1. 서론
EVA는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체의 약자로, 폴리올레핀 중합체입니다. 낮은 융점, 우수한 유동성, 극성, 비할로겐 원소 등의 특성으로 다양한 고분자 및 광물 분말과 상용성이 우수하고, 기계적, 물리적 특성, 전기적 특성 및 가공 성능의 균형이 잘 잡혀 있으며, 가격이 저렴하고 시장 공급이 충분하여 케이블 절연재, 충전재, 피복재 등으로 널리 사용됩니다. 또한 열가소성 수지 또는 열경화성 가교 재료로도 제조할 수 있습니다.
EVA는 다양한 용도로 사용되며, 난연제를 첨가하여 저연 할로겐 프리 또는 할로겐 연료 차단재로 만들 수 있습니다. 고함량 VA EVA를 기본 소재로 선택하면 내유성 소재도 만들 수 있습니다. 용융 지수가 적당한 EVA를 선택하고 EVA 난연제를 2~3배 첨가하면 압출 공정 성능과 가격 면에서 더욱 균형 잡힌 산소 차단(충전) 소재를 만들 수 있습니다.
본 논문에서는 EVA의 구조적 특성부터 케이블 산업에서의 응용 분야 및 발전 전망에 대해 소개한다.
2. 구조적 특성
합성 시 중합도 n/m 비율을 변경하면 EVA의 VA 함량을 5~90%까지 조절할 수 있습니다. 전체 중합도를 높이면 EVA의 분자량을 수만에서 수십만까지 변화시킬 수 있습니다. VA 함량이 40% 미만인 경우, 부분적인 결정화로 인해 탄성이 떨어지므로 일반적으로 EVA 플라스틱으로 알려져 있습니다. VA 함량이 40% 이상인 경우에는 결정화가 일어나지 않아 고무와 같은 탄성체이며, 일반적으로 EVM 고무로 알려져 있습니다.
1. 2가지 속성
EVA의 분자 사슬은 선형 포화 구조이므로 내열성, 내후성 및 내오존성이 우수합니다.
EVA 분자의 주 사슬에는 이중 결합, 벤젠 고리, 아실기, 아민기 등 연소 시 연기가 쉽게 발생하는 작용기가 없으며, 측쇄에도 메틸기, 페닐기, 시아노기 등 연소 시 연기가 쉽게 발생하는 작용기가 없습니다. 또한, 분자 자체에 할로겐 원소가 포함되어 있지 않아 저연 할로겐 프리 내열 연료의 기본 재료로 특히 적합합니다.
EVA 측쇄에 있는 비닐 아세테이트(VA) 그룹의 큰 크기와 중간 정도의 극성은 비닐 골격의 결정화 경향을 억제하고 무기 충전제와 잘 결합하게 하여 고성능 차단 연료를 위한 조건을 조성합니다. 이는 특히 저연 및 할로겐 프리 레지스트에 해당하는데, 케이블 난연성 표준 요건을 충족하기 위해서는 50% 이상의 부피 함량을 가진 난연제[예: Al(OH)₃, Mg(OH)₂ 등]를 첨가해야 하기 때문입니다. VA 함량이 중간에서 높은 EVA는 우수한 특성을 지닌 저연 및 할로겐 프리 난연 연료를 생산하는 데 기반 물질로 사용됩니다.
EVA 측쇄의 비닐 아세테이트(VA) 그룹은 극성을 띠므로 VA 함량이 높을수록 폴리머의 극성이 강해지고 내유성이 향상됩니다. 케이블 산업에서 요구되는 내유성은 주로 비극성 또는 약극성 광물유에 대한 내성을 의미합니다. 유사성 원리에 따라 VA 함량이 높은 EVA를 기본 소재로 사용하여 내유성이 우수하고 연기가 적으며 할로겐이 없는 연료 차단막을 생산할 수 있습니다.
알파-올레핀 수소 원자를 포함하는 EVA 분자는 활성이 높아 과산화 라디칼이나 고에너지 전자 방사선에 의해 수소 가교 반응을 쉽게 일으켜 가교 플라스틱이나 고무로 변환되며, 특수 전선 및 케이블 소재에 요구되는 높은 성능을 구현할 수 있습니다.
