1. 서론
EVA는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(Ethylene Vinyl Acetate Copolymer)의 약자로, 폴리올레핀 중합체입니다. 낮은 용융 온도, 우수한 유동성, 극성, 비할로겐 원소의 특성을 지니고 있으며, 다양한 폴리머 및 미네랄 파우더와 상용성이 우수합니다. 또한, 다양한 기계적, 물리적 특성, 전기적 특성 및 가공 성능의 균형을 갖추고 있습니다. 가격이 높지 않고 시장 공급량이 충분하여 케이블 절연재, 필러, 외장재로도 사용할 수 있습니다. 또한 열가소성 소재로 가공할 수 있으며, 열경화성 가교 소재로도 제작할 수 있습니다.
EVA는 난연제와 함께 광범위한 용도로 사용되며, 낮은 연기의 할로겐 프리 또는 할로겐 연료 차단재로 만들 수 있습니다. EVA의 높은 VA 함량을 기본 재료로 선택하면 내유성 재료로도 만들 수 있습니다. 적당한 EVA의 용융 지수를 선택하고 EVA 난연제의 2~3배를 추가하면 압출 공정 성능과 가격이 더욱 균형 잡힌 산소 차단재(충전재)로 만들 수 있습니다.
본 논문에서는 EVA의 구조적 특성을 소개하고, 케이블 산업에서의 EVA 응용 분야와 개발 전망을 살펴본다.
2. 구조적 특성
합성을 할 때 중합도 n/m의 비율을 바꾸면 EVA의 VA 함량을 5~90%까지 생산할 수 있다. 전체 중합도를 높이면 분자량을 수만~수십만 EVA까지 생산할 수 있다. VA 함량이 40% 미만이면 부분적인 결정화가 일어나고 탄성이 나빠서 일반적으로 EVA 플라스틱이라고 한다. VA 함량이 40%를 넘으면 결정화가 일어나지 않는 고무와 같은 엘라스토머로 일반적으로 EVM 고무라고 한다.
1. 2 속성
EVA의 분자 사슬은 선형 포화 구조이므로 내열성, 내후성, 내오존성이 우수합니다.
EVA 분자 주쇄에는 이중 결합, 벤젠 고리, 아실기, 아민기 등 연소 시 연기가 나기 쉬운 기가 없으며, 측쇄에도 메틸기, 페닐기, 시아노기 등 연소 시 연기가 나기 쉬운 기가 없습니다. 또한, 분자 자체에 할로겐 원소가 포함되어 있지 않아 저연성 할로겐 저항성 연료에 특히 적합합니다.
EVA 측쇄에 존재하는 비닐 아세테이트(VA) 기의 크기가 크고 극성이 중간 정도이므로 비닐 골격의 결정화 경향을 억제하고 미네랄 필러와 잘 결합합니다. 이는 고성능 배리어 연료의 조건을 조성합니다. 특히 저연성 및 무할로겐 레지스트의 경우, 케이블 난연성 기준 충족을 위해 50% 이상의 부피 함량을 가진 난연제(예: Al(OH)3, Mg(OH)2 등)를 첨가해야 하기 때문에 이러한 특성이 더욱 두드러집니다. 중간에서 높은 VA 함량의 EVA는 우수한 특성을 가진 저연성 및 무할로겐 난연 연료를 생산하기 위한 베이스로 사용됩니다.
EVA 측쇄 비닐 아세테이트기(VA)는 극성이므로 VA 함량이 높을수록 폴리머의 극성이 높아지고 내유성이 우수합니다. 케이블 산업에서 요구하는 내유성은 주로 비극성 또는 약극성 광유에 대한 내성을 의미합니다. 유사 상용성 원리에 따라, VA 함량이 높은 EVA를 기본 재료로 사용하여 내유성이 우수하고 연기가 적고 할로겐이 없는 연료 차단재를 생산합니다.
EVA 분자는 알파-올레핀 H 원자의 성능이 더욱 활성적이며, 과산화물 라디칼이나 고에너지 전자 방사선의 영향으로 H 가교 반응을 일으키기 쉽고, 가교 플라스틱이나 고무로 되어, 까다로운 성능 요구 사항을 가진 특수 전선 및 케이블 소재를 만들 수 있습니다.
