WO2021086090A1 - 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블 - Google Patents

케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블 Download PDF

Info

Publication number
WO2021086090A1
WO2021086090A1 PCT/KR2020/014974 KR2020014974W WO2021086090A1 WO 2021086090 A1 WO2021086090 A1 WO 2021086090A1 KR 2020014974 W KR2020014974 W KR 2020014974W WO 2021086090 A1 WO2021086090 A1 WO 2021086090A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ethylene
polypropylene
ternary composition
insulation layer
propylene copolymer
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/014974
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
유승건
이대호
한세원
안명상
한진아
박효열
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Publication of WO2021086090A1 publication Critical patent/WO2021086090A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/44—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins
    • H01B3/441—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins from alkenes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/12—Powdering or granulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/12—Powdering or granulating
    • C08J3/126—Polymer particles coated by polymer, e.g. core shell structures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L23/02—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L23/10—Homopolymers or copolymers of propene
    • C08L23/12—Polypropene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L23/02—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L23/16—Elastomeric ethene-propene or ethene-propene-diene copolymers, e.g. EPR and EPDM rubbers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/44—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/02—Disposition of insulation

Definitions

  • the present invention relates to a ternary composition for a cable insulation layer, a method for producing the same, and a cable insulation layer including the same, and to a power cable, and more specifically, flexibility, heat resistance, and mechanical properties by using polypropylene, an elastomer, and an ethylene-propylene copolymer. And a ternary composition for a cable insulating layer to improve electrical properties, a method of manufacturing the same, and a cable insulating layer including the same, and a power cable.
  • HVAC high voltage direct current
  • HVAC high voltage alternative current
  • HVDC technology can be expected to improve efficiency through capacity enhancement and improve cable performance by reducing signal loss over long spans. Therefore, as an insulating layer material to secure the power transmission stability of such cables, development of a material that can secure electrical stability such as increased commercial operating temperature and suppression of electric field stress by replacing crosslinked polyethylene that has been widely used in the past. I need this.
  • cross-linked polyethylenes are chemically cross-linked between molecules, so when they are discarded after the expiration of their useful life, there are great restrictions to recycling them, and they have environmental problems. For this reason, the use of polypropylene in the insulating layer has the potential as a new alternative to crosslinked polyethylene.
  • polypropylene Unlike cross-linked polyethylene, polypropylene has a high commercial operating temperature of 110°C or higher by its inherent high melting point close to 160°C without a separate crosslinking process, high insulation resistance, dielectric breakdown voltage, and low dielectric loss. It has very good unique electrical properties as well.
  • polypropylene is unsuitable for use as an insulator in cables alone because of its inherent stiffness.
  • rubber since rubber has inherently poor insulation resistance, it reduces the resistance of polypropylene, thereby reducing electrical properties, causing problems such as a decrease in insulation breakdown voltage and a decrease in space charge distribution characteristics.
  • the heat deflection temperature of rubber is about 100°C or less, which is very low compared to polypropylene.
  • the thermal stability of polypropylene is lowered, and thus it is limited to be used as a material for a cable insulation layer.
  • the present invention was invented to solve the above problems, and it is a technical solution to provide a ternary composition for a cable insulation layer having excellent flexibility, heat resistance, mechanical and electrical properties, a method of manufacturing the same, and a cable insulation layer including the same, and a power cable. Make it an assignment.
  • the present invention includes a polypropylene matrix; An elastic core made of an elastic body dispersed on the polypropylene matrix; And a copolymer shell made of an ethylene-propylene copolymer formed to surround the outside of the elastic core.
  • the average size of the elastic body is 2 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the copolymer shell comprises the elastic core and the polypropylene matrix. After being formed along the interface of the propylene matrix, the average size of the elastic body is characterized in that 0.05 to 1 ⁇ m.
  • the present invention provides a cable insulation layer comprising the ternary composition for the cable insulation layer.
  • the present invention in order to solve the another problem of the above, the conductor; And an insulating layer formed by coating the ternary composition on the outside of the conductor.