비닐 아세테이트 그룹을 첨가하면 EVA의 용융 온도가 크게 낮아지고, VA 단쇄 사슬의 수가 증가하여 EVA의 유동성이 향상됩니다. 따라서 유사한 분자 구조를 가진 폴리에틸렌보다 압출 성능이 훨씬 우수하여 반도체 차폐재 및 할로겐/할로겐 프리 연료 차단재의 선호되는 기본 소재가 됩니다.
2. 제품의 장점
2.1 매우 높은 가성비
EVA는 물리적, 기계적 특성, 내열성, 내후성, 내오존성, 전기적 특성이 매우 우수합니다. 적절한 등급을 선택하면 내열성, 난연성뿐만 아니라 내유성, 내용제성 특수 케이블 소재를 만들 수 있습니다.
열가소성 EVA 소재는 주로 VA 함량이 15%~46%이고 용융 지수가 0.5~4등급인 제품으로 사용됩니다. EVA는 제조업체와 브랜드가 많고, 선택의 폭이 넓으며, 가격도 적당하고 공급도 안정적입니다. 사용자는 웹사이트의 EVA 섹션을 방문하기만 하면 브랜드, 성능, 가격, 배송지 등을 한눈에 확인하고 편리하게 선택할 수 있습니다.
EVA는 폴리올레핀 중합체로, 부드러움과 사용 성능 면에서 폴리에틸렌(PE) 소재 및 연질 폴리염화비닐(PVC) 케이블 소재와 유사합니다. 그러나 자세히 살펴보면 EVA가 위의 두 소재와 비교할 수 없는 탁월한 장점을 가지고 있음을 알 수 있습니다.
2.2 탁월한 처리 성능
케이블에 사용되는 EVA는 처음에는 중전압 및 고전압 케이블의 내외부 차폐재로 사용되다가 나중에는 할로겐 프리 연료 차단재로 확장되었습니다. 이 두 가지 유형의 소재는 가공 관점에서 "고함량 충전재"로 간주됩니다. 차폐재는 다량의 전도성 카본 블랙을 첨가해야 하므로 점도가 증가하고 유동성이 급격히 떨어집니다. 할로겐 프리 연료 차단재는 다량의 할로겐 프리 난연제를 첨가해야 하므로 점도가 급격히 증가하고 유동성이 급격히 떨어집니다. 따라서 다량의 충전재를 수용할 수 있으면서도 용융 점도가 낮고 유동성이 우수한 고분자를 찾는 것이 중요합니다. 이러한 이유로 EVA가 선호되는 소재입니다.
EVA 용융 점도는 압출 가공 온도와 전단 속도에 따라 급격히 증가하다가 감소합니다. 사용자는 압출기 온도와 스크류 속도만 조절하면 우수한 성능의 전선 및 케이블 제품을 생산할 수 있습니다. 국내외 다수의 적용 사례에서 고함량 충전재, 저연, 할로겐 프리 소재의 경우 점도가 너무 높고 용융 지수가 너무 낮아 압출 품질을 확보하기 위해 저압축비 스크류(압축비 1.3 미만)를 사용해야 한다는 것이 입증되었습니다. 가황제를 첨가한 고무계 EVM 소재는 고무 압출기와 범용 압출기 모두에서 압출할 수 있습니다. 후속 가황(가교) 공정은 열화학적(과산화물) 가교 또는 전자 가속기 조사 가교 방식으로 진행할 수 있습니다.
2.3 수정 및 적용이 용이함
전선과 케이블은 하늘에서 땅까지, 산에서 바다까지 도처에 존재합니다. 전선과 케이블 사용자의 요구 사항 또한 다양하고 특이하며, 구조는 유사하지만 성능 차이는 주로 절연 및 외피 재질에서 나타납니다.
현재까지 국내외 케이블 산업에서 사용되는 고분자 소재의 대부분은 연질 PVC가 차지하고 있습니다. 그러나 환경 보호와 지속 가능한 개발에 대한 인식이 높아짐에 따라 변화가 일어나고 있습니다.
PVC 소재는 사용이 크게 제한되어 왔으며, 과학자들은 PVC를 대체할 소재를 찾기 위해 모든 노력을 기울이고 있는데, 그중 가장 유망한 것이 EVA입니다.
EVA는 다양한 고분자뿐만 아니라 다양한 광물 분말 및 가공 보조제와도 혼합할 수 있으며, 혼합된 제품은 플라스틱 케이블용 열가소성 플라스틱이나 고무 케이블용 가교 고무로 만들 수 있습니다. 설계자는 사용자의 요구 사항(또는 표준 요구 사항)을 기반으로 EVA를 주재료로 사용하여 요구 사항을 충족하는 성능을 가진 재료를 만들 수 있습니다.
