KR102082674B1 - 투명성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블에 관한 것이다. 일 실시예에서 상기 전력케이블은 하나 이상의 도체; 상기 도체를 둘러싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 둘러싸는 절연층; 상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도전층; 상기 외부 반도전층을 둘러싸는 중성선 수밀층; 및 상기 중성선 수밀층을 둘러싸는 외피층;을 포함하고, 상기 절연층은 폴리프로필렌 블록 코폴리머, 에틸렌-옥텐 고무를 포함한다.
Description
본 발명은 전력케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게는 고온에서 장시간 운전이 가능하면서 투명성이 향상되어 백화 현상이 적은 절연층을 구비한 전력케이블에 관한 것이다.
통상, 전력케이블의 절연소재로서 주류로 사용되는 가교 폴리에틸렌 수지(XLPE)는 열경화성 수지이므로 내열성 및 내약품성 등이 우수하고, 전기적 특성 또한 우수한 편이다. 가교 폴리에틸렌 수지를 제조하는 방법은 유기 과산화물 혹은 실란을(미국등록특허 제6284178호(2011.09.04)) 매개체로 하는 화학적 반응에 의한 가교 및 전자선 가교(미국등록특허 제4426497호(1984.01.17)) 등이 있으며, 최근 대형 전선업계에서는 유기 과산화물에 의한 가교 타입을 가장 널리 사용하고 있다.
최근에는 재활용이 가능하고, 높은 송전용량 전달능을 갖는 전력케이블 특성이 요구되며 이를 만족시키기 위해서는 상시 최고 허용온도 110℃로 운영 가능한 가교되지 않은 고분자 수지로 이루어진 절연층을 포함한 전선이 요구되고 있다.
반면, 가교 폴리에틸렌 수지는 폴리에틸렌을 가교시켜 제조한 열경화성(thermoset) 수지이므로 재생이(recycle) 불가능하여 폐기처분에 어려움이 많아 환경오염의 원인이 되고 있다. 또한, 가교 폴리에틸렌의 용융점이 90℃ 내지 115℃이므로 110℃의 고온에서의 운영이 어려우므로 전력케이블의 절연층의 재료로서 적당하지 못하다.
즉, 환경 친화적인 비가교 타입의 열가소성(thermoplastic) 수지의 사용 요구가 있으나, 현재 주로 사용되는 가교 폴리에틸렌은 내열성이 현격히 부족하여 전력케이블 절연재료의 용도로 사용하기에 적절하지 않아 문제가 된다.
이러한 배경으로 전력케이블의 절연재료로서 우리나라 공개특허 제10-2010-0106871호(2010.10.04)에 비가교 폴리에틸렌 수지에 대한 선행 기술이 있으나 실제 가공 시에는 수지의 낮은 전단담화(Shear thinning)로 인해 가공성이 불량하여 가공불량이 발생하는 문제가 있다. 또한 내트래킹성이 불량하여 옥외케이블의 절연층으로써 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 용융점을 가지고 가교되지 않은 고분자 복합수지로 이루어진 절연층을 포함하여 상시 최고 허용온도 110℃로 운영이 가능한 전력케이블의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명의 하나의 목적은 재활용이 가능한 친환경 비가교 절연층을 구비한 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내열성, 저온충격성, 기계적, 전기적 특성이 우수하면서도 내백화성, 투명성이 우수한 비가교성 수지로 이루어지는 절연층을 포함하는 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 일반적인 폴리프로필렌 복합수지 보다 촉매 잔량이 낮아 전기적 특성이 우수한 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 투명성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블에 관한 것이다. 일 실시예에서 상기 전력케이블은 하나 이상의 도체; 상기 도체를 둘러싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 둘러싸는 절연층; 상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도전층; 상기 외부 반도전층을 둘러싸는 중성선 수밀층; 및 상기 중성선 수밀층을 둘러싸는 외피층;을 포함하고, 상기 절연층은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 포함하고, 상기 절연층은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 30 중량부 내지 80 중량부 및 에틸렌-옥텐 고무 20 중량부 내지 70 중량부를 포함하며, 상기 절연층은 흐림도(Haze)가 90% 이하 또는 광투과율(Total transmittance)이 80% 이상이다.
일 실시예에서 상기 흐림도 및 광투과율은 ASTM D 1003에 의거하여 측정될 수 있다.
