[논문]팽창질석 첨가에 따른 전선용 실리콘 고무의 난연 및 트래킹 특성에 관한 연구

박승호; 이성일

doi:10.4313/jkem.2019.32.3.213

팽창질석 첨가에 따른 전선용 실리콘 고무의 난연 및 트래킹 특성에 관한 연구
A Study on Flame Retardancy and Tracking Properties of Expanded Vermiculite Added Silicon Rubber for Wire 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.3, 2019년, pp.213 - 218

박승호 (한국교통대학교 안전공학과) , 이성일 (한국교통대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a high-temperature vulcanizing (HTV) method was used to achieve a shore a hardness of 70. The basic base was composed of 60% silicon gum (GUM) which is a high-viscosity polymer, 30% fumed silica (FS), and 5% of plasticizer. The GUM and FS were mixed well with less than 1% silane to improve rubber strength. Expanded vermiculite was added as a filler at 10%, 15%, and 20%. The curing conditions were $170^{\circ}C$ for 10 min and a molding method was applied. We report herein, the results of inorganic analysis and flame-retardant and tracking tests on the expanded vermiculite. The flame retardance and tracking test outcomes for a shore a hardness of 70 were found to be optimal when the expanded vermiculite content was 10%.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Tracking test sample and electrode assembly method.
표 Table 1. Flammability rating standard.
표 Table 2. Vermiculite (10%) flame retardant test result.
표 Table 3. Vermiculite (15%) flame retardant test result.
표 Table 4. Vermiculite (20%) flame retardant test result.
그림 Fig. 2. Vermiculite (10%) tracking test result.
그림 Fig. 3. Vermiculite (15%) tracking test result.
그림 Fig. 4. Vermiculite (20%) tracking test result.
그림 Fig. 5. Optical microscope photograph vermiculite (a) 10%, (b) 15%, and (c) 20%.
표 Table 5. Vermiculite EDS analysis.

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 팽창질석을 충전제로 각각 10%, 15%, 20% 첨가하여 제작하였고, 경화조건은 170℃로 10분, 성형방법은 몰딩 방법으로 제작하였다. 여기에 팽창질석의 무기분석 및 난연 시험과 내트래킹 시험을 통한 연구 결과를 보고한다.

제안 방법

기본 베이스는 고점도 폴리머인 실리콘 검(GUM) 60%에 FS (fumed silica) 30% 그리고 GUM과 FS 혼합이 잘 되도록 가소제 5%와 고무 강도 증진을 위해 실란류 1% 미만으로 배합하였다. 그리고 팽창질석을 충전제로 각각 10%, 15%, 20% 첨가하여 제작하였고, 경화조건은 170℃로 10분, 성형방법은 몰딩 방법으로 제작하였다. 여기에 팽창질석의 무기분석 및 난연 시험과 내트래킹 시험을 통한 연구 결과를 보고한다.
이 연구에서는 전선용 실리콘 고무의 팽창질석을 10%, 15%, 20% 첨가하고 무기분석 및 난연 시험과 트래킹 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 팽창질석을 10% 첨가한 시료의 경우 난연 시험 결과, 난연 등급은 UL-94V 시험에서 5개 시료 모두 V-1 등급이 결정되었고, 절연특성 시험인 내트래킹 시험에서는 5개 시료 모두 다 합격으로 판정되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 HTV (high temperature vulcanizing) 방법으로 shore A 경도 70으로 제작하였다. 기본 베이스는 고점도 폴리머인 실리콘 검(GUM) 60%에 FS (fumed silica) 30% 그리고 GUM과 FS 혼합이 잘 되도록 가소제 5%와 고무 강도 증진을 위해 실란류 1% 미만으로 배합하였다. 그리고 팽창질석을 충전제로 각각 10%, 15%, 20% 첨가하여 제작하였고, 경화조건은 170℃로 10분, 성형방법은 몰딩 방법으로 제작하였다.
시험의 실패는 60 mA 이상의 전류가 발생하거나, 심한 침식이나 발화에 의해 구멍이 생기는 경우이다. 시료는 최소 폭이 50 mm, 표준두께는 6 mm, 길이는 120 mm로 제작하였다.
다른 하나는 시편을 수직으로 세워 놓고 시험하는 방법으로 UL 94V (vertical burning test)라고 하는데 난연 정도에 따라서 표 1과 같이 난연 등급은 V-0, V-1, V-2로 구분된다 [5,6,10]. 시료는 폭 13mm, 두께는 3 mm, 길이는 125 mm로 제작하고 5개의 시료를 연소시험 후 표 1과 같이 조건에 따라 결과를 판정한다.