  • the ternary composition for a cable insulation layer according to the present invention reduces the size of the elastomer dispersed in the ternary composition through an ethylene-propylene copolymer.
  • the tensile strength can be greatly increased without lowering the elongation, and the modulus of elasticity can be increased not only at room temperature, but also at high temperature.
  • 1 is a SEM photograph of a conventional two-component composition for a cable insulation layer.
  • Figure 2 is a SEM photograph according to the present invention.
  • Figure 3 is a graph showing the size of the elastic core according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer.
  • Figure 4 is a graph showing the storage modulus according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer.
  • Figure 5 is a graph showing the thermal stability according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer.
  • FIG. 6 is a graph showing the elongation, modulus, and tensile strength according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer.
  • FIG. 1 is a SEM photograph of a conventional two-component composition for a cable insulating layer. As shown in FIG. 1, in the related art, it was intended to impart flexibility to polypropylene through mixing of an elastic body such as rubber.
  • FIG. 1A is a SEM photograph showing a state in which 90wt% of polypropylene and 10wt% of an elastomer are mixed
  • FIG. 1B is a SEM photograph illustrating a state in which 80wt% of polypropylene and 20wt% of an elastomer are mixed
  • FIG. It is shown in the SEM image of the mixture of 30wt% of the elastomer in %.
  • the size of the elastomer dispersed in polypropylene increases as the content of the elastomer increases to 10wt%, 20wt%, and 30wt% in the composition.
  • mechanical and thermal instability occurs due to the large phase separation of the elastic body according to the difference in surface energy from the polypropylene.
  • a ternary composition capable of improving flexibility, heat resistance, mechanical and electrical properties by using polypropylene, an elastomer, and an ethylene-propylene copolymer, a manufacturing method thereof, and a cable including the same. I would like to present an insulation layer and a power cable.
  • the present invention relates to a ternary composition for a cable insulation layer, comprising a polypropylene matrix, an elastic core made of an elastic body dispersed on the polypropylene matrix, and an ethylene-propylene copolymer formed in a form surrounding the outside of the elastic core.
  • a copolymer shell By being made of a copolymer shell, it is characterized in that the size of the elastic core is also controllable while the elastic core is dispersed on the polypropylene matrix.
  • the ternary composition for a cable insulation layer of the present invention comprises a polypropylene matrix 10, an elastic core 20, and a copolymer shell 30.
  • the elastic core 20 is present in a dispersed state on the polypropylene matrix 10, and the elastic core 20 is enclosed by the copolymer shell 30. I can.
  • polypropylene which forms the polypropylene matrix
  • polypropylene is a polymer made of propylene as a monomer, and has not been well applied to cables in the past. It has a high commercial operating temperature, and at the same time has very good intrinsic electrical properties such as high insulation resistance, dielectric breakdown voltage, and low dielectric loss, which has recently been in the spotlight.
  • the polypropylene matrix is contained in 75 to 85 wt% of the total weight of the ternary composition, but if it is less than 75 wt%, it is used as an insulating layer surrounding the conductor, so it is an amount that does not provide sufficient electrical properties. It peels off easily, and if it exceeds 85wt%, it is difficult to commercialize it due to insufficient flexibility in the insulating layer surrounding the conductor. Accordingly, it is preferable that the polypropylene matrix is appropriately adjusted and included in the range of 75 to 85 wt%.
  • the polypropylene matrix may be selected from the group consisting of Homo polypropylene, random polypropylene, block polypropylene, and mixtures thereof, but purely composed of a single bond of propylene only. Therefore, it is preferable to use homopolypropylene having high crystallinity and relatively excellent mechanical properties such as tensile strength and stiffness.
  • the elastic body constituting the elastic core is a configuration that imparts flexibility to the rigid polypropylene.
  • polypropylene itself is a brittle material, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, styrene-ethylene-butadiene-stylene (SEBS) rubber and It is complemented with an elastic body such as polyolefin resin.
  • EPDM ethylene-propylene-diene monomer
  • SEBS styrene-ethylene-butadiene-stylene
  • an elastic body such as polyolefin resin.
  • it is not only limited to the type of elastic body described above, and various materials having elasticity can be applied.
  • the polyolefin resin is at least one selected from the group consisting of an alpha olefin having 2 to 20 carbon atoms, a diolefin having 1 to 20 carbon atoms, a cycloolefin having 3 to 20 carbon atoms, and a cyclodiolefin having 3 to 20 carbon atoms. It is preferable to contain an olefinic monomer.
  • the elastomer should be added in the range of 5 to 15 wt% of the total weight of the ternary composition.
