릭스 상에 분산된 탄성체로 이루어진 탄성코어; 탄성코어의 외부를 감싸는 형태로 형성된 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 코폴리머 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블을 기술적 요지로 한다.
Description
본 발명은 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 이용하여 유연성, 내열성, 기계적 및 전기적 특성이 향상될 수 있도록 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블에 관한 것이다.
인류의 전력 소비량 증가 및 전력 계통의 환경 변화와 같은 사회적 전력 문제들이 대두됨에 따라, 전통적으로 사용되어 온 고전압 교류 케이블(High voltage alternative current, HVAC)을 대체하기 위한 고전압 직류 케이블(High voltage direct current, HVDC)이 세계적으로 큰 주목을 받고 있다.
HVDC 기술의 발전은 용량 증진을 통한 효율 향상 및 장경간 신호 손실 절감에 의한 케이블의 성능 향상을 기대할 수 있다. 따라서 이러한 케이블의 전력 전송 안정성을 확보하기 위한 절연층 소재로써, 기존에 널리 사용되어온 가교 폴리에틸렌을 대체하여, 더욱 증가된 상용 동작 온도 및 전계 스트레스의 억제와 같은 전기적 안정성을 확보할 수 있는 소재의 개발이 필요하다.
특히 가교 폴리에틸렌들은 분자 사이가 화학적으로 가교되어있기 때문에 그 사용연한이 지난 후 폐기되었을 때 이들을 재활용하기 위해서는 큰 제약이 존재하며, 환경적인 문제를 지니고 있다. 이런 이유로, 절연층에 폴리프로필렌의 사용은 가교 폴리에틸렌의 새로운 대체제로써의 가능성이 있다.
폴리프로필렌은 가교 폴리에틸렌과는 달리, 별도의 가교 공정 없이도 약 160℃에 가까운 고유의 높은 용융점에 의해 110℃ 이상에 달하는 높은 상용 작동 온도를 지니고, 높은 절연 저항, 절연 파괴 전압, 그리고 낮은 유전 손실과 같은 매우 우수한 고유의 전기적 특성들을 갖고 있다.
이런 특성을 갖고 있음에도 불구하고, 폴리프로필렌은 고유의 강직성을 가지기 때문에 단독으로 케이블 내 절연체로써 사용되기에는 부적합하다.
이를 개선하기 위해 폴리프로필렌 내에 고무를 용융 혼합하여 폴리프로필렌 내에 유연성을 부여하고자 한바 있었으나, 고무는 폴리프로필렌 내에서 표면 에너지 차에 의해 수 마이크로미터 크기 이상의 거대한 분리상으로 존재하고, 이러한 거대상들의 존재는 물성 증진에 기여하기 어려우며, 되려 물성 저하와 같은 단점으로 작용할 수 있다.
또한 고무는 고유의 나쁜 절연저항을 갖기 때문에 폴리프로필렌의 저항을 감소시킴으로써 전기적 물성을 저하시키고, 절연파괴전압의 감소 및 공간전하 분포 특성 저하와 같은 문제점을 유발한다.
뿐만 아니라 고무의 열변형 온도가 약 100℃ 이하로 폴리프로필렌에 비해 매우 낮은데, 폴리프로필렌과 고무의 혼합으로 오히려 폴리프로필렌의 열안정성이 저하되어 케이블 절연층의 소재로 사용되기에는 한계가 있다.
따라서 유연성을 유지하면서 내열성, 기계적 및 전기적 특성 등과 같은 제반 물성을 향상시킬 수 있는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블에 대한 새로운 기술개발 연구가 절실히 요구되고 있는 시점이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 유연성, 내열성, 기계적 및 전기적 특성이 우수한 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 폴리프로필렌 매트릭스; 상기 폴리프로필렌 매트릭스 상에 분산된 탄성체로 이루어진 탄성코어; 및 상기 탄성코어의 외부를 감싸는 형태로 형성된 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 코폴리머 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 폴리프로필렌 매트릭스 75 내지 85wt%; 상기 탄성코어 5 내지 15wt%; 및 상기 코폴리머 쉘 5 내지 15wt%;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 코폴리머 쉘이 상기 탄성코어와 상기 폴리프로필렌 매트릭스의 계면을 따라 형성되기 전 상기 탄성체의 평균 크기는 2㎛ 내지 10㎛이고, 상기 코폴리머 쉘이 상기 탄성코어와 상기 폴리프로필렌 매트릭스의 계면을 따라 형성된 후 상기 탄성체의 평균 크기는 0.05 내지 1㎛인 것을 특징으로 한다.