이론/모형

실리콘 고무는 전기, 전자 산업에서는 주로 절연재료로서 사용되고 있으며 [3,9,12], 실리콘 절연 전선의 응용으로 항공용, 군함용, 원자력 발전소, 절연용 전선 등 고층건물에 사용되는 전선을 화재에 대비하여 대처하고 있다 [4]. 본 연구에서는 HTV (high temperature vulcanizing) 방법으로 shore A 경도 70으로 제작하였다. 기본 베이스는 고점도 폴리머인 실리콘 검(GUM) 60%에 FS (fumed silica) 30% 그리고 GUM과 FS 혼합이 잘 되도록 가소제 5%와 고무 강도 증진을 위해 실란류 1% 미만으로 배합하였다.

성능/효과

팽창질석을 10% 첨가한 시료의 경우 난연 시험 결과, 난연 등급은 UL-94V 시험에서 5개 시료 모두 V-1 등급이 결정되었고, 절연특성 시험인 내트래킹 시험에서는 5개 시료 모두 다 합격으로 판정되었다. 15%를 첨가한 시료에서는 난연 시험 결과 5개 모두 난연 등급은 V-1로 내트래킹 시험에서는 5개 중 4개는 합격, 1개는 불합격으로 판정되었다. 20%를 첨가한 시료에서는 난연 등급은 최급등급인 V-0으로 나타났다.
2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 103초로 확인되었고, 표 2에서 10% 첨가한 시료보다 23초 빨리 소화된 것을 확인할 수 있었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 10초 이내에서 소화되었다. 시료를 고정하고 있는 클램프 125mm까지 연소 진행은 없었고, 불똥 등 낙하물에 대한 커튼의 발화도 없었다.
2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 155초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 30초 이내에서 소화되었다.
표 3에서 15% 첨가한 시료보다 82초 빨리 소화된 것을 확인할 수 있었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 5초 이내에서 소화되었다.
표 3은 팽창질석을 15% 첨가한 난연특성 결과로 1차 10초간 접염 후 5개 시료 모두 10초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 103초로 확인되었고, 표 2에서 10% 첨가한 시료보다 23초 빨리 소화된 것을 확인할 수 있었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 10초 이내에서 소화되었다.
팽창질석을 10% 첨가한 난연 시험 결과는 표 2와 같이 1차 10초간 접염 후 2개 시료는 10초 이내로 소화가 완료되었으나 나머지 3개는 30초 이내에 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 155초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 30초 이내에서 소화되었다.
표 4의 시험 결과 팽창질석을 20% 첨가한 난연 시험은 1차 10초간 접염 후 5개 시료 모두 10초 이내로 소화가 완료되어 난연 등급 V-0으로 결정되었다. 2차접염 후 시료 모두 10초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 21초로 확인되었고, 팽창질석의 첨가함량이 높을수록 난연 성능 및 난연 등급이 상향됨을 알 수 있었다. 표 3에서 15% 첨가한 시료보다 82초 빨리 소화된 것을 확인할 수 있었다.
EDS (energy dispersive spectroscopy) 분석 결과 표 5에서는 팽창질석의 경우 O, Si, Fe, Al, Mg, K, Ca, Ti, Na 9종이 검출되었고, 함량이 큰 순으로 검출 결과는 O>Si>Fe>Al>Mg>K>Ca>Ti>Na 9종이 검출되었다.
HTV (high temperature vulcanizing) shore A 경도 70에서 난연성과 내트래킹성 실험 결과는 팽창질석을 첨가한 함유량이 10%일 때 가장 우수한 것으로 확인할 수 있었다. 본 연구는 팽창질석 적용 가능성을 판단하기 위한 연구이므로 향후 경도별 제작과 전기적 특성을 확보하기 위한 절연 파괴 및 유전특성 시험 등 다양한 시험 연구가 필요할 것으로 사료된다.