  • the ethylene-propylene copolymer constituting the copolymer shell is formed at the interface between the elastomer and the polypropylene matrix while allowing the elastomer to be evenly dispersed on the polypropylene matrix to hold the elastomer firmly and reduce the size of the elastomer at the same time. to be.
  • the ethylene-propylene copolymer is made by copolymerizing ethylene and propylene to randomize the arrangement of two monomers, and it can be said to have the same meaning as a polypropylene random copolymer resin having excellent heat resistance.
  • the reason why the ethylene-propylene copolymer is included in the polypropylene matrix together with the elastomer is to improve the dispersion, even if only the elastomer is mixed in the polypropylene matrix, no matter how much agitation is performed.
  • the surface energy of the elastomer and the ethylene-propylene copolymer is large just by the inclusion of the ethylene-propylene copolymer, which improves the dispersibility of the elastomers on the polypropylene matrix due to this difference in surface energy.
  • the ethylene content is contained in an amount of 0.1 to 15 wt%, but if it is less than 0.1 wt%, the interface of the elastomer cannot be completely covered in an amount insufficient to impart flexibility to propylene, and may remain as fragments on the polypropylene matrix. However, if it exceeds 15wt%, there is a disadvantage that it cannot be stably bonded along the interface of the elastomer.
  • 2A is a SEM photograph of a ternary composition for a cable insulating layer composed of a polypropylene matrix, an elastic core, and a copolymer shell, when the ethylene-propylene copolymer occupies 5 wt% of the total weight of the ternary composition.
  • FIG. 2B is a SEM photograph of a ternary composition for a cable insulating layer composed of a polypropylene matrix, an elastic core, and a copolymer shell, when the ethylene-propylene copolymer occupies 10 wt% of the total weight of the ternary composition.
  • FIG. 2C is a SEM photograph of a ternary composition for a cable insulating layer composed of a polypropylene matrix, an elastic core, and a copolymer shell, when the ethylene-propylene copolymer occupies 15 wt% of the total weight of the ternary composition.
  • FIG. 2D is a SEM photograph of a state in which an elastic core is not present. Unlike FIGS. 2A, 2B, and 2C, an elastic body is not mixed and only 20 wt% of an ethylene-propylene copolymer is mixed with 80 wt% of polypropylene. Since there is no elastic body, it is confirmed that there is no elastic core, which is a spherical domain separated/dispersed on the polypropylene matrix.
  • the elastic core 20 on the polypropylene matrix 10 as a base material Is dispersed, it can be seen that the copolymer shell 30 is formed on the outside of the dispersed elastic core 20.
  • the size of the macroelastic body is reduced as 5 wt% of the ethylene-propylene copolymer is added, but it is still seen that an elastic body exceeding the size of 10 ⁇ m exists.
  • 3 is a graph showing the size of the elastic core according to the amount of ethylene-propylene copolymer mixed, and a graph showing the degree of change in the average size of the elastic core depending on how much of the ethylene-propylene copolymer is mixed. .
  • RPP0 in FIG. 3 shows the average size change of the elastic core when the ethylene-propylene copolymer is not added and the elastomer is mixed with polypropylene as in FIG. 1, and rPP5 is the ethylene-propylene copolymer as in FIG. 2A.
  • rPP10 shows the average size change of the elastic core when the ethylene-propylene copolymer occupies 10wt% of the total weight of the ternary composition.
  • rPP15 represents the change in the average size of the elastic core when the ethylene-propylene copolymer occupies 15 wt% of the total weight of the ternary composition.
  • the size of the elastomer is partially reduced, but there is still a large elastomer exceeding the size of 10 ⁇ m.
  • the elastomer has a size in the range of 0.05 to 1 ⁇ m.
  • the present invention relates to a method for preparing a ternary composition for a cable insulation layer, comprising the first step (S10) of preparing a polypropylene, an elastomer, and an ethylene-propylene copolymer, and a polypropylene, an elastomer, and an ethylene-propylene copolymer.
  • a ternary system in which an elastic core made of an elastomer is dispersed on a polypropylene matrix made of polypropylene by melting and mixing the coalescence at 150 ⁇ 250°C, and a copolymer shell in which the ethylene-propylene copolymer wraps the elastic core is formed. It characterized in that it comprises a second step (S20) of forming the composition.
  • the first step is a step of preparing a polypropylene, an elastomer, and an ethylene-propylene copolymer (S10).
  • polypropylene, elastomer, and ethylene-propylene copolymer are all prepared in the form of pellets having a diameter of 2 to 8 mm.
  • the elastic core made of the elastomer is dispersed on the polypropylene matrix made of polypropylene by melt mixing the polypropylene, the elastomer, and the ethylene-propylene copolymer at 150 to 250°C, and the ethylene-propylene copolymer forms the elastic core.
  • a ternary composition in which the enclosed copolymer shell is formed is formed (S20).
  • Polypropylene, elastomer, and ethylene-propylene copolymer are simultaneously added to the mixer preheated to 150-250°C to perform melt mixing.
