KR920001722B1 - 유기 중합체 고형 절연물 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
첨부도면은 5종의 크기를 갖는 실리카의 충전 모형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1-5 : 서로 크기가 다른 실리카
본 발명은 유기 중합체 고형 절연물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 불포화 폴리에스테르 수지 및 불포화 폴리에스테르의 경화제인 과산화물을 배합한 유기재료와, 순도 99.0% 이상의 순도와 5종 이상의 크기를 갖는 실리카 및 전기 특성 강화제를 배합한 무기재료를 혼합하여 경화시킨 재료로서 전기적, 기계적 화학적 성질이 뛰어잔 유기 중합체 고형 절연물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 유기 중합체 고형 절연물은 기존 재료보다 뛰어난 전기 절연체로서 전기부싱, 애자, 변류기, 변성기, 변압기, 절연지지물등과 같은 전기기기 등을 몰딩할 수 있는 특성 때문에 넓은 용도에서 이용할 수 있다.
기존 사용되는 자기나 에폭시 수지에 비해 에너지 사용량이 적다. 본 발명의 목적은 불포화 폴리에스테르, 5종 이상의 크기를 갖는 실리카 및 두 재료를 화학적으로 결합하여 주는 실란을 이용하여 만들어진 전기 절연재료를 제공하는데 있다.
화학적인 결합을 간략히 도시하면 하기 구조식(I)과 같다.
UP : 불포화 폴리에스테르
SM : 스틸렌 모노머
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 재료는 전기적, 기계적, 화학적 특성이 뛰어나 옥 내·외용 절연체로서 적합하다. 구체적인 재료제조 공정을 살펴보면 다음과 같다.
주 재료인 불포화 폴리에스테르, 플라스틱 첨가제(소포제) 2종 이상, 가속제 및 유·무기 화합물간의 상호 결합제를 넣고 믹서로 혼합한 후 경화제를 넣는다. 이때 주 재료와 경화제는 일반 불포화 폴리에스테르의 반응과 같다.
본 발명에서 사용된 경화제는 메칠 에틸 케톤 과산화물로서 상온에서 경화 가능하다.
이와같이 혼합된 유기재료는 5-20중량%로서 고가인 유기물 비율이 낮으므로 저가로 절연재료를 제조할 수 있다. 한편, 무기재료는 99.0% 이상의 순도를 갖는 5종 이상의 크기로 구성된 실리카, 전기특성 중진제 및 안료 2종 이상을 넣어 혼합한 것이다.
5종 이상의 크기로 구성된 실리카는 최종 절연제품의 무기재료충전 비율을 높여 전기적, 기계적 성능을 증대시키며, 그 미세구조의 단면은 도면과 같다.
도면에서 도시한 실리카 재료들의 입자크기는 다음과 같다.
① 600μm-300μm 크기의 큰 입자
② 425μm-150μm 크기의 중간 입자
③ 212μm-106μm 크기의 작은 입자
④ 평균입잔크기 7.4μm내의 정제 실리카 분말
⑤ 평균입자크기 3.6μm 내외의 미세 분말
충전되는 실리카는 실리카 광산에서 채석하여 터어보 밀(원심력을 이용한 분쇄기)을 이용하여 분쇄되며 99.0% 순도를 갖는 실리카입자이고, 정제 실리카 분말은 실리카 전문공장에서 가공처리된 고순도 실리카 분말이다.
이들 실리카의 체 분석은 다음표 1과 같다.
[표 1]
이와같은 각각 크기가 다른 실리카를 충전시킬때, 그 내부 구성은 큰 입자(실리카I)로 채우고 난 다음 빈공간을 중간 크기입자(실리카II, 실리카III)으로 충전시키며 마지막으로 아주 고운 105μm 및, 15μm 이하의 작은 입자(분말상태의 입자)로 충전시킨다. 이와같은 충전방식은 가장 안정된 구조를 갖게 되며 값싼 모래를 사용하기 때문에 기존 절연제품에 비해서 재료비를 줄일수 있게 된다. 또한 높은 전압에서 전기적으로 안정된 수산화 알루미늄을 입자 상태로 사용한다.
안료로는 일반적인 이산화티탄을 무기재료중 2중량% 정도 혼합한 것을 사용하고 또한 원하는 색상의 안료를 미소량 혼합하여, 본 재료를 이용한 절연제품 색상을 결정하게 된다.