일 실시예에서 상기 절연층은 이온성무기물을 더 포함하며, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 55 중량부 내지 65 중량부, 에틸렌-옥텐 고무 35 중량부 내지 45 중량부 및 이온성무기물 0.03 중량부 이하로 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 80 중량부 내지 95 중량부의 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머와 5 중량부 내지 20 중량부의 에틸렌-프로필렌 고무가 중합된 에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머 중의 에틸렌 함량은 0.5 중량% 내지 10 중량%이고, 상기 에틸렌-프로필렌 고무 중의 에틸렌 함량은 20 중량% 내지 60 중량%이며, 상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머의 고유점도에 대한 에틸렌-프로필렌 고무의 용제추출물(자일렌이 용제임)의 고유점도비가 0.5 내지 1.1 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 ASTM D 1238(230℃, 2.16kg)에 의거하여 측정된 용융지수(MI)가 1g/10min 내지 10g/10min이고, ASTM D 1003에 의거하여 측정된 흐림도가 5% 이하일 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는, 에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머를 포함하는 매트릭스에 0.4㎛ 이하 크기의 에틸렌-프로필렌 고무가 분산된 형태를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율이 7000kg/㎠ 내지 10000kg/㎠이고, ASTM D648 규격에 의거하여 측정된 열변형 온도는 90℃ 내지 105℃이며, 용융점이 154℃ 내지 156℃ 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 록웰(Rockwell) 경도가 55 내지 63이고, ASTM D256 규격으로 측정한 1/8" 노치드 아이조드(Izod) 충격강도가 10kg·cm/cm 내지 20kg·cm/cm 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 에틸렌-옥텐 고무는 에틸렌 모노머 및 1-옥텐 코모노머에 의한 코폴리머이고, 상기 에틸렌-옥텐 고무 중 1-옥텐 코모노머의 함량은 5 중량% 내지 40 중량%이며, ASTM D 1238(230℃, 2.16kg)에 의거하여 측정된 용융지수(MI)가 6g/10min 이하일 수 있다.
일 실시예에서 상기 절연층의 용융점은 140℃ 내지 160℃이고, ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 2000kg/㎠ 내지 4000kg/㎠ 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 외피층과 중성선 수밀층 사이에는 하나 이상의 중성선이 구비될 수 있다.
일 실시예에서 상기 내부 반도전층과 외부 반도전층은 카본블랙을 각각 20 중량% 내지 40 중량% 포함하는 열가소성 수지 조성물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 외피층은 폴리에틸렌을 포함하고, 용융온도가 110℃ 내지 130℃일 수 있다.
본 발명에 따르면 재활용이 가능한 친환경 비가교 절연층을 구비한 전력케이블을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 내열성, 저온충격성, 기계적, 전기적 특성이 우수하면서도 내백화성, 투명성이 우수한 비가교성 수지로 이루어지는 절연층을 포함하는 전력케이블을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 일반적인 폴리프로필렌 복합수지 보다 촉매 잔량이 낮아 전기적 특성이 우수한 전력케이블을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블을 나타낸 도면이다.
도 2는 상기 도 1의 전력케이블의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예 2에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이다.
도 4a는 비교예 1에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이고, 도 4b는 비교예 2에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이며, 도 4c는 비교예 3에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 전력 케이블을 나타낸 것이며, 도 5b는 본 발명에 대한 비교예 1에 따른 전력 케이블을 나타낸 것이다.
도 2는 상기 도 1의 전력케이블의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예 2에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이다.
도 4a는 비교예 1에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이고, 도 4b는 비교예 2에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이며, 도 4c는 비교예 3에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 전력 케이블을 나타낸 것이며, 도 5b는 본 발명에 대한 비교예 1에 따른 전력 케이블을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블을 나타낸 도면이고, 도 2는 상기 도 1의 전력케이블의 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 투명성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블(100)은 하나 이상의 도체(또는 전기 도체)(110); 도체(110)를 둘러싸는 내부 반도전층(120); 내부 반도전층(120)을 둘러싸는 절연층(130); 절연층(130)을 둘러싸는 외부 반도전층(140); 외부 반도전층(140)을 둘러싸는 중성선 수밀층(150); 및 중성선 수밀층(150)을 둘러싸는 외피층(160);을 포함하고, 절연층(130)은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 포함하고, 절연층(130)은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 30 중량부 내지 80 중량부 및 에틸렌-옥텐 고무 20 중량부 내지 70 중량부를 포함하며, 절연층(130)은 흐림도(Haze)가 90% 이하, 또는 광투과율(Total transmittance)이 80% 이상이다.
일 실시예에서 상기 흐림도 및 광투과율은 ASTM D 1003에 의거하여 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블(100)은 20kV 이상의 고전압을 송신할 수 있으며, 장시간 안정적으로 사용할 수 있고 내부 구비되는 도체(110)를 안정적으로 절연시키는 친환경 수지를 절연층(130)으로 포함할 수 있다.