  • Polypropylene, elastomer and ethylene-propylene copolymer have similar processing temperature ranges, so they can be added simultaneously. Melt mixing is possible.
  • the temperature range it is difficult to completely melt the polypropylene, elastomer and ethylene-propylene copolymer in the form of pellets below 150°C, and the physical properties between the polypropylene, elastomer and ethylene-propylene copolymer are transformed when exceeding 250°C. Therefore, it is preferable to melt-mix while appropriately adjusting within the range of 150 to 250°C.
  • Dispersant in which the phases of the polypropylene matrix and the elastomer are separated by melt mixing at 150 ⁇ 250°C, the ethylene-propylene copolymer and the elastomer are not chemically bonded, and the ethylene-propylene copolymer disperses the elastomers in the size of the nm unit.
  • the ethylene-propylene copolymer surrounds the outside of the elastomer due to the difference in surface energy between the elastomer and the ethylene-propylene copolymer.
  • the polypropylene matrix, the elastomer, and the ethylene-propylene copolymer are not completely mixed, but are separated into a ternary system, and the elastomer and the ethylene-propylene copolymer form a core-shell structure.
  • the cable insulation layer including the ternary composition for a cable insulation layer of the present invention described above it may be provided as an insulation material or an insulation material surrounding the outside of the conductor.
  • a power cable consists of a conductor and an insulating layer surrounding it, and an insulating layer including the ternary composition according to the present invention as an insulating material, and a power cable including the insulating layer can be provided.
  • Isotactic polypropylene resin in the form of pellets with a diameter of 5 mm to be a polypropylene matrix ethylene-octene copolymer resin in the form of pellets with a diameter of 5 mm to be an elastic core, polypropylene random air in the form of pellets with a diameter of 5 mm to be a copolymer shell
  • the melt index and melting point of the polymer resin were 7.0g/10min, 1.1g/10min, 14.0g/10min, and 160°C, 58°C, and 150°C, respectively.
  • the polypropylene random copolymer resin has the same meaning as the ethylene-propylene copolymer.
  • a ternary composition was prepared using 80 wt% of an isotactic polypropylene resin, 10 wt% of an ethylene-octene copolymer resin, and 10 wt% of a polypropylene random copolymer resin as a basic resin composition, but the rest of the process was the same as in Example 1.
  • the SEM photograph of the ternary composition according to Example 2 is shown in FIG. 2B.
  • a ternary composition was prepared using 80 wt% of an isotactic polypropylene resin, 5 wt% of an ethylene-octene copolymer resin, and 15 wt% of a polypropylene random copolymer resin as a basic resin composition, but the rest of the process was the same as in Example 1.
  • the SEM photograph of the ternary composition according to Example 3 is shown in FIG. 2C.
  • Example 1B The SEM photograph of the binary composition according to Comparative Example 1 is shown in FIG. 1B.
  • Peak 4 is a graph showing the storage modulus according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer.
  • peak 1 is Comparative Example 1
  • peak 2 is Example 1
  • peak 3 is Example 2
  • peak 4 is Example 3
  • peak 5 is in the ternary composition and binary composition prepared according to Comparative Example 2, respectively.
  • it is possible to check the change in the storage modulus starting from -100°C and passing through room temperature until it reaches 100°C.
  • Peak 5 is a graph showing thermal stability according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer.
  • peak 1 is Comparative Example 1
  • peak 2 is Example 1
  • peak 3 is Example 2
  • peak 4 is Example 3
  • peak 5 is in the ternary composition and binary composition prepared according to Comparative Example 2, respectively.
  • Tan delta is defined as Loss modulus/Storage modulus. If this value is small, it means the elastic state of storage modulus is large, and if this value is large, it means the viscous state of loss modulus is large.
  • Tg olefinic elastomer glass transition temperature
  • rPP content (wt%) on the x-axis means the content of the ethylene-propylene copolymer
  • 0 wt% is the binary composition of Comparative Example 1
  • 5 wt% is the ternary composition of Example 1
  • 10 wt% Is the ternary composition of Example 2
  • 15 wt% refers to the ternary composition of Example 3
  • 20 wt% refers to the binary composition of Comparative Example 2.
  • FIG. 7 is a graph showing the volume resistivity according to the mixing amount of ethylene-propylene copolymer. Referring to FIG. 7, it is confirmed that the volume resistivity overall increases according to the amount of the ethylene-propylene copolymer mixed.
  • rPP content (wt%) on the x-axis in FIG. 7 refers to the content of the ethylene-propylene copolymer, and on the x-axis, 0 wt% is the binary composition of Comparative Example 1, and 5 wt% is the ternary composition of Example 1, 10 wt% refers to the ternary composition of Example 2, 15 wt% refers to the ternary composition of Example 3, and 20 wt% refers to the binary composition of Comparative Example 2.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Insulating Materials (AREA)

