본 논문은 몰드변압기용 에폭시수지의 열 열화특성을 고찰하기 위하여, 접촉각, 표면저항률 및 XPS를 측정하였다. 실험결과, 표면에서 재가교를 일으킴에 따라 접촉각은 $200^{\circ}C$까지는 증가하다가 $250^{\circ}C$에서는 열응축이 발생되어 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었다. XPS분석을 통하여 산소/탄소 피크치를 조사한 결과, 최초 미처리의 시료에서는 탄소에 대한 산소의 피크치가 더 높게 나타났으나, 열처리 후에는 그와 반대되는 경향을 나타내었다. 이러한 탄소피크의 증가는 $200^{\circ}C$까지 나타났고 그 이상의 온도에서는 다시 감소하였다. 이것은 $200^{\circ}C$까지는 안정된 표면구조를 형성하다가 $250^{\circ}C$에서는 급격한 산화가 발생됨으로써 탄소결합이 파괴되었기 때문이다. 이는 급격한 표면활성화에 따른 친수화로 도전로가 쉽게 형성되었기 때문이다.
본 논문은 몰드변압기용 에폭시수지의 열 열화특성을 고찰하기 위하여, 접촉각, 표면저항률 및 XPS를 측정하였다. 실험결과, 표면에서 재가교를 일으킴에 따라 접촉각은 $200^{\circ}C$까지는 증가하다가 $250^{\circ}C$에서는 열응축이 발생되어 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었다. XPS분석을 통하여 산소/탄소 피크치를 조사한 결과, 최초 미처리의 시료에서는 탄소에 대한 산소의 피크치가 더 높게 나타났으나, 열처리 후에는 그와 반대되는 경향을 나타내었다. 이러한 탄소피크의 증가는 $200^{\circ}C$까지 나타났고 그 이상의 온도에서는 다시 감소하였다. 이것은 $200^{\circ}C$까지는 안정된 표면구조를 형성하다가 $250^{\circ}C$에서는 급격한 산화가 발생됨으로써 탄소결합이 파괴되었기 때문이다. 이는 급격한 표면활성화에 따른 친수화로 도전로가 쉽게 형성되었기 때문이다.
In this paper, we measured a contact angle, surface resistivity and XPS to study the thermal aging characteristics of the epoxy resin for cast resin transformer. As a result of this experiment, we found that the contact angle increases up to $200^{\circ}C$ as it causes a re-crosslinking o...
In this paper, we measured a contact angle, surface resistivity and XPS to study the thermal aging characteristics of the epoxy resin for cast resin transformer. As a result of this experiment, we found that the contact angle increases up to $200^{\circ}C$ as it causes a re-crosslinking on the surface, but starts decreasing at $250^{\circ}C$ as it causes heat condensation. As a result of examining the oxygen/carbon peaks through the XPS analysis, we obtained a higher oxygen peak vs. carbon in the first untreated sample, but it showed the opposite trend after heat treatment. That rise in the carbon peak continued up to $200^{\circ}C$, but decreased again at the temperatures above. That's because it kept forming a stable surface structure up to $200^{\circ}C$ but its carbon combination got destroyed due to a rapid oxidization at $250^{\circ}C$. And a conduction path was formed easily with the hydrophile property caused by rapid surface activation.
In this paper, we measured a contact angle, surface resistivity and XPS to study the thermal aging characteristics of the epoxy resin for cast resin transformer. As a result of this experiment, we found that the contact angle increases up to $200^{\circ}C$ as it causes a re-crosslinking on the surface, but starts decreasing at $250^{\circ}C$ as it causes heat condensation. As a result of examining the oxygen/carbon peaks through the XPS analysis, we obtained a higher oxygen peak vs. carbon in the first untreated sample, but it showed the opposite trend after heat treatment. That rise in the carbon peak continued up to $200^{\circ}C$, but decreased again at the temperatures above. That's because it kept forming a stable surface structure up to $200^{\circ}C$ but its carbon combination got destroyed due to a rapid oxidization at $250^{\circ}C$. And a conduction path was formed easily with the hydrophile property caused by rapid surface activation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
권선부 발열에 따른 에폭시수지의 열화와 열팽창으로 인한 내부 균열 및 절연성의 저하가 문제점으로 대두되고 있으며, 이에 대한 연구는 아직도 미흡한 실정이다.4-6) 따라서 본 연구에서는 몰드 변압기의 장기 사용에 따른 성능 및 신뢰성 검토와 사고의 위험성 저감을 목적으로 몰드 변압기용 에폭시수지의 열에 의한 건식 열화 특성을 분석하여 기기의 수명 관리 및 열에 의한 열화 특성을 파악하는 데 기초자료를 제공할 목적으로 수행되었다.
