EPDM의 절연특성에 대한 첨가제 효과

이철호．□김상욱

서울시립대학교 화학공학과,  ．평일산업(주) 기술연구소

Effects of Additives on Dielectric Properties of EPDM

Chul Ho Lee．, Sang Wook Kim

Dept. of Chem. Eng., ． Pyung-Il Industrial Co.

서  론

최근 고분자 재료가 고전압의 송배전용 선로의 절연재료로서 널리 사용되고 있으며 그 중 ethylene propylene diene terpolymer(EPDM) rubber는 무극성인 구조로 인해 절연강도가 크고 유전특성이 좋으며 내코로나성, 내수트리성, 내트래킹성이 우수할 뿐만 아니라 분자구조내의 이중결합이 없으므로 내후성, 내오존성이 뛰어나며 저온특성과 고온에서의 안정성과 절연특성이 우수함으로 전기절연재료로서의 용도가 점차 확대되고 있는 추세이다 [1]. 특히 고무 특유의 첨가제 loading 능력이 크므로 여러 가지 목적의 첨가제들의 사용이 가능하기 때문에 컴파운딩 의 다양화로 배합설계가 유리한 장점이 있다. 이 첨가제들의 목적은 어떤 특성을 만족시키고 컴파운드의 가격을 낮추는데 있지만, 한 특성의 향상은 때로 다른 특성을 저하시키기고 하고 시간의 경과에 따라 표면으로 blooming 되거나 휘발되어 그 특성을 잃어버리기도 한다. 따라서 첨가제의 사용에 있어서 목적하는 특성만 고려하는 것은 극히 위험하며 다른 특성을 종합적으로 판단하여 배합설계 하여야 한다 [2].

고분자 절연재료가 옥외에서 사용될 경우 도전성 불순물과 습기의 영향으로 트래킹 현상이 발생하면 절연이 파괴되어 전력계통의 신뢰성에 커다란 영향을 미친다.  따라서 고분자 재료의 내트래킹성을 향상시키기 위한 많은 연구가 이루어지고 있고 [3∼5], 이러한 요구를 만족시키기 위하여 EPDM에는 여러 가지 첨가제가 사용되고 있으며 그 중에서 alumina tri-hydrate(ATH)가 내트래킹성과 내아크성을 향상시키는 중요한 역할을 하는 첨가제로 알려져 있다 [6]. 따라서 ATH가 내트래킹성 뿐만 아니라 다른 절연특성 및 컴파운드의 물성에 어떤 영향을 미치는지 면밀히 검토할 필요가 있다.

본 연구에서는 EPDM에 함유되는 첨가제 중 ATH의 첨가량에 따른 기계적, 유전특성 및 절연특성을 살펴봄으로써 ATH가 전기절연재료에 미치는 영향을 고찰하려고 하였다.

실  험

본 연구에서 사용된 시료는 ATH를 0∼200 phr 까지 변화시켜서 표 1과 같은 조성으로 ASTM D 3568에 준하여 mixing roll에서 혼합한 후 175℃의 hot-press에서 10분간 압축성형하여 판상으로 제작하였고 80℃ oven에서 2시간 건조시킨 후 전기적 특성을 측정하였다.

Table 1 Compositions of EPDM compounds

	ATH-0	ATH-50	ATH-100	ATH-150	ATH-200
EPDM	100	100	100	100	100
ATH	0	50	100	150	200
DCP	4	4	4	4	4
Wax	3	3	3	3	3

내트래킹성은 고전압의 옥외절연물의 트래킹성 평가에 널리 사용되는 IEC 587(ASTM D 2303) 경사평면법으로 60mA 이상의 전류가 2초동안 흐르면 트래킹으로 판정하였고 유전특성인 유전상수(dielectric constant)와 tan□는 Tettex 사의 Precision Tan□ and C Bridge를 사용하여 1 kV의 전압을 인가하여 측정하였으며 체적저항율은 HP사의 High Resistance Meter, 인장특성은 Instron 4302(1,000 kg)을 사용하였다.