비닐 아세테이트기를 첨가하면 EVA의 용융 온도가 크게 낮아지고, VA의 짧은 측쇄 수가 증가하여 EVA의 유동을 증가시킬 수 있습니다. 따라서 압출 성능이 유사 폴리에틸렌의 분자 구조보다 훨씬 우수하여 반도체 차폐재 및 할로겐 및 무할로겐 연료 차단재의 기본 소재로 선호되고 있습니다.
2. 제품의 장점
2. 1 매우 높은 비용 대비 성능
EVA는 물리적 및 기계적 특성, 내열성, 내후성, 내오존성, 전기적 특성이 매우 우수합니다. 적합한 등급을 선택하면 내열성, 난연성뿐만 아니라 내유성, 내용제성 등의 특수 케이블 소재를 제작할 수 있습니다.
열가소성 EVA 소재는 주로 VA 함량 15%~46%, 용융 지수 0.5~4등급으로 사용됩니다. EVA는 제조업체, 브랜드, 옵션, 가격, 공급량이 다양하며, 웹사이트의 EVA 섹션만 열면 브랜드, 성능, 가격, 배송지 등을 한눈에 확인할 수 있어 매우 편리합니다.
EVA는 폴리올레핀 폴리머로, 부드러움과 사용 성능 면에서 폴리에틸렌(PE) 소재와 연질 폴리염화비닐(PVC) 케이블 소재가 유사합니다. 하지만 더 자세히 살펴보면 EVA와 위 두 소재가 대체할 수 없는 우월성을 가지고 있음을 알 수 있습니다.
2. 2 우수한 처리 성능
케이블 분야에서 EVA는 처음에는 중·고압 케이블 내외부 차폐재로 사용되다가, 이후 무할로겐 연료 차단재로 확장되었습니다. 가공 관점에서 이 두 가지 소재는 "고충진재"로 간주됩니다. 차폐재는 전도성 카본 블랙을 다량 첨가해야 하므로 점도가 증가하고 유동성이 급격히 저하됩니다. 무할로겐 난연 연료 차단재는 무할로겐 난연제를 다량 첨가해야 하므로 점도가 급격히 증가하고 유동성이 급격히 저하됩니다. 해결책은 다량의 충진재를 수용할 수 있으면서도 용융 점도가 낮고 유동성이 좋은 폴리머를 찾는 것입니다. 이러한 이유로 EVA가 선호됩니다.
EVA 용융 점도는 압출 가공 온도 및 전단 속도에 따라 급격히 감소합니다. 사용자는 압출기 온도와 스크류 속도만 조정하면 우수한 성능의 전선 및 케이블 제품을 생산할 수 있습니다. 국내외의 많은 응용 사례에서 고충전 저연성 무할로겐 재료의 경우 점도가 너무 높고 용융 지수가 너무 낮아 우수한 압출 품질을 보장하기 위해 저압축비 스크류(압축비 1.3 미만) 압출만 사용하는 것으로 나타났습니다. 가황제를 첨가한 고무 기반 EVM 재료는 고무 압출기 및 일반 압출기 모두에서 압출할 수 있습니다. 후속 가황(가교) 공정은 열화학(과산화물) 가교 또는 전자 가속기 조사 가교를 통해 수행될 수 있습니다.
2. 3 수정 및 적용이 쉽습니다.
전선과 케이블은 하늘에서 땅까지, 산에서 바다까지 어디에나 있습니다. 전선과 케이블의 사용자 요구 사항 또한 다양하고 독특합니다. 전선과 케이블의 구조는 유사하지만 성능 차이는 주로 절연 및 피복 재질에 따라 나타납니다.
현재까지 국내외에서 연질 PVC는 케이블 산업에서 사용되는 폴리머 소재의 대부분을 차지하고 있습니다. 그러나 환경 보호와 지속 가능한 개발에 대한 인식이 높아짐에 따라 연질 PVC는 더욱 중요해지고 있습니다.
PVC 소재는 크게 제한되어 왔고, 과학자들은 PVC의 대체 소재를 찾기 위해 최선을 다하고 있으며, 그 중 가장 유망한 것은 EVA입니다.
EVA는 다양한 폴리머뿐만 아니라 다양한 미네랄 파우더 및 가공 보조제와도 호환되어 혼합될 수 있습니다. 혼합된 제품은 플라스틱 케이블용 열가소성 플라스틱뿐만 아니라 고무 케이블용 가교 고무로도 제조될 수 있습니다. 배합 설계자는 사용자(또는 표준) 요구 사항을 기반으로 EVA를 기본 소재로 사용하여 재료의 성능을 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다.
