WO2025110558A1 - 열 및 전압 안정성이 우수한 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품 - Google Patents

열 및 전압 안정성이 우수한 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품 Download PDF

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propylene
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김창섭
손창규
정재훈
임지수
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Definitions

  • the present invention relates to an insulating resin composition for an environmentally friendly power cable, and more specifically, to an insulating resin composition for an environmentally friendly power cable having excellent heat and voltage stability.
  • the insulating materials for power cables are mainly cross-linked materials such as polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), and ethylene-propylene rubber (EPR).
  • PE polyethylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • cross-linked polyethylene is a material in which the linear molecular structure of polyethylene is converted into a three-dimensional network structure through a cross-linking process. It has the excellent mechanical properties and chemical resistance of existing polyethylene, while also improving heat resistance, and has been used as an insulation layer for high-voltage power cables.
  • cross-linked polyethylene cannot be recycled because it is a cross-linked polymer, and must be incinerated to be disposed of, which is a problem in that it is somewhat environmentally unfriendly.
  • polypropylene insulation layers are known to have a simpler manufacturing process than XLPE insulation layers, are environmentally friendly as they are non-crosslinked, and have excellent performance such as heat resistance and usability.
  • polypropylene insulation layer manufacturing process no toxic substances such as methane gas and various by-products are generated, and greenhouse gases such as CO2 generated during the manufacturing process can be reduced by about 30% compared to XLPE.
  • polypropylene insulation layers are recyclable and have the advantage of being heat-resistant, which can increase transmission capacity.
  • the present invention aims to provide a resin composition for insulating a power cable which is recyclable and has excellent heat resistance and voltage stability, and a molded product using the same.
  • the present invention provides a polypropylene resin composition for insulating a power cable, comprising: 60 to 90 parts by weight of a propylene block copolymer in which ethylene-propylene rubber (EPR) is dispersed in a propylene-ethylene random copolymer; 10 to 40 parts by weight of a polyolefin elastomer (POE); 100 to 1,000 ppm of an inorganic nanocomposite based on the total composition weight; and 500 to 5,000 ppm of a HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • POE polyolefin elastomer
  • the present invention provides a polypropylene resin composition for insulating a power cable, characterized in that the ethylene-derived repeating unit of the propylene block copolymer is contained in an amount of 0.1 to 5 wt% in the propylene-ethylene random copolymer, 30 to 60 wt% in the ethylene-propylene rubber (EPR), and 5 to 25 wt% in the propylene block copolymer.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • the propylene block copolymer has a melting point of 150 to 170°C, a melting enthalpy of 40 to 70 J/g, a melting index (MI, 230°C, 2.16 kg load) of 0.1 to 10 g/10 min, and a xylene soluble content of 20 to 40 wt% in the propylene block copolymer
  • the resin composition has a melting point of 150 to 160°C, a melting enthalpy of 40 to 80 J/g, a melting index (MI, 230°C, 2.16 kg load) of 1 to 3 g/10 min, and a xylene soluble content of 30 to 50 wt%.
  • the inorganic nanocomposite provides a polypropylene resin composition for insulating a power cable, characterized in that it includes a metal double layer hydroxide structure of the following chemical formula 1 or a composite metal oxide structure derived therefrom.
  • M a 2+ and M b 3+ are cations of divalent and trivalent metals, respectively.
  • a n- is an intercalated anion
  • x is the surface charge determined by the ratio of the two metal cations, M b 3+ /(M a 2+ +M b 3+ ), with 0 ⁇ x ⁇ 1,
  • n is an integer from 1 to 3
  • m is a number between 0.1 and 15.
  • the present invention provides a polypropylene resin composition for insulating a power cable, characterized in that the metal double layer hydroxide structure is a magnesium-aluminum-carbonate hydrotalcite.
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • the HALS Hindered Amine Light Stabilizer stabilizer is poly[[6-[1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-1,3,5-triazine-2,4-diyl]-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]-1,6-hexanediyl-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]], poly[[6-[1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-1,3,5-triazine-2,4-diyl]-[(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)imino]-1,6-hexanediyl-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]], Poly[[6-[1,1,
  • the resin composition provides an insulating resin composition for a power cable, characterized in that the AC dielectric breakdown strength measured by the following method is 50 kV/mm or more, the relative permittivity is 2.1 or less, and the dielectric loss tangent is 0.05% or less.
  • the specimens (2 mm thick, 2 cm wide, 2 cm long) manufactured according to ASTM D150 standard were measured at 60°C under the conditions of applying AC 1 V voltage and frequency of 1 MHz using LCR Meter equipment (electrode radius 5 mm, electrode type G10);
  • a multifunctional impedance measurement test device is used to measure a specimen (1 mm thick, 10 cm wide, 10 cm long) manufactured according to ASTM D150 standards at 130°C and 2 kV.
  • the temperature conditions are maintained by pouring Class 1 No. 2 mineral oil into a constant temperature bath, and the specimen is loaded and an AC voltage is applied between the spherical electrodes of an impedance measuring device using a Schering bridge circuit configuration to measure the permittivity.
  • the dielectric loss factor is then calculated by applying the conversion formula of ASTM D150 standards.
  • the present invention provides a power cable including the resin composition as an insulating layer.
  • the present invention provides a resin composition for insulating a power cable having excellent heat resistance and voltage stability, as a recyclable resin composition for insulating a power cable, using a propylene block copolymer in which ethylene-propylene rubber (EPR) is dispersed in a propylene-ethylene random copolymer, a polyolefin elastomer (POE), an inorganic nanocomposite, and a HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer, and a power cable using the resin composition.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • POE polyolefin elastomer
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • Figure 1 is a drawing schematically showing a cross-section of a power cable manufactured from a resin composition according to the present invention.
  • the present invention discloses a polypropylene resin composition for insulating a power cable, comprising: 60 to 90 parts by weight of a propylene block copolymer in which ethylene-propylene rubber (EPR) is dispersed in a propylene-ethylene random copolymer; 10 to 40 parts by weight of a polyolefin elastomer (POE); 100 to 1,000 ppm of an inorganic nanocomposite based on the total composition weight; and 500 to 5,000 ppm of a HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • POE polyolefin elastomer
  • Polypropylene can be classified into homo-polypropylene (H-PP), propylene random copolymer (R-PP), and propylene block copolymer (B-PP).
  • H-PP homo-polypropylene
  • R-PP propylene random copolymer
  • B-PP propylene block copolymer
  • propylene random copolymer and propylene block copolymer have higher flexibility and bending properties than homo-polypropylene, and are therefore more suitable for power cables.
  • propylene block copolymer has the advantage of superior flexibility and bending properties compared to propylene random copolymer, and thus propylene block copolymer is used in the present invention.
  • the propylene block copolymer is a type of RTPO (Reactor-made Thermoplastic Polyolefin Elastomers), which refers to a polymer that includes a number of polymers exhibiting rubber properties within a polymer including units derived from propylene monomers.
  • RTPO Regener-made Thermoplastic Polyolefin Elastomers
  • the propylene block copolymer is obtained by reacting propylene and ethylene in a bulk reactor to polymerize a propylene-ethylene random copolymer, and then copolymerizing propylene and ethylene gas in a gas phase reactor in the presence of the propylene-ethylene random copolymer through continuous polymerization to disperse ethylene-propylene rubber (EPR) within the propylene-ethylene random copolymer.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • the domain size and the degree of dispersion of the ethylene-propylene rubber (EPR) are not limited, but considering the thermal and electrical properties of the final resin composition, the average size of the domain may be 0.1 to 5 ⁇ m, preferably 0.5 to 2 ⁇ m, and the degree of dispersion of the domain may be 0.1 to 0.7, preferably 0.2 to 0.6.
