KR20210128934A - 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블 - Google Patents

절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 비가교 타입으로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에 종래 가교 절연재료 대비 동등 이상의 기계적·전기적 특성을 보유하고, 운용 온도가 90℃급인 케이블의 절연층에서 요구되는 130℃에서의 가열변형 특성을 만족하며, 유연성, 난연성, 내수성, 압출성 등의 물성이 우수한 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블{Insulating composition and power cable having an insulating layer formed from the same}
본 발명은 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 비가교 타입으로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에 종래 가교 절연재료 대비 동등 이상의 기계적·전기적 특성을 보유하고, 운용 온도가 90℃급인 케이블의 절연층에서 요구되는 130℃에서의 가열변형 특성을 만족하며, 유연성, 난연성, 내수성, 압출성 등의 물성이 우수한 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블에 관한 것이다.
일반적인 전력 케이블은 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.
최근, 증가하는 전력 수요에 따라 고용량 케이블의 개발이 요구되고 있으며 이를 위해서는 기계적, 전기적 특성이 우수하고, 특히 고용량 케이블이 운용되는 고온에서의 가열변형이 최소화될 수 있는 절연층을 제조하기 위한 절연 재료가 필요한 상황이 되었다.
종래 상기 절연 재료를 구성하는 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 고온하에서도 우수한 유연성 및 만족스런 전기적·기계적 강도 등을 유지하기 때문이다.
그러나, 절연 재료를 구성하는 베이스 수지로 사용되어 온 상기 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등은 가교 형태이기 때문에 상기 가교 폴리에틸렌 등의 수지로 제조된 절연층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 불가능하고 소각에 의해 폐기할 수밖에 없어 환경 친화적이지 않다.
또한, 쉬스층의 재료로서 폴리비닐클로라이드(PVC)를 사용하는 경우 이를 상기 절연 재료를 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 절연층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 가능한 등 환경 친화적이나, 가교 형태의 폴리에틸렌(XLPE)에 비해 내열성, 가열변형 특성 등이 열등하여 낮은 운용 온도로 인해 그 용도가 매우 제한적인 단점이 있다.
따라서, 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에 종래 가교 절연재료 대비 동등 이상의 기계적·전기적 특성을 보유하고, 운용 온도가 90℃급인 케이블의 절연층에서 요구되는 130℃에서의 가열변형 특성을 만족하며, 유연성, 난연성, 내수성, 압출성 등의 물성이 우수한 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에 종래 가교 절연재료 대비 동등 이상의 기계적·전기적 특성을 보유하는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 운용 온도가 90℃급인 케이블의 절연층에서 요구되는 130℃에서의 가열변형 특성을 만족하며, 유연성, 난연성, 내수성, 압출성 등의 물성이 우수한 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
전력 케이블의 절연층 형성용 절연 조성물로서, 폴리프로필렌 수지 및 폴리올레핀 엘라스토머 수지를 포함하고, 상기 폴리프로필렌 수지는 호모상 폴리프로필렌 수지 및 헤테로상 폴리프로필렌 수지를 포함하며, 상기 폴리올레핀 엘라스토머 수지는 융점(Tm)이 60 내지 90℃이고, 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편은 용융흐름지수(MFR)가 20 내지 26 g/10min(190℃,21.6kg)인, 절연 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편은 최저점토크(ML)(190℃)가 1.1 내지 1.3 lb-in인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단량체와 에틸렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐 및 1-옥텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체의 공중합에 의해 형성되는 프로필렌 블록공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
또한, 상기 프로필렌 블록공중합체는 메탈로센 촉매하에서 중합되는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 융점(Tm)이 160 내지 170℃인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지는 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지 내에 고무상 폴리프로필렌 수지가 분산된 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
또한, 상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지는 프로필렌 단독중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 고무상 폴리프로필렌 수지는 프로필렌-에틸렌 고무(PER) 또는 프로필렌-에틸렌 디엔 고무(EPDM)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
한편, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지의 함량은 10 내지 25 중량부이고, 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지의 함량은 5 내지 10 중량부이며, 상기 폴리올레핀 엘라스토머 수지의 함량은 50 내지 85 중량부인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 폴리올레핀 엘라스토머 수지 중 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 폴리올레핀 엘라스토머의 함량은 10 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
또한, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 난연제로서 수산화마그네슘 150 내지 190 중량부 및 난연보조제로서 멜라민시아누레이트 15 내지 22 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 충전제로서 탄산칼슘(CaCO3)을 1 내지 20 중량부로 포함하고, 기타 첨가제로서 활제, 산화방지제, 흡습제, 가공안정제 및 안료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 0.1 내지 10 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물을 제공한다.