그림 2와 같이 팽창질석 10% 첨가한 내트래킹성 5개 시험 결과는 외관상 양호하며 모두 합격하였다. 과전류는 4.5 kV에서 6시간 동안 실패 없이 견디었고, 침식 깊이는 평균 1 mm, 길이는 40 mm로 확인되었다.
시험 전 시료 평균 무게 43.67 g에서 시험 후 평균 무게는 43.19 g으로 평균 무게 손실률은 1.09%로 확인되었다. 시험시간 6시간 동안은 시험의 실패로 보는 60 mA 이상의 전류가 발생되지 않았으며 또한 심각한 침식이나 발화에 의한 구멍은 발생되지 않았다.
침식 깊이는 평균 2~3 mm, 길이는 50~60 mm로 확인되었다. 시험 전 시료 평균 무게 45.88 g에서 시험 후 평균 무게는 44.95 g으로 평균 무게 손실률은 2.03%로 확인되었다. 시료 5개 모두 심각한 침식이 발생하였고 발화에 의해 구멍은 발생되지 않았다.
불합격 1개는 시료 과전류 6시간 동안 실패로 보는 60 mA 이상의 전류가 발생되었고 심각한 침식으로 구멍이 발생되었다. 시험 전 시료 평균 무게 합격 4개는 44.55 g에서 시험 후 평균 무게는 44.38 g으로 평균 무게 손실률은 0.38%로 확인되었다. 불합격 1개는 시험 전 44.
팽창질석을 10% 첨가한 난연 시험 결과는 표 2와 같이 1차 10초간 접염 후 2개 시료는 10초 이내로 소화가 완료되었으나 나머지 3개는 30초 이내에 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 155초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다.
이 연구에서는 전선용 실리콘 고무의 팽창질석을 10%, 15%, 20% 첨가하고 무기분석 및 난연 시험과 트래킹 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 팽창질석을 10% 첨가한 시료의 경우 난연 시험 결과, 난연 등급은 UL-94V 시험에서 5개 시료 모두 V-1 등급이 결정되었고, 절연특성 시험인 내트래킹 시험에서는 5개 시료 모두 다 합격으로 판정되었다. 15%를 첨가한 시료에서는 난연 시험 결과 5개 모두 난연 등급은 V-1로 내트래킹 시험에서는 5개 중 4개는 합격, 1개는 불합격으로 판정되었다.
그림 5에서는 광학현미경으로(SZX 16, Olympus) 배율 80배로 확대하여 시료의 표면 상태를 확인하였다. 팽창질석의 분말은 육안 검사에서는 갈색으로 나타났으나, 확대 관찰 결과 표면은 회색바탕에 갈색으로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 팽창질석의 함량이 높을수록 갈색 분포에서 흰점을 수반한 광택 분야가 커짐을 확인할 수 있었다.
시료를 고정하고 있는 클램프 125 mm까지 연소 진행은 없었고, 불똥 등 낙하물에 대한 커튼의 발화도 없었다. 팽창질석의 함량이 10%, 15%인 시료는 난연 등급이 V-1로 결정되었고, 20% 첨가한 시료의 시험 결과 난연 등급은 V-0으로 결정되었다.
팽창질석의 분말은 육안 검사에서는 갈색으로 나타났으나, 확대 관찰 결과 표면은 회색바탕에 갈색으로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 팽창질석의 함량이 높을수록 갈색 분포에서 흰점을 수반한 광택 분야가 커짐을 확인할 수 있었다.
표 3은 팽창질석을 15% 첨가한 난연특성 결과로 1차 10초간 접염 후 5개 시료 모두 10초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 103초로 확인되었고, 표 2에서 10% 첨가한 시료보다 23초 빨리 소화된 것을 확인할 수 있었다.
표 4의 시험 결과 팽창질석을 20% 첨가한 난연 시험은 1차 10초간 접염 후 5개 시료 모두 10초 이내로 소화가 완료되어 난연 등급 V-0으로 결정되었다. 2차접염 후 시료 모두 10초 이내 소화가 완료되었고, 1, 2차 시료 5개의 합계 소화시간은 21초로 확인되었고, 팽창질석의 첨가함량이 높을수록 난연 성능 및 난연 등급이 상향됨을 알 수 있었다.
5개 시료 중 4개는 합격이고 1개는 불합격으로 나타났다. 합격품 4개는 과전류는 4.5 kV에서 6시간 동안 실패 없이 견디었고, 침식 깊이는 평균 1 mm, 길이는 50 mm로 확인되었다. 불합격 1개는 시료 과전류 6시간 동안 실패로 보는 60 mA 이상의 전류가 발생되었고 심각한 침식으로 구멍이 발생되었다.