  • the size and degree of the domain may be measured by cutting a specimen manufactured by compression molding (220° C. for 4 minutes) the resin composition into a width of 1 mm and a length of 10 cm, immersing the specimen in xylene at 60° C. to dissolve the ethylene-propylene rubber, and analyzing the pores present on the surface of the specimen using a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the propylene block copolymer may include 30 to 70 wt% of a propylene-ethylene random copolymer and 30 to 70 wt% of ethylene-propylene rubber (EPR), preferably 40 to 60 wt% of a propylene-ethylene random copolymer and 40 to 60 wt% of ethylene-propylene rubber (EPR), and more preferably 45 to 55 wt% of a propylene-ethylene random copolymer and 45 to 55 wt% of ethylene-propylene rubber (EPR).
  • the propylene block copolymer is in the form of ethylene-propylene rubber (EPR) particles dispersed in a propylene-ethylene random copolymer matrix.
  • the propylene block copolymer may be a block copolymer in which ethylene-propylene rubber (EPR) is stepwise polymerized in a propylene-ethylene random copolymer in a reactor.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • the above propylene block copolymer has ethylene-propylene rubber (EPR) dispersed in a specific content range, and thus has a lower flexural modulus than a propylene homopolymer or a propylene-ethylene random copolymer, so that when applied as an insulation layer for a power cable, it can maximize flexibility and elasticity as well as improve thermal and electrical properties.
  • POE polyolefin elastomer
  • the propylene block copolymer is produced by using a high content of ethylene in a polymerization reactor to produce a large amount of ethylene-propylene rubber (EPR), and compared to existing propylene block copolymers, it contains a high content of repeating units derived from ethylene-propylene rubber (EPR), and thus has the advantages of high tensile strength and excellent flexibility.
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • the propylene block copolymer manufactured in the reactor may have a content of ethylene-derived repeating units of 5 to 25 wt%, preferably 10 to 20 wt%, of the entire block copolymer due to technical difficulties.
  • the content of ethylene-derived repeating units may be 0.1 to 5 wt%, preferably 0.1 to 3 wt%, and more preferably 0.5 to 2 wt%, of the propylene-ethylene random copolymer, and may be 30 to 60 wt%, preferably 35 to 50 wt%, of the ethylene-propylene rubber (EPR).
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • Thermal and electrical properties may be maximized within the range of the content of ethylene-derived repeating units.
  • the melting point of the block copolymer may be lowered to 150°C or lower, which may deteriorate heat stability.
  • the melting point of the propylene block copolymer may be 150 to 170°C, preferably 150 to 160°C.
  • the melting enthalpy may be 40 to 70 J/g, preferably 50 to 60 J/g.
  • the melt index (MI, 230° C., 2.16 kg load) of the propylene block copolymer may be 0.1 to 10 g/10 min, preferably 0.3 to 5 g/10 min, and more preferably 0.5 to 2 g/10 min. If the melt index is less than 0.1 g/10 min, an extruder load may be applied during the cable extrusion process, and if it exceeds 10 g/10 min, eccentricity of the insulation layer of the cable molded product may occur.
  • the propylene block copolymer may have a xylene soluble (X.S.) content of 20 to 40 wt%, preferably 25 to 35 wt%, in the propylene block copolymer.
  • X.S. xylene soluble
  • the xylene soluble content depends on the content of ethylene-propylene rubber (EPR) contained in the propylene block copolymer, and flexibility, thermal properties, and electrical properties may be maximized within the content range.
  • the propylene block copolymer is included in an amount of 60 to 90 parts by weight, and preferably, it can be included in an amount of 70 to 80 parts by weight.
  • the propylene block copolymer content is less than 60 parts by weight, the electrical properties and heat resistance stability deteriorate, and when it exceeds 90 parts by weight, the flexibility deteriorates.
  • the present invention includes polyolefin elastomer (POE) as a modifier for improving thermal and electrical properties along with flexibility of the final resin composition.
  • POE polyolefin elastomer
  • the above polyolefin elastomer comprises at least two kinds selected from the group consisting of ethylene-derived repeating units, propylene-derived repeating units and (C4-C12) alpha-olefin-derived repeating units, and may include the ethylene-derived repeating units or the propylene-derived repeating units.
  • it may be a copolymer of ethylene and propylene, or a random or block copolymer elastomer of one kind of ethylene and propylene and an alpha-olefin such as 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 1-octene, or the like, or a combination of these elastomers.
  • propylene-ethylene rubber (PER) or ethylene-1-octene rubber (EOR) can be used, and most preferably, propylene-ethylene rubber (PER) can be used.
  • the above polyolefin elastomer (POE) may be included in an amount of 10 to 40 parts by weight, and preferably 20 to 30 parts by weight.
  • the polyolefin elastomer (POE) content is less than 10 parts by weight, the flexibility, thermal and electrical properties of the final resin composition deteriorate, and when it exceeds 40 parts by weight, it is difficult to further improve the electrical properties and the heat resistance stability deteriorates.
  • the composition comprises a propylene block copolymer and a polyolefin elastomer (POE) having the above-described composition, and a specific content of an inorganic nanocomposite and a HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer.
  • POE polyolefin elastomer
  • the above-mentioned inorganic nanocomposite is generally used for the purpose of neutralizing an acid component, which is a catalyst dispersion.
  • an acid component which is a catalyst dispersion.
  • it in addition to its use as a neutralizer, it provides a component of insulating inorganic nano particles, thereby improving heat diffusion of the matrix by being dispersed in a polypropylene matrix, thereby preventing deterioration, and improving insulation, thereby lowering the dielectric constant and dielectric constant, thereby improving long-term heat stability and voltage stability.
  • the inorganic nanocomposite may include a metal double layer hydroxide structure of the following chemical formula 1 or a composite metal oxide structure derived therefrom.
  • M a 2+ and M b 3+ are cations of divalent and trivalent metals, respectively.
  • a n- is an intercalated anion
  • x is the surface charge determined by the ratio of the two metal cations, M b 3+ /(M a 2+ +M b 3+ ), with 0 ⁇ x ⁇ 1,
  • n is an integer from 1 to 3
  • m is a number between 0.1 and 15.
  • the above layered double hydroxide structure is also known as a hydrotalcite-type material and is a type of anionic clay with a planar structure.
  • the above layered double hydroxide structure is composed of a cation layer and an anionic layer capable of ion exchange between the layers.
  • Such a double layered hydroxide structure has been used as a catalyst or catalyst precursor in various reactions in the past, but in the present invention, it is used as an additive for improving the insulation breakdown strength of a resin composition for insulating power cables.
  • M a 2+ is a +2-valent metal cation, and specifically may be selected from the group consisting of Ni 2+ , Mg 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , and Fe 2+ , and preferably may be selected from the group consisting of Ni 2+ , Mg 2+ , and Co 2+ .
  • M b 3+ is a +3-valent metal cation, and specifically may be selected from the group consisting of Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Mn 3+ , Ga 3+ , Co 3+ , Ce 3+ , and Ni 3+ , and preferably may be Al 3+ .
  • a n- is an intercalated anion, and specifically, can be selected from the group consisting of Cl - , Br - , OH - , NO 3 - , CO 3 2- , SO 4 2- , PO 4 3- , HPO 4 2- , and H 2 PO 4 - .
  • the double-layer hydroxide structure may be a magnesium-aluminum-carbonate hydrotalcite (Mg 6 Al 2 (OH) 16 CO 3 4H 2 0).
  • the content of the above-mentioned inorganic nanocomposite is included in the entire composition in an amount of 100 to 1,000 ppm, and preferably in an amount of 200 to 500 ppm.
  • the content is less than 100 ppm, the thermal diffusion effect does not appear and the insulation breakdown strength performance is inferior, and when it exceeds 1,000 ppm, the amount of ionic impurities increases and the effect of improving the insulation breakdown strength is minimal or rather begins to decrease.
