옥외절연용 EPDM rubber의 발수성

이철호*, 심미자**, 김상욱

서울시립대학교 화학공학과, *평일산업(주) 기술연구소,

** 서울시립대학교 생명과학과

Hydrophobicity of EPDM Rubber Used for Outdoor 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

옥외용 애자는 우수한 전기적, 기계적 특성과 내후성 및 장기안정성 등의 이유로 오랜기간 자기 또는 유리로 만들어진 제품이 사용되어 왔으나, 1960년대부터 생산성, 경량성, 내충격성 등이 우수한 고분자 재료가 기존의 세라믹을 대체하기 시작하였으며 최근에는 외국에서 뿐 아니고 국내에서도 사용이 급격히 증가되고 있다.

Ethylene propylene diene terpolymer(EPDM)와 silicone rubber 등과 같은 고분자 재료는 친수성인 유리, 자기 등의 세라믹 절연재에 비해 훨씬 더 큰 발수성을 가지고 있어서 고분자 애자 등의 사용에 있어서 크게 각광을 받고 있다.

고분자 재료는 낮은 표면에너지로 인해 물방울이 표면에 둥글게 맺혀서 누설전류가 적게 흐르지만 세라믹 재료는 높은 표면에너지를 갖음으로 물방울이 표면에 퍼져 필름형태의 막을 형성하므로 오손물 등으로 오염되었을시 섬락현상이 발생하여 절연파괴 등으로 이어지는 것이다.

본 연구에서는 고분자 애자 절연물을 사용목적으로 하는 EPDM rubber를 제조하였으며, 애자의 내오손성에 커다란 영향을 미치는 발수성을 접촉각으로 측정하였고 실제 오손환경하에서 전압이 인가될 때 누설전류의 양이 얼마나 되는지를 평가하기 위해 인공염무장치를 제작하여 접촉각의 크기와 비교하였다.

실험

본 연구에서는 인장강도, 인열강도, 내후성, 내열성 및 절연특성이 우수하고 가격이 silicone에 비해 저렴하여 폴리머 애자 등의 절연재료로 널리 사용되는 EPDM rubber의 발수성을 평가하였다.

EPDM은 Dupont사의 Nordel 1040을 사용하였고 여기에 소량의 oil, wax, Zn/ST 등의 가소제와 경화제로 DCP를 넣고 alumina trihydrate(ATH)를 입자크기별로 각각 100pph 첨가하여 two-roll mill에서 충분히 혼련한 후 laboratory hot press로

175℃에서 10분간 압축성형하여 두께 1□의 시료를 제작하였다. 접촉각은 Cahn사의 dynamic contact angle 측정기인 DCA 315를 사용하여 측정하였다. 또한 오손환경하에서의 절연성을 평가하기 위하여 인공염무장치를 제작하였다(Fig. 1).

인공오손액은 시약소금을 증류수에 용해하여 250□/cm의 전도도를 갖도록 하였으며 시료의 크기는 가로 127□, 세로 127□, 두께 1□로 하였다. 전극배치 및 구조는 ASTM D 2132를 참고로 하여 제작하였는데 chamber의 크기는 가로

710□, 세로 600□, 높이 510□로 하였고 분무되는 염수의 양은 0.6kg/□/h로 조절하였으며 1,500V의 전압을 인가하였다. 8 channel A/D converter와 586PC를 연결하였으며 일정한 주기로 표면에 흐르는 누설전류치를 검출하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of salt fog chamber

결과 및 고찰

물방울이 고체표면과 접촉할 때 형성되는 각을 접촉각이라고 하며(Fig. 2) 물방울의 형상은 고체표면의 물리적, 화학적 상태에 따라 달라진다.

Fig. 2. Contact angle of water drop on solid surface

고체표면은 높거나 또는 낮은 표면에너지를 갖는 것으로 구별할 수 있으며 높은 표면에너지를 갖고 있으면 쉽게 젖게 되고 물방울이 흐트러져 표면 위에 연속적인 막을 형성한다. 이 경우 접촉각은 0이 되고 표면은 완전히 젖은 상태 즉, 친수성(hydrophilic)이 되지만 낮은 표면에너지를 갖고 있으면 접촉각은 크게 되고 (>90°) 발수성(hydrophobic)이 된다.

