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문제 정의
- 최근까지 지중 송배전용 전력케이블의 품질개선 및 수명연장을 위한, 전력케이블의 전기적 현상 및 제반 특성에 대한 많은 연구는 대부분 XLPE 절연층에 국한되어 이루어져 왔다. 그러나 본 연구는 잔력케이블의 반도전층 재료에 관한 심층적인 분석을 통해 그 중요성을 전달함으로써 반도전층 재료의 역할 및 기능에 대한 새로운 인식을 고취하고자 하였다.
- 따라서 본 논문에서는 높은 이방성을 갖는 탄소나노튜브를 베이스 수지인 EEA에 첨가하여 우수한 분산성을 도모하여 반도전층 재료의 본연의 역할을 유지하면서 우수한 기계적/화학적 특성을 가지는 반도전층 재료를 선정하고자 하였다. 현재 사용 중인 반도전층 재료와 CNT/EEA 반도전층 재료의 기계적 특성인 Stress-Strain과 화학적 특성인 FT-ATR을 측정하여 분석하였고 CNT/EEA복합재료가 반도전층 재료로써 웅용이 가능한지 검토 하였다.
제안 방법
- FT-ATR 실험에서 1720[cm]부근에서 피크를 가지는 카보닐기가 산화반응의 확인 및 산화기구로 주로 사용되어 이 부분만을 검토 하였다. 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 여러 시편들은 66[%]-78[%] 범위에서 투과량이 감소하였다.
- 최종적으로 만들어진 펠렛을 사출기에 넣어 필요한 형태로 시편제작을 실시하였다. 또한 현재 반도전층 재료로 사용되고 있는 시편도 위와 같은 공정으로 시편제작을 실시하였다.
- 1720[cm-1]부근 에서 고유의 진동수를 갖는 카보닐기를 확인할 수 있다. 물론 3500[cm-1]부근에서의 넓은 피크를 가지는 수산화기와 900[cm-1]부근에서의 불포화 이중결합 등도 고려해 볼 수 있지만 본 실험에서는 1720[cm-1]부근에서 피크를 가지는 카보닐기가 산화반응의 확인 및 산화기구로 주로 사용되어 이 부분만을 검토 하였다.
- 7[wt%]에 따른 반도전층 재료의 인장강도와 신장율을 나타내고 있다. 본 논문에서 사용된 시편들은 점탄성을 지니며 stress 강도와 strain (신장율)이 함께 작용한다. 순수한 탄성을 보이는 물질의 강도 (Stress, b) 와신장율 (Strain, €)의 관계는 선형으로서 식 1과 같이 표시할 수 있다.
- 본 실험에서 사용된 시편은 복합재료 형태의 고분자 시료 이므로 FT-ATR (Fourier Transform - Attenuated Total Reflectance, 표면반사 적외선분광기)인 SensIR Technologies사의 Travel IR을 이용하여 분석하였다.
- 시편들의 인장강도 및 신율 측정을 위해 Alpha 사의 Tensometer 2000 장비를 도입하였다. 측정은 인장강도 실험규격인 ASTM D638에 의해 측정하였다[3].
- 시편들의 카보닐기 작용기 검출은 FT-ATR을 이용하여 측정하였다. 본 실험에서 사용된 시편은 복합재료 형태의 고분자 시료 이므로 FT-ATR (Fourier Transform - Attenuated Total Reflectance, 표면반사 적외선분광기)인 SensIR Technologies사의 Travel IR을 이용하여 분석하였다.
- 그 다음 첨가제 등을 넣고 30초 동안 혼합을 한 후 가교제를 넣고 10분 동안 혼합을 하였다. 시편제조에 사용된 첨가제로는 산화에 의한 수지분해를 방지하기 위해 산화방지제 (Polyethylene glycol400) 0.3[wt%], 가교촉진제(Di-n-butyltin dilaurate, DBTL) 0.2[wt%], 열에 의한 수지의 분해를 방지하거나 자외선에 의한 광산화반응을 방지하기 위해 열안정제 (Zinc Stearate, Zn-St) 0.05[wt%], 난연성을 부여하기 위해 난연제 (수산화마그네슘, Magnesium Hydroxide) 0.05[wt%] 등을 첨가했으며 분자 구조가 선상인 구조를 그물과 같은 망상구조로 변경시킴으로서 기계적 물성 및 화학적 물성을 보강시키기 위해 가교제 (Dicumyl peroxide, DCP)를 0.5[wt%]첨가하였다. 이렇게 제조된 물질을 프레스로 눌러 sheet 형태로 만든 뒤, Twin screw extruder에 넣어 전체적으로 혼합을 하고 Pellet형태로 만들었다.
- 이와 같이 산화반응에 기여하는 극성 작용기 (Functional group)을 검출하기 위한 FT-ATR 분석법은 다양한 극성 작용기의 존재를 제공한다. 우선 본 실험에서는 시편들의 카보닐기(C=O)의 존재를 확인하고 카본블랙의 함량에 따른 카보닐기의 존재량을 측정하였다. 일반적으로 카보닐기는 결합에너지가 강하고 견고하여, 결합이 신장 또는 압축될 때 더 많은 힘이 요구된다.
- 이렇게 제조된 물질을 프레스로 눌러 sheet 형태로 만든 뒤, Twin screw extruder에 넣어 전체적으로 혼합을 하고 Pellet형태로 만들었다. 최종적으로 만들어진 펠렛을 사출기에 넣어 필요한 형태로 시편제작을 실시하였다. 또한 현재 반도전층 재료로 사용되고 있는 시편도 위와 같은 공정으로 시편제작을 실시하였다.