결과 및 토론

시료표면에 오손액을 흘려보내며 전압을 인가하면 누설전류에 의한 주울열이 발생하고 이 열로 건조대가 형성되며 전계의 불평등으로 미소방전이 발생하고, 이 방전으로 절연체가 분해, 열화되어 탄화물이 생성되고 도전로가 형성되는 트래킹 현상이 발생하게 된다. 이 때 고분자의 열화 속도는 유리카본(free-carbon)의 생성과 휘발에 따라 달라지며, 만약 휘발속도가 생성속도보다 크면 도전성 카본은 생성되지 않는다.  고분자 표면이 약 200℃가 되면 ATH는 분해하여 표면의 미소발광방전에 의해 생성되는 많은 양의 열을 흡수한다.

above 200℃

2Al(OH)3   □□□□□□□□□→  Al2O3  +  3H2O  - 71.6 kcal

그 결과 EPDM의 표면온도는 낮아지게 되고 유리카본의 생성은 감소하게 된다. 한편 생성된 유리카본은 Al(OH)3로부터의 물과 공기중의 산소와 반응하여 휘발성 기체로 기화한다.

Al2O3

C  +  H2O  +  O2   □□□□□□□□→   CO2, CO  &  others

여기에서 Al(OH)3로부터 생성된 Al2O3는 촉매 역할을 하게 됨으로써 ATH는 내트래킹성에 효과적으로 작용한다 [7].

IEC 587에 준하여 오손액을 흘리면서 내트래킹성을 측정한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. ATH가 전혀 함유되지 않은 시료에서는 단시간 내에 트래킹이 발생하였고 ATH 함량 증가에 따라 내트래킹성이 급격히 향상되었으며 100 phr 이상 함유된 시료는 6시간 이상 트래킹이 발생하지 않음으로써 ATH의 함량 증가에 따라 내트래킹성이 크게 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 1 Effects of ATH content on tracking resistance of EPDM compounds

트래킹 실험이 완료된 시료 사진을 Fig. 2에 나타내었다. 이 사진에서

Fig. 2 The erosion surfaces of the samples

A, B, C 시료는 각각 0, 50, 100 phr 함유된 시료로서 A 시료는 트래킹 발생으로 깊숙히 침식되었으며 C 시료는 전극 밑부분에서만 탄화 흔적이 조금 있을 뿐 트래킹 현상이 발생하지 않았음을 보여주고 있다.

다음에 기계적 특성 및 절연저항, 유전특성의 변화를 Table 2에 나타내었다. ATH가 전혀 함유되지 않은 시료는 보강성이 크게 떨어져 절연재료로서 요구되는 특성을 만족하지 못하였으며 경도와 100% modulus는 ATH 함량 증가에 따라 계속 증가하는 경향을 나타내었고 인장강도와 연신율은 증가하다가 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 유전특성은 ATH 첨가에 따라 계속 증가하는 경향을 나타내었고 체적저항은 감소하였는데 이는 ATH 중의 수산기의 극성 때문이라고 판단된다.

Table 2  Physical and electrical properties of EPDM compounds

구 분	ATH-0	ATH-50	ATH-100	ATH-150	ATH-200
인장강도 (kg/cm2)	25	43	61	68	61
100% Modulus (kg/cm2)	8	13	20	23	33
연신율 (%)	117	435	482	392	275
경도 (Shore A)	46	49	58	64	71
체적저항(□□cm)	>1018	1.9x1016	1.1x1016	5.5x1015	3.3x1015
유전상수	2.25	2.49	2.85	3.18	3.24
Tan□	0	0.001	0.004	0.015	0.016

참고문헌

1. R. J. Arhart, IEEE. Electr. Insul. Magazine, 9, 31 (1993)

2. W. G. Morrison and R. J. Arhart, IEEE Trans. on Industry, 28, 275 (1992)

3. R. S. Gorur and J. W. Chang, IEEE Trans. on Power Delivery, 5, 1923 (1990)

4. R. S. Gorur and E. A. Cherney, Int. J. Energy, 11, 122 (1991)

5. F. Noto and N. Yoshimura, IEEE Trans. on Electr. Insul., EI-21, 889 (1986)

6. E. A. Cherney. D. J. Stonkus, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems., PAS-100, 131 (1981)

7. K. Kadowaki. 日東技報, 32, 72 (1994)