3 EVA 적용 범위
3. 1 고전압 전력 케이블의 반도체 차폐재로 사용
우리 모두 알다시피, 차폐재의 주요 재료는 전도성 카본 블랙이며, 플라스틱이나 고무 기반 재료에 다량의 카본 블랙을 첨가하면 차폐재의 유동성과 압출 레벨의 평활성이 심각하게 저하됩니다.고전압 케이블에서 부분 방전을 방지하려면 내부 및 외부 차폐가 얇고 광택이 있고 밝으며 균일해야 합니다.다른 폴리머와 비교하여 EVA는 이를 더 쉽게 수행할 수 있습니다.이유는 EVA의 압출 공정이 특히 우수하고 흐름이 좋으며 용융 파단 현상이 발생하기 쉽지 않기 때문입니다.차폐재는 두 가지 범주로 나뉩니다.내부 차폐라고 하는 도체 외부로 둘러싸인 것 - 내부 스크린 재료;외부 차폐라고 하는 절연 외부로 둘러싸인 것 - 외부 스크린 재료;내부 스크린 재료는 대부분 열가소성입니다.내부 스크린 재료는 대부분 열가소성이며 종종 VA 함량이 18%~28%인 EVA를 기반으로 합니다.외부 스크린 재료는 대부분 가교 및 박리 가능하며 종종 VA 함량이 40%~46%인 EVA를 기반으로 합니다.
3. 2 열가소성 및 가교 난연성 연료
열가소성 난연성 폴리올레핀은 케이블 산업에서 널리 사용되며, 주로 해양 케이블, 전력 케이블, 고급 건설용 전선의 할로겐 또는 무할로겐 요건에 적합합니다. 장기 작동 온도는 70~90°C입니다.
매우 높은 전기적 성능 요건을 충족해야 하는 10kV 이상의 중·고압 전력 케이블의 경우, 난연성은 주로 외피에 의해 결정됩니다. 일부 환경적으로 까다로운 건물이나 프로젝트에서는 케이블에 저연성, 무할로겐성, 저독성, 또는 저연성 및 저할로겐성이 요구되므로, 열가소성 난연 폴리올레핀이 적합한 솔루션입니다.
일부 특수 용도의 경우, 외경이 크지 않고 105~150℃의 내열성을 가진 특수 케이블이 사용됩니다. 더욱 가교된 난연성 폴리올레핀 소재를 사용합니다. 케이블 제조업체는 자체 생산 조건에 따라 가교 방식을 선택할 수 있으며, 전통적인 고압 증기 또는 고온 염욕 방식뿐만 아니라 전자 가속기 상온 조사 가교 방식도 사용할 수 있습니다. 장기 작동 온도는 105℃, 125℃, 150℃의 세 가지 온도로 구분되며, 생산 공장은 사용자 또는 표준 요구 사항, 할로겐 프리 또는 할로겐 함유 연료 차단재의 다양한 사양에 따라 제작할 수 있습니다.
폴리올레핀은 비극성 또는 약극성 극성 중합체라는 것은 잘 알려져 있습니다. 폴리올레핀은 극성이 미네랄 오일과 유사하기 때문에 유사 상용성(similar compatibility)의 원리에 따라 오일에 대한 내성이 낮은 것으로 여겨집니다. 그러나 국내외의 많은 케이블 표준은 가교 저항성이 오일, 용매, 심지어 오일 슬러리, 산 및 알칼리에 대한 우수한 내성을 가져야 한다고 규정하고 있습니다. 이는 재료 연구자들에게 어려운 과제이며, 현재 중국과 해외에서 이러한 까다로운 소재가 개발되었으며, 그 기반 소재는 EVA입니다.
3. 3 산소 차단재
다심 연선 케이블은 코어 사이에 많은 공극이 있어, 외피가 할로겐프리 연료 차단재로 되어 있는 경우 케이블의 둥근 외관을 위해 이 공극을 메워야 합니다. 이 충전층은 케이블이 연소될 때 화염 차단재(산소) 역할을 하므로 업계에서는 이를 "산소 차단재"라고 합니다.
산소 차단재에 대한 기본 요건은 다음과 같습니다. 우수한 압출 특성, 우수한 할로겐 프리 난연성(산소 지수는 일반적으로 40 이상), 낮은 비용.