또한 상기의 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 준비하는 제1단계; 및 상기 폴리프로필렌, 상기 탄성체 및 상기 에틸렌-프로필렌 공중합체를 150~250℃ 하에서 용융 혼합을 통해 상기 폴리프로필렌으로 이루어진 폴리프로필렌 매트릭스 상에 상기 탄성체로 이루어진 탄성코어가 분산됨과 동시에 상기 에틸렌-프로필렌 공중합체가 상기 탄성코어를 감싼 형태의 코폴리머 쉘이 형성되는 삼성분계 조성물을 형성하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물의 제조방법을 제공한다.
또한 상기의 또다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 케이블 절연층용 삼성분계 조성물을 포함하는 케이블 절연층을 제공한다.
또한 상기의 또다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 도체; 및 상기 도체의 외부에 상기 삼성분계 조성물이 코팅되어 형성되는 절연층;을 포함하여 이루어지는 전력케이블을 제공한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블은, 에틸렌-프로필렌 공중합체를 통해 삼성분계 조성물에 분산된 탄성체의 크기를 감소시켜 연신율의 저하없이 인장강도를 크게 증가시킬 수 있고, 상온 뿐만 아니라 고온에서의 탄성률을 증가시킬 수 있으며, 특히 고온에서 열안정성을 향상시킬 수 있음과 동시에 절연저항을 향상시킴으로써, 기계적, 열적, 전기적 특성이 우수한 고전압 케이블용 절연체 소재로 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 케이블 절연층용 이성분계 조성물의 SEM 사진.
도 2는 본 발명에 따른 SEM 사진.
도 3은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 탄성코어의 크기를 나타낸 그래프.
도 4는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 저장탄성률을 나타낸 그래프.
도 5는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 열안정성을 나타낸 그래프.
도 6은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 연신율, 모듈러스 및 인장강도를 나타낸 그래프.
도 7은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 체적저항률을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 SEM 사진.
도 3은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 탄성코어의 크기를 나타낸 그래프.
도 4는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 저장탄성률을 나타낸 그래프.
도 5는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 열안정성을 나타낸 그래프.
도 6은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 연신율, 모듈러스 및 인장강도를 나타낸 그래프.
도 7은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 체적저항률을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선 본 발명을 설명하기에 앞서, 도 1은 종래 케이블 절연층용 이성분계 조성물의 SEM 사진이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래에는 고무와 같은 탄성체의 혼합을 통해 폴리프로필렌에 유연성을 부여하고자 하였다.
도 1a는 폴리프로필렌 90wt%에 탄성체 10wt%가 혼합된 모습을 SEM 사진으로 나타낸 것이고, 도 1b는 폴리프로필렌 80wt%에 탄성체 20wt%가 혼합된 모습을 SEM 사진으로 나타낸 것이며, 도 1c는 폴리프로필렌 70wt%에 탄성체 30wt%가 혼합된 모습을 SEM 사진으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 탄성체의 함량이 조성물 내에서 10wt%, 20wt% 및 30wt%로 증가함에 따라 폴리프로필렌에 분산된 탄성체의 크기가 증가함이 확인된다. 하지만 탄성체가 폴리프로필렌과의 표면 에너지 차이에 따라 거대 상분리가 일어나 기계적 및 열적 불안정성이 나타나는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 상술된 문제점을 해소하기 위해 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 이용하여 유연성, 내열성, 기계적 및 전기적 특성이 향상될 수 있도록 하는 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블을 제시해 보고자 한다.