상술한 무기재료의 빈공간은 전기, 절연 특성상 취약부분이 되므로 그 빈공간을 충전시키기 위하여 유기중합체로서 점도(60-100cps)가 낮은 불포화 폴리에스테르(스티렌 모노머를 40-60중량% 함유하고 있음)를 유기재료의 주재료로 사용하고 스티렌 모노머를 유기재료중 6-12중량% 첨가시켜 가교제, 희석제로 사용하며, 스티렌 모노머의 양을 조절하여 수축을, 강도 및 작업시간을 필요에 따라 조정할 수 있다.
즉, 주재료 및 희석제의 혼합비율을 조정함에 따라 작업시간을 바꿀 수 있다. 주재료인 불포화 폴리에스테르의 경화제는 과산화물로서 상온에서 경화가 가능한 메틸 에틸 케톤 과산화물 또는 유사 과산화물을 사용하며, 온도 및 습도에 따라 촉진제로서 6% 코발트 나프테네이트를 사용하고, 감속제로서 히드로 퀴논을 사용할 수도 있다.
한편, 유기 중합체의 기포 제거를 위해 소포제로서 특수 플라스틱 첨가제를 2종 첨가하여 사용하므로서 전기적인 특성을 향상시키고 있다. 또한 유기재료의 체인과 무기재료의 Si를 결합시키기 위한 실란에 의해 화학결합을 시켜서 좀더 강하고 치밀한 구조를 이루도록 한다.
본 재료는 5종 이상의 크기로 구성된 실리카 및 특성 향상제를 포함하는 80-95중량%의 저점도의 불포화 폴리에스테르 및 기타 유기 첨가제를 혼합한 5-20중량%의 유기재료를 혼합 사용하지만 사용용도에 따라 점도 및 특성을 조정할 수 있는 장점을 갖고 있다. 유기재료의 양에 따라, 점도가 변화하며 그 점도의 변화는 작업성에 밀접한 관계가 있으며, 동시에 가격에도 미치는 영향이 크다.
이와같이 소량의 유기재료와 다량의 무기재료가 혼합되어 발열반응을 일으킬때, 소량의 유기재료에서 발생되는 적은 양의 반응열을 다량의 무기재료가 흡수하므로 열 수축이 적어서 완성 절연제품의 치수를 정밀하게 유지할 수 있고 경화시에 균열 현상을 방지할 수 있다.
한편, 본 재료의 선팽창 계수는 몰딩제품에 삽입되는 금속의 선팽창 계수와 유사하므로 몰딩된 금속 삽입물이 안정되게 고정될 수 있다. 삽입물로 쓰이는 특수강, 동, 알루미늄과 본 재료의 선팽창계수를 비교한 값는 표 2에 도시되어 있다.
[표 2]
제조방법을 살펴보면, 처음에 무기재료를 혼합할때, 진동형 혼합기를 사용하면 그 혼합 속도가 빠르며 균일하게 섞이게 하여 완전 혼합된 무기재료를 얻을 수 있다. 진동형 혼합기중 효율이 뛰어난 구조는 금속통의 하부 금속판을 일정 각도로 기울이고 그 주위를 유연성이 있는 고무판으로 금속 통과 연결시켜서 하부판이 원하는 속도로 움직이게 하는 것으로 이 하부판이 금속판 내부에 담기는 무기재료 입자와 유기재료에 충격을 가하게 되므로 재료입자 무게의 10배 이상의 충격을 줄 수 있게 된다.
최후로 경화제를 넣고 혼합하면 화학반응이 시작된다. 혼합된 유기재료를 무기재료가 혼합되어 있는 진동형 혼합기에 부어 잘 섞는다. 이와같이 만들어진 혼합 재료를 진공조 내부에 넣고 진동을 가하면 본 재료의 혼합 과정에서 생성된 기포를 제거할 수 있으며, 이때의 진공도는 58-20mmHg를 유지한다.
이와같은 제조과정에서 소량의 액체 유기재료와 다량의 고체 무기재료를 혼합하기 때문에 그 혼합물의 점도가 높아서 고진동을 행해야만 기포가 제거될 수 있다.
그후 몰드를 진공조내에 고정시키고 진공(진공도 5-20mmhg) 상태를 유지하여 진동을 가하면서 혼합물을 주입한다. 주입완료후 몰드에 10분 이상의 진동을 인가하면 가장 치밀한 구조를 갖게 된다.