- 현재 사용 중인 반도전층 재료와 CNT/EEA 반도전층 재료의 기계적 특성인 Stress-Strain과 화학적 특성인 FT-ATR을 측정하여 분석하였고 CNT/EEA복합재료가 반도전층 재료로써 웅용이 가능한지 검토 하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 사용된 반도전층 재료 시편은 EVA (Ethylene Vinyl Acetate, 삼성종합화학), EEA (Ethylene Ethyl Acrylate, ATOFINA) 및 EBA (Ethylene Buthyl Acrylate, Mitsui Dupont)를 기본 재료로 사용하였다. 이들 재료의 조성비는 표 1과 같다.
- 본 논문에서 사용된 탄소나노튜브는 다층벽 탄소나노튜브(MWCNT)로써, 대롱형태로 감기는 흑연 층의 두개 이상의 층으로 이루어져 있으며 튜브로 말리는 흑연층이 탄소나노튜브의 길이 축에 평행하지 않고 사선으로 감겨있으면서 마치 종이컵이 계속해서 쌓여서 만들어져 있는 형태를 지니고 있다고 하여 지어진 이름으로 탄소나노튜브의 기본 형태에서 벗어나 있으나 분산성이 높아 복합재료 분야에서 주로 유용한 형태이다.
- 편의상 CNT/EEA 반도전충 재료 시편은 #1~#5 그리고 현재 반도전층 재료로 사용되고 있는 시편을 A1~A3으로 각각 명명하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 CNT/EEA 반도전층 재료 시편은 탄소나노튜브와 EEA를 80[℃]의 오븐에서 24시간 건조 시킨 후 펠렛 형태의 시료를 180[℃]로 예열된 Haake Internal mixer기를 사용하여 EEA와 CNT를 1분 간격 으로 혼합을 하였다.
- 이들 재료의 조성비는 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같이 본 논문에서 사용된 탄소나노튜브는 MWCNT75 (NanoKarbon Co. Ltd, diameter: 30nm~60nm, purity>95%)의 함량을 변수로 하였으며 그 함량은 0[wt%]~10[wt%]이었다. 탄소나노튜브는 기상합성법 (Vapor Phase Growth, VG)으로 제조 하였다.
데이터처리
- 측정 범위는 40[N/㎟]과 600[%]이었고 측정 속도는 200[mm/min]이었다. 그리고 실험은 3회 측정 후 측정치의 평균값을 나타내었다.
이론/모형
- 2000 장비를 도입하였다. 측정은 인장강도 실험규격인 ASTM D638에 의해 측정하였다[3]. 측정 범위는 40[N/㎟]과 600[%]이었고 측정 속도는 200[mm/min]이었다.
- Ltd, diameter: 30nm~60nm, purity>95%)의 함량을 변수로 하였으며 그 함량은 0[wt%]~10[wt%]이었다. 탄소나노튜브는 기상합성법 (Vapor Phase Growth, VG)으로 제조 하였다. 기상합성법은 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기에 유리한 방법으로 제안되고 있으며, 기판을 사용하지 않고 반응로 안에 반응가스와 촉매금속을 직접 공급하여 기상에서 탄소나노튜브를 합성하는 방법이다.
성능/효과
- 실험결과를 통해 밀도가 증가하고 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 신장율은 감소하고 항복강도는 증가함을 알 수 있었다. 또한 CNT/EEA 반도전층 재료가 현재 사용 중인 반도전층 재료 보다 기계적 특성이 우수함을 보였다.
- 알 수 있다. 또한 CNT/EEA 반도전층 재료가 현재 사용 중인 반도전층 재료 시편들 보다 기계적 특성이 우수함을 나타냈다.
- 따라서 탄소나노튜브의 함량에 따라 카보닐기는 증가하거나 감소하였다. 또한 표 3에서 현재 반도전 재료로 사용되고 있는 A1~A3 시편들의 투과량은 56[%]~68[%]로 CNT/EEA시편들에 비해 낮게 나타났고 흡수량은 16[%]~26[%]로 높게 나타났다. 즉 반도전층 재료 시편들 중에서 CNT/EEA 반도전층 재료는 가장 많은 투과량과 적은 흡수량을 보이고 있다.
- 즉, 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 가교밀도가 높아졌기 때문이다. 실험결과를 통해 밀도가 증가하고 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 신장율은 감소하고 항복강도는 증가함을 알 수 있었다. 또한 CNT/EEA 반도전층 재료가 현재 사용 중인 반도전층 재료 보다 기계적 특성이 우수함을 보였다.
- 이것은 CNT/EEA 내에 카보닐기가 다른 시편들 보다 적게 존재하는 것을 의미한다. 위 결과로부터 CNT/EEA 반도전층 재료가 대체적으로 화학적 특성이 우수함을 보였다.
- 이것은 CNT/EEA 내에 카보닐기가 다른 시편들 보다 적게 존재 한다는 것을 의미한다. 위 실험 결과로부터 CNT/EEA 반도전층 재료가 대체적으로 화학적 특성이 우수함을 보였다.
- 위와 같은 실험결과를 통해 밀도가 증가하고 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 신장율은 감소하고 항복강도는 증가함을 알 수 있다. 또한 CNT/EEA 반도전층 재료가 현재 사용 중인 반도전층 재료 시편들 보다 기계적 특성이 우수함을 나타냈다.
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