상기 전기 도체(110)는 막대 또는 스트랜디드 멀티-와이어(stranded multi-wire)로 전기적으로 도체인 금속 재료일 수 있으며, 구체적으로는 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다. 상기 도체(110)는 단면적이 원형으로 외경은 10mm 내지 25mm이고, 상기 절연층(130)의 두께는 6mm 내지 8mm일 수 있다. 구체적으로는, 상기 도체(110)의 단면적이 원형으로 외경은 11.4mm 내지 23.5mm이고, 절연층(130)의 두께는 6mm 내지 7.5mm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블(100)은 공칭 단면적에 따라 도체(110)의 외경이 10mm 내지 25mm인 원형으로 구비될 수 있는데, 상기 전력케이블(100)의 공칭 단면적이 커질수록 도체(110)의 외경도 커지며 이에 따라 송전할 수 있는 최대허용전류도 증가하게 된다.
예컨대, 22.9kV급 친환경 충실 알루미늄 전력케이블(100)에 있어서는 절연층의 두께를 6.8mm로 설정될 수 있는데, 상기 절연층(130)의 두께는 내전압치와 케이블의 절연파괴 강도에 의해 구해 질 수 있다. 절연층 두께의 산출 기준은 교류전압으로부터 결정되는 두께와 뇌충격전압으로부터 결정되는 두께 중 큰 값으로 결정되는데, 상기 22.9kV급 전력케이블(100)의 절연두께가 8mm를 초과하는 경우 전력케이블의 포설성 및 시공작업성이 저하된다. 구체적으로는, 상기 절연층(110)의 두께는 6.22mm 내지 7.37mm 일 수 있다.
상기 전기 도체(110)의 외면에는 내부 반도전층(120)이 구비되고, 상기 내부 반도전층(120)의 외측에는 외부 반도전층(140)이 둘러싸되, 상기 내부 반도전층(120)과 외부 반도전층(140) 사이에는 절연층(130)이 개재될 수 있다.
상기 내부 반도전층(120) 및 외부 반도전층(140)은 양측 모두 반도전층, 예컨대 반도체층으로 실온에서 500Ω·m 미만, 바람직하게는 20Ω·m 미만의 체적 저항값을 구비할 수 있으며, 일 실시예에서 상기 내부 반도전층(120) 및 외부 반도전층(140)은 카본블랙을 각각 20 중량% 내지 40 중량% 포함하는 열가소성 수지 조성물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 열가소성 수지로는 폴리프로필렌 폴리머를 포함할 수 있다. 에를 들면 내부 반도전층(120) 및 외부 반도전층(140)은 폴리프로필렌 폴리머에 카본블랙이 각각 20 중량% 내지 40 중량% 분산되어 구비될 수 있다.
상기 내부 반도전층(120)은 도체(110)와 절연층(130) 사이에 개재될 수 있다. 상기 내부 반도전층(120)은 도체 표면의 전계완화와 부분방전을 방지할 수 있으며, 상기 외부 반도전층(140)은 전계완화와 더불어 절연층을 보호하는 역할을 한다. 상기 중성선 수밀층(150)은 반도전성 부풀음 테이프를 포함할 수 있고, 상기 반도전성 부풀음 테이프는 수분을 흡수하여 팽창(부풀음)될 수 있다.
상기 중성선 수밀층(150)의 외면은 외피층(160)에 의하여 둘러싸도록 구비될 수 있다. 상기 외피층(160)은 폴리에틸렌을 포함하고, 용융온도가 110℃ 내지 130℃(용융온도는 KS M ISO 11357-3에 따라 승온속도 20℃/분으로 시험)일 수 있고, 구체적으로는, 상기 외피층(160)의 용융온도는 용융온도가 118℃ 내지 128℃일 수 있다.
상기 전력케이블(100)은 기중 또는 전력구에 포설될 때에는 난연성이 우수한 폴리염화비닐(PVC) 등의 자재를 외피층(160)으로 사용하고, 그 외의 경우에는 상기 외피층(160)으로 내구성이 우수한 폴리에틸렌(PE)를 사용한다.
상기 외피층(160)과 중성선 수밀층(150) 사이에는 하나 이상의 중성선(170)이 구비될 수 있다. 상기 중성선(170)은 연동선일 수 있으며, 도체(110)의 외경에 대해서 대략 0.1배 내지 0.15배의 외경을 갖는 단면이 원형으로 복수 개의 와이어를 포함하여 구비될 수 있다.