이때 사용하는 몰드는 일반적인 금속 재료의 금형이 아니고 아래와 같은 제조과정을 거쳐 제조한 고무몰드이다. 고무몰드 제조과정을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 우선, 본 재료를 용융하여 만든 절연 제품 형상과 동일한 금속 모형(주로 알루미늄을 이용)을 제조하되 고무몰드 제조가 용이하도록 본 모형을 이용하여 분할 제작해야 한다.
제조된 금속 모형을 고무몰드 외함에 조립하고 상온 경화된 실리콘 고무를 외함 내부에 주입하면 제품 형상이 부조된 고무몰드를 얻게 된다. 이때 고무몰드는 상온에서 24시간 경화시키는데 그 이유는 수축을 최소화하여 정밀한 치수를 얻기 위해서이다. 이와 같이 제조된 고무몰드에 재료를 주입시켜 전기 절연체 및 기기를 제작할 수 있다.
고무의 이용은 고무몰드에 적정 주파수의 진동을 인가하므로서 유기재료의 주재료인 불포화 폴리에스테르에 포함되어 있는 왁스를 제품 표면으로 베어나오게 하여 내후성 및 외관을 좋게 한다.
본 발명 재료의 주입이 완료된 후 상온에서 3-4시간 경화시킨 후 탈형하여 다시 상온에서 24시간 경화시킨 다음 최종 마무리 단계는 3시간 정도의 가열 경화로써 고 특성의 절연재료를 주입한 전기 절연 부품 및 기기를 만들 수 있게 된다. 또한 제품 형상 및 치수에 따라 전기 절연재료 특성의 중요 항목인 부분 방전내력을 향상시키기 위하여 전계 집중 부위의 절연제품 표면에 반도전성 도료를 도포하므로써 전계 분포의 집중도를 완화시켜 절연제품의 내용넌한을 증각시킬 수 있다. 이때 제품의 형상 및 치수에 따라서는 반도전성 도료를 도포한 부위의 끝부분이 칼날과 같이 날카로운 형상을 갖게 되므로 전계 집중 현상이 발생하여 공기와 직접 접하면 접촉 공기가 방전하여 전기적 열화형상이 진핼될 수 있으므로 반도전성 도료의 도포 부위단부를 이 액성 고급 절연 에폭시 주리로 코팅하므로서 공기와의 접촉을 막아 주기도 한다.
이와같은 방법으로 제조된 전기 절연제품 및 기기는 전기적으로 매우 안정되어 내후성 및 내아-크성이 우수하므로 옥외 설치용 전기 기기 및 부품으로도 유용하게 사용될 수 있고, 옥내용으로도 그 내구성이 뛰어나 장기간의 절연 특성을 유지하므로 수명이 매우 길다.
하기 실시예는 본 발명의 공정을 더욱 설명하기 위한 것이다.
[실시예 1]
불포화 폴리에스테르의 양을 2012g으로 한 유기재료 12.75중량%와, 무기재료 87.25%을 혼합하여 온도 27℃, 상대 습도 47.5%에서 절대압력 5-20mmHg 이하로 21분간 진공을 유지시키며 동시에 진동 테이블에서 21분간 진동을 인가했을때 겔화 시간은 39분간이었다.
이때 제조된 시편의 기계적 강도를 살펴보면, 압축강도는 1488Kgf/cm2이고, 인장강도는 219Kgf/cm2이었다. 주재료인 불포화 폴리에스테르에 첨가된 스티렌 모노머와 추가시킨 스티렌 모노머의 총량은 불포화 폴리에스테르의 양의 60중량%를 차지했다. 이때 스티렌 모노머의 양을 증가시킬수록 본 발명 재료의 인장강도는 증가하고 압축강도는 감소한다.
[실시예 2]
불포화 폴리에스테르의 양을 1630g으로 한 유기재료 13.75중량%와, 무기재료 86.25%를 혼합하여, 온도 22.2℃, 상대 습도 75%에서 절대압력 5-20mmHg 이하에서 15분간 진공을 유지시키면서 동시에 진동 테이블에서 15분간 진동을 인가했을때 겔화시간은 57분간이었다.
이때 제조된 시편의 기계적 강도를 살펴보면, 즉, 압축강도는 1422Kgf/cm2이고, 인장강도는 243Kgf/cm2이었다. 한편, 첨가물중 실란을 유기재료의 0.5-2.0중량%로 변화시켜가며 최적 조건을 찾아본 결과, 실란의 최적비는 유기재료의 1.5중량%로 했을때 최대 인장강도를 가졌다. 또한 실란의 농도변화는 압축 강도에는 크게 영향을 미치지 않았다.
