고압절연용 EPDM rubber의 고온내수성

이철호*, 심미자**, 김상욱

서울시립대학교 화학공학과, *평일산업(주) 기술연구소,

** 서울시립대학교 생명과학과

High temperature water resistance of EPDM rubber used for high voltage insulation

Chul-Ho Lee*, Mi-Ja Shim** and Sang-Wook Kim

Dept. of Chem. Eng., The Univ. of Seoul, *Pyung-Il Industrial Co.,

** Dept. of Life Sci., The Univ. of Seoul

서론

약 100여년전 전기가 처음 생산되었을 때부터 oil, 종이, 자기 및 세라믹 재료가 우수한 절연특성을 바탕으로 절연재료로서 오랜기간 사용되었으며 지금까지도 꾸준히 사용되고 있다. 그러나 약 50년전에 고분자 재료가 전기절연재료로 이용되면서 절연성, 경량성, 생산성 등의 이유로 기존의 절연재료를 대체하였고 최근에는 고분자 재료의 제조기술이 더욱 발전하여 고분자 재료의 단점인 내열성, 내구성, 난연성 등을 극복하여 그 이용이 급증하게 되었다.

고분자 재료가 젖은 상태에서 장기간 사용될 때, 특히 주변의 온도와 전기적 스트레스가 겹쳐 고온일 경우, 물이 고분자로 확산되면서 절연성능에 영향을 미칠 가능성이 커진다. 또한, 지중선 고압케이블의 직선접속재 등은 지하수에 완전히 잠기는 열악한 환경에 처하는 경우도 많이 있으며 물이 흡수될 경우 치명적인 절연파괴 현상이 발생한다. 따라서, 이러한 환경에 대한 ethylene propylene diene terpolymer(EPDM) rubber의 내열, 내수성을 평가하기 위하여 각 시료를 90℃로 유지된 water bath에 담그고 1개월 단위로 꺼내어 흡수율 및 전기적 특성을 측정하여 첨가제와 가교 시스템에 따른 고온내수성을 고찰하였다.

실험

EPDM은 Dupont사의 Nordel 1040을 사용하였고 여기에 소량의 oil, wax, Zn/ST 등의 가소제를 배합하였으며 가교는 DCP를 사용하여 과산화물 경화하거나 황가교를 하였다. Mineral filler로는 clay와 alumina trihydrate(ATH)를 각각 100pph 첨가하였으며 이를 다음 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Composition of EPDM

	EPDM	DCP	Sulfur	Clay	ATH
Clay-P	100	4	-	100	-
Clay-S	100	-	2.5	100	-
ATH-P	100	4	-	-	100
ATH-S	100	-	2.5	-	100

각 시료는  laboratory hot press를 사용하여 두께 1□의 판상으로 제조하였다. 흡수율은 ASTM D 570에 준하여 측정하였고, 유전특성은 ASTM D 150에 준하여 1,000V의 전압을 인가하여 schering bridge법으로 측정하였으며, 체적저항율은 ASTM D 257에 준하여 1,000V의 전압을 인가하고 1분간 charge 후 측정하였다. 각 평가에 대해서는 3개의 시험편의 평균값을 취하였으며 비파괴 시험이므로 동일한 시료에 대하여 6개월까지 1개월 간격으로 계속 측정하였다.

결과 및 고찰

절연재료가 옥외에서 사용될 때 주로 눈이나 비 등의 강수에 의해서 물이 침투하지만 공기중 수증기의 응축으로 표면이 젖게 되는 경우가 많이 있다. 즉, Fig. 1과 같이 공기/수증기 혼합물이 A점에서 갑자기 온도가 내려갈 때 이슬점에 달하게 되고 빗금친 부분만큼 응축하게 된다.

Fig. 1. Content of water vapor vs temperature

첨가제로 사용한 clay는 전기절연용으로 사용하기 위해 물을 제거한 calcined clay로서 Al2O3□2SiO2의 조성을 갖고 있으며 물을 흡수하는 성질이 없으므로 전선 등의 절연체에 사용되고 있다[1]. 반면에 ATH는 Al(OH)3의 결정구조를 갖고 있으므로 수산기의 극성으로 물을 흡수하는 성질이 있으나 내트래킹성을 향상시키는데 탁월한 효과를 가지고 있기 때문에 옥외절연물에 널리 사용되고 있다[2].