일 양태로, 본 발명은 케이블 절연층용 삼성분계 조성물에 관한 것으로, 폴리프로필렌 매트릭스, 폴리프로필렌 매트릭스 상에 분산된 탄성체로 이루어진 탄성코어 및 탄성코어의 외부를 감싸는 형태로 형성된 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 코폴리머 쉘로 이루어짐으로써, 폴리프로필렌 매트릭스 상에 탄성코어가 분산되도록 하면서 탄성코어의 크기 또한 제어 가능한 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 SEM 사진이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 케이블 절연층용 삼성분계 조성물은 폴리프로필렌 매트릭스(10), 탄성코어(20) 및 코폴리머 쉘(30)로 이루어진다. 특히 도 2c의 확대된 부분을 살펴보면, 폴리프로필렌 매트릭스(10) 상에 탄성코어(20)가 분산된 상태로 존재하고, 탄성코어(20)를 코폴리머 쉘(30)이 감싸는 형태로 이루어짐을 확인할 수 있다.
첫째, 폴리프로필렌 매트릭스를 이루는 폴리프로필렌은 프로필렌(propylene)을 모노머로 하여 만든 고분자로써, 기존에는 케이블에 잘 적용되지 않았으나 별도의 가교 공정 없이도 약 160℃에 가까운 고유의 높은 용융점에 의해 110℃ 이상에 달하는 높은 상용 작동 온도를 가짐과 동시에, 높은 절연 저항, 절연 파괴 전압, 그리고 낮은 유전 손실과 같은 매우 우수한 고유의 전기적 특성을 가짐으로써, 최근 각광을 받고 있는 구성이다.
폴리프로필렌 매트릭스는 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 75~85wt%로 포함되는데, 75wt% 미만이면 도체를 감싸는 절연층으로 사용되기에 전기적 특성을 충분히 부여하지 못하는 양이어서 외부의 충격에 의해 도체의 표면으로부터 쉽게 벗겨지고, 85wt%를 초과하면 도체를 감싸는 절연층에 유연성이 부족해 상용화되기 어렵다. 이에 따라 폴리프로필렌 매트릭스는 75~85wt% 범위에서 적절하게 조절하여 포함되도록 하는 것이 바람직하다.
부가적으로, 폴리프로필렌 매트릭스로는 호모(Homo) 폴리프로필렌, 랜덤(Random) 폴리프로필렌, 블록(Block) 폴리프로필렌 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 프로필렌만의 단일결합으로 순수하게 구성되어 결정성이 높고 인장강도, 강성 등의 기계적 성질이 비교적 우수한 호모 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하다.
둘째, 탄성코어를 이루는 탄성체는 강직성을 갖는 폴리프로필렌에 유연성을 부여하는 구성이다.
폴리프로필렌 자체가 잘 깨지는 재료이기 때문에 에틸렌-프로필렌-다이엔 모노머(Ethylene-propylene-diene monomer, EPDM) 고무, 스타이렌-에틸렌-부타디엔-스타이렌(Stylene-ethylene-butadiene-stylene, SEBS) 고무 및 폴리올레핀계 수지와 같은 탄성체로 보완한다. 단, 상술된 탄성체의 종류에만 한정하는 것만은 아니고 탄성을 갖는 다양한 물질의 적용이 가능하다.
여기서 폴리올레핀계 수지는 탄소 수가 2 내지 20인 알파올레핀, 탄소 수가 1 내지 20인 디올레핀, 탄소 수가 3 내지 20인 사이클로올레핀 및 탄소 수가 3 내지 20인 사이클로디올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 올레핀계 단량체를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 탄성체가 5wt% 미만으로 첨가되면 폴리프로필렌 매트릭스에 유연성을 충분히 부여하지 못해 삼성분계 조성물이 도체의 외부를 감싸게 된 후 절연층이 유연성을 가지지 못하게 되고, 15wt%를 초과하여 첨가되면 절연층의 강성이 너무 약해져 전력케이블로 제품화되었을 때 외부 자극에 쉽게 손상이 가는 문제점이 있으므로, 탄성체는 삼성분계 조성물 총 중량 중에서 5~15wt%의 범위로 첨가되도록 한다.
셋째, 코폴리머 쉘을 이루는 에틸렌-프로필렌 공중합체는 폴리프로필렌 매트릭스 상에 탄성체를 골고루 분산되도록 하면서 탄성체와 폴리프로필렌 매트릭스의 계면에 형성되어 탄성체를 견고하게 잡아줌과 동시에 탄성체의 크기 또한 감소시켜주는 구성이다.