한편, 도체; 및 상기 도체를 감싸고 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층을 포함하는, 전력 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 절연 조성물은 베이스 수지의 특정 조합을 통해 비가교 타입으로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에 종래 가교 절연재료 대비 동등 이상의 기계적·전기적 특성을 보유하는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 절연 조성물은 베이스 수지 및 첨가제의 특정 조합을 통해 운용 온도가 90℃급인 케이블의 절연층에서 요구되는 130℃에서의 가열변형 특성을 만족하며, 유연성, 난연성, 내수성, 압출성 등의 물성이 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 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 발명에 따른 절연 조성물은 베이스 수지, 난연제, 충전제, 기타 첨가제 등을 포함할 수 있다.
상기 베이스 수지는 융점(Tm)이 160 내지 170℃인 호모상 폴리프로필렌 수지 및 융점(Tm)이 135 내지 145℃인 헤테로상 폴리프로필렌 수지를 포함하는 폴리프로필렌 수지 및 융점(Tm)이 60 내지 90℃인 폴리올레핀 엘라스토머(POE)를 포함할 수 있다.
상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 용융 상태에서 냉각시 특정 온도에서 적어도 부분적으로 결정화되는 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 수지로서 상기 절연 조성물의 기계적 특성, 내열성, 가열변형 특성 등을 향상시키는 기능을 수행한다.
상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 프로필렌 단량체와 에틸렌 및 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐 등의 C4-12 알파-올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체의 공중합에 의해 형성되는 프로필렌 블록공중합체를 포함할 수 있다.
상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 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 호모상 폴리프로필렌은 촉매 잔량이 약 200 내지 700 ppm으로 낮기 때문에, 상기 촉매 잔량에 의해 상기 호모상 폴리프로필렌을 포함하는 절연 조성물의 전기적 특성이 저하되는 것을 억제하거나 최소화할 수 있다.
상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지는 2개 이상의 상(phase)의 수지, 구체적으로 결정상 또는 반결정상 수지 및 고무상 수지를 모두 포함하는 폴리프로필렌 수지로서 상기 절연 조성물의 유연성, 내한성 등을 향상시키는 기능을 수행한다.
상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지는 상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 수지와 상기 고무상 폴리프로필렌 수지의 블렌딩 수지 또는 상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 수지와 상기 고무상 폴리프로필렌 수지가 함께 중합되어 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지 내에 고무상 폴리프로필렌 수지가 분산된 헤테로상 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있다.
상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 수지는 상기 호모상 폴리프로필렌 수지와 같이 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌 공중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 프로필렌 단독중합체를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 프로필렌 단독중합체만을 포함할 수 있다. 상기 프로필렌 단독중합체는 단량체 총 중량을 기준으로 99 중량% 이상, 바람직하게는 99.5 중량% 이상의 프로필렌 단량체의 중합에 의해 형성되는 폴리프로필렌 수지를 의미한다.
여기서, 상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 수지 역시 상기 호모상 폴리프로필렌 수지와 동일하게 메탈로센 촉매하에서 중합됨으로써 낮은 촉매 잔량에 의해 절연 조성물의 전기적 특성이 저하되는 것을 억제하거나 최소화할 수 있다.
상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지 내에 분산되거나 상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 수지와 블렌딩되는 상기 고무상 폴리프로필렌 수지는 실질적으로 무정형이고, 에틸렌 및 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐 등의 C4-12 알파-올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고무상 폴리프로필렌 수지는 프로필렌-에틸렌 고무(PER) 또는 프로필렌-에틸렌 디엔 고무(EPDM)를 포함할 수 있다.