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • the above HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer is an ultraviolet stabilizer that is easily oxidized and converted into nitroxyl radicals and reacts with radicals generated during the oxidation process of the polymer chain to inhibit oxidation of the chain. Since it has the same mechanism as an electric tree inhibitor that captures radicals generated by an electric field, it is suitable for improving the mechanical and electrical properties of electrical equipment products used outdoors. In addition, it has a low volatility at high temperatures, so there is little loss, and it has an electrical characteristic improvement effect that reduces the loss of conduction current generated by the promotion of polarization due to the generation of radicals, so it is effective in improving the properties of insulating materials.
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • HALS Hindered Amine Light Stabilizer
  • stabilizers include poly[[6-[1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-1,3,5-triazine-2,4-diyl]-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]-1,6-hexanediyl-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]], poly[[6-[1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-1,3,5-triazine-2,4-diyl]-[(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)imino]-1,6-hexanediyl-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]], Poly[[6-[1,1,3,3-tetramethylbutyl)
  • the HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer may be poly[[6-[1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-1,3,5-triazine-2,4-diyl]-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]-1,6-hexanediyl-[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]], considering the synergistic effect accompanied by improvement of dielectric breakdown strength.
  • the content of the above HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer is included in the entire composition in an amount of 500 to 5,000 ppm, and preferably in an amount of 1,000 to 3,000 ppm.
  • the content is less than 500 ppm, the effect of improving the dielectric tangent characteristics is insufficient, and when it exceeds 5,000 ppm, the dielectric constant of the matrix is increased, thereby increasing the dielectric tangent and lowering the dielectric breakdown strength.
  • the resin composition according to the present invention may further include one or more additives generally used when applied for insulation of power cables, for example, an antioxidant and a water tree inhibitor.
  • the insulating resin composition of the power cable according to the present invention may have a melting point of 150 to 160°C, a melting enthalpy of 40 to 80 J/g, a melting index (MI, 230°C, 2.16 kg load) of 1 to 3 g/10 min, and a xylene soluble content of 30 to 50 wt%, and preferably a melting point of 150 to 155°C, a melting enthalpy of 50 to 70 J/g, a melting index (MI, 230°C, 2.16 kg load) of 1.5 to 2.5 g/10 min, and a xylene soluble content of 35 to 45 wt%.
  • the AC insulation breakdown strength measured by the following method may be 50 kV/mm or more, preferably 53 kV/mm or more, a relative permittivity may be 2.1 or less, preferably 2.0 or less, and a dielectric loss tangent may be 0.05% or less, preferably 0.03% or less.
  • the specimens (2 mm thick, 2 cm wide, 2 cm long) manufactured according to ASTM D150 standard were measured at 60°C under the conditions of applying AC 1 V voltage and frequency of 1 MHz using LCR Meter equipment (electrode radius 5 mm, electrode type G10);
  • a multifunctional impedance measurement test device is used to measure a specimen (1 mm thick, 10 cm wide, 10 cm long) manufactured according to ASTM D150 standards at 130°C and 2 kV.
  • the temperature conditions are maintained by pouring Class 1 No. 2 mineral oil into a constant temperature bath, and the specimen is loaded and an AC voltage is applied between the spherical electrodes of an impedance measuring device using a Schering bridge circuit configuration to measure the permittivity.
  • the dielectric loss factor is then calculated by applying the conversion formula of ASTM D150 standards.
  • a power cable can be manufactured using the polypropylene resin composition for insulating a power cable according to the present invention.
  • Fig. 1 schematically shows a cross-section of a power cable manufactured using the resin composition according to the present invention.
  • a power cable manufactured with an insulating resin composition according to the present invention includes a conductor (1), an inner semiconductive layer (2) wrapping the conductor (1), an insulating layer (3) wrapping the inner semiconductive layer (2), an outer semiconductive layer (4) wrapping the insulating layer (3), and a sheath layer (5) wrapping the outer semiconductive layer (4), and the insulating layer (3) may include the resin composition according to the present invention. Except for the insulating layer, details of each layer constituting the power cable are commonly known to those skilled in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted in the present invention.
  • propylene and ethylene were reacted to obtain a propylene-ethylene random copolymer, and the propylene-ethylene random copolymer polymerized in the bulk reactor, ethylene, and propylene were fed into a gas phase reactor to carry out a copolymerization reaction of ethylene-propylene in a continuous process to prepare a propylene block copolymer.
  • the prepared propylene block copolymer had a weight ratio of propylene-ethylene random copolymer and ethylene-propylene rubber (EPR) of 1:1, and ethylene-derived repeating units of 2 wt% in the propylene-ethylene random copolymer, 35 wt% in the ethylene-propylene rubber (EPR), and 15 wt% in the total copolymer, and the content of xylene soluble matter was 25 wt%, the melting index was 1.5 g/10 min, the melting point was 152°C, and the melting enthalpy was 60 J/g.
  • the melting index, xylene soluble matter, melting point, and melting enthalpy of the propylene block copolymer were measured according to the following methods, respectively.
  • MI Melt Index
  • POE polyolefin elastomer
  • PER propylene-ethylene rubber
  • MI 3 g/10 min 230°C, 2.16 kg load
  • ethylene content 16 wt% Exxonmobil Chemical Company
  • the ionic impurity content, dielectric constant, relative permittivity, and dielectric breakdown strength of the resin composition on the manufactured pellets were measured according to the following methods, and the results are shown in Table 1 below.
  • a multifunctional impedance measurement test device was used to measure the specimens (1 mm thick, 10 cm wide, 10 cm long) manufactured according to the ASTM D150 standard at 130°C and 2 kV conditions. The temperature conditions were maintained by pouring Class 1 No. 2 mineral oil into a constant temperature bath, and the specimen was loaded and an AC voltage was applied between the spherical electrodes of an impedance measuring device using a Schering bridge circuit configuration to measure the permittivity. The dielectric loss factor was then calculated by applying the conversion formula of the ASTM D150 standard.
  • the dissipation factor (tan ⁇ ) and relative permittivity were measured at 60°C using an LCR Meter (electrode radius 5 mm, electrode type G10) for specimens (2 mm thick, 2 cm wide, 2 cm long) manufactured according to the ASTM D150 standard at a frequency of 1 MHz and an AC voltage of 1 V. If the relative permittivity is high, it may be difficult to use it as an insulation layer for power cables, and if it is 2.1 or less, the electrical characteristics are considered to be very excellent.
  • the manufactured resin composition was manufactured into a sheet having a thickness of 1 mm, cooled at 10°C for 5 minutes, and AC 30 kV was initially applied for 5 minutes according to ASTM D149 standard, and then increased by 10 kV each time and maintained for 5 minutes. This process was continued until insulation breakdown occurred, and when insulation breakdown occurred, the voltage at that time was taken as the AC insulation breakdown strength. When the AC insulation breakdown strength is 50 kV/mm or more, the electrical characteristics are considered to be excellent.
  • the insulating resin compositions for power cables using a propylene block copolymer in which ethylene-propylene rubber (EPR) is dispersed in a propylene-ethylene random copolymer according to the present invention, a polyolefin elastomer (POE), an inorganic nanocomposite, and a HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) stabilizer at a specific content ratio satisfy the physicochemical properties required in the relevant technical field, have a low content of ionic impurities, and the inorganic nanocomposite component, which is an insulating inorganic nanoparticle, is dispersed in the polypropylene matrix to improve the heat diffusion of the matrix, thereby preventing deterioration, improving the insulation properties to lower the dielectric constant and dielectric constant, thereby improving long-term heat resistance and voltage stability, and having an electrical characteristic improvement effect of reducing loss due to low volatility and low dissipation due
  • EPR ethylene-propylene rubber
  • HALS Hind
  • the dielectric breakdown strength was improved by preventing chain deterioration due to the heat diffusion effect of the inorganic nanocomposite and the radical generation inhibition effect of the HALS stabilizer, and that power loss was prevented through the effects of improving the dielectric tangent and permittivity.