즉 에틸렌-프로필렌 공중합체는 에틸렌과 프로필렌을 공중합시켜 두 단량체의 배열을 무질서(random)하게 한 것으로, 내열성이 우수한 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지와 같은 의미라 할 수 있다.
폴리프로필렌 매트릭스에 탄성체와 함께 에틸렌-프로필렌 공중합체가 포함하도록 하는 이유는, 폴리프로필렌 매트릭스에 탄성체만을 혼합하게 되면 아무리 교반을 시킨다고 하더라도 분산이 잘 이루어지지 않기 때문에 이를 개선시키기 위함이다.
특히 에틸렌-프로필렌 공중합체가 포함되는 것만으로 탄성체와 에틸렌-프로필렌 공중합체의 표면에너지가 커서 이런 표면에너지 차이에 의해 폴리프로필렌 매트릭스 상에서 탄성체들의 분산력을 좋게 해주게 된다.
이러한 에틸렌-프로필렌 공중합체에서 에틸렌 함량은 0.1~15wt%로 포함되는데, 0.1wt% 미만이면 프로필렌에 유연성을 부여하기에 부족한 양으로 탄성체의 계면을 완전히 감싸지 못하고 폴리프로필렌 매트릭스 상에서 파편으로 잔존할 수 있으며, 15wt%를 초과하면 오히려 탄성체 계면을 따라 안정적으로 결합하지 못하는 단점이 있다.
삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 에틸렌-프로필렌 공중합체가 첨가되는 범위는 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d를 통해 설명해 보기로 한다.
도 2a는 폴리프로필렌 매트릭스, 탄성코어 및 코폴리머 쉘로 이루어진 케이블 절연층용 삼성분계 조성물에 있어서, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 5wt%를 차지하는 경우의 SEM 사진이다.
도 2b는 폴리프로필렌 매트릭스, 탄성코어 및 코폴리머 쉘로 이루어진 케이블 절연층용 삼성분계 조성물에 있어서, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 10wt%를 차지하는 경우의 SEM 사진이다.
도 2c는 폴리프로필렌 매트릭스, 탄성코어 및 코폴리머 쉘로 이루어진 케이블 절연층용 삼성분계 조성물에 있어서, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 15wt%를 차지하는 경우의 SEM 사진이다.
도 2d는 탄성코어가 존재하지 않는 상태의 SEM 사진으로써, 도 2a, 도 2b 및 도 2c와 달리 탄성체가 혼합되지 않고 폴리프로필렌 80wt%에 에틸렌-프로필렌 공중합체 20wt%만이 혼합된 이성분계 조성물로써, 탄성체가 없기 때문에 폴리프로필렌 매트릭스 상에 분리/분산된 구형의 도메인인 탄성코어가 존재하지 않음이 확인된다.
이러한 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d를 통해 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 5~15wt%를 차지하는 경우 기재가 되는 폴리프로필렌 매트릭스(10) 상에 탄성코어(20)가 분산되고, 분산된 탄성코어(20)의 외부에 코폴리머 쉘(30)이 형성됨을 알 수 있다.
특히 도 2a를 참조하면, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 5wt% 첨가되면서 거대 탄성체의 크기는 감소되나, 여전히 10㎛의 크기를 넘는 탄성체가 존재함이 보이긴 하나, 도 2b 및 도 2c에서와 같이 에틸렌-프로필렌 공중합체가 10wt%, 15wt% 첨가된 경우에는 대부분 1㎚ 크기의 탄성체 분포도 보인다.