상기 고무상 폴리프로필렌 수지의 입자 크기는 마이크로 또는 나노 사이즈일 수 있다. 상기 고무상 폴리프로필렌 수지의 이러한 입자 크기는 상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지 내에서의 상기 고무상 폴리프로필렌 수지의 균일한 분산을 담보하고, 이를 포함하는 절연층의 기계적 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 폴리올레핀 엘라스토머(POE)는 상기 폴리프로필렌 수지와의 상용성이 우수하고, 특히 상기 폴리프로필렌 수지에 비해 결정화도가 낮아 난연제 등의 첨가제와의 로딩성이 우수하여, 절연층에 다량의 난연제를 첨가하는 경우에도, 난연제의 균일한 분산에 의해 난연성을 향상시키는 동시에 기계적 특성, 유연성 등의 저하를 회피하거나 최소화할 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)는 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 폴리올레핀 엘라스토머(POE)를 포함할 수 있다.
상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지의 함량은 10 내지 25 중량부이고, 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지의 함량은 5 내지 10 중량부이며, 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량은 50 내지 85 중량부일 수 있고, 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 중 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량은 10 내지 20 중량부일 수 있다.
여기서, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지의 함량이 기준 미달인 경우 절연층의 기계적 특성, 내열성, 가열변형 특성 등이 저하될 수 있고, 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지의 함량이 기준 미달인 경우 절연층의 유연성, 내한성, 내충격성 등이 저하될 수 있으며, 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량이 기준 미달인 경우 상기 절연 조성물의 압출성, 전기적·기계적 특성 등의 물성이 저하될 수 있고, 특히 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량이 기준 미달인 경우 난연제 등의 첨가제와 상기 베이스 수지 사이의 커플링 특성이 저하되어 상기 절연 조성물의 전반적인 기계적 특성, 난연성 등이 저하될 수 있다.
한편, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지의 함량이 기준 초과인 경우 난연제 등에 대한 상기 절연 조성물의 필러 로딩성(filler loading property)이 불충분하여 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 신장율 등 기계적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 베이스 수지의 총 함량은 유지되면서 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지의 함량이 기준 초과인 경우 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지 내의 고무 함량이 증가하게 되어 상기 절연 조성물의 압출시 압출 부하 증가로 인해 압출성 저하가 문제될 수 있는 동시에 이에 따라 상기 호모상 폴리프로필렌 수지의 함량이 감소되면 상기 절연 조성물의 내열성, 가열변형 특성 등이 저하될 수 있는 반면, 이에 따라 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량이 감소되면 난연제 등에 대한 상기 절연 조성물의 필러 로딩성(filler loading property)이 불충분하여 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 신장율 등 기계적 특성이 저하될 수 있다.
나아가, 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량이 기준 초과인 경우 상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 융점이 상대적으로 낮기 때문에 상기 절연 조성물의 내열성이 저하될 수 있고, 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 경도가 저하되어 가열변형 특성 등이 기준치를 만족하지 못할 가능성이 증가하고, 특히 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 폴리올레핀 엘라스토머(POE)의 함량이 기준 초과인 경우 상기 절연층의 상온 신장율 저하, 상기 절연 조성물의 압출시 압출 부하 증가로 인해 압출성 저하 등의 문제가 유발될 수 있다.
특히, 본 발명자는 본 발명에 따른 절연 조성물이 앞서 기술한 비가교 타입의 특정 베이스 수지를 포함함을 전제로 용융흐름지수(melting flow rate; MFR)가 20 내지 26 g/10min(190℃,21.6kg)으로 조절되고, 최저점토크(melting level; ML)(190℃)는 1.1 내지 1.3 lb-in으로 조절되는 경우, 바람직하게는 상기 용융흐름지수(MFR)과 상기 최저점토크(ML)의 관계가 아래 수학식 1을 만족하는 경우, 옥내배선용 전선의 절연층에서 요구되는 전기적 특성, 기계적 특성, 압출성 등을 만족하는 동시에 목적한 난연성을 구현하기 위한 함량의 난연제를 첨가함에도 불구하고 상기 물성이 기준 미달로 저하되지 않음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, 최저점토크(ML)는 레오메타(moving-die rheonmeter; MDR) 설비를 통해 측정되는 값 중 하나로 조성물을 동일한 각속도로 회전시킬 때 시간의 흐름에 따라 변화하는 토크값 중에서 하한치를 의미한다.