제안 방법
접촉 각은 시료 표면에 탈이 온 증류수 5ul를 Sessile Drop 형태로 시료 표면에 적 하시켜 Contact Angle Meter를 통해 10회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다H 또한 열처리에 따른 전기적 특성 변화를 측정하기 위하여 ns. K-6911 규정에 의해 원형의 마스크를 제작하여 A1 으로 진공증착한 후 3단 자 전극을 형성하여 준비된 시료를 항온조에 설치하고 미소전류계 (Picoammeter 487, Keithley.Co)를 이용하여 직류 전압 500 V를 인가하여 30분이 경과된 후 누설 전류값을 측정하여 표면 저항률을 구하였다. 열화에 따른 표면의 화학적 구조 변화를 분석하기 위하여 X-선 광전자분광법(XPS, ESCA PHI Model5600 Multitechnique system, ULVAC-PHI, Inc.
)을 이용하였다. X선 source로는 Mg-Ka(1253.6 eV)선을 이용하고, X선 출력은 400W(15kV-27 mA), 진공도는 10-10Torr 이하에서 시료의 표면분자구조를 분석하였다. 시료가 고분자 절 연체인 관계로 측정시 표면이 정전하로 대전되어 약 4 eV 정도의 binding energy의 상승이동이 발생하였다.
905)를 사용하였다. 또한 경화물의 충격 강도와 인장 강도를 개선시키기 위해서 가소제(Ciba Geigy: DY062)를 첨가하여 열처리를 위한 시료의 제작은 직경 100 mm, 두께 2 mm로 일정하게 제작하였다.
몰드 변압기용 에폭시 수지의 열화 특성을 조사하기 위하여 일정한 가스 분위기(공기), 일정압력(상압)하에서 처리온도를 각각 100℃, 150℃, 200℃, 250℃로 변화시키면서 처리 시간을 30시간으로 일정하게 처리한 후 특성 변화를 분석하였다.
시료의 경화처리는 각각의 조성비로 배합된 혼합물을 교반장치로 10분간 교반한 후 80℃에서 250분, 90℃에서 240분 진공탈포시켜 미소기포를 제거하였으며 9CTC에서 미리 예열된 주형에 주입한 후 115℃에서 150분 1차 경화시켰고, 열적 안정도의 상승을 위하여 1401에서 320분 2차 경화시켰다. 경화시킨 후에는 시료 내부의 열응력을 줄이기 위하여서 냉시켜 제작하였다.
열처리로 인한 시료 표면의 화학적 구조를 분석하기 위하여 XPS 측정을 수행하였다. 전술한 열처리에 따른 접촉각 특성 변화는 근본적으로 표면분자구조의 변화로부터 기인된 것으로, XPS를 통한 수십 nm이하의극표면 화학구조의 분석을 통해 보다 정확한 열화 특성을 살펴보았다.
열화 정도에 따른 특성 분석으로 질량변화량(전자저울, Sartorius, 10-4g)과 접촉각을 측정하였다. 접촉 각은 시료 표면에 탈이 온 증류수 5ul를 Sessile Drop 형태로 시료 표면에 적 하시켜 Contact Angle Meter를 통해 10회 반복 측정하여 평균값으로 나타내었다H 또한 열처리에 따른 전기적 특성 변화를 측정하기 위하여 ns.