  • the dielectric tangent dielectric loss

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Abstract

재활용이 가능한 전력 케이블의 절연용 수지 조성물로서 내열 안정성 및 전압 안정성이 우수한 전력 케이블 절연용 수지 조성물과 이를 이용한 성형품이 개시된다. 본 발명은, 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 분산된 프로필렌 블록 공중합체 60 내지 90 중량부; 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 10 내지 40 중량부; 전체 조성물 중량에 대하여 무기나노복합체 100 내지 1,000 ppm; 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제 500 내지 5,000 ppm;을 포함하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.

Description

열 및 전압 안정성이 우수한 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품
본 발명은 친환경 전력 케이블의 절연용 수지 조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 열 및 전압 안정성이 우수한 친환경 전력 케이블의 절연용 수지 조성물에 관한 것이다.
본 출원은 2023년 11월 23일자로 출원된 대한민국 특허출원 제10-2023-0164134호에 대한　우선권　및 이익을 주장하며, 이 출원은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
전력 케이블의 절연 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐(PVC), 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 등을 가교시킨 소재가 주로 이용된다. 그 중에서도 가교 폴리에틸렌(XLPE)은 가교 공정을 통해 폴리에틸렌의 선형의 분자 구조를 3차원의 망상구조로 변환한 것으로, 기존 폴리에틸렌의 우수한 기계적 물성 및 내화학 특성을 보유하면서 내열성을 보다 개선시켜 고전압의 전력 케이블 절연층으로 활용되어 왔다. 그러나, 가교 폴리에틸렌의 경우 가교된 폴리머이기 때문에 재활용이 불가능하고, 폐기를 하기 위해서는 소각을 해야 하기 때문에 다소 환경친화적이지 않은 문제가 있다.
최근 재활용이 용이하면서도 높은 내열성을 가진 폴리프로필렌(PP) 소재를 이용한 배전선(22.9kv이상)에 적용 가능한 절연용 수지의 개발이 진행되고 있다. 폴리프로필렌 절연층은 XLPE 절연층과 비교해 제조공법이 간편하고 비가교 형태로 환경친화적이며, 내열성 등의 성능과 활용성이 뛰어난 것으로 알려졌다. 폴리프로필렌 절연층 제조 공정 상 메탄가스 등의 유독물질과 각종 부산물이 발생하지 않으며, 제조 공정 상 발생하는 CO₂등 온실가스도 XLPE와 대비하여 30% 가량 저감이 가능하다. 또한 폴리프로필렌 절연층은 재활용이 가능하며, 열에도 강해 송전 용량을 높일 수 있는 것도 장점이다.
그러나, 폴리프로필렌 절연층을 포함하는 전력 케이블의 경우 폴리프로필렌 매트릭스(Matrix)의 열전달 효율이 낮아 케이블 사용 환경에서 고온 노출 시 접착면에서 열화의 속도가 빠르고, 이에 따라 전기트리 발생으로 절연파괴강도가 저하되는 현상이 발생되어 장기 내열 안정성 및 절연 성능에서 문제가 발생될 수 있다.
최근 들어 폴리프로필렌 소재에 올레핀계 고무를 사용하여 유연성과 전기적 특성을 개선하고자 하는 시도들이 이루어지고 있다. 하지만 폴리프로필렌 소재와 올레핀계 고무는 이질적인(Heterogeneous) 특성이 있어 서로 섞이지 않아 매트릭스(Matrix) 상과 도메인(Domain) 간의 경계가 발생하게 되어, 고무 소재의 조성에 따라 절연파괴강도가 저하되고 고온에서의 내열안정성이 저하되는 문제가 있다.
국제 공개특허 제WO2012/069864호는 0.3 이상의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 전체수 비를 가지는 방향족 유전유체와 치환된 벤조페논 및 힌더드 아민으로 선택된 전압안정제를 첨가하였을 때 교류 조건에서 샘플 케이블의 유전강도가 개선되는 효과를 개시하였으나, 유전강도 개선의 주요 원인을 유전유체로 설명하는 데 그치고 있다.
국제 공개특허 제WO2012/150285호는 하이드로탈사이트를 이온교환 첨가제로 사용하여 전선 케이블의 DC 전도성을 악화시키는 이온종을 포착하여 전도성을 낮게 유지하는 기술로서, 누설전류로 인한 발열을 방지하여 고온 조건의 열폭주 발생을 억제시키는 원리에 관한 것이지만, DC 전도성을 제외한 케이블의 전기적 물성(절연파괴강도, 유전정접 등)을 제시하지 않아 실제 이온교환 첨가제의 성능이 케이블의 고온특성을 개선하였는지 확인할 수 없다.
본 발명은 재활용이 가능한 전력 케이블의 절연용 수지 조성물로서 내열 안정성 및 전압 안정성이 우수한 전력 케이블 절연용 수지 조성물과 이를 이용한 성형품을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 분산된 프로필렌 블록 공중합체 60 내지 90 중량부; 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 10 내지 40 중량부; 전체 조성물 중량에 대하여 무기나노복합체 100 내지 1,000 ppm; 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제 500 내지 5,000 ppm;을 포함하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 프로필렌 블록 공중합체의 에틸렌 유래의 반복단위가, 상기 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 중에 0.1 내지 5 중량% 포함되고, 상기 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 중에 30 내지 60 중량% 포함되고, 상기 프로필렌 블록 공중합체 중에 5 내지 25 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 프로필렌 블록 공중합체는 용융점이 150 내지 170℃이고, 용융엔탈피가 40 내지 70 J/g이고, 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 10 g/10min이고, 자일렌 가용분(Xylene soluble)이 상기 프로필렌 블록 공중합체 중에 20 내지 40 중량%이고, 상기 수지 조성물은 용융점이 150 내지 160℃이고, 용융엔탈피가 40 내지 80 J/g이고, 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 1 내지 3 g/10min이고, 자일렌 가용분(Xylene soluble)이 30 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 무기나노복합체는, 하기 화학식 1의 금속 이중층 수산화물 구조체 또는 이로부터 유래한 복합 금속 산화물 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
[Ma 2+ 1-xMb 3+ x(OH)2]x+　(An-)x/nㆍmH2O
화학식 1에서,
Ma 2+　및 Mb 3+는 각각 2가 금속과 3가 금속의 양이온이고,
An-는 층간 삽입된 음이온이고,
x는 두 금속 양이온의 비, Mb 3+/(Ma 2++Mb 3+)에 의해 결정되는 표면 전하로서 0 < x < 1 이고,
n은 1 내지 3의 정수이고,
m은 0.1 내지 15의 수이다.
또한 상기 금속 이중층 수산화물 구조체는 마그네슘-알루미늄-탄산계 하이드로탈사이트인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제는 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,5-펜탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일][(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,5-펜탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,4-부탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,4-부탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]]로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 수지 조성물은 하기 방법에 따라 측정된 AC 절연파괴강도가 50 kV/mm 이상이고, 상대유전율이 2.1 이하이고, 유전정접이 0.05% 이하인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 수지 조성물을 제공한다.