특히, 본 발명에 따른 절연 조성물의 용융흐름지수(MFR)가 20 g/10min 미만이거나 최저점토크(ML)가 1.3 lb-in 초과인 경우 압출시 절연 조성물의 부하 증가에 따라 압출선속을 증가시키면 내부 발열로 인한 압출물 내 기포 발생 등 압출성 불량의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 절연 조성물의 용융흐름지수(MFR)가 26 g/10min 초과이거나 최저점토크(ML)가 1.1 lb-in 미만인 경우는 상기 절연 조성물에 포함되는 베이스 수지 자체의 흐름성(melting index; MI)이 높거나 활제 등의 가공조제의 함량이 높을 때 발생할 수 있는데, 베이스 수지 자체의 흐름성(MI)이 높은 경우는 절연 조성물의 강성이 저하되는 특성이 나타날 수 있고, 가공조제의 함량이 높은 경우는 압출기 내에서 절연 조성물의 슬립이 발생하여 압출량이 저하되는 문제가 발생하는 등 압출성 불량의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 조성물은 앞서 기술한 베이스 수지의 특정 조합을 통해 비가교 타입으로 재활용이 가능한 등 환경 친화적인 동시에 종래 가교 절연재료 대비 동등 이상의 기계적·전기적 특성을 보유하며, 운용 온도가 90℃급인 케이블의 절연층에서 요구되는 130℃에서의 가열변형 특성을 만족할 뿐만 아니라, 유연성, 난연성, 내수성, 압출성 등의 물성이 우수한 효과를 구현할 수 있다.
상기 난연제는 수산화마그네슘, 수산화알루미늄 등의 금속수산화물 난연제 및 멜라민시아누레이트 등의 질소계 난연보조제 등의 비할로겐계 난연제를 포함할 수 있다.
특히, 상기 난연제로서 수산화마그네슘은 합성 수산화마그네슘, 천연 브루사이트(brucite) 수산화마그네슘 등의 2종 이상의 수산화마그네슘을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 합성 수산화마그네슘은 염수에 의한 이온화 경향이 있기 때문에 이러한 합성 수산화마그네슘의 함량을 다소 낮추고 합성 수산화마그네슘에 비해 난연성은 다소 떨어지나 염수에 의한 이온화 경향이 낮은 천연 브루사이트를 혼용할 수 있다. 예를 들어, 합성 수산화마그네슘과 천연 브루사이트 수산화마그네슘의 중량 배합비는 약 12:3 내지 16:3일 수 있다.
상기 난연제로서 수산화마그네슘 등의 금속수산화물 무기입자는 고표면 에너지를 갖는 친수성인 반면, 폴리프로필렌 등의 베이스 수지는 저표면 에너지를 갖는 소수성이기 때문에, 상기 무기입자는 상기 베이스 수지에 대한 분산성이 좋지 않고, 절연층의 내수성을 저하시켜 전기적 특성에도 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화마그네슘 등의 무기입자는 비닐실란, 스테아린산, 올레인산, 아미노폴리실록산, 티타네이트계 커플링제 등으로 표면이 소수성 처리되는 것이 바람직하다.
상기 무기입자가 비닐실란 등에 의해 표면 처리되는 경우, 비닐실란 등의 가수분해기가 축합반응에 의해 수산화마그네슘 등의 무기입자 표면에 화학 결합을 함으로써 부착되고, 실란기가 상기 베이스 수지와 반응하여 우수한 분산성을 확보할 수 있게 된다.
상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 난연제인 금속수산화물, 특히 수산화마그네슘의 함량은 150 내지 190 중량부일 수 있고, 난연보조제인 질소계 난연보조제, 특히 멜라민시아누레이트의 함량은 15 내지 22 중량부일 수 있다. 여기서, 상기 난연제 또는 상기 난연보조제의 함량이 기준 미달인 경우 절연층의 난연성이 불충분할 수 있는 반면, 기준 초과인 경우 절연층의 압출성, 신장율 등이 크게 저하될 수 있다.
