[논문]내충격성 및 전기적 특성 향상을 위한 반도전성 난연컴파운드의 나노융복합 소재기술에 대한 연구

한재규; 전근배; 박동하

doi:10.15207/jkcs.2021.12.1.193

내충격성 및 전기적 특성 향상을 위한 반도전성 난연컴파운드의 나노융복합 소재기술에 대한 연구
A study on Nano-convergence material technology of semiconductive flame retardant compound to improve impact resistance and electrical properties 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.12 no.1, 2021년, pp.193 - 198

한재규 ((주)디와이엠솔루션) , 전근배 ((주)디와이엠솔루션) , 박동하 ((주)디와이엠솔루션)

초록
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본 연구에서는 초고압(Extra High Voltage) 케이블의 방식층(Oversheath)에 사용되는 반도전성 난연컴파운드의 보다 우수한 내충격성 및 전기적 특성을 만족할 수 있는 나노융복합 소재기술에 대해 연구하였다. 반도전성 난연컴파운드에 사용되는 도전성 카본블랙 일부를 CNT(carbon nano tube)로 대체하였으며, 이때 물성변화를 분석하였다. 전기적 특성이 현격하게 뛰어난 탄소나노튜브의 적용을 통해 소량의 전도성필러 처방으로도 보다 우수한 전기적 특성을 부여할 수 있게 된다. 또한, 컴파운드 기준 전체 필러량이 감량됨에 따라서 가공성이 향상되며, 특히 유연성 및 내충격성이 향상되기 때문에 케이블의 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a nano-convergence material technology that can satisfy the superior impact resistance and electrical properties of the semiconducting flame retardant compound used in the Oversheath layer of Extra-high voltage cables was studied. When some of the carbon black used in the semiconducting flame-retardant compound was replaced with CNT (carbon nano tube), the change in physical properties was analyzed. Through the application of carbon nanotubes with remarkably excellent electrical properties, even a small amount of conductive filler formulations can provide superior electrical properties. In addition, as the total filler amount is reduced based on the compound, the workability is improved, and in particular, flexibility and impact resistance are improved, which is expected to contribute to the improvement of the durability of the cable.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Kneader compounding process schematic
표 Table 1. Composition of specimens[Unit : phr]
그림 Fig. 2. Izod impact tester schematic
그림 Fig. 3. Dumbbell specimen for Tensile strength test
그림 Fig. 4. LOI tester schematic
그림 Fig. 5. SEM image of Carbon Black & CNT
그림 Fig. 6. The results of Volume resistivity
그림 Fig. 7. The results of Tensile test
그림 Fig. 8. The results of Impact strength and Hardness
그림 Fig. 9. The results of LOI test
그림 Fig. 10. The results of viscosity

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 도전성 나노소재인 CNT(carbon nano tube)를 기존 도전성 카본블랙과 함께 적용함으로써 소량의 도전성 필러의 적용으로도 우수한 전기적 특성을 확보하며, 내충격성을 만족할 수 있는 소재기술에 대하여 연구하였다.

제안 방법

JIS K6251-3에 의해 폭(D) 5.0 mm의 아령형 시험편을 제작하여 200 mm/min의 속도로 평가하였다.
1과 같은 Pilot scale 의 공정에서 컴파운딩했다. 가압식 니더믹서(5ℓ)를 사용하여 170℃에서 20분간 가공 후 단축 압출기(50∅)를사용하여 strand-cutting 방식으로 pellet 형태의 반도 전성 난연컴파운드 샘플을 제작하였다.
우수한 난연특성을 부여할 수 있다. 그러나, 연소 시 독성물질을 배출하기 때문에 본 연구에서는 무기계열의 금속산화물 난연제를 사용하였다.[10-12]
베이스 폴리머로서 MDPE(medium density polyethylene)과 POE(polyolefin elastomer)를 사용하여 Matrix를 구성하였다. 난연성을 부여하기 위해서 금속 산화물계열의 난연제를 처방하였는데, 우수한 분산 특성을 통한 기계적 물성확보를 위하여 그 입자의 크기가 1.4㎛의 미립자 형태의 수산화마그네슘(MDH)를 사용하였다[2, 3] 전기전도성을 부여하기 위하여 일반적으로 사용되는 Furnace black grade의 Carbon black 이외에도 순도(purity)가 97% 이상인 고순도의 CNT를 Carbon Black과 혼성으로 조합하여 사용하였다[4]. 그 밖의 산화방지제 및 활제 등의 기타 첨가제를 함께 사용하였다.
0 mm인 지그(Jig)를 사용하여 평가하였다. 시험 환경은 상온(23℃)과 고온(90℃)에서 각각 평가하였으며, 고온(90℃)으로 예열된 오븐에 시료를 넣고 60 분간 방치 후 평가하였다.
펠렛의 형태로 제조된 samplee 60℃로 예열된 가열 오븐에서 24 hrs 건조하였으며, Hot-press를 사용 하여가로 세로가 200mm이며 그 두께가 각각 1.0mm와 3.0mm인 평판형태의 Press sheet를 180℃에서 200kgf의 압력조건에서 성형하였다.

