[논문]동일배열 폴리프로필렌/엘라스토머/나노충전제 복합체의 전력케이블 절연체로서의 사용 가능성에 대한 문헌적 고찰

변선호

doi:10.12925/jkocs.2012.29.2.2

동일배열 폴리프로필렌/엘라스토머/나노충전제 복합체의 전력케이블 절연체로서의 사용 가능성에 대한 문헌적 고찰
A Review on IPP/Elastomer/Nanofiller Composites for the Possibility of Use as Power Cable Insulations 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.29 no.2, 2012년, pp.184 - 192

초록
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본 논문은 절연유 불포함 재활용 가능 전력케이블 절연체에 동일배열 폴리프로필렌(IPP) 기반 열가소성 폴리올레핀 엘라스토머(TPO) 나노복합체 사용 가능성을 문헌적으로 고찰한 리뷰논문이다. 2010년 IPP 기반 나노복합 유전체는 파워 커패시터 연구에서 유전손실을 제외한 고전압 특성이 크게 향상되었다. IPP 기반 TPO 나노복합체 사용 자동차 외장부품 연구에서는 나노충전제 최대 3 wt% 함유로 전력케이블 절연체의 필수특성인 저온 충격성을 비롯한 기계적 특성향상이 보고 되었다. 특히 유전손실의 원천인 상용화제 사용의 최소화 기술이 보고되어, 3 wt% 이하 나노충전제 함유 IPP 기반 TPO의 전기적 특성조사가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

For use as recyclable power cable insulations without dielectric oil, technology trends of IPP based thermoplastic polyolefin elastomer(TPO) nanocomposites were reviewed. In 2010 research results of IPP nanocomposite dielectrics for power capacitors showed promising high voltage properties except dielectric loss. Research of IPP based TPO nanocomposites for automotive exterior parts revealed considerable improvements of mechanical properties including impact strength, especially minimization of compatibilizer content, the origin of dielectric loss. A study on electrical properties of IPP based TPO nanocomposites containing a few weight percent of nanofillers for power cable insulations is suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[1] 절연유가 함유 안 된 친환경적이고, 안정적인 고전압특성 확보를 위해 절연체에 나노 유전체 기술의 활용가능성을 고찰했다.
기계적 응력이 적게 걸리는 전력용 커패시터 분야는 물론, 포설시 구부림이나 저온 충격성 등 기계적 특성이 높게 요구되는 고전압 전력케이블 절연체에서 XLPE-나노 MgO, XLPE-나노실리카와 같은 성공사례가 유명하다[5],[7]. 본 연구목적은 나노유전체기술 활용에 의한 IPP 기반 케이블 절연체의 안정적인 전기적 특성 확보 가능성 탐색이다. 연구순서는 첫째, 실리카나 점토와 같은 나노충전제 함유 IPP의 2원 나노복합유전체의 전기적 특성조사(엘라스토머 불포함)이다.

제안 방법

유기점토와 상용화제의 마스터배치(MB)를 일차로 컴파운딩 한다. MB와 IPP 그리고 엘라스토머의 이차 컴파운딩은 연속 이축압출기를 이용했다. 점토/상용화제 비율은 동일비율로 유지했다.
[3] 케이블은 커패시터와 달리 저온 충격성 등 기계적 응력이 상당히 요구되어 비슷한 특성이 요구되는 IPP 기반 TPO 나노복합체(3원구조)로 구성되는 자동차 외장부품 연구의 최신 결과를 고찰하였다. 기존 탈크 함유보다 더 높은 경량화와 경제성, 그리고 내충격성을 지향하는 자동차용 나노복합체 연구에서 나노충전제 최대 3 wt% 함유로 내충격성 등의 기계적 특성향상, 모폴로지와 물성 사이의 관계연구가 크게 진척되었다.
잘 분산된 0~4 wt%의 유기점토 함유 IPP의 AC 및 DC 파괴강도, tan δ, 그리고 나노입자 함유 여부에 따른 공간전하 분포를 연구했다. 상용화제(PP-g-MA), 유기점토 그리고 IPP를 용융혼합한 80 ㎛ 두께로 전기적 특성을 측정했다. 결과에서 핵제인 유기나노점토는 구정 수 증가 및 구정 크기 축소를 광산란의 단파장이동으로 알았다.
잘 분산된 0~4 wt%의 유기점토 함유 IPP의 AC 및 DC 파괴강도, tan δ, 그리고 나노입자 함유 여부에 따른 공간전하 분포를 연구했다.
스멕타이트 점토를 사용한 이중담체의 Z-N 촉매를 제조하여 점토 층간에 삽입했다. 프로필렌 기체 단량체의 제자리 삽입으로 IPP-점토 나노복합유전체를 중합했다. 특성에서 점토함량 증가 시 제자리 삽입중 합법은 기계적 강도를 증가시키지만 신장율은 순수 IPP의 350%로부터 약 180%(점토함량 5%)로 감소했다.