도 3은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 탄성코어의 크기를 나타낸 그래프로써, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 어느 정도의 양으로 혼합되는지에 따라 탄성코어의 평균 크기가 변화하는 정도를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3의 rPP0은 에틸렌-프로필렌 공중합체가 첨가되지 않고 도 1에서와 같이 폴리프로필렌에 탄성체가 혼합된 경우 탄성코어의 평균 크기 변화를 나타낸 것이고, rPP5는 도 2a에서와 같이 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 5wt%를 차지하는 경우 탄성코어의 평균 크기 변화를 나타낸 것이고, rPP10은 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 10wt%를 차지하는 경우 탄성코어의 평균 크기 변화를 나타낸 것이며, rPP15는 에틸렌-프로필렌 공중합체가 삼성분계 조성물의 총 중량 중에서 15wt%를 차지하는 경우 탄성코어의 평균 크기 변화를 나타낸 것이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 5wt% 포함된 경우 탄성체의 크기가 일부 감소되긴 하나, 여전히 10㎛ 크기를 넘는 거대한 탄성체가 존재한다. 에틸렌-프로필렌 공중합체가 10wt%, 15wt% 포함된 경우에는 탄성체가 0.05 내지 1㎛ 범위의 크기를 가짐을 알 수 있다.
다른 양태로, 본 발명은 케이블 절연층용 삼성분계 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 준비하는 제1단계(S10)와, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 150~250℃ 하에서 용융 혼합을 통해 상기 폴리프로필렌으로 이루어진 폴리프로필렌 매트릭스 상에 탄성체로 이루어진 탄성코어가 분산됨과 동시에 에틸렌-프로필렌 공중합체가 탄성코어를 감싼 형태의 코폴리머 쉘이 형성되는 삼성분계 조성물을 형성하는 제2단계(S20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
먼저, 제1단계는 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 준비하는 단계이다(S10).
즉 제1단계에서는 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 모두 직경이 2~8mm인 펠릿 형태로 준비한다.
다음으로, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 150~250℃ 하에서 용융 혼합을 통해 폴리프로필렌으로 이루어진 폴리프로필렌 매트릭스 상에 탄성체로 이루어진 탄성코어가 분산됨과 동시에 에틸렌-프로필렌 공중합체가 탄성코어를 감싼 형태의 코폴리머 쉘이 형성되는 삼성분계 조성물을 형성한다(S20).
150~250℃로 예열된 혼합기에 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 동시에 투입하여 용융 혼합을 실시하는데, 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체는 가공온도 범위가 유사하여 동시 투입을 통해 용융 혼합이 가능하다.
온도 범위와 관련하여, 150℃ 미만에서는 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체가 펠릿 형태이기 때문에 완전한 용융이 어렵고, 250℃를 초과하면 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체 간의 물성 변형을 초래하기 때문에 150~250℃ 범위 내에서 적절히 조절해가며 용융 혼합하는 것이 바람직하다.
150~250℃에서 용융 혼합을 통해 폴리프로필렌 매트릭스와 탄성체의 상이 분리되고, 에틸렌-프로필렌 공중합체와 탄성체가 화학적 결합을 하는 것은 아니고, 에틸렌-프로필렌 공중합체가 탄성체들을 ㎚ 단위의 크기로 분산시키는 분산제 역할을 하여 탄성체와 에틸렌-프로필렌 공중합체 간의 표면 에너지 차이에 의해 에틸렌-프로필렌 공중합체가 탄성체의 외부를 감싸게 된다.
이에 따라 폴리프로필렌 매트릭스, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체는 완전히 혼합된 상태가 아닌 삼성분계로 분리된 상태를 이루게 되며, 탄성체와 에틸렌-프로필렌 공중합체는 코어-쉘 구조를 형성하게 된다.
또다른 양태로, 상술한 본 발명의 케이블 절연층용 삼성분계 조성물을 포함하는 케이블 절연층을 제공할 수 있다.
또한 또다른 양태로, 상술한 본 발명의 케이블 절연층용 삼성분계 조성물을 포함하는 케이블 절연층을 적용하여, 도체의 외부를 감싸는 절연체 또는 절연재료로 제공할 수 있다.
일반적으로 전력케이블은 도체와, 이를 감싸는 절연층으로 이루어지며, 본 발명에 따른 삼성분계 조성물을 절연재료로써 포함하는 절연층과, 이러한 절연층을 포함하는 전력케이블을 제공할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
폴리프로필렌 매트릭스가 될 직경 5mm 펠릿 형태의 아이소택틱(isotactic) 폴리프로필렌 수지, 탄성코어가 될 직경 5mm 펠릿 형태의 에틸렌-옥텐 공중합체 수지, 코폴리머 쉘이 될 직경 5mm 펠릿 형태의 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지의 용융지수 및 용융점은 각각 7.0g/10min, 1.1g/10min, 14.0g/10min, 그리고 160℃, 58℃, 150℃였다. 단, 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지는 에틸렌-프로필렌 공중합체와 같은 의미를 갖는다.