[절연파괴강도 측정방법]
상기 수지 조성물을 두께 1 mm의 시트상으로 제조 후 10℃ 에서 5분간 냉각하고, ASTM D149 규격에 따라 최초에는 AC 30 kV를 5분간 인가하고, 이후 10 kV씩 상승시켜 5분간 유지하는 과정을 절연파괴가 발생할 때까지 계속하여, 절연파괴가 발생되면 그 때의 전압을 AC 절연파괴강도로 함;
[상대유전율 측정방법]
ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 2 mm, 가로 2 cm, 세로 2 cm)에 대하여 LCR Meter 장비(전극 반지름 5 mm, 전극 형태 G10 type)를 이용하여 주파수 1 MHz, AC 1 V 전압을 인가하여 60℃ 조건으로 측정함;
[유전정접 측정방법]
ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 1 mm, 가로 10 cm, 세로 10 cm)에 대하여 다기능 임피던스 측정 시험장비를 이용하여 130℃, 2 kV 조건에서 측정하되, 1종 2호 광유를 항온조에 부어 상기 온도 조건을 유지하며, 시편을 셰링 브릿지(Schering bridge) 회로 구성을 적용한 임피던스 측정기의 구형의 전극 사이에 로딩 및 교류전압을 인가하여 유전율을 측정한 후 ASTM D150 규격의 환산식을 적용하여 유전손실계수를 계산함.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 수지 조성물을 절연층으로 포함하는 전력 케이블을 제공한다.
본 발명은 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 분산된 프로필렌 블록 공중합체, 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 무기나노복합체 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제를 사용하여, 재활용이 가능한 전력 케이블의 절연용 수지 조성물로서 내열 안정성 및 전압 안정성이 우수한 전력 케이블 절연용 수지 조성물과 이를 이용한 전력 케이블을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수지 조성물로 제조되는 전력 케이블의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 분산된 프로필렌 블록 공중합체 60 내지 90 중량부; 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 10 내지 40 중량부; 전체 조성물 중량에 대하여 무기나노복합체 100 내지 1,000 ppm; 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제 500 내지 5,000 ppm;을 포함하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물을 개시한다.
이하 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연용 수지 조성물의 각 구성 성분을 상세히 설명한다.
폴리프로필렌은 호모 폴리프로필렌(H-PP), 프로필렌 랜덤 공중합체(R-PP) 및 프로필렌 블록 공중합체(B-PP)로 분류할 수 있다. 이 중, 프로필렌 랜덤 공중합체와 프로필렌 블록 공중합체는 호모 폴리프로필렌에 비하여 높은 유연성과 굴곡성을 가지고 있기 때문에 전력 케이블용으로 더 적합하며, 여기서, 프로필렌 블록 공중합체의 경우 프로필렌 랜덤 공중합체와 비교하여 유연성과 굴곡 특성이 우수한 이점이 있으므로 본 발명에서는 프로필렌 블록 공중합체를 이용한다.
본 발명에서 상기 프로필렌 블록 공중합체는 RTPO(Reactor-made Thermoplastic Polyolefin elastomers)의 일종으로, 프로필렌 단량체 유래의 단위를 포함하는 중합체 내에 다수의 고무 특성을 나타내는 고분자가 포함된 중합체를 일컫는다.
본 발명에서 상기 프로필렌 블록 공중합체는 벌크 반응기에서 프로필렌 및 에틸렌을 반응시켜 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체를 중합한 후, 연속 중합으로 상기 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체의 존재 하에 기상 반응기에서 프로필렌과 에틸렌의 가스를 공중합 반응시켜 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)를 상기 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 분산시켜 수득되는 것으로서, 상기와 같이 연속 중합을 통해 제조됨으로써 폴리프로필렌 매트릭스 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)를 작은 사이즈의 도메인으로 균일하게 분산시킬 수 있다.
여기서, 본 발명에서는 상기 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)의 도메인 크기와 분산 정도가 제한되는 것은 아니나, 최종 수지 조성물의 열적 및 전기적 특성을 고려하여 도메인의 평균 크기는 0.1 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 2 ㎛일 수 있고, 도메인의 분산도는 0.1 내지 0.7, 바람직하게는 0.2 내지 0.6일 수 있다. 상기 도메인의 크기 및 분산도는 수지 조성물을 컴프레션 몰딩(220℃에서 4분)하여 제조된 시편을 폭 1 ㎜ 및 길이 10 ㎝로 재단한 후, 60℃의 자일렌에 침지하여 에틸렌-프로필렌 고무를 용출시키고, 시편의 표면에 존재하는 공극에 대하여 주사전자현미경(SEM)으로 분석하여 측정될 수 있다.
본 발명에서 상기 프로필렌 블록 공중합체는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 30 내지 70 중량% 및 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 30 내지 70 중량%를 포함할 수 있고, 바람직하게는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 40 내지 60 중량% 및 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 40 내지 60 중량%를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 45 내지 55 중량% 및 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 45 내지 55 중량%를 포함할 수 있다. 상기 프로필렌 블록 공중합체는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 매트릭스에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 입자가 분산된 형태이다. 구체적으로, 상기 프로필렌 블록 공중합체는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 반응기 내에서 단계적으로 중합된 블록 공중합체일 수 있다. 상기 프로필렌 블록 공중합체는 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 특정 함량 범위로 분산되어 있어 프로필렌 단독 중합체 내지 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 대비 굴곡탄성률이 낮아 전력 케이블의 절연층으로 적용 시 유연성 및 탄성력 극대화 뿐 아니라 열적 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 후술하는 폴리올레핀 엘라스토머(POE)와의 혼합 시 균일한 분산으로 혼화도가 우수하여 열적 특성 및 절연파괴 특성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에서 프로필렌 블록 공중합체는 중합 반응기에서 고함량의 에틸렌을 이용하여 많은 양의 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)를 생성한 것으로서, 기존의 프로필렌 블록 공중합체에 비해 높은 함량의 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 유래의 반복단위를 포함하고 있어 인장강도가 높으며, 유연성이 우수한 이점이 있다.
이론에 의해 제한되는 것은 아니나, 일반적으로 반응기 내에서 제조되는 프로필렌 블록 공중합체는, 기술적 어려움으로 인하여 에틸렌 유래의 반복단위의 함량이 전체 블록 공중합체 중에 5 내지 25 중량%일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 20 중량%일 수 있다. 또한 에틸렌 유래의 반복단위의 함량이 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 중에 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 중량%일 수 있고, 상기 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 중에 30 내지 60 중량%일 수 있고, 바람직하게는 35 내지 50 중량%일 수 있다. 상기 에틸렌 유래의 반복단위 함량 범위 내에서 열적 및 전기적 특성이 극대화될 수 있다. 또한 에틸렌 유래의 반복단위의 함량이 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 중에 5 중량%를 초과할 경우에는 블록 공중합체의 용융점이 150℃ 이하로 낮아져 내열안정성이 저하될 수 있다.
또한 상기 프로필렌 블록 공중합체는 용융점이 150 내지 170℃일 수 있고, 바람직하게는 150 내지 160℃일 수 있다. 또한 용융엔탈피는 40 내지 70 J/g일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 60 J/g일 수 있다. 프로필렌 블록 공중합체의 용융점 및 용융엔탈피가 상기 범위를 만족하는 경우 전력 케이블의 절연층으로 적용 시 본 발명에서 구현하고자 하는 열적 및 전기적 특성이 충족될 수 있다.
또한 상기 프로필렌 블록 공중합체는 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 10 g/10min일 수 있고, 바람직하게는 0.3 내지 5 g/10min일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 g/10min일 수 있다. 상기 용융지수가 0.1 g/10min 미만이면 케이블 압출과정에서 압출기 부하가 걸릴 수 있으며, 10 g/10min을 초과하면 케이블 성형품의 절연층 편심이 발생할 수 있다.
또한 상기 프로필렌 블록 공중합체는 자일렌 가용분(Xylene soluble, X.S.)이 상기 프로필렌 블록 공중합체 중에 20 내지 40 중량%일 수 있고, 바람직하게는 25 내지 35 중량%일 수 있다. 상기 자일렌 가용분은 상기 프로필렌 블록 공중합체 내에 포함된 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 함량에 따르며, 상기 함량 범위 내에서 유연성, 열적 특성 및 전기적 특성이 극대화될 수 있다.
본 발명에서 상기 프로필렌 블록 공중합체는 60 내지 90 중량부 함량으로 포함되고, 바람직하게는 70 내지 80 중량부 함량으로 포함될 수 있다. 프로필렌 블록 공중합체 함량이 60 중량부 미만일 경우 전기적 특성 및 내열안정성이 저하되고, 90 중량부를 초과할 경우 유연성이 저하된다.