통상, 전력케이블에서 절연층으로 가교 폴리에틸렌을 사용하는데, 상기 가교 폴리에틸렌은 유기 과산화물을 이용하여 가교를 진행하기 때문에 상기 가교 폴리에틸렌의 재활용이 불가능하고 용융점이 낮아 110℃ 이상의 고온에서 전력케이블을 운영하는 경우에는 전력케이블의 변형 및 녹는 등의 문제가 생길 수 있다. 또한, 상기 전력케이블의 절연층으로 폴리프로필렌을 사용하는 경우에는 상기 폴리프로필렌은 용융점이 150℃ 이상으로 가교 폴리에틸렌보다 용융점이 높아 고온에서의 운영이 가능한 반면, 저온 내충격성에 취약하고 높은 강성으로 인하여 유연성이 부족하여 전력케이블을 포설하는 데 부적합한 단점이 있다.
본 실시예에 따른 전력케이블(100)은 하나 이상의 신규한 고분자 수지를 블렌딩하여 제조된 절연층(130)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(130)은 비가교 열가소성 고분자 수지를 포함하여 제공한다.
절연층(130)은 두 개의 서로 다른 수지를 블렌딩하여 제조할 수 있고, 예컨대, 서로 다른 수지는 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 포함할 수 있으며, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무는 비가교성 폴리머일 수 있다.
구체예에서 절연층(130)은 이온성 무기물을 더 포함할 수 있다. 예를 들면 절연층(130)은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 30 중량부 내지 80 중량부, 에틸렌-옥텐 고무 20 중량부 내지 70 중량부 및 이온성무기물 0.03 중량부 이하를 포함할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머가 80 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 전력케이블(100)의 기계적 강도가 증가하는 반면 유연성이 저하되어 문제되고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머가 30 중량부 미만으로 포함되는 경우 가열변형율이 증가되어 전력케이블이 눌리는 등의 현상이 발생한다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 상기 에틸렌-옥텐 고무를 20 중량부 미만으로 포함시 유연성이 저하되어 전력케이블의 형상변형이 어려워 다양한 적용이 어려우며, 상기 에틸렌-옥텐 고무를 70 중량부 초과하여 포함시 내부식성, 내후성 등과 같은 기계적 강도가 저하되어 문제된다.
또한, 상기 절연층(130)의 전기 절연특성을 더욱 향상시키고 백화현상을 억제하며, 동시에 공정효율을 향상시키기 위하여 보다 구체적인 범위로 한정될 수 있으며, 바람직하게는 상기 절연층(130)은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 55 중량부 내지 65 중량부, 에틸렌-옥텐 고무 35 중량부 내지 45 중량부 및 이온성무기물 0 초과 0.03 중량부 이하로 포함하며, 보다 바람직하게는 폴리프로필렌 블록 코폴리머 60 중량부, 에틸렌-옥텐 고무 40 중량부 및 이온성무기물 0.03 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다.
절연층(130)은 상기 이온성무기물을 더 포함할 수 있다. 상기 이온성무기물은 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 이용하여 절연층 제조시 사용되는 촉매 성분의 잔사와, 산화방지제 등의 첨가제로부터 기인된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 이온성무기물은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 인(P), 실리콘(Si), 칼슘(Ca) 및 아연(Zn) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이온성무기물은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여 0 초과 0.03 중량부 이하로 포함될 수 있다. 예를 들면 0 내지 0.03 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 미세 이물질 및 공극으로 인한 전계집중이 되지 않아 전기적 특성이 우수하고, 내충격성 등의 기계적 강도 및 유연성이 우수할 수 있다.
백화현상은 마이크로 보이드(micro void)에 의한 크랙(crack)에 의하여 발생하고, 상기 백화현상이 발생하는 경우 투명성이 저하되고 내백화, 내충격성이 저하되는 등 물성이 급격히 저하된다. 구체적으로는, 상기 이온성무기물의 함량이 증가되는 경우 절연성능을 저하시켜 전력케이블의 전기적 특성을 저하시키고, 고온에서 전력케이블을 운영하는 경우 상기 전력케이블의 열화를 촉진하는 등 전력케이블 수명 저하 문제의 원인이 된다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 절연층은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 포함하는 절연층 고분자 수지의 결정사이즈를 작게하여 광투과율을 향상시켜서 백화현상의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명에서 에틸렌-프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber)는 헤테로상 코폴리머(heterophasic copolymer) 형태일 수 있다. 상기 헤테로상 코폴리머는 에틸렌-프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber)의 고무 도메인(elastomeric domains)이, 폴리프로필렌 호모폴리머 또는 폴리프로필렌 코폴리머로 이루어진 매트릭스에 분산된 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 호모폴리머(homopolymer)는 반복 단위가 한 종류로 이루어진 폴리머를 의미하고, 코폴리머(copolymer)는 서로 다른 두 종류 이상의 반복 단위를 가진 폴리머를 의미한다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 80 중량부 내지 95 중량부의 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머와 5 중량부 내지 20 중량부의 에틸렌-프로필렌 고무가 반응기 내에서 단계적으로 중합된 에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머를 포함할 수 있다.