이러한 아이소택틱 폴리프로필렌 수지 80wt%, 에틸렌-옥텐 공중합체 수지 15wt% 및 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 5wt%를 기본 수지 조성물로 하여, 이러한 수지 조성물 100중량부에 대하여, BASF 사의 Irganox1010과 Irganox 165 제품을 2:1 중량비로 혼합한 산화방지제 0.5중량부를 첨가하여 200℃로 예열된 용융 혼합기 내에 동시에 투입하여 15분 간 용융 혼합 후 이를 종료하여 삼성분계 조성물을 제조하였다. 실시예 1에 따른 삼성분계 조성물의 SEM 사진은 도 2a와 같다.
<실시예 2>
아이소택틱 폴리프로필렌 수지 80wt%, 에틸렌-옥텐 공중합체 수지 10wt% 및 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 10wt%를 기본 수지 조성물로 하여 삼성분계 조성물을 제조하되, 나머지 과정은 실시예 1과 동일하다. 실시예 2에 따른 삼성분계 조성물의 SEM 사진은 도 2b와 같다.
<실시예 3>
아이소택틱 폴리프로필렌 수지 80wt%, 에틸렌-옥텐 공중합체 수지 5wt% 및 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 15wt%를 기본 수지 조성물로 하여 삼성분계 조성물을 제조하되, 나머지 과정은 실시예 1과 동일하다. 실시예 3에 따른 삼성분계 조성물의 SEM 사진은 도 2c와 같다.
<비교예 1>
폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지를 제외하고, 아이소택틱 폴리프로필렌 수지 80wt%와 에틸렌-옥텐 공중합체 수지 20wt%만을 기본 수지 조성물로 하여 이성분계 조성물을 제조하되, 나머지 과정은 실시예 1과 동일하다. 비교예 1에 따른 이성분계 조성물의 SEM 사진은 도 1b와 같다.
<비교예 2>
에틸렌-옥텐 공중합체 수지를 제외하고, 아이소택틱 폴리프로필렌 수지 80wt%와 폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 20wt%만을 기본 수지 조성물로 하여 이성분계 조성물을 제조하되, 나머지 과정은 실시예 1과 동일하다. 비교예 2에 따른 이성분계 조성물의 SEM 사진은 도 2d와 같다.
도 4는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 저장탄성률을 나타낸 그래프이다. 도 4의 peak 1은 비교예 1, peak 2는 실시예 1, peak 3은 실시예 2, peak 4는 실시예 3, peak 5는 비교예 2에 따라 각각 제조된 삼성분계 조성물 및 이성분계 조성물에서 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따라 -100℃ 부근에서부터 시작하여 상온을 거쳐 100℃ 부근이 될 때까지 저장탄성률의 변화를 확인할 수 있다.
도 4에 나타난 바와 같이, 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합되는 양이 증가할수록 상온에서부터 100℃ 부근까지 저장탄성률이 눈에 띄게 증가함을 알 수 있다.
도 5는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 열안정성을 나타낸 그래프이다. 도 5의 peak 1은 비교예 1, peak 2는 실시예 1, peak 3은 실시예 2, peak 4는 실시예 3, peak 5는 비교예 2에 따라 각각 제조된 삼성분계 조성물 및 이성분계 조성물에서 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따라 -100℃ 부근에서부터 시작하여 상온을 거쳐 100℃ 부근이 될 때까지 열안정성의 변화를 확인할 수 있다.
Tan delta의 경우 Loss modulus/Storage modulus로 정의 되는데, 이 값이 작으면 Storage modulus가 큰 탄성상태를 의미이고, 이 값이 크면 Loss modulus가 큰 점성상태를 의미한다.
이러한 도 5를 참조하면, 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따라 -50℃에서 올레핀계 탄성체 유리전이온도(Tg)가 사라져 열안정성이 확보됨을 알 수 있다.