상기 충전제는 절연층의 물성 저하를 회피하거나 최소화하면서 이의 제조비용을 절감하기 위해 첨가되는 것으로서, 예를 들어, 탄산칼슘(CaCO3)을 포함할 수 있고, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 1 내지 20 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 기타 첨가제는 케이블의 용도에 따라 활제, 산화방지제, 흡습제, 가공안정제, 안료 등을 포함할 수 있고, 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 10 중량부로 첨가될 수 있다.
본 발명에 따른 절연 조성물은 앞서 기술한 특정 베이스 수지 및 첨가제의 조합을 통해 상온에서의 인장강도가 1.3 kgf/㎟ 이상, 상온에서의 신장율이 50%일 때 모듈러스가 0.8 kgf/㎟ 이상, 130℃에서 가열변형율이 50% 미만일 수 있다.
여기서, 상기 가열변형율은 규격 IEC 60502-1 중 IEC 60811-3-1의 가열변형 시험규격에 준하여 측정할 수 있고, 구체적으로 상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편에 상기 시편의 치수에 따르는 무게에 해당하는 하중을 인가하면서 130℃에서 4시간 동안 방치한 후 시편의 두께 감소가 50% 미만일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블은 구리, 알루미늄 등의 전도성 물질로 이루어진 도체(10)와 앞서 기술한 절연 조성물의 압출 등에 의해 형성되는 절연층(20)을 포함할 수 있다. 또한, 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.
[실시예]
1. 제조예
160℃의 open-2-roll mill 설비를 이용하여 아래 표 1에 제시한 조성비의 재료를 투입하고 10분간 혼련시켜 배합물을 제조하고 190℃로 가열된 프레스에 배합물을 넣고 20~30 MPa의 압력을 가하여 각각 두께 1 mm 및 3 mm의 절연 시트를 제조했다.
또한,2.5 SQ 단심도체에 KS C 3341에서 규정하는 두께에 해당하는 절연층을 압출하여 케이블 시편을 제조했다. 여기서, 절연층 압출시 사용한 싱글스크류압출기의 온도조건은 다이 기준으로 210℃로 설정했다. 아래 표 1에 기재된 함량의 단위는 중량부이다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 비교예6 비교예7
수지1 20 15 10 10 10 30 10 10
수지2 5 5 15 15 15 25 15 15
수지3 55 65 55 55 55 55
수지4 60
수지5 -60
수지6 65
수지7 15 20 20 10 20 15 20 20
수지8 10
난연제1 173 173 173 173 160 173 173 140 173
난연제2 17 17 17 17 10 17 17 20 17
충전제 10
기타 8 8 8 9 9 8 8 8 8
- 수지1 : 폴리프로필렌 블록코폴리머(융점 : 165℃)
- 수지2 : 헤테로상 폴리프로필렌 수지(융점 : 140℃)
- 수지3 : 폴리올레핀 엘라스토머(융점 : 74℃; MI : 1.0; 비중 : 0.885 g/㎤)
- 수지4 : 폴리올레핀 엘라스토머(융점 : 68℃; MI : 3.0; 비중 : 0.880 g/㎤)
- 수지5 : 폴리올레핀 엘라스토머(융점 : 62℃; MI : 5.0; 비중 : 0.875 g/㎤)
- 수지6 : 폴리올레핀 엘라스토머(융점 : 98℃; MI : 3.5; 비중 : 0.902 g/㎤)
- 수지7 : 말레산 무수물이 그라프트된 폴리올레핀 엘라스토머
- 수지8 : 변성 폴리프로필렌 수지
- 난연제1 : 수산화마그네슘
- 난연제2 : 멜라민시아누레이트
- 충전제 : 탄산칼슘
2. 물성 평가
1) 상온 기계적 특성 평가
규격 KS C 3341에 따라 실시예 및 비교예 각각의 절연층 시편(두께 1 mm)에 대해 200 mm/min의 속도로 인장강도 및 신장율을 측정했다.