시료가 고분자 절 연체인 관계로 측정시 표면이 정전하로 대전되어 약 4 eV 정도의 binding energy의 상승이동이 발생하였다. 이를 탄소 Cis 피크 및 산소 Ois 피크의 관측으로 에너지 scaled 보정하였다. 또한, X-ray원의 시료 입사 각도는 45º로 설정하였다.
XPS 측정을 수행하였다. 전술한 열처리에 따른 접촉각 특성 변화는 근본적으로 표면분자구조의 변화로부터 기인된 것으로, XPS를 통한 수십 nm이하의극표면 화학구조의 분석을 통해 보다 정확한 열화 특성을 살펴보았다. XPS는 산소lS(0s)와 탄소 IS(Gs)의광이온화(photoionization)로부터 각각 531.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시료 제작에서, 에폭시 수지는 고온 경화용 주형수지로 비스페놀-A형 (Ciba Geigy: CY 205) 수지를 사용하였고 경화제로는 산무수물계 (Ciba Geigy: HY 905)를 사용하였다. 또한 경화물의 충격 강도와 인장 강도를 개선시키기 위해서 가소제(Ciba Geigy: DY062)를 첨가하여 열처리를 위한 시료의 제작은 직경 100 mm, 두께 2 mm로 일정하게 제작하였다.
이론/모형
Co)를 이용하여 직류 전압 500 V를 인가하여 30분이 경과된 후 누설 전류값을 측정하여 표면 저항률을 구하였다. 열화에 따른 표면의 화학적 구조 변화를 분석하기 위하여 X-선 광전자분광법(XPS, ESCA PHI Model5600 Multitechnique system, ULVAC-PHI, Inc.)을 이용하였다. X선 source로는 Mg-Ka(1253.
성능/효과
(1) 몰드 변압기용 에폭시 수지를 열 열화시켰을 때 질량 변화는 2(xrc까지는 선형적으로 감소를 보이며 그 이상의 온도에서는 급격한 감소를 보인다.
(2) SEM 사진을 통하여 열처리온도에 따라 미세 저분자의 증발로 인하여 표면에는 최종적으로 증발하지 못한 잔여물만 남게 되어 표면의 거칠기가 증가됨을알 수 있었다.
(3) 열처리 전의 초기 접촉각은 68.3°로 약간의 소수 적 성질을 나타내었으나 열처리온도가 증가함에 따라 2001에서는 약 79.8°까지 증가되었고 그 이상에서는 급격히 감소하였다.
(4) XPS를 통하여 탄소/산소의 피크치 변화를 조사한 결과, 미처리 시료에서는 산소의 피크치가 높게 나타났으나 20CTC까지는 탄소의 피크치가 더 높게 나타났고 이후에는 급격히 산소 피크치가 증가하였다.
이러한 결과는 측쇄상산소기의 분해에 따른 표면 유동성의 감소 및 주쇄상 탄소단일 결합이 측쇄의 이탈로 인하여 불포화 이중 결합을 형성하며 더욱 안정된 표면분자구조를 형성하는 과정으로, 초기 열노출로부터 200&C까지는 이러한 경향이 지속됨을 알 수 있었다. 그러나 25CFC에서 처리된 시료의 표면은 주쇄 자체의 결합의 절단 및 파괴로 급격한 산화가 발생됨을 알 수 있었고 탄소결합을 파괴하여 다량의 산소기 및 라디칼이 발생됨을 확인하였다.
표면 탈색은 약 2(XTC부터 나타났으며 이는 열 열화 시 강한 열에너지로 인해 표면의 산화가 급속히 진전되었기 때문으로 판단된다. 열 열화의 진행으로 가소제에 포함되어 있는 휘발성 성분의 제거 및 표면에서 산화반응의 진전으로 표면에 크랙이 형성되어 미처리 시료의 표면에 비하여 점차 열화 온도가 증가함에 따라 표면 거칠기가 증가됨을 알 수 있다.