후속연구

HTV (high temperature vulcanizing) shore A 경도 70에서 난연성과 내트래킹성 실험 결과는 팽창질석을 첨가한 함유량이 10%일 때 가장 우수한 것으로 확인할 수 있었다. 본 연구는 팽창질석 적용 가능성을 판단하기 위한 연구이므로 향후 경도별 제작과 전기적 특성을 확보하기 위한 절연 파괴 및 유전특성 시험 등 다양한 시험 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HTV shore A 경도 70에서 난연성과 내트래킹성 실험 결과 팽창질석 함유량이 몇일 때 가장 우수했는가?	HTV (high temperature vulcanizing) shore A 경도 70에서 난연성과 내트래킹성 실험 결과는 팽창질석을 첨가한 함유량이 10%일 때 가장 우수한 것으로 확인할 수 있었다. 본 연구는 팽창질석 적용 가능성을 판단하기 위한 연구이므로 향후 경도별 제작과 전기적 특성을 확보하기 위한 절연 파괴 및 유전특성 시험 등 다양한 시험 연구가 필요할 것으로 사료된다.
	팽창질석의 무기분석 및 난연 시험과 내트래킹 시험을 위해 사용된 베이스는?	본 연구에서는 HTV (high temperature vulcanizing) 방법으로 shore A 경도 70으로 제작하였다. 기본 베이스는 고점도 폴리머인 실리콘 검(GUM) 60%에 FS (fumed silica) 30% 그리고 GUM과 FS 혼합이 잘 되도록 가소제 5%와 고무 강도 증진을 위해 실란류 1% 미만으로 배합하였다. 그리고 팽창질석을 충전제로 각각 10%, 15%, 20% 첨가하여 제작하였고, 경화조건은 170℃로 10분, 성형방법은 몰딩 방법으로 제작하였다.
	Silicon은 무엇인가?	Silicon은 원소기호 Si로 표시되는 규소를 의미하며 무기재료이다. 실리콘(silicone)은 유기기를 함유한 규소와 산소 등이 화학결합으로 서로 연결된 모양으로 된 폴리머를 의미한다. 또한 그 특징은 내열성, 내한성, 내산화 안전성, 내후성 및 우수한 전기특성을 가지고 있으며 내수성, 이난성, 투명성, 무독성, 기체투과성 및 접착성 등도 다른 재료에 비하여 매우 우수하다 [1,8].

참고문헌 (12)

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UL 94 Standard for Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances.
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S. I. Lee, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 916 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2012.25.11.916]
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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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