또한, 고무의 가교방식은 크게 과산화물가교와 황가교방식 2가지가 있으며 과산화물가교의 C-C 결합이 황가교의 C-S 또는 S-S 결합과 비교하여 훨씬 안정하여 내열성, 내수성 등이 우수한 것으로 알려져 있다.

Clay 100pph 첨가하여 각각 과산화물, 황가교한 시료를 Clay-P, Clay-S라 하였고 ATH를 100pph 첨가하여 과산화물, 황가교한 시료를 ATH-P, ATH-S로 각각 표시하였다.

Fig. 2에 4가지 시료에 대하여 6개월간 90℃의 물에 침지하면서 물의 흡수에 의한 무게증가율을 구한 결과를 나타내었는데 clay를 사용한 시료보다 ATH를 사용한 시료가 더 큰 증가율을 보였고 이는 ATH가 물을 흡수하였기 때문이다. 또한, Clay-P보다 Clay-S가, ATH-P보다는 ATH-S가 더 큰 증가율을 보였으며 이것은 황가교의 가교결합의 불안정 때문인 것으로 판단된다.

절연재료에서 tan□와 비유전율은 유전손실로서 이 값이 크면 전력손실이 크게 되며 재료내부에 존재하는 극성기가 증가하면 유전손실도 증가하게 된다. 이런

의미에서 90℃의 물에 침수시킨 시료의 tan□와 비유전율을 측정하였으며 이를 Fig. 3과 4에 나타내었다.

ATH를 황으로 가교시킨 시료의 tan□ 증가율이 가장 컸으며 이는 물의 흡수에 의한 극성기 증가와 고온으로 인한 장기간의 열화로 분자구조내에 이중결합, carbonyl group 등이 증가하였기 때문이며 Clay-S가 물을 흡수하기 어려운 첨가제

인데도 물을 흡수하기 쉬운 첨가제인 ATH-P보다 tan□ 값이 더 높아진 것은

Fig. 2. Absorption rate vs 90℃ water immersion period

Fig. 3. Tan□ vs 90℃ water immersion period

황가교의 불안정으로 90℃의 고온에서 열화가 진행되어 물의 흡수보다는 분자구조 자체가 극성기로 변화되었기 때문으로 판단된다. Clay-P 시료는 장기간의 침수기간에도 불구하고 유전손의 증가를 거의 볼 수 없었으며 안정한 구조를 가지고 있어서 고온내수성이 요구되는 절연재료에서 적합한 특성을 가지고 있는 것을 알았다.

절연재료에서 요구되는 절연저항의 변화를 Fig. 4에 나타내었는데 ATH-S 시료는 약 3개월 이후에 1012 이하로 떨어짐으로 절연재료로서의 수명을 다하는 것으로 평가되었으며 ATH-P 시료는 흡수율과 유전손 값은 크게 증가할지라도 체적저항율은 크게 저하되지 않는 모습을 보임으로서 과산화물가교의 안정성을 알 수 있었다.

Fig. 4. Dielectric constant vs 90℃ water immersion period

Fig. 5. Volume resistivity vs 90℃ water immersion period

여러 가지 종합적인 평가 결과 clay를 첨가제로 사용하고 과산화물가교시킨 시료가 90℃에서 6개월간의 침수에도 불구하고 거의 특성저하가 나타나지 않아서 고온내수성이 가장 뛰어난 것이 확인되었으며 ATH가 clay보다 훨씬 더 많이 물을 흡수하는 성질을 보임으로서 ATH를 절연재료로 사용할 때 첨가량의 조절 및 내수성 향상제의 병용사용이 요구되는 것으로 판단되었으며 황으로 가교시킨 시료보다 과산화물가교시료가 고온의 열화에 안정함을 알았다.

참고문헌

1. Barlow, F. W.: "Rubber compounding", Marcel Dekker Inc., New York, 171(1988).

2. Kim et al,: IEEE Trans. on Electr. Insul., 27, 1066(1992).