2) 가열특성 평가
규격 KS C 3341에 따라 실시예 및 비교예 각각의 절연층 시편(두께 1 mm)을 135℃의 오븐에 투입하고 168시간 경과 후 꺼내어 상온에서 충분한 시간 동안 식힌 후 200 mm/min의 속도로 인장강도 및 신장율을 측정하여 상온 인장강도 및 신장율 대비 인장잔율 및 신장잔율을 계산했다.
3) 산소지수 평가 및 수직화염전파시험
규격 KS C 3341 및 IEC 60332-1에 따라 절연층 시편(두께 3 mm)에 대해 산소지수를 측정했고, 케이블 시편 1가닥을 지면으로부터 수직으로 고정하고 정해진 규격의 버너를 케이블 시편과 45°의 각도로 배치하여 화염을 60초 동안 인가한 후 자연소화시 절연층이 연소되지 않은 부분의 길이를 5회 측정했고, 5회 모두 상기 길이는 상부 지시테이프로부터 50mm 이상이어야 양호이다. 여기서, 평가 결과는 x/y로 기재하고 y는 평가 횟수, x는 양호로 평가된 횟수이다.
4) DC 전기적 특성 평가
규격 IEC 62930에 따라 케이블 시편을 85℃ 및 1% 농도의 염수에 침지시킨 상태로 500 V의 DC 전압을 인가한 후 240시간 동안 절연파괴 발생 여부를 평가했다.
5) 압출성 평가
규격 ASTM D1238에 준하여 기존의 용융지수(MI) 평가 설비에서 용융흐름지수(MFR)를 측정했고, MDR(melt-draw ratio) 평가 설비를 이용하여 최저점토크(ML)를 측정했다.
구체적으로, 용융흐름지수(MFR)는 수직으로 뚫려 있고 아래 캐필러리가 배치된 배럴에 절연 시편(두께 3 mm, 가로/세로 각각 3 mm 이하)을 채우고 녹인 뒤에 190℃에서 21.6 kg의 하중을 인가할때 10분 동안 캐필러리를 통과하여 아래로 배출된 절연 조성물의 질량(g/10min)을 측정함으로써 구할 수 있다.
또한, MDR 평가 설비는 일반적으로 가교재료의 고온 가교특성을 평가하기 위한 설비로 위아래로 배치된 원판 사이에 절연 시편을 끼우고 190℃에서 아래쪽 원판을 정해진 각속도로 일정한 구간을 반복 회전시키면서 위쪽 원판에 걸리는 토크를 측정하고, 측정된 토크 중 최소값(lb-in)이 최저점토크(ML)이다.
여기서, 용융흐름지수(MFR)는 20 내지 26 g/10min이고, 최저점토크(ML)는 1.1 내지 1.3 lb-in이어야 한다.
상기 물성 평가 결과는 아래 표 2에 기재된 바와 같다.
단위 spec. 실시예 비교예
1 2 1 2 3 4 5 6 7
상온
물성		 인장강도 kgf/㎟ >1.013 1.087 1.053 1.127 1.098 1.048 0.917 1.647 1.185 1.106
신장율 % >125 278.5 255.7 213.5 68.9 119.2 327.8 272.2 225.1 259.2
가열
특성		 인장잔율 % 70~130 83.9 79.2 78.3 107.4 106.9 115.3 92.1 83.7 75.7
신장잔율 % 70~130 92.1 108.5 91.2 57.9 121.1 64.3 68.8 89.8 87.2
난연
특성		 산소지수 % 34.0 34.5 36.5 27.5 33.5 35.5 34.5 34.5 36.0
수직화염전파 시험 Pass/시료수 5/5 5/5 5/5 5/5 0/5 2/5 5/5 3/5 0/5 5/5
DC 전기적 특성 - 절연파괴 여부 pass pass pass fail pass pass pass pass fail
압출성 MFR
(190℃/21.6kg)		 g/10min 20~26 24.58 23.10 4.13 3.72 5.81 2.42 6.72 6.72 5.10
ML(190℃) lb-in 1.1~1.3 1.22 1.27 2.86 3.12 2.72 3.50 2.54 2.42 2.75
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 갖는 케이블은 상온 기계적 특성, 내열성, 난연성, 내수성, 압출성 등이 모두 우수한 반면, 비교예 1 내지 4, 6 및 7은 베이스 수지로서 헤테로상 폴리프로필렌 수지의 함량이 기준 초과로 절연 조성물의 압출시 압출 부하의 증가로 압출성이 크게 저하되는 것으로 확인되었다.