[실시예 3]
불포화 폴리에스테르의 양을 3230g으로 한 유기재료 16.45중량%와 무기재료 83.55%를 혼합하여, 온도 24℃, 상대 습도 55%에서 절대압력 5-20mmHg 이하로 20분간 진공을 유지시키면서 동시에 진동을 주었을때 겔화시간은 35분간이었다.
이때 제조된 재료의 전기적, 기계적, 화학적 특성으로 인해 일반 전기 절연 재료로서의 성능이 우수하게 나타나며 그 특성의 구체적인 내용은 다음과 같다.
절연 파괴 전압 15.8KV/MM, 유전율(건조, 상온, 60Hz) 4.3, 유전정접(tan), 건조, 상온, 60Hz) 0.17%, 체적 저항률(건조, 상온) 2×1015ohm/cm, 표면 내아크 저항 240sec, 압축강도 1540Kgf/cm2, 인장강도 224Kgf/cm2, 굽힘강도 650Kgf/cm2, 선팽창 계수(건조, 25℃) 16-20×10-6/℃, 비중 2.18이다. 이 특성은 고전압 절연재료로서 상당히 우수한 재료로 평가될 수 있다.
Claims (7)
- 5종 이상의 크기로 구성되고 99.0% 이상의 순도를 갖는 실리카, 수산화알루미늄 및 이산화티탄과 혼합된 안료를 포함하는 80-95중량%의 무기재료와, 상온에서 10-150cps 정도를 갖고 스티렌 모노머를 함유하고 있는(불포화 폴리에스테르의 40-60중량% 차지) 불포화 폴리에스테르, 가교제 및 희석제로서의 스티렌 모노머, 촉진제로서의 6% 코발트 나프테네이트, 감속제로서의 히드로퀴논, 소포제로서의 특수 플라스틱 첨가제 2종, 유·무기재료의 결합제로서의 실란, 및 분포화 폴리에스테르 경화제로서의 메틸 케톤과 산화물 또는 유사 과산화물을 포함하는 5-20중량%의 유기재료로 구성되며, 여기서, 상기 이산화티탄은 무기재료의 2중량%, 상기 스티렌 모노머는 유기재료의 6-12중량%, 상기 실란은 유기재료의 0.5-2.0중량%를 차지하는 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물.
- 제1항에 있어서, 절연파괴 전압이 최소한 15.8KV/MM인 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물.
- 제1항에 있어서, 압축강도가 최소한 1540Kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물.
- 제1항에 있어서, 인장강도가 최소한 224Kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물.
- 제1항에 있어서, 굽힘강도가 최소한 650Kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물.
- 진동형 혼합기를 사용하여, 실리카, 수산화 알루미늄 및 이산화티탄과 혼합된 안료를 포함하는 80-95중량%의 무기재료를 잘 섞은 다음, 스티렌 모노머를 함유하고 잇는(불포화 폴리에스테르의 40-60중량% 차지) 불포화 폴리에스테르, 가교제 및 희석제로서의 스티렌 모노머, 촉진제로서의 6% 코발트 나프테네이트, 감속제로서의 히드로퀴논, 소포제로서의 특수 플라스틱 첨가제 2종, 유·무기재료의 결합제로서의 실란, 및 불포화 폴리에스테르 경화제로서의 메틸 케톤과 산화물 또는 유사과산화물을 포함하는 5-20중량%의 유기재료를 상기 무기재료가 혼합되어 있는 진동형 혼합기에 주입하여 혼합시키는 단계; 상기 혼합된 유·무기재료를 5-20mmHg의 진공도를 유지하는 진공조 내부에 넣어 진공을 유지시킴과 동시에 진동 테이블에서 진동을 인가하여 기포를 제거시키는 단계; 실리콘 고무로 제조된 몰드를 상기 진공조내에 고정시키고 진동을 가하면서 상기 혼합된 유·무기재료를 주입시키는 단계; 및 주입완료 후, 상온에서 3-4시간 경화시킨 다음, 탈형하여 다시 상온에서 24시간 경화시킨 후, 3시간 정도로 가열 경화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 유기 중합체 절연물을 사용한 고전압 절연기기 표면의 부분 방전내력을 향상시키기 위하여 상기 절연 기기 표면에 반도전성 도료를 도포하고 그 도포부의 단부에 고성능 절연 에폭시 수지로 코팅시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 중합체 고형 절연물의 제조방법.
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