3. EVA 적용 범위
3.1 고전압 전력 케이블용 반도체 차폐재로 사용됨
잘 알려진 바와 같이, 차폐재의 주재료는 전도성 카본 블랙입니다. 플라스틱이나 고무 기저재에 카본 블랙을 다량 첨가하면 차폐재의 유동성과 압출 평활도가 심각하게 저하됩니다. 고전압 케이블의 부분 방전을 방지하기 위해서는 내외부 차폐층이 얇고, 광택이 있으며, 균일해야 합니다. 다른 고분자에 비해 EVA는 이러한 조건을 더 쉽게 충족할 수 있습니다. 그 이유는 EVA의 압출 공정이 특히 우수하고 유동성이 좋으며 용융 파열 현상이 잘 발생하지 않기 때문입니다. 차폐재는 크게 두 가지로 나뉩니다. 도체 외부를 감싸는 내측 차폐재와 절연체 외부를 감싸는 외측 차폐재입니다. 내측 차폐재는 주로 열가소성 수지이며, 종종 VA 함량이 18%~28%인 EVA를 기반으로 합니다. 외측 차폐재는 주로 가교 결합된 박리형 소재이며, 종종 VA 함량이 40%~46%인 EVA를 기반으로 합니다.
3.2 열가소성 및 가교형 난연 연료
열가소성 난연 폴리올레핀은 케이블 산업, 특히 해양 케이블, 전력 케이블 및 고급 건설 케이블의 할로겐 또는 할로겐 프리 요구 사항에 널리 사용됩니다. 이 소재의 장기 작동 온도는 70~90°C입니다.
10kV 이상의 중/고전압 전력 케이블은 매우 높은 전기적 성능 요구 사항을 충족해야 하므로, 난연성은 주로 외피에 의해 결정됩니다. 환경 규제가 엄격한 건물이나 프로젝트에서는 케이블이 저연, 무할로겐, 저독성 또는 저연 및 저할로겐 특성을 갖춰야 하므로, 열가소성 난연 폴리올레핀이 적합한 해결책이 될 수 있습니다.
특수 용도에 사용되는 케이블은 외경이 크지 않고 105~150℃의 내열성을 가지며, 가교 결합된 난연성 폴리올레핀 소재를 사용합니다. 가교 결합 방식은 케이블 제조업체가 자체 생산 조건에 따라 선택할 수 있으며, 전통적인 고압 증기 가교 또는 고온 염욕 가교뿐만 아니라 전자 가속기 상온 방사선 가교 방식도 가능합니다. 장기 작동 온도는 105℃, 125℃, 150℃의 세 가지로 나뉘며, 생산 공장에서는 사용자의 요구 사항이나 표준에 따라 할로겐 무함유 또는 할로겐 함유 연료 차단 기능을 갖춘 제품을 제작할 수 있습니다.
폴리올레핀은 비극성 또는 약한 극성을 가진 고분자로 잘 알려져 있습니다. 극성이 광물유와 유사하기 때문에, 유사성 원칙에 따라 폴리올레핀은 일반적으로 내유성이 낮은 것으로 여겨집니다. 그러나 국내외 많은 케이블 표준에서는 가교 결합된 고분자가 오일, 용제는 물론 오일 슬러리, 산, 알칼리에도 우수한 내성을 가져야 한다고 규정하고 있습니다. 이는 소재 연구자들에게 큰 과제이며, 국내외 연구진들은 이러한 까다로운 조건을 충족하는 소재를 개발해 왔으며, 그 기반 소재가 바로 EVA입니다.
3.3 산소 차단 소재
연선형 다중심 케이블은 심선 사이에 많은 빈 공간이 있어 케이블의 외피를 할로겐 프리 연료 차단재로 채우면 케이블의 모양이 둥글게 유지됩니다. 이 충전층은 케이블이 연소될 때 화염(산소)을 차단하는 역할을 하므로 업계에서는 "산소 차단재"라고 부릅니다.
산소 차단 소재의 기본 요건은 우수한 압출 특성, 우수한 할로겐 무함유 난연성(산소 지수 일반적으로 40 이상) 및 저렴한 가격입니다.