추가로, 비교예 2는 변성 폴리올레핀 엘라스토머가 아닌 변성 폴리프로필렌을 적용하여 베이스 수지의 필러 로딩성이 상대적으로 불충분한 이유로 난연제 등에 대한 필러 로딩성이 불충분하여 신장율, 내열성, 난연성, 내수성 등이 크게 저하된 것으로 확인되었고, 비교예 3은 베이스 수지로서 폴리올레핀 엘라스토머의 융점이 너무 높아 난연제에 대한 로딩성이 불충분하여 난연성이 저하된 것으로 확인되었다.
또한, 비교예 4는 베이스 수지로서 호모상 폴리프로필렌 수지를 포함하지 않아 내열성, 가열변형 특성 등이 크게 저하되고, 비교예 5는 베이스 수지로서 헤테로상 폴리프로필렌 수지를 포함하지 않아 내열성, 난연성 등이 저하된 것으로 확인되었다.
그리고, 비교예 6은 난연제 함량이 불충분하여 난연성이 기준 미달이고, 비교예 7은 난연제로서 적용된 금속수산화물의 표면이 소수성으로 처리되지 않아 내수성이 크게 저하됨으로써 DC 전기적 특성이 저하된 것으로 확인되었다.
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 : 절연층

Claims (13)

  1. 전력 케이블의 절연층 형성용 절연 조성물로서,
    폴리프로필렌 수지 및 폴리올레핀 엘라스토머 수지를 포함하고,
    상기 폴리프로필렌 수지는 호모상 폴리프로필렌 수지 및 헤테로상 폴리프로필렌 수지를 포함하며,
    상기 폴리올레핀 엘라스토머 수지는 융점(Tm)이 60 내지 90℃이고,
    상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편의 용융흐름지수(MFR)가 20 내지 26 g/10min(190℃,21.6kg)인 것을 특징으로 하는 절연 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 조성물로부터 형성된 절연층 시편은 최저점토크(ML)(190℃)가 1.1 내지 1.3 lb-in인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물
  3. 제2항에 있어서,
    상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단량체와 에틸렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐 및 1-옥텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체의 공중합에 의해 형성되는 프로필렌 블록공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로필렌 블록공중합체는 메탈로센 촉매하에서 중합되는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 호모상 폴리프로필렌 수지는 융점(Tm)이 160 내지 170℃인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지는 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지 내에 고무상 폴리프로필렌 수지가 분산된 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결정상 또는 반결정상 폴리프로필렌 매트릭스 수지는 프로필렌 단독중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고무상 폴리프로필렌 수지는 프로필렌-에틸렌 고무(PER) 또는 프로필렌-에틸렌 디엔 고무(EPDM)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 호모상 폴리프로필렌 수지의 함량은 10 내지 25 중량부이고, 상기 헤테로상 폴리프로필렌 수지의 함량은 5 내지 10 중량부이며, 상기 폴리올레핀 엘라스토머 수지의 함량은 50 내지 85 중량부인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 폴리올레핀 엘라스토머 수지 중 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 폴리올레핀 엘라스토머의 함량은 10 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 난연제로서 수산화마그네슘 150 내지 190 중량부 및 난연보조제로서 멜라민시아누레이트 15 내지 22 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로, 충전제로서 탄산칼슘(CaCO3)을 1 내지 20 중량부로 포함하고, 기타 첨가제로서 활제, 산화방지제, 흡습제, 가공안정제 및 안료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 0.1 내지 10 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 조성물.
  13. 도체; 및
    상기 도체를 감싸고 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 절연 조성물로부터 형성된 절연층을 포함하는, 전력 케이블.
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