상기 에틸렌-프로필렌 코폴리머는 중합 반응장치에서 에틸렌과 프로필렌을 동시에 투입하여 중합될 수 있다. 상기 에틸렌-프로필렌 코폴리머의 중합 방법은 본 기술분야에서 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 에틸렌-프로필렌 고무는 상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머를 제조한 후에 이어지는 일련의 중합 반응장치에서 상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머의 존재하에 중합된다. 상기 에틸렌-프로필렌 고무의 중합방법은 본 기술분야에서 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 전체중량에 대하여, 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머를 80 중량부 미만으로 포함하는 경우, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 수지의 결정화도가 저하되어 내열성이 저하되고, 95 중량부를 초과하여 포함되는 경우 내충격성이 급격히 저하된다.
상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머 중의 에틸렌 함량은 0.5 중량% 내지 10 중량% 포함될 수 있다. 상기 에틸렌을 0.5 중량% 미만으로 포함시 코폴리머의 결정화도가 높아지거나 에틸렌-프로필렌 고무와의 상용성이 저하되어 투명성 및 내백화성이 저하될 수 있고, 상기 에틸렌이 10 중량%를 초과하여 포함시 결정화도가 급격하게 저하되어 내열성 등의 기계적 강도가 저하된다.
상기 에틸렌-프로필렌 고무 중의 에틸렌은 20 중량% 내지 60 중량% 포함될 수 있다. 상기 에틸렌을 20 중량% 미만으로 포함시 탄성 및 내충격성 등과 같은 물성을 열화시키고, 60 중량%를 초과하여 포함시 에틸렌-프로필렌 고무의 유연성을 저하시킬 수 있다.
구체예에서 상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머의 고유점도에 대한 에틸렌-프로필렌 고무의 용제추출물(자일렌이 용제임)의 고유점도비(에틸렌-프로필렌 고무의 용제추출물의 고유점도/에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머의 고유점도)가 0.5 내지 1.1 일 수 있다. 상기 고유점도비가 상기 범위를 벗어나는 경우 에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머와 에틸렌-프로필렌 고무와의 상용성을 저하시키고, 상기 에틸렌-프로필렌 고무 등을 뭉치게 하는 등 제품으로의 성형성을 저하시킬 수 있다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머를 포함하는 매트릭스에, 크기가 0.4㎛ 이하, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 0.4㎛의 크기의 에틸렌-프로필렌 고무가 미세입자가 상기 매트릭스 내에 분산된 형태를 포함할 수 있다. 상기 에틸렌-프로필렌 고무의 크기가 0.4㎛ 초과인 경우에는 성형성이 저하되고 가시광선 파장보다 큰 분산상이 증가되어 투명성이 저하될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 상기 "크기"는 상기 에틸렌-프로필렌 고무의 "최대 길이"를 의미할 수 있다.
구체예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 ASTM D 1238(230℃, 2.16kg)에 의거하여 측정된 용융지수(MI)가 1g/10min 내지 10g/10min이고, ASTM D 1003에 의거하여 측정된 흐림도가 5% 이하일 수 있다. 상기 용융지수(MI)가 1g/10min 미만인 경우에는 유동성이 저하되어 전력케이블을 성형으로 제조하기에 적절하지 못하며, 10g/10min 초과이면 점도가 너무 낮아 제조된 전력케이블의 두께를 균일하게 제어하기 어렵다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율이 7000kg/㎠ 내지 10000kg/㎠이고, ASTM D648 규격에 의거하여 측정된 열변형 온도는 90℃ 내지 105℃이며, 용융점이 154℃ 내지 156℃일 수 있다. 일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 록웰(Rockwell) 경도가 55 내지 63이고, ASTM D256 규격으로 측정한 1/8" 노치드 아이조드(Izod) 충격강도가 10kg·cm/cm 내지 20kg·cm/cm 일 수 있다.
절연층(130)은 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머와 에틸렌-옥텐 고무를 소정의 비율로 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 에틸렌-옥텐 고무는 에틸렌 모노머 및 1-옥텐 코모노머에 의한 코폴리머이고, 상기 에틸렌-옥텐 고무 중 1-옥텐 코모노머의 함량은 5 중량% 내지 40 중량%이며, ASTM D 1238(230℃, 2.16kg)에 의거하여 측정된 용융지수(MI)가 6g/10min 이하일 수 있다. 구체적으로는 상기 에틸렌-옥텐 고무 중 상기 1-옥텐 코모노머의 함량은 5.5 중량%, 7.6 중량%, 28 중량% 및 39 중량% 포함될 수 있다. 또한, 상기 에틸렌-옥텐 고무의 유리전이온도(Tg)는 -30℃ 이하일 수 있다.