본 발명에서는 최종 수지 조성물의 유연성과 함께 열적 및 전기적 특성 향상을 위한 개질제로서 폴리올레핀 엘라스토머(POE)를 포함한다.
상기 폴리올레핀 엘라스토머는 에틸렌 유래의 반복단위, 프로필렌 유래의 반복단위 및 (C4-C12)의 알파-올레핀 유래의 반복단위로 이루어진 군에서 선택되는 2종 이상을 포함하되, 상기 에틸렌 유래의 반복단위 또는 상기 프로필렌 유래의 반복단위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에틸렌 및 프로필렌의 공중합체, 또는 에틸렌 및 프로필렌 중 1종과 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐 등과의 알파-올레핀의 랜덤 또는 블록 공중합체 엘라스토머, 또는 이들 엘라스토머의 조합일 수 있다. 분산성 및 전기적 특성을 고려하여 더욱 바람직하게는 프로필렌-에틸렌 고무(PER) 또는 에틸렌-1-옥텐 고무(EOR)가 사용될 수 있고, 가장 바람직하게는 프로필렌-에틸렌 고무(PER)가 사용될 수 있다.
상기 폴리올레핀 엘라스토머(POE)는 10 내지 40 중량부 함량으로 포함되고, 바람직하게는 20 내지 30 중량부 함량으로 포함될 수 있다. 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 함량이 10 중량부 미만일 경우 최종 수지 조성물의 유연성, 열적 및 전기적 특성이 저하되고, 40 중량부를 초과할 경우 전기적 특성의 추가 향상이 어렵고 및 내열안정성이 저하된다.
본 발명에서 재활용이 가능한 전력 케이블의 절연용 수지 조성물로서 우수한 열적 특성과 전기적 특성을 만족시키기 위해 상술한 조성의 프로필렌 블록 공중합체 및 폴리올레핀 엘라스토머(POE)에 특정 함량의 무기나노복합체 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제를 포함한다.
상기 무기나노복합체는 일반적으로 촉매 분산물인 산 성분을 중화시키는 용도로 사용되나, 본 발명에서는 중화제 용도 이외에 절연성 무기 나노 파티클(Nano Particle)의 성분을 제공함으로써 폴리프로필렌 매트릭스(Matrix)에 분산되어 매트릭스의 열 확산을 개선하여 열화를 방지하고, 절연성을 개선하여 유전정접과 유전율을 낮추어 장기 내열 안정정 및 전압 안정성을 개선하는 역할을 한다.
본 발명의 일 구체예에서 상기 무기나노복합체는 하기 화학식 1의 금속 이중층 수산화물 구조체 또는 이로부터 유래한 복합 금속 산화물 구조체를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
[Ma 2+ 1-xMb 3+ x(OH)2]x+　(An-)x/nㆍmH2O
화학식 1에서,
Ma 2+　및 Mb 3+는 각각 2가 금속과 3가 금속의 양이온이고,
An-는 층간 삽입된 음이온이고,
x는 두 금속 양이온의 비, Mb 3+/(Ma 2++Mb 3+)에 의해 결정되는 표면 전하로서 0 < x < 1 이고,
n은 1 내지 3의 정수이고,
m은 0.1 내지 15의 수이다.
상기 이중층 수산화물 구조체(Layered double hydroxide, LDH)는 하이드로탈사이트(Hydrotalcite)형 물질로도 알려져 있으며, 평면구조의 음이온성 점토의 한 종류이다. 상기 이중층 수산화물 구조체는 양이온 층과 층간에 이온교환이 가능한 음이온 층으로 구성되어 있다. 이러한 이중층 수산화물 구조체는 종래 다양한 반응에서 촉매 또는 촉매 전구체로 사용되었으나, 본 발명에서는 전력 케이블의 절연용 수지 조성물의 절연파괴강도 향상을 위한 첨가제로 사용된다.
상기 금속 이중층 수산화물 구조체의 화학식 1에서 Ma 2+는 +2가의 금속 양이온으로서, 구체적으로는 Ni2+, Mg2+, Co2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+ 및 Fe2+로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 Ni2+, Mg2+ 및 Co2+로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 화학식 1에서, Mb 3+는 +3가의 금속 양이온으로서, 구체적으로는 Fe3+, Al3+, Cr3+, Mn3+, Ga3+, Co3+, Ce3+ 및 Ni3+로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 Al3+일 수 있다. 또한, 상기 화학식 1에서, An-는 층간 삽입된 음이온으로서, 구체적으로는 Cl-, Br-, OH-, NO3 -, CO3 2-, SO4 2-, PO4 3-, HPO4 2- 및 H2PO4 -로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서 상기 이중층 수산화물 구조체는 마그네슘-알루미늄-탄산계 하이드로탈사이트(Hydrotalcite, Mg6Al2(OH)16CO3·4H20)일 수 있다.
상기 무기나노복합체의 함량은 전체 조성물 중에 100 내지 1,000 ppm 포함되며, 바람직하게는 200 내지 500 ppm 함량으로 포함될 수 있다. 상기 함량이 100 ppm 미만일 경우에는 열확산 효과가 나타나지 않고 절연파괴강도 성능이 열세하며, 1,000 ppm을 초과할 경우에는 이온성 불순물의 양이 증가하고, 절연파괴강도 개선 효과가 미미하거나 오히려 저하되기 시작한다.
상기 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제는 자외선안정제로서 쉽게 산화되어 니트록실 라디칼(Nitroxyl Radical)로 전환되고 고분자 사슬의 산화 과정에서 발생된 라디칼과 반응하여 사슬의 산화를 억제시키는 효과가 있다. 전계에 의해 생성된 라디칼을 포획(capture)하는 전기트리억제제와 동일한 매커니즘을 가지고 있어 옥외에서 사용되는 전기설비 제품의 기계적, 전기적 물성을 개선하는 용도로 적합하며, 고온에서 낮은 휘발성으로 소실이 적고, 라디칼 생성으로 분극이 촉진되어 발생하는 전도전류의 손실을 낮추는 전기특성 개선 효과가 존재하여 절연소재 물성 개선에 효과적이다.
이러한 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제로는 예컨대, 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,5-펜탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일][(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,5-펜탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,4-부탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,4-부탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노 등이 사용될 수 있으며,
본 발명의 일 구체예에서 상기 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제는 절연파괴강도 향상을 동반하는 시너지 효과를 고려할 때 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]]일 수 있다.
상기 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제의 함량은 전체 조성물 중에 500 내지 5,000 ppm 포함되며, 바람직하게는 1,000 내지 3,000 ppm 함량으로 포함될 수 있다. 상기 함량이 500 ppm 미만일 경우에는 유전정접 특성 향상 효과가 부족하고, 5,000 ppm을 초과할 경우에는 오히려 매트릭스의 유전율을 증가시켜 유전정접이 증가하고 절연파괴강도가 저하된다.