고분자 재료가 발수성을 잃는 것은 부분방전에 의해 고분자 표면의 분자사슬이 파괴되면서 발생한 자유라디칼이 습기와 반응하여 생성하는 OH group 때문이라고 알려져 있으며[1] 이러한 OH group은 큰 표면에너지를 갖고 있어서 물과 친화력을 갖게 되고 결국 표면을 젖게 하는 것이다[2].

ATH의 입자크기가 크면 표면적이 작아지기 때문에 컴파운드의 분산은 잘 되지만 표면이 거칠어지고 내트래킹성이 저하되는 단점이 있다. ATH 크기에 따른 발수성의 차이를 살펴보기 위해 접촉각을 측정하였으며 그 결과를 Table 1에 나타내었다.

Table 1. The effects of particle size of ATH

on the dynamic contact angle of EPDM rubber

ATH		Contact angle
Particle size(□)	Surface area(□/g)	Advancing(°)	Receding(°)	Hysteresis
0.7	11	100.5	61.7	38.8
1.0	7	100.8	60.3	40.5
2	2	99.3	59.6	39.7
7	1.1	101.8	58.7	43.1
10	0.8	100.0	55.1	44.9
13	0.6	100.2	55.0	45.2
20	0.5	101.2	55.8	45.4

전진각(advancing)은 입자크기에 따라 큰 변화를 나타내지 않았으나 후퇴각(receding) 및 전진각에서 후퇴각을 뺀 값인 hysteresis는 입자크기가 커질수록 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 표면의 거칠기가 증가하였기 때문에 일어난 현상이다.

이와 같은 접촉각의 변화와 실제로 절연재료 표면에 발생하는 누설전류의 상관성을 알아보기 위해 염무분부장치를 이용하였다. 시료에는 1,500V의 전압을 계속 인가하였으며 표면에 흐르는 누설전류를 500시간까지 주기적으로 측정하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Average leakage current of EPDM rubber having

different size of particles as a function of time

250□/cm의 전도도를 가지는 염수를 fog 상태로 분무하면서 1,500V의 전압을 인가함에 따라 초기에는 모든 시료가 약 2□의 누설전류값을 나타내었으나 시간의 경과에 따라 표면에 재료가 침식되는 erosion 현상이 발생하면서 누설전류가 증가하였다. ATH 입자크기가 가장 큰 20□ 시료가 가장 큰 증가율을 보였으며 약 350시간이 지나면서 erosion이 심하게 발생하여 10□ 이상의 누설전류가 흐르는 반면에 가장 작은 입자크기를 가진 0.7□ 시료는 약 350시간까지도 일정하게 2□의 작은 누설전류값을 보이다가 그 후 증가하여 500시간 후에 약 6□의 값을 타나내었다. 1.0□ 시료의 경우 초기에는 0.7□보다 약간 더 큰 누설전류가 흐르다가 450시간 이후에는 오히려 증가율이 감소하는 경향을 나타내었는데 이는

0.7□ 시료가 입자표면적이 너무 커서 계속되는 염수의 흡수에 의해 누설전류 값이 증가하였기 때문이라고 판단된다.

연구결과 입자크기가 큰 시료일수록 후진접촉각과 hysteresis가 감소하였으며 이는 염무시험에 의한 누설전류량의 증가와 잘 일치하며 발수성의 감소가 곧 절연재료의 오손성 즉, 옥외에서의 절연성과 깊은 관계가 있음을 확인하였다.

참고문헌

1. Adamson, A. W.: "Physical Chemistry of Surfaces", 3rd Edition, Wiley John and

Sons(1976).

2. Gorur, R. S. et al,: IEEE Trans. Power Delivery, 5, 1925(1990).