대상 데이터

베이스 폴리머로 사용되는 MDPE와 POE는 압출 성 및 기계적 물성 이외에도 두 베이스 폴리머 사이의 상용성을 고려하여 용융온도(melt temperature_Tm)와 흐름성(melting index_MI)이 유사한 소재를 선정하였다.
베이스 폴리머로서 MDPE(medium density polyethylene)과 POE(polyolefin elastomer)를 사용하여 Matrix를 구성하였다. 난연성을 부여하기 위해서 금속 산화물계열의 난연제를 처방하였는데, 우수한 분산 특성을 통한 기계적 물성확보를 위하여 그 입자의 크기가 1.
0 mm로 제작하였다. 전극 간 거리가 50.0 mm인 지그(Jig)를 사용하여 평가하였다. 시험 환경은 상온(23℃)과 고온(90℃)에서 각각 평가하였으며, 고온(90℃)으로 예열된 오븐에 시료를 넣고 60 분간 방치 후 평가하였다.
체적저항 시험편은 1.0 mm 두께의 Press sheet 에서 폭 30.0 mm, 길이 115.0 mm로 제작하였다. 전극 간 거리가 50.

이론/모형

무니점도는 ASTM D 1646 규격에 따라서 평가하였다. 160 ℃에서 1분간 예열 후 로터(rotor) 시동 후 4분 후의 값을 측정하였으며 그 값을 ML 1+4 로 표기하였다.
상온에서 반도전 난연컴파운드 수지 조성물을 ASTM D 2863에 의해 산소지수 특성을 평가하였다. 시험 시편의 연소 시 필요한 최소 산소요구량을 측정한다.
인장강도(tensile strength)와 신장율(elongation)은 UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 평가하였다. JIS K6251-3에 의해 폭(D) 5.
체적저항 특성은 ASTM D 991 규격에 따라서 평가하였다. 체적저항 시험편은 1.

성능/효과

물성들을 효과적으로 개선할 수 있었다. 도전성 필러인 카본블랙과 전기전도성이 수십배 이상 우수한 탄소나노튜브(CNT)를 혼성으로 조합하여 현격하게 적은 도 전성 필러의 처방으로도 우수한 전기적 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 효과적인 전도성 필러의 감량은 내충격성과 유연성을 향상시킴으로써 초고압 케이블의 최외곽에 위치한 방식층이 외력에 의한 파괴 및 손상을 방지할 수 있다.
따라서 도전성필러(C/B + CNT)의 처방량이 많은 구조에서는 점도가 상당히 높았으며, 특히 전체 도전성필러는 T-2 샘플과 동일량이 처방된 T-4 샘플에서는 선형구조 및 고강성 성질의 탄소나노튜브 때문에 흐름성에 확연하게 취약한 유변물성을 확인하였다.[13-15]
또한, 소량의 탄소나노튜브를 카본블랙과 혼성으로 조합하여 처방함에 따라서 컴파운드내에 도전성필러 처방 비율이 최대 65wt% 감량할 수 있었다. 이로 인해, 카본블랙을 단독으로 사용한 T-2 구조 대비 우수한 유 변 물성을 확인하였으며, 가공성 측면에서 유리하게 작용한다.
본 연구에서는 기존 전력케이블용 피복 컴파운드 소재기술과 나노소재기술을 용합함으로써 여러가지 취약했던 물성들을 효과적으로 개선할 수 있었다. 도전성 필러인 카본블랙과 전기전도성이 수십배 이상 우수한 탄소나노튜브(CNT)를 혼성으로 조합하여 현격하게 적은 도 전성 필러의 처방으로도 우수한 전기적 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
최대 65wt% 감량할 수 있었다. 이로 인해, 카본블랙을 단독으로 사용한 T-2 구조 대비 우수한 유 변 물성을 확인하였으며, 가공성 측면에서 유리하게 작용한다.
경도 및신장율은 소재의 유연성과 관련되며, 케이블 제조 이후 케이블이 드럼에 권취되기 위해서는 유연성이 요구된다. 특히, 선형구조의 고강성 특성을 띄는 탄소나노튜브의 처방은 내충격성을 크게 향상시킴을 확인하였다.[7-9]
하지만 본 연구를 통해 나노소재기술로써 탄소나노튜브를 적용한 나노융복합 반도전성 난연컴파운드의 경우 고온에서 전기적 특성이 취약해지는 문제가 해소됨을 확인하였다.

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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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