본 발명에 따른 수지 조성물은 상기 성분들 이외에도 전력 케이블의 절연용으로 적용 시 일반적으로 사용되는 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수 있으며, 예컨대, 산화방지제 및 수트리(water　tree) 방지제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물은 당 업계에 알려진 통상의 방법에 따라 상기 성분들을 혼합 및 압출하여 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 성분들을 2축 압출기에 투입하여 용융 혼련하여 수지 조성물을 제조할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연용 수지 조성물은 일정 조성 범위의 프로필렌 블록 공중합체, 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 무기나노복합체 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제를 포함하여 당해 기술분야에서 요구되는 물리화학적 특성을 충족하면서 우수한 전기적 특성을 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연용 수지 조성물은 용융점이 150 내지 160℃이고, 용융엔탈피가 40 내지 80 J/g이고, 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 1 내지 3 g/10min이고, 자일렌 가용분(Xylene soluble)이 30 내지 50 중량%일 수 있고, 바람직하게는 용융점이 150 내지 155℃이고, 용융엔탈피가 50 내지 70 J/g이고, 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 1.5 내지 2.5 g/10min이고, 자일렌 가용분(Xylene soluble)이 35 내지 45 중량%일 수 있다. 또한 내열 안정성 및 전압 안정성이 우수하고, 친환경적이어서 재활용이 가능하며, 구체적으로 하기 방법에 따라 측정된 AC 절연파괴강도가 50 kV/mm 이상, 바람직하게는 53 kV/mm 이상 이고, 상대유전율이 2.1 이하, 바람직하게는 2.0 이하이고, 유전정접이 0.05% 이하, 바람직하게는 0.03% 이하일 수 있다.
[절연파괴강도 측정방법]
상기 수지 조성물을 두께 1 mm의 시트상으로 제조 후 10℃ 에서 5분간 냉각하고, ASTM D149 규격에 따라 최초에는 AC 30 kV를 5분간 인가하고, 이후 10 kV씩 상승시켜 5분간 유지하는 과정을 절연파괴가 발생할 때까지 계속하여, 절연파괴가 발생되면 그 때의 전압을 AC 절연파괴강도로 함;
[상대유전율 측정방법]
ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 2 mm, 가로 2 cm, 세로 2 cm)에 대하여 LCR Meter 장비(전극 반지름 5 mm, 전극 형태 G10 type)를 이용하여 주파수 1 MHz, AC 1 V 전압을 인가하여 60℃ 조건으로 측정함;
[유전정접 측정방법]
ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 1 mm, 가로 10 cm, 세로 10 cm)에 대하여 다기능 임피던스 측정 시험장비를 이용하여 130℃, 2 kV 조건에서 측정하되, 1종 2호 광유를 항온조에 부어 상기 온도 조건을 유지하며, 시편을 셰링 브릿지(Schering bridge) 회로 구성을 적용한 임피던스 측정기의 구형의 전극 사이에 로딩 및 교류전압을 인가하여 유전율을 측정한 후 ASTM D150 규격의 환산식을 적용하여 유전손실계수를 계산함.
이상의 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물로 전력 케이블이 제조될 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 수지 조성물로 제조되는 전력 케이블의 단면을 모식적으로 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 케이블의 절연용 수지 조성물로 제조되는 전력 케이블은 도체(1), 상기 도체(1)를 감싸는 내부 반도전층(2), 상기 내부 반도전층(2)을 감싸는 절연층(3), 상기 절연층(3)을 감싸는 외부 반도전층(4) 및 상기 외부 반도전층(4)을 감싸는 쉬스층(5)을 포함하고, 상기 절연층(3)은 본 발명에 따른 수지 조성물을 포함할 수 있다. 상기 절연층을 제외하고, 상기 전력 케이블을 구성하는 각 층의 세부 사항은 당업자에게 통상적으로 알려져 있으므로, 본 발명에서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 제조예, 실시예 및 비교예를 들어 설명한다.
제조예 : 프로필렌 블록 공중합체 제조
벌크 반응기에 프로필렌과 에틸렌을 반응시켜 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체를 수득하고, 벌크 반응기에서 중합된 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체와 에틸렌 및 프로필렌을 기상 반응기에 투입하여 연속 공정으로 에틸렌-프로필렌의 공중합 반응을 실시하여 프로필렌 블록 공중합체를 제조하였다. 제조된 프로필렌 블록 공중합체는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체와 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)의 중량비가 1:1이고, 에틸렌 유래의 반복단위가 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 중에 2 중량%, 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 중에 35 중량% 및 전체 공중합체 중에 15 중량%이고, 자일렌 가용분의 함량이 25 중량%이고, 용융지수가 1.5 g/10min, 용융점이 152℃ 및 용융 엔탈피가 60 J/g이었다. 프로필렌 블록 공중합체의 용융지수, 자일렌 가용분, 용융점 및 용융엔탈피는 각각 하기 방법에 따라 측정되었다.
- 용융지수(Melt Index, MI) : ASTM D1238 규격에 따라 온도 230℃ 및 하중 2.16 ㎏ 조건으로 측정하였다.
- 자일렌 가용분(Xylene Soluble, X.S.) : ASTM D5492 규격에 따라 프로필렌 블록 공중합체를 끓는 자일렌에 녹인 후 상온에서 냉각시켜 자일렌에 용해된 부분과 불용인 부분으로 분리한 후 자일렌에 용해된 부분을 따로 모아 핫플레이트로 자일렌을 증발시킨 후 남은 부분의 중량%를 측정하였다.
- 용융점 및 용융엔탈피 : 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 10 ℃/min 속도로 200℃ 까지 가열 후 -30℃ 까지 냉각을 2회 반복하여 2회째 측정된 데이터를 사용하였다.
실시예 및 비교예
상기 제조된 프로필렌 블록 공중합체 75 중량부 및 폴리올레핀 엘라스토머(POE, 프로필렌-에틸렌 고무(PER, VistamaxxTM 6102FL, MI 3 g/10min(230℃, 2.16 ㎏ 하중), 에틸렌 함량 16 중량%, Exxonmobil Chemical사) 25 중량부와, 하기 표 1의 첨가제 성분 조성(단위 : ppm)으로 구성된 혼합물을 믹서로 5분간 혼합한 후 190 내지 230℃ 조건에서 2축 압출기로 압출하여 펠렛 상의 수지 조성물을 제조하였다.
시험예
상기 제조된 펠렛 상의 수지 조성물에 대하여 하기 방법에 따라 이온성 불순물 함량, 유전정접, 상대유전율 및 절연파괴강도를 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.
[측정방법]
(1) 이온성 불순물 함량
상기 제조된 수지 조성물의 무게를 측정한 후 도가니에 넣고 전기로에서 400℃ 4시간 및 800℃ 6시간 동안 회화(ashing)시킨 후, 5 중량% 질산용액으로 회화가 된 시료를 녹여 100 ml의 플라스크에 채우고, 유도결합 플라즈마 장치(ICP-MS)를 이용하여 이온성 불순물(Ca, Si, Fe, Al, Zn, Cu, Mg, Na 및 K의 10종)의 농도를 측정한 후, 측정된 이온 농도에서 회화된 시료를 넣지 않은 빈 도가니로 얻은 블랭크에서의 농도를 뺀 값을 최종 이온성 불순물 함량으로 하였다.
(2) 유전정접
ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 1 mm, 가로 10 cm, 세로 10 cm)에 대하여 다기능 임피던스 측정 시험장비를 이용하여 130℃, 2 kV 조건에서 측정하되, 1종 2호 광유를 항온조에 부어 상기 온도 조건을 유지하며, 시편을 셰링 브릿지(Schering bridge) 회로 구성을 적용한 임피던스 측정기의 구형의 전극 사이에 로딩 및 교류전압을 인가하여 유전율을 측정한 후 ASTM D150 규격의 환산식을 적용하여 유전손실계수를 계산하였다.
(3) 상대유전율
ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 2 mm, 가로 2 cm, 세로 2 cm)에 대하여 LCR Meter 장비(전극 반지름 5 mm, 전극 형태 G10 type)를 이용하여 주파수 1 MHz, AC 1 V 전압을 인가하여 60℃ 조건으로 유전정접(dissipation factor, tanδ) 및 상대유전율(Dielecrtric Constant)을 측정하였다. 상대유전율이 크면 전력 케이블의 절연층 용도로 사용이 어려울 수 있고, 2.1 이하일 경우 전기적 특성이 매우 우수한 것으로 판단한다.