상기 에틸렌-옥텐 고무의 용융지수가 6g/10min 초과인 경우에는 절연층의 용융지수를 상승시켜 전력 케이블의 가공시 문제가 되고, 상기 유리전이온도가 -30℃ 초과인 경우에는 전력케이블의 저온특성을 저하시켜 문제가 된다.
상기 에틸렌-옥텐 고무는 에틸렌과 옥텐의 코폴리머이고 에틸렌-프로필렌-디엔계 탄성체(EPDM)에 비하여 저온충격강도가 우수하므로, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머와 혼합하여 절연층(130)을 제조하는 경우 저온충격강도를 향상시키고 기계적 물성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력케이블(100)의 유연성은 절연층(130)에 의하여 영향받을 수 있고, 상기 전력케이블(100)의 유연성은 절연층(130)의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율이 2000kg/㎠ 내지 4000kg/㎠인 것이 바람직하다. 상기 절연층(130)은 폴리프로필렌 블록 코폴리머와 에틸렌-옥텐 고무의 혼합에 의하여 형성될 수 있으며, 이들 폴리프로필렌 블록 코폴리머와 에틸렌-옥텐 고무는 각각의 굴곡탄성율과 함께, 혼합 비율, 혼합 방법 등에 의하여 절연층(130)의 굴곡탄성율이 제어될 수 있다.
상기 절연층(130)의 용융점은 140℃ 내지 160℃이고, ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 2000kg/㎠ 내지 4000kg/㎠일 수 있다. 상기 절연층(130)의 상기 굴곡탄성율이 4000kg/㎠ 초과이면 강성이 높아 유연성이 저하되며, 백화현상 등이 발생하여 문제가 되고, 2000kg/㎠ 미만이면 가열변형율이 커서 전력케이블이 눌리는 등의 현상이 발생할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 절연층(130)의 용융점은 140℃ 내지 160℃일 수 있다. 구체적으로는, 상기 절연층(130)의 용융점은 150℃ 이상이고, 보다 구체적으로는 150℃ 내지 160℃일 수 있다. 일 실시예에서 상기 절연층(130)의 용융점은 152℃ 또는 153℃일 수 있다. 상기 절연층(130)의 용융점이 150℃ 미만인 경우에는 백화현상의 발생은 억제할 수 있으나 전력케이블(130)을 장시간 안정적으로 운영하기 어렵고, 160℃ 초과인 경우에는 절연층을 구성하는 고분자 수지의 결정사이즈가 커서 백화현상이 다수 발생하는 문제가 있다. 따라서, 전력케이블(100)을 고온에서 안정적으로 운영하고 백화현상의 발생을 소정의 범위 내로 제어하기 위해서는 상기 절연층(130)의 용융점은 150℃ 내지 160℃인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에 따른 전력케이블(100)은 가교되지 않은 고분자 복합수지로 이루어진 절연층을 이용함으로써, 재활용이 가능하여 친환경적이고, 또한 용융점이 상승되어 송전용량이 증가되는 경우에도 안정적으로 운영이 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예
및
비교예
실시예
1
하기 표 1에 기재된 바와 같이, 폴리프로필렌 블록 코폴리머(제품명: CF309, 한화토탈社) 60 중량부 및 에틸렌-옥텐 고무(제품명: Engage 8842, Dow Elastomes社) 40 중량부 및 이온성무기물 0.0180 중량부를 포함하는 절연케이블용 절연층을 제조하였다.
실시예
2~3
하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응형 폴리프로필렌, 에틸렌-옥텐 고무 함량을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예
1
하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응형 폴리프로필렌과 에틸렌-옥텐 고무의 함량을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예
2
하기 표 1에 기재된 바와 같이 랜덤 폴리프로필렌 계열 폴리머(RP242G, Lyondellbasell社) 60 중량부 및 반응형 폴리프로필렌(제품명: CA7441A, Lyondellbasell社) 40 중량부를 적용한 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예
3
하기 표 1에 기재된 바와 같이 랜덤 폴리프로필렌 계열 폴리머(RP242G, Lyondellbasell社) 100 중량부를 적용한 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예
4
가교 폴리에틸렌(LS4201, borealis社)을 적용한 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~4의 절연층에 대하여, 하기 표 2와 같은 조건으로 전력케이블을 각각 제조하였으며, 상기 절연층 및 전력케이블의 기계적 물성을 하기 기준에 따라 측정하여 그 결과를 하기 표 1, 표 3 및 표 4에 나타내었다.