이론/모형

2006년 Liu 등은 IPP 기반 에틸렌-옥텐 공중 합체 엘라스토머(POE)의 TPO 블렌드에 기계적 강도를 위한 실리카 첨가 3원 나노복합체의 구조와 물성을 보고했다[10]. 실리카 분산에 상용화제 PP-g-MA를 사용했다. 첨가된 실리카의 상용화제로의 이행을 이용한 고무 고립으로 고무탄성이 유지되었다.

성능/효과

고무고립 효과 덕이다. MMT 증량 시 IPP/고무/MB 나노복합체의 인장강도, 굽힘탄성율은 증가하지만 고무 함량 증가에 따라 증가율은 감소한다. 상용화제가 존재하므로 전기적 특성평가 연구가 필요하다.
Tan δ는 IPP와 이의 실리카 나노복합유전체가 주파수 60 Hz 및 작동온도 90℃에서 값이 비슷했다. PD로 인한 표면침식속도는 시험전압 2~4 kV에서 IPP-실리카 나노복합유전체가 IPP보다 60배 느렸고, 평균파괴시간은 IPP의 10배이었다. TEM 관찰에서 Fig.
상용화제의 무수말레인산 존재가 가스크로마토그래피로 확인되었다. PD특성은 커패시터에서 표면침식 깊이로 평가하는데, 나노점토 함량증가에 따라 감소하여 최대 6 wt%에서 최소가 되었다. 이 때 PD저항이 순수 IPP의 9배가 되고 이를 확인하는 PD 열화 3시간 전후의 시료표면(가장 우수한 c2)을 비교해준다(Fig.
점토/상용화제 비율은 동일비율로 유지했다. 결과는 Fig. 10의 TEM 상과 같이 점토함량 증가 시 고무입자크기가 줄었다 (최대 점토 함량 6.8 wt%에서 고무입자 크기 1 ㎛ 이하). AFM 상에서도 고무입자 크기가 줄고 종횡비도 줄었다.
상용화제(PP-g-MA), 유기점토 그리고 IPP를 용융혼합한 80 ㎛ 두께로 전기적 특성을 측정했다. 결과에서 핵제인 유기나노점토는 구정 수 증가 및 구정 크기 축소를 광산란의 단파장이동으로 알았다. IPP에 유기나노점토 도입은 DC 파괴강도를 크게 향상시켰다(Fig.
나노충전제 효과가 총괄적으로 미미한 AC보다 DC에선 전기파괴 개선효과가 높다. 나노 및 마이크로 입자 첨가는 고분자의 전기 노화저항을 개선하고 노화시간이 길어질수록 나노입자가 마이크로입자보다 우수함을 보여준다. Fig.
나노점토 함유 복합유전체의 tan δ는 최고 IPP의 10배 이상되고 정전용량도 충전제 함량과 함께 약간 증가했다.
특성에서 점토함량 증가 시 제자리 삽입중 합법은 기계적 강도를 증가시키지만 신장율은 순수 IPP의 350%로부터 약 180%(점토함량 5%)로 감소했다. 노치충격강도는 4.5 kJ/㎡(순수 IPP)으로부터 약 3.3 kJ/㎡(점토함량 5%)로 감소하였다. 용융블렌딩 시 고농도 올리고머 암모늄염에 의한 개질점토법은 600%까지 신장율을 높이나 케이블 절연의 경우 유전손실이 우려된다.
유전율은 20℃를 넘으면 크게 증가하고, 유전손실률의 주파수 스펙트럼은 여러 온도에서 큰 피크를 보였다. 상용화제의 무수말레인산 존재가 가스크로마토그래피로 확인되었다. PD특성은 커패시터에서 표면침식 깊이로 평가하는데, 나노점토 함량증가에 따라 감소하여 최대 6 wt%에서 최소가 되었다.