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.

Description

케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블
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.
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.

Claims (7)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 삼성분계 조성물은 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 삼성분계 조성물인 것을 특징으로 하는 케이블 절연층용 삼성분계 조성물의 제조방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 케이블 절연층용 삼성분계 조성물을 포함하는 케이블 절연층.
  7. 도체; 및
    상기 도체의 외부에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 삼성분계 조성물이 코팅되어 형성되는 절연층;을 포함하여 이루어지는 전력케이블.
PCT/KR2020/014974 2019-11-01 2020-11-02 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블 WO2021086090A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2019-0138649 2019-11-01
KR1020190138649A KR20210052962A (ko) 2019-11-01 2019-11-01 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021086090A1 true WO2021086090A1 (ko) 2021-05-06

Family

ID=75716082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2020/014974 WO2021086090A1 (ko) 2019-11-01 2020-11-02 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20210052962A (ko)
WO (1) WO2021086090A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115651317A (zh) * 2022-11-30 2023-01-31 南方电网科学研究院有限责任公司 一种环保型聚丙烯绝缘料及其制备方法、应用和电缆

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230041346A (ko) 2021-09-17 2023-03-24 한국전기연구원 유기성 경질 개질제를 포함하는 삼성분계 절연 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 절연 소재
KR20240058336A (ko) 2022-10-26 2024-05-03 한국전기연구원 고전압 직류케이블용 유무기 복합 절연 조성물 제조방법 및 이에 따라 제조된 고전압 직류케이블용 유무기 복합 절연 조성물