물성측정방법
(1) 상온 및 가열 후 기계적 물성 평가: 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 전력케이블 시편에 대하여 IEC-60811-501 규격에 따라 상온에서 인장속도 25mm/분으로 파단점의 인장강도와 신율을 측정했다. 가열은 135℃, 240시간 가열하며 인장속도 25mm/분으로 파단점의 인장강도와 신율을 측정했다. 상온 및 가열후 인장강도의 규격은 1.27kg/㎟ 이상이며 신율은 350% 이상이어야 한다.
(2) 가열변형: 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 절연층 시편에 대하여 IEC-60811-508 규격에 따라 가열온도 130℃, 6시간의 조건으로 일정한 하중을 가하여 시험하였을 때 두께 감소율이 50% 이하여야 한다.
(3) 내한타격시험: 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 절연층 시편에 대하여 KS C 3004 규격에 따라 -40℃에서 5개의 내한타격시험을 수행하였고, 5개의 시편중 파괴현상을 관찰하였으며 파괴가 일어나지 않을수록 내한성이 우수한 것을 의미한다.
(4) 굴곡탄성율시험: 상기 실시예 및 비교예 절연층에 대하여 ASTM D790 규격에 따라 굴곡탄성율을 측정하였으며 2000kg/㎠ 내지 4000kg/㎠의 굴곡탄성율을 나타내는 경우 저온내충격성, 유연성, 굴곡성이 우수한 것으로 판단된다.
(5) 응력백화 (Stress-whitening): 상기 실시예 및 비교예 절연층 시편을 90℃ 구부려 백화 및 크랙의 유무를 육안으로 확인하였다.
(6) 배향결정화 후 백화(orientation-induced crystallization): 상기 실시예 및 비교예 절연층에 대하여 만능재료시험기 (UTM)로 시편을 배향 시킨 후 백화 및 크랙의 유무를 육안으로 확인 하였다.
(7) 광확산도(Haze) 및 광투과율(Total Transmittance)
상기 실시예 및 비교예 절연층에 대하여 ASTM D 1003 규격에 따라 핫프레스 기기를 이용하여 0.5mm 두께의 시편을 제작한 후 광확산도(Haze)와 광투과율(Total Transmittance)를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 시험기기는 헤이즈미터기(Hazemeter, NDH-5000)를 이용하고, 광원으로는 백색 LED를 이용하였다. 14mm￠의 시험광속과, 25mm￠의 입사개구를 이용하였다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예 2에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이다. 도 4a는 비교예 1에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이고, 도 4b는 비교예 2에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이며, 도 4c는 비교예 3에 따른 배향결정화 후 응력백화 결과를 나타낸 도면이다. 또한, 도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 전력 케이블을 나타낸 것이며, 도 5b는 본 발명에 대한 비교예 1의 전력 케이블을 나타낸 것이다.
상기 도 3a 내지 도 5b와 함께 표 1 내지 표 4를 참조하면, 상기 실시예 1 내지 3의 경우, 백화 현상이 발생하지 않았으나, 비교예 1은 전기적 특성은 우수하나 저온에서의 내충격성이 부적합하고 응력 백화와 배향결정화 한 후에 백화 현상이 발생하였다. 비교예 2는 저온 내충격성, 전기적 특성은 우수하고 응력 백화 현상이 발생하지 않았다. 비교예 3은 저온에서의 내충격성이 부적합하고 강성이 매우 높아 유연성이 부족하며 응력 백화와 배향결정화 한 후에 백화 현상이 발생함을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 실시예 1 및 실시예 2와 실시예 3을 비교하면, 실시예 1 및 실시예 2가 실시예 3에 비해서 굴곡탄성율이 보다 높은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 1 및 실시예 2의 경우 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 함량이 에틸렌-옥텐 고무의 함량에 비하여 상대적으로 높은 비율을 차지하기 때문임을 확인할 수 있었다.
실시예 1 및 실시예 2를 비교하면, 양측 모두 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 함량이 유사함에도 불구하고 실시예 1의 AC 절연파괴강도가 보다 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 1의 경우에는 이온성무기물의 함량이 보다 적게 포함됨이 원인임을 확인할 수 있었다.
즉, 전력케이블의 절연층으로는 실시예 1 내지 실시예 3과 같이 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 이때 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무와 이들에 포함되는 이온성무기물의 함량을 소정의 제어된 범위로 혼합하는 것이 전기적 특성 및 기계적 강도, 유연성을 모두 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 실시예에 따른 고분자 수지를 전력케이블의 절연층으로 적용하는 경우, 도체의 상시 최고 허용온도 110℃에서 운영이 가능하고 -40℃의 저온에서 우수한 내충격성을 확보할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 절연층의 구성인 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무는 비가교성 폴리머로, 전력케이블의 절연층으로 이용되는 경우 유연성, 기계적 및 전기적 특성이 향상됨과 동시에 비가교성이므로 친환경인 전력케이블을 제공할 수 있다. 또한, 이들 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무를 포함하는 절연체 고분자 수지의 결정 크기를 제어하여, 광투과율을 향상하여 백화현상을 감소시킬 수 있다.
