철도차량용 ABB 자동차회로차단이특별히개발되어할로겐과안티몬이없는화염지연제 PBT 로부터생산하였다. 플라스틱이전기자동차를움직인다 전자공학. 세계화된전기산업에서, 플라스틱은점점긴박하며현지국가의요구조건을충족시켜야만된다. 화염지연제개조는여기에핵심적인역할을하고있다. K ARL-MICHAEL REINFRANK RALF NEUHAUS 전자공학에서플라스틱의조건은점점엄격해지고있다. 동시에, 시장은여러가지다른표준에의하여통제되고있으며, 이는매우특별하게화염지연제로개조된폴리머재료가이용가능해야함을의미한다. 장비및운전에대한높은안전이전기제품에있어서최우선평가기준이다. 가장중요한요구조건은완전한화염방지로, 독일이나다른여러나라에서여러가지규제들이있다. 개별로고뒤에있는승인은광대한작업을얻고포함하기에비용이많이들며시간이소비되는일이다. 법률시스템과고객산업에따라, 다른방법과평가기준이재료및구성시험에사용되고있다. 제품을관장하고있는특정규제이외에도, 폭넓은입법경향또한플라스틱공급업자의폴리머실험실에영향을미치고있다. 예를들면, 환경법규에서는어떠한구성요소의사용을금지하거나분리수거와재활용을요구하고있다. 기계적특성과가공성외에도무엇보다비용을마음에두고있는가공업자들이재료에관하여다른요구를한다. 가끔씩이러한상반된요구조건사이의올바른균형을찾아각각의최종사용을위한최적의재료를공급하는것이효율적인공학적플라스틱제공업자의업무이다. BASF 는폴리아미드 (PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT), 폴리옥시메틸렌 (POM) 과폴리슬폰 / 폴리에테르슬폰 (PSU /PES) 를기초로폭넓은등급의범위에서여러가지다른응용제품에대한올바른제품을공급하고있다. 시장및사업환경 전자산업의세계화의결과로, 수출활동에참여하고있는업체에서는여러가지다른규제를따라야한다. 충전기나전기드릴과같은단순한전기기구의뒷면에는, IEC, VDE, UL, DIN, GS, CE 와기타기관들의시험표시가종종줄지어나와있다. 기타 4% 열경화 13% 기계설치기술 그림 1. 2000 년서유럽의전자산업에서플라스틱소비현황 ( 출처 : BASF) T Kunststoffe 8/2004, pp. 91 96 총계 : 약 255,000t(8%) Kunststoffe plast europe 8/2004 1
전기공학 BASF에서시장에내놓은네가지제품그룹하의상표명은소위 4대울트라로울트라미드 (PA), 울트라두르 (PBT), 울트라폼 (POM) 과울트라손 (PSU/PES) 등이있다. 2000년에만, 약 3,000,000t 의플라스틱이 VKE ( 독일플라스틱제조업협회 ) 의조사에따르면, 서유럽에서전기산업에서가공되었다고한다. 약 25% 의점유율로, 독일이가장큰시장이고이태리 20%, 프랑스 17% 순이다. 약 56% 의응용제품들이공학적플라스틱이 35%, 열가소성이 9% 로표준플라스틱으로보고되고있다. 플라스틱이플라스틱의형태로분해될때, PVC가표준플라스틱점유율중으뜸이고, 다음으로폴리스티렌 (17%), 폴리에틸렌 (11%) 및폴리프로필렌 (10%) 순이다. 개인생산부문에서분해되는플라스틱은아래의그림에그예가나오는데, 전자설치, 2000년에 255,000t 이사용되었으며플라스틱소비중약 8% 를이루는것으로말할수있다. 이곳에서의활동은폴리아미드 (23%) 와 PBT/PET (16%) 로점유하고있다. 폴리카보네이트, 폴리스티렌, ABS/SAN과열가소성이또한두자릿수점유율을가지고있다 ( 그림 1). 화재시행동표준 이러한플라스틱이충족시켜야하는요건은 전자운전기구나기기용관련표준에서설명하고있다. 이표준에나와있는측정에는재료자체에영향을미칠뿐만아니라구성부품설계에대한명시서도포함하고있다. 가령, 낮은인화성과화염을가지고있는플라스틱의사용은한편으로확산되고있으며다른한편으로긴급히발생할수있는최대온도에대한구송설계를통한제한은생명과재산에대한최적의보호를보증하고있다. 유럽에서는, 국제전자기술위원회 (IEC) 의규제가이분야에서확립되어있다. 유럽표준 (EN) 을통하여, 이러한것들은 DIN 과 VDE 표준을이끌며, 독일국립법규에서채택하고있다. 