이 산소 차단막은 10년 이상 케이블 산업에서 광범위하게 사용되어 왔으며, 케이블의 난연성을 크게 향상시켜 왔습니다. 이 산소 차단막은 할로겐 프리 난연 케이블과 할로겐 프리 난연 케이블(예: PVC) 모두에 사용할 수 있습니다. 많은 실무 사례에 따르면 산소 차단막이 있는 케이블은 단일 수직 연소 시험 및 묶음 연소 시험을 통과할 가능성이 더 높습니다.
재료의 배합 관점에서 볼 때, 이 산소 차단재는 실제로 "초고충전재"입니다. 왜냐하면 저원가를 달성하기 위해서는 고충전재를 사용해야 하며, 높은 산소지수를 달성하기 위해서는 Mg(OH)2 또는 Al(OH)3를 고비율(2~3배)로 첨가해야 하며, 압출성이 좋아야 하므로 EVA를 기본 소재로 선택해야 합니다.
3. 4 변형 PE 덮개재
폴리에틸렌 외장재는 두 가지 문제가 발생하기 쉽습니다. 첫째, 압출 과정에서 용융 파손(예: 상어 가죽)이 발생하기 쉽습니다. 둘째, 환경 응력 균열이 발생하기 쉽습니다. 가장 간단한 해결책은 배합에 일정 비율의 EVA를 첨가하는 것입니다. 주로 저급 VA 함량을 사용하는 변성 EVA로 사용되며, 용융 지수는 1~2 사이가 적합합니다.
4. 개발 전망
(1) EVA는 케이블 산업에서 널리 사용되어 왔으며, 매년 사용량이 점진적이고 꾸준히 증가하고 있습니다. 특히 지난 10년 동안 환경 보호의 중요성으로 인해 EVA 기반 내연료성이 급속히 발전하여 PVC 기반 케이블 소재 추세를 부분적으로 대체했습니다. EVA는 뛰어난 비용 대비 성능과 압출 공정의 뛰어난 성능을 갖추고 있어 다른 소재를 대체하기 어렵습니다.
(2) 케이블 산업의 연간 EVA 수지 소비량은 약 10만 톤에 달하며, EVA 수지 품종을 선택하고 VA 함량이 낮은 것부터 높은 것까지 사용하게 되는데, 케이블 소재 과립화 기업의 규모가 크지 않아 각 기업에서 매년 수천 톤의 EVA 수지를 상하로 공급하고 있어 EVA 산업의 거대 기업이 주목받지 못하고 있다. 예를 들어, 할로겐 프리 난연성 기본 소재의 경우, VA/MI = 28/2 ~ 3의 EVA 수지(예: 미국 듀폰의 EVA 265#)를 주로 선택한다. 이러한 규격의 EVA는 현재까지 국내에서 생산 및 공급하는 제조업체가 없다. VA 함량이 28보다 높고 용융 지수가 3 미만인 다른 EVA 수지도 생산 및 공급이 가능하다.
(3) 국내 경쟁업체가 없고 가격도 오랫동안 높아 외국 기업이 EVA를 생산하고 있어 국내 케이블 공장 생산 의욕이 심각하게 저하되고 있습니다. 고무형 EVM의 VA 함량은 50%가 넘으며, 외국 기업이 독점하고 있으며, 가격은 브랜드 VA 함량의 2~3배에 달합니다. 이러한 높은 가격은 고무형 EVM의 생산량에도 영향을 미치므로, 케이블 업계는 국내 EVA 제조업체에 EVA 국내 생산 속도를 높여줄 것을 요구하고 있습니다. 업계 생산량 증가로 EVA 수지가 많이 사용되고 있습니다.
(4) 세계화 시대의 환경 보호 열풍에 힘입어, EVA는 케이블 업계에서 친환경 연료 저항 소재의 최적 소재로 주목받고 있습니다. EVA의 사용량은 매년 15%씩 증가하고 있으며, 전망은 매우 밝습니다. 차폐재 사용량과 중·고압 전력 케이블 생산량 증가율은 약 8%~10% 수준입니다. 폴리올레핀 저항 소재는 빠르게 성장하고 있으며, 최근 몇 년간 15%~20% 수준을 유지하고 있으며, 향후 5~10년 동안에도 이러한 성장률을 유지할 것으로 예상됩니다.
게시 시간: 2022년 7월 31일