100 : 전력케이블 110 : 도체
120 : 내부 반도전층 130 : 절연층
140 : 외부 반도전층 150 : 중성선 수밀층
160 : 외피층 170 : 중성선
120 : 내부 반도전층 130 : 절연층
140 : 외부 반도전층 150 : 중성선 수밀층
160 : 외피층 170 : 중성선
Claims (14)
- 하나 이상의 도체;
상기 도체를 둘러싸는 내부 반도전층;
상기 내부 반도전층을 둘러싸는 절연층;
상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도전층;
상기 외부 반도전층을 둘러싸며, 수분을 흡수하여 팽창될 수 있는 반도전성을 갖는 중성선 수밀층; 및
상기 중성선 수밀층을 둘러싸는 외피층;을 포함하고,
상기 절연층은 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 30 중량부 내지 80 중량부 및 에틸렌-옥텐 고무 20 중량부 내지 70 중량부를 포함하며,
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 80 중량부 내지 95 중량부의 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머와 5 중량부 내지 20 중량부의 에틸렌-프로필렌 고무가 중합된 에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머를 포함하는 것이며,
상기 에틸렌-옥텐 고무는 에틸렌 모노머 및 1-옥텐 코모노머에 의한 코폴리머이고, 상기 에틸렌-옥텐 고무 중 1-옥텐 코모노머의 함량은 5 중량% 내지 40 중량%이며, ASTM D 1238(230℃, 2.16kg)에 의거하여 측정된 용융지수(MI)가 6g/10min 이하이고,
상기 절연층은 광투과율(Total transmittance)이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 전력케이블이며,
상기 전력케이블은 IEC-60811-501 규격에 따라 상온에서 인장속도 25mm/분으로 실시한 인장강도 2.4~2.7 kg/mm2 및 신율 735~760%이며, 135℃에서 240 시간 동안 가열하며 인장속도 25mm/분으로 실시한 인장강도 2.5~2.8 kg/mm2 및 신율 650~680%인 것을 특징으로 하는 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 광투과율은 ASTM D 1003에 의거하여 측정되는 것을 특징으로 하는 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 절연층은 상기 절연층은 이온성무기물을 더 포함하며,
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 에틸렌-옥텐 고무의 합 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 55 중량부 내지 65 중량부, 에틸렌-옥텐 고무 35 중량부 내지 45 중량부 및 이온성무기물 0.03 중량부 이하로 포함하는 전력케이블.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머 중의 에틸렌 함량은 0.5 중량% 내지 10 중량%이고, 상기 에틸렌-프로필렌 고무 중의 에틸렌 함량은 20 중량% 내지 60 중량%이며,
상기 에틸렌-프로필렌 랜덤 코폴리머의 고유점도에 대한 에틸렌-프로필렌 고무의 용제추출물(자일렌이 용제임)의 고유점도비가 0.5 내지 1.1인 것인 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 ASTM D 1238(230℃, 2.16kg)에 의거하여 측정된 용융지수(MI)가 1g/10min 내지 10g/10min이고, ASTM D 1003에 의거하여 측정된 흐림도가 5% 이하인 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는,
에틸렌-프로필렌 랜덤 블록 코폴리머를 포함하는 매트릭스에 0.4㎛ 이하 크기의 에틸렌-프로필렌 고무가 분산된 형태를 포함하는 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율이 7000kg/㎠ 내지 10000kg/㎠이고, ASTM D648 규격에 의거하여 측정된 열변형 온도는 90℃ 내지 105℃이며, 용융점이 154℃ 내지 156℃인 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 록웰(Rockwell) 경도가 55 내지 63이고, ASTM D256 규격으로 측정한 노치드 아이조드(Izod) 충격강도가 10kg·cm/cm 내지 20kg· cm/cm인 전력케이블.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 절연층의 용융점은 140℃ 내지 160℃이고, ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 2000kg/㎠ 내지 4000kg/㎠인 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 외피층과 중성선 수밀층 사이에는 하나 이상의 중성선이 구비되는 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 내부 반도전층과 외부 반도전층은 카본블랙을 각각 20 중량% 내지 40 중량% 포함하는 열가소성 수지 조성물을 포함하는 전력케이블.
- 제1항에 있어서, 상기 외피층은 폴리에틸렌을 포함하고, 용융온도가 110℃ 내지 130℃인 전력케이블.
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