상황은미국에서달랐으며, 불꽃전선시험 UL 94 화염분류 노출시간 30 초 시편 운반대 종이티슈 와이어루프 ( 최대온도 960 ) 시편두께 : 3.2/1.6/0.8/0.4mm 면표지 분류 화염노출 1 화염 10회면인화 회당 연소노출후연표지 시간 소시간 V0 10초 50초 아니오 V1 30초 250초 아니오 V2 30초 250초 예 HB: 수평시편 가열속도 75mm/ 분 FMVSS[ 미연방모터차량안전기 준 ) 100mm/ 분 그림. 2A. 표준 IEC 60695 는불꽃전선온도를평가하고있다. 그림 2B. 결과에서는분류 V ( 수직 ) 와 HB ( 수평 ) 으로화염을발사하는가에대한지정을결정하고있다. 뜨거운전선점화시험 (HWI) 점화소요시간 ( 초 ) PLC( 성능수준범주 ) t>120 0 60<t<120 1 30<t<60 2 15<t<30 3 7<t<15 4 0<t<7 5 높은전류아크점화시험 (HAI) 점화소요시간 ( 초 ) PLC( 성능수준범주 ) n>120 0 60<n<120 1 30<n<60 2 15<n<30 3 0<n<15 4 와이어루프 이동전극 철강 시편 (3.2 0.4mm) 고정전극 그림. 2C. 시험은과열된전선의결과로발생하는점화를모의시험하고있다. 그림. 2D. 시험에서, 시험견본이두개의전극사이의아크에주기적으로반복해서노출시켰다. ( 출처 : Underwriters Laboratories Inc.) 2 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe plast europe 8/2004
여기에서 Underwriters Laboratories (UL) 의규제를적용하고있으며, 중국에서는캐나다표준협회 (CSA) 의안전규정을따라야한다. 전기협회에서가장중요한표준중에서산업통제기기를관장하는것은유럽에서는 IEC 60947이며미국에서는 UL 508이다. 국내용전기설치에관한회로차단기의설계는 IEC 60898 ( 유럽 ) 과 UL 1077( 미국 ) 에의하여규제하고있다. 국내기기분야에서, 개정된규정 IEC 760335 (85개의보조표준과함께 ) 와 UL 70335는화재시행동요건을아주강화하고있다. 철도차량과같이특수한응용제품의경우, 익숙한프랑스 NF 16101과같은특수표준이중요할수있다. 규제에대한개인의설정은화재시행동에대한특정요건, 시험범위와시험방법의관점에따라다르다. 재료승인과구성품승인에대한원칙은여기에서어느정도논쟁중이다. UL은소위노란카드를사용하여재료시험에대한엄격한기준과재료특성의문서화에기초를두고있다. 여기에기초문서 UL 746C ( 중합재료 전기기구평가에사용 ) 에서플라스틱의요건을요약하고있다. IEC 표준이담당하고있는구역에서, 한편으로, 승인은응용제품에따라재료에대한시험이나마감구성품에대한 전기전자산업을위한재료요건 시험을기초로하고있다. 만약, 설계자들이구성품시험에만의존하고있다면, 그들은때때로개발작업이완료되었을때놀라서심술궂게, 약간의설계개조 아마도가장자리만 - 를수행할수있다. 만약, 다른한편으로, 숭인이재료특성에기초를두고있다면, 설계자들은본재료로부터만든각구성품에대한화재표준을충족시킬것이다. 화재시행동시험 시험이시험견본이나마감재구성품에서시행한다면, 화재시행동은시험프로그램의필수부분이다. 다른시험방법이화염도, 화염배출 ( 자기소화 ), 열전개에대한기여와화염가스와연기의배출등을측정하는데사용되고있다. 모든시험에서, 점화원과시험견본이그에노출되는방법의규격이공통특징이다. 불꽃전선시험 (IEC 60695) 가가장중요한구성품의시험방법중하나이다. 본시험에서, 불꽃저항전선루프에대하여과열이나빨간금속부분을모의시험하였다 650 와 960 C 사이의예정시험온도로달구어진전선을시험주조에대하여압력을가한다. 노트에서는견본에서불이붙는지, 얼마동안연소되는지연소물질이뚝뚝떨어지는지기록하고있다 ( 그림. 2A). 그림 4. 자동차회로차단 ( 소형 ) 및콘트랙터 ( 대형 ). 자동차회로차단의검게덮인부분은, 지멘스가빨간색인산기반의화염지연제시스템을장착한폴리아미드 66 을사용하고있다큰스위치에서, PA 66 은열경화성수지와결합하며, 엷은색덮개는화염지연제, 강화유리섬유 PA 6 과레이저표시 PBT 로부터만들었다. 