도 6은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 연신율, 모듈러스 및 인장강도를 나타낸 그래프이다. 도 6에서 x축의 rPP content(wt%)는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 함량을 의미하며, x축에서 0wt%는 비교예 1의 이성분계 조성물, 5wt%는 실시예 1의 삼성분계 조성물, 10wt%는 실시예 2의 삼성분계 조성물, 15wt%는 실시예 3의 삼성분계 조성물, 20wt%는 비교예 2의 이성분계 조성물을 의미한다.
도 6을 참조하면, 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 상관없이 연신율(Elongation)이 비슷하게 유지되되, 실시예 2에서 연신율이 가장 높고, 비교예 2에서 연신율이 가장 낮음이 확인된다. 그리고 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량이 증가할수록 탄성률(Modulus)이 증가하는데, 이는 에틸렌-프로필렌 공중합체도 탄성특성에 영향을 줌을 알 수 있다. 인장강도(Tensile strength)의 경우, 탄성률과 마찬가지로 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합에 따라 증가하는 추세임을 알 수 있다.
도 7은 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합량에 따른 체적저항률을 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 에틸렌-프로필렌 공중합체의 혼합되는 양에 따라 체적저항률(volume resistivity)이 전체적으로 증가함이 확인된다.
단, 도 7에서 x축의 rPP content(wt%)는 에틸렌-프로필렌 공중합체의 함량을 의미하며, x축에서 0wt%는 비교예 1의 이성분계 조성물, 5wt%는 실시예 1의 삼성분계 조성물, 10wt%는 실시예 2의 삼성분계 조성물, 15wt%는 실시예 3의 삼성분계 조성물, 20wt%는 비교예 2의 이성분계 조성물을 의미한다.
상술된 실시예 및 실험예의 결과로부터, 에틸렌-프로필렌 공중합체를 통해 삼성분계 조성물에 분산된 탄성체의 크기를 감소시켜 연신율의 저하없이 인장강도를 크게 증가시키고, 상온 뿐만 아니라 고온에서의 탄성률을 증가시키며, 특히 열안정성 및 절연저항을 향상시킴으로써, 기계적, 열적 및 전기적 특성이 우수한 고전압 케이블용 절연재료로 적용될 수 있어 전력케이블에 우수한 기능을 부여할 수 있을 것으로 기대된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.
본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 폴리프로필렌 매트릭스
20: 탄성코어
30: 코폴리머 쉘
20: 탄성코어
30: 코폴리머 쉘
Claims (7)
- 폴리프로필렌 매트릭스;
상기 폴리프로필렌 매트릭스 상에 분산된 탄성체로 이루어진 탄성코어; 및
상기 탄성코어의 외부를 감싸는 형태로 형성된 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 코폴리머 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 폴리프로필렌 매트릭스 75 내지 85wt%;
상기 탄성코어 5 내지 15wt%; 및
상기 코폴리머 쉘 5 내지 15wt%;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 코폴리머 쉘이 상기 탄성코어와 상기 폴리프로필렌 매트릭스의 계면을 따라 형성되기 전 상기 탄성체의 평균 크기는 2㎛ 내지 10㎛이고,
상기 코폴리머 쉘이 상기 탄성코어와 상기 폴리프로필렌 매트릭스의 계면을 따라 형성된 후 상기 탄성체의 평균 크기는 0.05 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물. - 폴리프로필렌, 탄성체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체를 준비하는 제1단계; 및
상기 폴리프로필렌, 상기 탄성체 및 상기 에틸렌-프로필렌 공중합체를 150~250℃ 하에서 용융 혼합을 통해 상기 폴리프로필렌으로 이루어진 폴리프로필렌 매트릭스 상에 상기 탄성체로 이루어진 탄성코어가 분산됨과 동시에 상기 에틸렌-프로필렌 공중합체가 상기 탄성코어를 감싼 형태의 코폴리머 쉘이 형성되는 삼성분계 조성물을 형성하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 삼성분계 조성물은 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 삼성분계 조성물인 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물의 제조방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 케이블 절연층용 삼성분계 조성물을 포함하는 케이블 절연층.
- 도체; 및
상기 도체의 외부에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 삼성분계 조성물이 코팅되어 형성되는 절연층;을 포함하여 이루어지는 전력케이블.
Priority Applications (2)
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