열처리 전 시료는 표면저항률이 약 2.175X1013Q/square 정도의 값을 나타내었으나 열처리온도를 증가시킨 200℃ 시료에서는 약 3.15X1014Q/square 정도로 증가하고 그 이상의 온도에서는 감소하는 특성을 나타내었다. 이는 일정 온도까지는 표면에서 미반응 물질의 증발과 저분자 물질의 재가교로 인하여 표면 활성화가 지연되며 표면 저항률이 증가함을 나타낸다.
미처리된 시편에서 68.3。정도를 나타내던 접촉각이 20CTC에서는 79&로 증가하였으며 그 이상의 처리 온도에서는 점차 감소하여 25(TC 처리에서는 62°로 크게 감소하였다. 이는 중합반응과정에서 형성된 3차원 망목구조의 시료가 강한 열에너지에 노출됨으로서 시료 내에 잔존하던 극성 저분자 물질과 친수적 성향의 경화제 및 콜로이드 상의 미세입자가 증발하고, 표면 및 하부 표면에서 라멜라상의 도메인이 열적 여기로 미반응 물질과 재가교를 일으킴에 따라 발생되는표면 자유에너지의 저하에 기인한 것으로 판단된다.
이러한 결과는 열 열화의 진행이 극 표면에서 집중적으로 발생되는 국부적인 반응이 아닌, 극표면뿐만 아니라 시료 내부에서도 연쇄적으로 발생하는 전반적인 저분자화 및 재가교의 결과에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, 내부로 지속적인 열에너지의 전달에 의해 열응축이 발생하고, 계면에서 급격한 결합파괴 및 저분자화의 결과로 인하여, 결국 200P를 기점으로 그 이상의 온도에서는 급격한 열화가 진행됨을 나타내고 있다. 지속적인 열처리로 인하여 250℃ 이상의 온도에서는 과다한 열에너지로 인하여 결합쇄의 절단 및 크랙의 진전으로 급격한 질량 감소를 보이는 것으로 생각된다.
이로 인하 여 망목상 구조가 열 운동을 시작하여 분자쇄의 절단 및 파괴된 지점에서 극성기의 발생이 빠르게 진행된 결과로 볼 수 있다. 즉, 열적 환경의 노출에 따른 시료의 표면 열화는 한계온도까지는 오히려 소수적 특성의 증가를 보이며 표면 활성화가 지연되는 경향을 나타냄을 알 수 있었다.(1)
처리온도가 증가함에 따라 시료 표면에 가소제의 노출이 증가함을 확인하였다. 표면 탈색은 약 2(XTC부터 나타났으며 이는 열 열화 시 강한 열에너지로 인해 표면의 산화가 급속히 진전되었기 때문으로 판단된다.
참고문헌 (13)
金 博 允, "에폭시 樹脂", 大光書林, pp.1-3(1995)
Clayton A. May, "Epoxy Resins Chemistry and Technology", Marcel Dekker, Inc.(1988)
W. Yasuo, T. Takeshi, H. Takashi and H. Takashi, "Development of Outdoor Epoxy Resin Molded Apparatus for Distribution Systems", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.5, No.1, pp.204-211 (1990)
L.W. Pierce, "An Investigation of the Temperature Distribution in Cast-Resin Transformer Windings", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.7, No.2, April, pp.920-926(1992)
B. Ellis, "The Kinetics of Cure and Network Formtion-Chemistry and Technology of Epoxy Resin", Bryan Ellis Edit, Blackie Academic & Proffesional, pp.77-113(1993)
G. Fabio, M. Marco and O. Ernesto, "Polymer Surfaces : From Physics to Technology", John Wiley & Sons Ltd., pp.161-199(1994)
J.C. Riviere and S. Myhra, "Handbook of Surface and Interface Analysis : Methods for Problem- Solving", Marcel Dekker Inc., pp.57-91, 159-208 (1998)
J.C. Vickerman, "Surface Analysis - The Principal Techniques", John Wiley & Sons Ltd., pp.43-98 (1997)
K. Matsushita, N. Suzuki, S. Okuyama and K. Okuyama, "Hydrophobicity of a Hydrochloric-treated GaAs Surface Analyzed by Contact Angle Measurement", J. Electrochem. Soc., Vol.145, No.4. pp.1381- 1384(1998)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.