재료시험분야에서, 화염노출시험 (UL 94) 은아주중요하다. 분젠버너화염을 점화 원으로 사용하였는데, 시험 견본을 대략두차례거기에노출시켜야한다. 그 다음연소시간을측정하여연소물질이 떨어지는 것을 시험 견본 아래에 면 표시기를 사용하여 측정한다. 이 시험의 결과는익숙한화염분류 V (UL 94 수직및 수평, HB; 그림 2B) 이다. 화염노출시험은 항상 HWI ( 뜨거운 전선 점화 시험 ) 과 HAI( 높은전류아크점화 시험 ) 과함께 평가해야한다. HWI는과열된전선의결과로 발생하는 점화를 모의시험하고 있다. 시험에서, 전기적열저항전선은시험바에 수직으로 위치하여 감쌌다. 평가 기준은 견본이 점화에 걸리는 시간이다. HAI 시험에서는, 시험 견본을 두 개의 전극 사이에서 주기적으로 전기 아크에 반복적으로 노출시킨다. HAI는 점화가 발생할 때까지 아크의 수를 측정한다. 분류에서는 0~4까지의 단계가 있는데, 최적의비율이 0이다 ( 그림 2C와 2D). 그림 3에서는 화염 분류, HWI와 HAI 시험 결과 (UL 746C에따라, 붉은색 = 승인 ; 베이지색 = 미승인 ) 의 승인된 조화를 나타내고있다. 그림 3. UL 746C 승인은 HWI 와 HAI 값을가진 UL 94 화염분류 (V0 ~ V2) 의조합을통하여얻을수있다. ( 빨간부분은승인받은조합을나타내며, 베이지부분은승인받지못한조합을나타낸다.) Kunststoffe plast europe 8/2004 3
전기공학 효과적인화재방지를위한가능한방법 다른공학적플라스틱의화재시행동은매우다양하다. 녹는점에서는아무런단서가없다. 제품가공에만중요하다. 더욱관련있는기준은낮은산소농도 (LOI) 로재료가금방연소되는대기에서산소함량을말하는것이다. 폴리아미드와 PBT 에서 LOI 는약 24 이다. 양쪽의경우에, 적합한화염지연제는 LOI 를증가시키는것에서찾을수있다. 예를들면, 15 LOI 인경우, POM 은비교적화염이세다. 따라서, POM 은역동적파편과스프링특성의관점에서특수한요건을가지지만전류가흐르지않는기능적부분에사용한다. 화염지연제를포함한 POM 제제는많은가공과응용제품의단점을가지고있으며결국시장성을찾을수없다. 고성능플라스틱인폴리슬폰과폴리에테르슬폰은 30 과 38 사이의 LOI 값을가진다. 그들은정상적인대기에서는화염이없으며, 일반적으로추가화재방지없이사용할수있다. 화염지연제개조의목적은화염지연첨가제의도움으로연소과정에서개인적인단계에개입하거나지연하며열의피드백을감소시켜준다. 이렇게할수있는몇가지가능한방법이있다. 하지만, 가공성, 기계적특성이나황색으로되는데무시해도좋을가역적인영향을가지고있는첨가제만사용할수있다. 보편적으로사용하는화염지연제중에는, 브롬함유화합물을포함한할로겐화물질등이있다. 하지만, EU 폐기전기전자장비 (WEEE) 국에서는 브롬함유화염지연제를포함하고있는플라스틱부품을개별적으로재활용해야한다고명시하고있다. 이와관련한추가비용은시장이무할로겐화염지연제시스템의방향으로가는원인이될것이다. 이러한대체화염지연제는대개할로겐화된만큼효과적이지만보편적으로사용할정도는아니다. 오히려, 무할로겐화염지연제를특정플라스틱에맞추어야하는사례도있다. 하지만, 무할로겐화염지연제는화합물의전기적특성에가역적영향을덜가지고있으며, 할로겐화첨가제와는달리, 적은용량으로재료의농도를높이기만한다. 폴리아미드 (PA) 의경우, 붉은인산에기초한화염지연제를종종사용하고있다. 전기산업에서, 특히에너지기술에서전자절연구성품과하우징을위한인산개조 PA 의막대한중요성은좋은절연내력, 저항및열노화행동추적과호의적인일괄가격과어우러진훌륭한절연특성 ( 부피및표면저항 ) 때문이다. 첨가한붉은인산의양은적어지는경향이있어, 일반적으로폴리아미드의좋은인성 / 경도비율은계속유지된다. 하지만, 붉은인산의고유색깔로인하여, 오직검붉은색상의요소만생산할수있다. 특히전기설치에널리사용하고있는연회색은붉은인산을포함한화염지연제에서개조한플라스틱으로가지고서는얻을수없다. 붉은인산의대체제로써, 그림 5. 