2003년 Garcia 등은 비닐실란 처리 실리카 입자를 실험용 슬러리상 반응기 내 헥산 속에서 MgCl2 담체와 Z-N 촉매를 사용하여 IPP와 제자리 중합했다[8]. 실리카 함량은 3 wt%, 실리카 입자크기는 ~10 nm 및 10 ㎛의 두 종류인데 중합 후 기질 내 양호한 분산을 SEM이 보였다. 마이크로 실리카는 촉매표면을 막아 반응속도를 저하시키나 나노실리카는 영향이 없고, 실리카는 수율에도 영향이 없었다.
고전압 파워용 커패시터 연구인데 실리카 5 wt% 함유 IPP 나노복합유전체 컴파운드는 혼련압출기로 제조하고 시편두께는 11～23 ㎛이었다. 실험결과 IPP 나노복합유전체의 AC 및 DC파괴강도는 IPP보다 각각 19.9 및 52.3% 향상되었다. 정전용량은 온도상승에 따라 80℃까지 IPP와 이의 실리카 나노복합유전체가 같은 크기로 나란히 감소했다.
이를 이용하여 IPP/POE/점토(100/10/4 중량부)의 TPO 나노복합체를 용융 블렌딩하여 미세구조와 기계적 특성연구를 보고했다[19]. 이 결과는 상용화제보다 우수한 분산과 충격저항, 신장율 등을 보였다. 연속식 컴파운딩 가공 중에 가압 초임계 유체를 직접 첨가한 것이다.
8 kJ/㎡으로 향상함을 보고했다[18]. 탄성율, 인장 강도, 굽힘탄성율 등의 저하는 POE의 곁사슬 때문이지만 케이블 절연에는 긍정적이고 SEM은 POE의 IPP 내 균일한 분산을 보였다.
프로필렌 기체 단량체의 제자리 삽입으로 IPP-점토 나노복합유전체를 중합했다. 특성에서 점토함량 증가 시 제자리 삽입중 합법은 기계적 강도를 증가시키지만 신장율은 순수 IPP의 350%로부터 약 180%(점토함량 5%)로 감소했다. 노치충격강도는 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교대배열 폴리프로필렌의 장점과 아직 실용화 되고 있지 못하는 문제는 무엇인가?	그러나 재활용이 안 되고 DC케이블에서 사용이 어려워 경제성 있는 고내열성 열가소성 수지로 대체가 바람직하다. 교대배열 폴리프로필렌(SPP)은 모든 특성이 XLPE보다 우수함이 입증되었으나[1], 원료 입수가 어려워 실용화 되지 못하고 있다.
	가교폴리에틸렌의 단점은?	현재 전력케이블 절연체인 가교폴리에틸렌(XLPE)은 30년 이상 성공적으로 사용되어 왔다. 그러나 재활용이 안 되고 DC케이블에서 사용이 어려워 경제성 있는 고내열성 열가소성 수지로 대체가 바람직하다. 교대배열 폴리프로필렌(SPP)은 모든 특성이 XLPE보다 우수함이 입증되었으나[1], 원료 입수가 어려워 실용화 되지 못하고 있다.
	가교폴리에틸렌은 어디에 활용되고 있는가?	현재 전력케이블 절연체인 가교폴리에틸렌(XLPE)은 30년 이상 성공적으로 사용되어 왔다. 그러나 재활용이 안 되고 DC케이블에서 사용이 어려워 경제성 있는 고내열성 열가소성 수지로 대체가 바람직하다.

참고문헌 (21)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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