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140134836A (ko) * 2013-05-15 2014-11-25 엘에스전선 주식회사 전력 케이블
US20180016429A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-18 Huinnovation Co., Ltd. Heterophasic polymer composition for cable insulation layer, cable insulation layer and power cable including the same
KR20190003079A (ko) * 2017-06-30 2019-01-09 엘에스전선 주식회사 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블
KR20190079535A (ko) * 2017-12-27 2019-07-05 주식회사 엘지화학 전력 케이블 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물
KR20190098000A (ko) * 2018-02-13 2019-08-21 엘에스전선 주식회사 전력 케이블

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101553520B1 (ko) 2013-02-06 2015-09-16 에스케이이노베이션 주식회사 전력케이블용 비 가교 폴리에틸렌 조성물

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140134836A (ko) * 2013-05-15 2014-11-25 엘에스전선 주식회사 전력 케이블
US20180016429A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-18 Huinnovation Co., Ltd. Heterophasic polymer composition for cable insulation layer, cable insulation layer and power cable including the same
KR20190003079A (ko) * 2017-06-30 2019-01-09 엘에스전선 주식회사 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블
KR20190079535A (ko) * 2017-12-27 2019-07-05 주식회사 엘지화학 전력 케이블 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물
KR20190098000A (ko) * 2018-02-13 2019-08-21 엘에스전선 주식회사 전력 케이블

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115651317A (zh) * 2022-11-30 2023-01-31 南方电网科学研究院有限责任公司 一种环保型聚丙烯绝缘料及其制备方法、应用和电缆
CN115651317B (zh) * 2022-11-30 2024-02-13 南方电网科学研究院有限责任公司 一种环保型聚丙烯绝缘料及其制备方法、应用和电缆

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210052962A (ko) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021086090A1 (ko) 케이블 절연층용 삼성분계 조성물, 그 제조방법 및 이를 포함하는 케이블 절연층, 전력케이블
KR101710873B1 (ko) 케이블 절연을 위한 열가소성 블렌드 제제
WO2014126404A1 (ko) 전력 케이블
US11763963B2 (en) Power cable
WO2017160009A1 (ko) 저유전율을 갖는 절연 조성물 및 이로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블
WO2020242272A1 (ko) 절연성 방열 버스바
WO2024045340A1 (zh) 剥离强度改善型半导电屏蔽料、制备方法、制品和电缆
WO2020022651A1 (ko) 절연재 조성물 및 이를 이용하여 제조된 절연재
KR101318457B1 (ko) 직류 전력 케이블용 절연 조성물 및 이를 이용하여 제조된 직류 전력 케이블
WO2023035369A1 (zh) 一种基于高石墨化程度导电炭黑制备高压电缆半导电屏蔽料的方法
WO2018093074A1 (ko) 전력 케이블
WO2020009336A1 (ko) 전력 케이블
CN113698723B (zh) 一种用于环保型电缆的聚丙烯基热塑型半导电屏蔽料及制备方法
WO2021230431A1 (ko) 직류 전력케이블용 친환경 절연조성물 및 이를 이용하여 제조된 직류 전력케이블
EP3033390B1 (en) Thermoplastic blend formulations for cable insulations
WO2020213942A1 (ko) 유연성 및 내유성이 우수한 절연 조성물로부터 형성된 절연층을 포함하는 케이블
KR102695877B1 (ko) 친환경 전력 케이블의 절연층용 수지 조성물
WO2024090644A1 (ko) 폴리프로필렌을 이용한 다상 절연체 조성물
WO2023042958A1 (ko) 유기성 경질 개질제를 포함하는 삼성분계 절연 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 절연 소재
KR102339371B1 (ko) 반도전성 조성물 및 이로부터 형성된 반도전층을 갖는 전력 케이블
JP2001302856A (ja) 半導電性樹脂組成物およびそれを用いた電力ケーブル
JP3678440B2 (ja) 高圧電力ケーブル
JPH09129039A (ja) 直流ケーブル
WO2022086008A1 (ko) 탄소나노혼-고분자 복합체, 이를 이용한 전기 절연체
WO2018147706A1 (ko) 투명성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20883471

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20883471

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1