이 산소 차단막은 케이블 산업에서 10년 이상 광범위하게 사용되어 왔으며 케이블의 난연성을 크게 향상시켰습니다. 이 산소 차단막은 할로겐 프리 난연 케이블과 할로겐 프리 난연 케이블(예: PVC) 모두에 적용할 수 있습니다. 수많은 실제 적용 사례를 통해 산소 차단막이 적용된 케이블이 단일 수직 연소 시험 및 묶음 연소 시험을 통과할 가능성이 더 높다는 것이 입증되었습니다.
재료 조성 관점에서 볼 때, 이 산소 차단 소재는 실제로 "초고함량 충전재"입니다. 저비용을 충족하기 위해서는 고함량 충전재를 사용해야 하고, 높은 산소 지수를 얻기 위해서는 Mg(OH)₂ 또는 Al(OH)₃를 높은 비율(2~3배)로 첨가해야 하며, 압출성을 좋게 하기 위해서는 EVA를 기본 재료로 선택해야 하기 때문입니다.
3.4 개량형 PE 피복재
폴리에틸렌 피복재는 두 가지 문제점을 가지고 있습니다. 첫째, 압출 과정에서 용융 파손(일명 샤크스킨 현상)이 발생하기 쉽고, 둘째, 환경 응력에 의한 균열이 발생하기 쉽습니다. 가장 간단한 해결책은 배합에 일정 비율의 EVA를 첨가하는 것입니다. 주로 사용되는 변성 EVA는 VA 함량이 낮은 등급으로, 용융 지수가 1~2 사이인 것이 적절합니다.
4. 발전 전망
(1) EVA는 케이블 산업에서 널리 사용되어 왔으며 연간 사용량은 점진적이고 꾸준히 증가하고 있습니다. 특히 지난 10년 동안 환경 보호의 중요성이 커짐에 따라 EVA 기반 내화성 케이블 소재가 급속히 개발되어 PVC 기반 케이블 소재를 부분적으로 대체하는 추세를 보이고 있습니다. EVA의 우수한 가성비와 압출 공정의 우수한 성능은 다른 어떤 소재도 대체하기 어렵습니다.
(2) 케이블 산업의 연간 EVA 수지 소비량은 약 10만 톤에 달하며, EVA 수지 종류는 VA 함량이 낮은 것부터 높은 것까지 다양하게 사용됩니다. 또한 케이블 소재 과립화 업체의 규모가 크지 않아 각 업체에서 매년 생산하는 EVA 수지는 수천 톤에 불과하므로 EVA 산업의 거대 기업들이 주목하기 어렵습니다. 예를 들어, 할로겐 프리 난연 기저 소재의 경우 주로 VA/MI = 28/2~3의 EVA 수지(예: 미국 듀폰의 EVA 265#)가 사용됩니다. 그러나 이러한 규격의 EVA 수지를 생산 및 공급하는 국내 업체는 아직 없습니다. VA 함량이 28 이상이고 용융 지수가 3 미만인 다른 EVA 수지의 생산 및 공급은 말할 것도 없습니다.
(3) 국내 경쟁업체가 없어 외국 기업이 EVA를 생산하고 가격이 오랫동안 높게 유지되어 국내 케이블 공장의 생산 의욕을 심각하게 저해하고 있습니다. 고무형 EVM의 VA 함량의 50% 이상이 외국 기업에 의해 장악되어 있으며 가격은 브랜드 제품의 VA 함량보다 2~3배 높습니다. 이러한 높은 가격은 결국 고무형 EVM의 생산량에도 영향을 미치므로 케이블 업계는 국내 EVA 제조업체에 국내 EVA 생산 비율을 높일 것을 요구하고 있습니다. 업계의 생산이 더욱 활발해짐에 따라 EVA 수지의 사용량이 증가하고 있습니다.
(4) 세계화 시대의 환경 보호 물결에 힘입어 EVA는 케이블 산업에서 환경 친화적이고 내화성이 뛰어난 최적의 기본 소재로 여겨지고 있습니다. EVA의 사용량은 연간 15%씩 증가하고 있으며 전망이 매우 밝습니다. 차폐재 및 중·고전압 전력 케이블 생산량과 성장률은 약 8~10% 정도이며, 폴리올레핀 내화재의 사용량은 최근 몇 년간 15~20% 수준으로 빠르게 증가하고 있으며, 향후 5~10년 동안에도 이러한 성장률이 유지될 것으로 예상됩니다.
게시 시간: 2022년 7월 31일