바이트뮐러가만든말단블록은화염분류 V0 의요건을충족시켜주는무할로겐, 질소기반의화염지연제시스템으로개조한비강화 PA6/PA 66 코폴리아미드로부터만들었다. 화염저항은유기질소화합물이나수산화마그네슘으로얻을수있다. 최근래의개발품에는화염지연제로써유기인산화합물의사용과관련이있다. 이제품등급의장점은신인산화합물에서연한색구성품의제작이가능하다는것이다. i 제조업자 BASF AG Carl-Bosch-Str. 38 D-67056 Ludwigshafen 독일전화 +49 (0) 06 21/60-43348 Fax +49 (0) 06 21/60-49497 ultraplaste.infopoint@basf-ag.de www.basf.de 하지만, 이러한화염지연제는아주고가이다. 현재, 시장에서제품을받아들일것인가를평가하기에는어렵다. 표 1 에서는 BASF 범위에서화염지연제개조플라스틱의몇가지특징을보여주고있다. 모든응용제품에대한올바른화재예방 모터서킷브레이커소재의경우폴리아미드등급소재두가지가결합되어있다. 검은색하부의경우적린으로보강한유리섬유강화처리폴리아미드 66 이쓰이며이소재는내염성을지니고있어높은전압과온도에도견딘다. 또한높은열팽창률과우수한기계적성질을지니고있었다. 반면모터서킷브레이커중겉으로보이는연회색부분은가연성부품과접촉하지않으므로이처럼높은내염등급소재가필요하지않다. 따라서이상부부품은 그림 6. 이라인회로차단기는연회색의화염지연제폴리아미드로부터묄러가제작하였다. 4 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe plast europe 8/2004
상표명 폴리머 강화 탄성률 파단시 신장률 % 밀도 g/cm 3 표 1. BASF 범위에서화염지연플라스틱의특성 화염지연제시스템이나 PBT 로부터개조한강화섬유 PA6 로만들수있다 ( 그림 4). 다른응용제품들은큰제어실에서사용하는말단블록과관련이있다. 조립을용이하게하는걸쇠에서인성이강도보다더중요하다. 이러한응용제품에서, 무할로겐, 질소기반화염지연제시스템을가지고있는비강화 PA 6/PA 66 코폴리아미드가매우적합한것으로판명되었다 ( 그림 5). 라인회로차단기의경우 ( 그림 6), 현재무할로겐제품으로교체진행중인개조열가소성수지와 폴리아미드가있다. 강화유리섬유 PA 6 변형체는얼마동안이러한응용제품에공급되고있다. 재래식제품보다더나은가격 / 성능비를처리하고공급하는것이더쉽다. 가정기기스위치의경우, 붉은인산화염지연제시스템을가지고있는유리섬유로채워진 PA 66을일반적으로사용하고있다 ( 그림 7). BASF 범위에있는신제품은무할로겐화염지연제시스템을가지고있는미네럴강화 PA 6이다. 높지않은압력제품을기획할경우, 이등급으로약 80% 의강화유리폴리아미드기계적성질과동시에비용감소를위하여고객들에게높은잠재력을제공하고있다. 그리고마지막으로, 무할로겐, 무안티몬인첫번째화염지연 PBT에대한일련의생산에서사용하는 BASF의혁신적인폴리부틸렌테레프탈레이트는불을가지고담금질을거치게된다. ABB 회사는철도차량에서높은압력에대하여특별히설계한자동차스위치에서 BASF (K 2001) 에전시 ) 에서 Ultradur B4400을사용하고있으며, 이부문용으로엄격한프랑스표준 NF 16101을따르고있다 ( 제목사진 ). 플라스틱을모든가능성있는조건뿐만아니라모든필요성을충족시켜야한다. 이러한방법에서만, 가공에관련된모든사람들이장기간으로최적의제품을개발할수있다. 저자 1960년에태어난칼마이클라인프랑크는 BASF의공학풀라스틱마케팅부에서전기산업응용제품을담당하고있는프로젝트매니저이다. 1968년에태어난, 랄프노이하우스박사는 BASF의폴라아미드마케팅부서의기술제품매니저로그의임무에는전기전자부문이포함되어있다. 필요조건충족 전기산업의혹독한경쟁환경에서, 폴리머생산자뿐만아니라, 플라스틱가공업자와구성부품개발자들에게비용측면은점점중요해지고있다. 따라서, 광범위하고때로는복잡한표준및규제의네트워크를주의깊게연구하여사용하는 그림 7. 디에 - 아코에서만든이프로그램선택스위치의붉은색부품은인산기반화염지연제로개조한 PA66 으로부터만들었으며, 또한흰색부품도 PA 66 으로부터제작하였다. Kunststoffe plast europe 8/2004 5