(4) 절연파괴강도
제조된 수지 조성물을 두께 1 mm의 시트상으로 제조 후 10℃ 에서 5분간 냉각하고, ASTM D149 규격에 따라 최초에는 AC 30 kV를 5분간 인가하고, 이후 10 kV씩 상승시켜 5분간 유지하는 과정을 절연파괴가 발생할 때까지 계속하여, 절연파괴가 발생되면 그 때의 전압을 AC 절연파괴강도로 하였다. AC 절연파괴강도가 50 kV/mm 이상일 때 전기적 특성이 우수한 것으로 판단한다.
Figure PCTKR2024017169-appb-img-000001
표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 분산된 프로필렌 블록 공중합체, 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 무기나노복합체 및 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제를 특정 함량비로 사용한 전력 케이블의 절연용 수지 조성물(실시예 1 내지 2)은 당해 기술분야에서 요구되는 물리화학적 특성을 충족하면서, 이온성불순물 함량이 낮으면서, 절연성 무기 나노 입자인 무기나노복합체 성분이 폴리프로필렌 매트릭스에 분산되어 매트릭스의 열 확산을 개선하여 열화를 방지하고, 절연성을 개선하여 유전정접과 유전율을 낮추어 장기 내열 및 전압 안정성을 향상시키고, HALS계 안정제가 첨가되어 낮은 휘발성으로 소실이 적으며, 라디칼 생성으로 분극이 촉진되어 발생하는 전도전류의 손실을 낮추는 전기특성 개선 효과가 존재하여, 절연 물성을 효과적으로 개선한 것을 알 수 있다.
또한 무기나노복합체에 의한 열 확산 효과 및 HALS계 안정제에 의한 라디칼 생성 억제 효과로 인해 사슬의 열화를 방지하여 절연파괴강도를 개선하고, 유전정접 및 유전율 개선 효과로 전력손실을 방지하는 효과를 확인하면서, HALS계 안정제 함량을 높일 경우(실시예 2) 유전정접(유전손실)이 추가 개선되고, 절연파괴강도 역시 개선되어 시너지 효과가 있음이 확인되었다.
이에 대하여, 무기나노복합체 첨가 없이 HALS계 안정제를 첨가할 경우(비교예 1)에는 분자량이 높은 HALS계 안정제를 적용하여 고온에서 낮은 휘발성으로 소실이 적으며, 라디칼 생성으로 분극이 촉진되어 발생하는 전도전류의 손실을 낮추는 전기특성 개선 효과가 존재하지만, 무기나노복합체가 첨가되지 않아 열확산 효과가 나타나지 않고, 실시예 1 및 2 대비 내열안정성이 감소되어 절연파괴강도 성능이 열세인 것으로 확인되었다.
또한 HALS계 안정제 첨가 없이 무기나노복합체를 첨가할 경우(비교예 2)에는 전기적 특성이 현저히 저하되는 것을 알 수 있고, 이때, 무기나노복합체 함량을 증가시키면(비교예 3 및 4) 열 확산은 개선되지만 이온성 불순물의 양이 증가하게 되어 결정영역의 결함(defects)으로 작용하여, 절연성능의 개선효과가 소폭 저하되어 절연파괴강도에 영향을 주는 역효과가 발생하는 것을 알 수 있다.
또한 무기나노복합체 대신 칼슘 스테아레이트(Calcium Stearate)를 사용할 경우(비교예 5)에는 열 확산 및 절연특성 개선 효과가 나타나지 않아 절연파괴강도가 저하되고, 절연성 나노 입자(Nano Particle)로서 이산화규소(SiO2)를 사용할 경우(비교예 6)에는 유전율 및 유전정접을 감소시키지 못하고, 뭉침 현상에 의한 절연파괴강도 감소를 유발하고, 산화마그네슘(MgO)을 사용할 경우(비교예 7)에는 유전율과 유전정접이 감소되는 효과가 나타났으나, 이온성불순물 함량 수준이 매우 높고, 산화마그네슘 입자의 뭉침 현상에 의해 절연파괴강도가 저하되는 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 내에 에틸렌-프로필렌 고무(EPR)가 분산된 프로필렌 블록 공중합체 60 내지 90 중량부;
    폴리올레핀 엘라스토머(POE) 10 내지 40 중량부;
    전체 조성물 중량에 대하여 무기나노복합체 100 내지 1,000 ppm; 및
    HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제 500 내지 5,000 ppm;
    을 포함하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로필렌 블록 공중합체의 에틸렌 유래의 반복단위가,
    상기 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 중에 0.1 내지 5 중량% 포함되고,
    상기 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 중에 30 내지 60 중량% 포함되고,
    상기 프로필렌 블록 공중합체 중에 5 내지 25 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로필렌 블록 공중합체는 용융점이 150 내지 170℃이고, 용융엔탈피가 40 내지 70 J/g이고, 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 10 g/10min이고, 자일렌 가용분(Xylene soluble)이 상기 프로필렌 블록 공중합체 중에 20 내지 40 중량%이고,
    상기 수지 조성물은 용융점이 150 내지 160℃이고, 용융엔탈피가 40 내지 80 J/g이고, 용융지수(MI, 230℃, 2.16 kg 하중)가 1 내지 3 g/10min이고, 자일렌 가용분(Xylene soluble)이 30 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기나노복합체는, 하기 화학식 1의 금속 이중층 수산화물 구조체 또는 이로부터 유래한 복합 금속 산화물 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물:
    [화학식 1]
    [Ma 2+ 1-xMb 3+ x(OH)2]x+　(An-)x/nㆍmH2O
    화학식 1에서,
    Ma 2+　및 Mb 3+는 각각 2가 금속과 3가 금속의 양이온이고,
    An-는 층간 삽입된 음이온이고,
    x는 두 금속 양이온의 비, Mb 3+/(Ma 2++Mb 3+)에 의해 결정되는 표면 전하로서 0 < x < 1 이고,
    n은 1 내지 3의 정수이고,
    m은 0.1 내지 15의 수이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속 이중층 수산화물 구조체는 마그네슘-알루미늄-탄산계 하이드로탈사이트인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 안정제는 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,5-펜탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일][(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,5-펜탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,4-부탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]], 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트리아진-2,4-디일]-[(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,4-부탄디일-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피레리디닐)이미노]]로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수지 조성물은 하기 방법에 따라 측정된 AC 절연파괴강도가 50 kV/mm 이상이고, 상대유전율이 2.1 이하이고, 유전정접이 0.05% 이하인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 절연용 수지 조성물:
    [절연파괴강도 측정방법]
    상기 수지 조성물을 두께 1 mm의 시트상으로 제조 후 10℃ 에서 5분간 냉각하고, ASTM D149 규격에 따라 최초에는 AC 30 kV를 5분간 인가하고, 이후 10 kV씩 상승시켜 5분간 유지하는 과정을 절연파괴가 발생할 때까지 계속하여, 절연파괴가 발생되면 그 때의 전압을 AC 절연파괴강도로 함;
    [상대유전율 측정방법]
    ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 2 mm, 가로 2 cm, 세로 2 cm)에 대하여 LCR Meter 장비(전극 반지름 5 mm, 전극 형태 G10 type)를 이용하여 주파수 1 MHz, AC 1 V 전압을 인가하여 60℃ 조건으로 측정함;
    [유전정접 측정방법]
    ASTM D150 규격에 따라 제조된 시편(두께 1 mm, 가로 10 cm, 세로 10 cm)에 대하여 다기능 임피던스 측정 시험장비를 이용하여 130℃, 2 kV 조건에서 측정하되, 1종 2호 광유를 항온조에 부어 상기 온도 조건을 유지하며, 시편을 셰링 브릿지(Schering bridge) 회로 구성을 적용한 임피던스 측정기의 구형의 전극 사이에 로딩 및 교류전압을 인가하여 유전율을 측정한 후 ASTM D150 규격의 환산식을 적용하여 유전손실계수를 계산함.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 수지 조성물을 절연층으로 포함하는 전력 케이블.
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