KR100361741B1 - 분말사출성형용 결합제 및 이를 이용한 혼합체의 강도향상방법 - Google Patents

분말사출성형용 결합제 및 이를 이용한 혼합체의 강도향상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말사출성형법에 의하여 사출성형체 제조시, 결합제간의 상용성의 정도와 저융점 결합제의 용융온도에 따라 성형조건을 설정하여, 사출성형체의 강도를 향상시키기 위한 것으로서, 혼합체는 비닐아세테이트 6~20%를 포함하는 에틸렌 비닐 아세테이트 20~40중량% 및 파라핀 왁스 60~80중량%로 구성되는 결합제를 포함하고, 사출성형 온도는 85~250℃의 범위이고, 금형온도는 사출성형체의 냉각속도가 1~200℃/min의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 결합제를 포함하는 혼합체를 본 발명의 일정한 조건하에서 사출성형을 실시하는 경우, 성형이 용이할 뿐 아니라 높은 굽힘강도를 갖게 되므로, 사출성형 후 금형으로부터 취출 시 부러지지 않으며, 결합제의 제거가 용이하고, 탈지 후 잔류물질이 없으므로 성형체의 강도를 향상시키는 바람직한 효과가 있다.

Description

분말사출성형용 결합제 및 이를 이용한 혼합체의 강도향상 방법{Binder composition and method to improve strength of powder injection molding in mixture}
본 발명은 분말사출성형법에 의하여 사출성형체 제조시 결합제간의 상용성의 정도와 저융점 결합제의 용융온도에 따라 성형조건을 설정하여 사출성형체의 강도를 향상시키기 위한 것이다.
분말사출성형 기술은 최근에 작고 3차원적으로 복잡한 부품의 제조에 이용되고 있고, 대량생산에 있어서는 주조나 절삭가공보다 경제적으로 유리하다. 분말사출성형 공정은 분말 혼합체 제조기술, 사출성형기술, 결합제 제거기술, 소결기술 등 복합기술로 구성되어 있다.
분말사출성형 공정에 사용되는 혼합체는 분말의 충전율이 매우 높고, 결합제의 강도가 낮기 때문에, 사출성형체는 그 취급시나 금형으로부터 취출시 깨지기 쉬우므로 혼합체와 최종 제품의 기계적 물성을 좋게 하기 위해서 적당한 결합제의 선택이 중요하다. 결합제에는 분말표면에 강한 접착력이 있는 성분이 포함되어야 혼합체의 성형후 취출시나 취급시 강도를 확보할 수 있다.
또한, 결합제는 사출성형을 용이하게 하기 위해서 낮은 점도를 가져야 하므로 분말사출성형 공정에서 고분자-왁스계 결합제가 널리 사용되고 있는데, 이 중에서 널리 사용되는 것이 파라핀 왁스계이다(대한민국 특허 제149240호). 파라핀 왁스는 결합제 제거시 열분해, 용매추출법, 진공승화법, wicking법 등으로 다양하게 제거될 수 있는 장점이 있으나 친수성이 없기 때문에 분말과 왁스 사이에 접착력이 나쁘다.
기존의 폴리올레핀 계열의 결합제와 함께 사용되는 경우(미국특허 제 4,404,166호)에는 사출성형시 분말과 결합제의 분리현상이 발생하여 양질의 사출성형체를 획득하기가 곤란하여 진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 에틸렌비닐아세테이트와 파라핀 왁스를 사용하였으며, 특히 에틸렌비닐아세테이트 중의 비닐아세테이트의 함량과 파라핀 왁스의 함량비를 제어하고, 분말사출성형 공정을 조정하여 강도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 혼합체의 분말사출성형 방법에 있어서, 혼합체는 비닐아세테이트 6~20중량%를 포함하는 에틸렌 비닐 아세테이트 20~40중량% 및 파라핀 왁스 60~80중량%로 구성되는 결합제를 포함하고, 사출성형 온도는 85~250℃의 범위이고, 금형온도는 사출성형체의 냉각속도가 1~200℃/min의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 결합제는 전체 결합제의 중량 기준으로 에틸렌비닐아세테이트 20~40중량% 및 파라핀 왁스 60~80중량%로 구성되어 진다. 상기 결합제를 분말과 혼합하여 혼합체를 제조한다. 분말사출성형에서 사용되는 혼합체의 성형방법에 있어서, 사출성형시 온도는 결합제간의 액-액상 분리가 발생하는 상한임계용액온도(UCST) 이상에서 실시하며, 금형온도는 저융점 결합제보다 낮은 온도에서 실시한다. 저융점 결합제는 파라핀 왁스이고, 금형의 온도는 파라핀 왁스의 융점보다 낮게 설정하되, 사출성형체의 냉각속도가 1~200℃/min의 범위가 되도록 설정한다. 단, 사용되는 에틸렌비닐아세테이트 중의 비닐아세테이트는 무게비로 6~20%의 범위에 있는 것을 사용한다.
본 발명에 사용된 에틸렌비닐아세테이트는 에틸렌기와 비닐아세테이트가 공중합된 고분자로서 비닐아세테이트의 함량에 따라 친수성은 증가하여 분말과의 접착특성은 증가하나 파라핀 왁스와의 상용성은 감소하게 된다. 따라서, 에틸렌비닐아세테이트 중의 비닐아세테이트의 함량이 임계값을 초과하면 에틸렌비닐아세테이트의 융점 이상에서 에틸렌비닐아세테이트와 파라핀 왁스의 액-액상 분리가 일어난다. 비닐아세테이트의 함량이 6% 미만인 경우에는 액-액상 분리가 발생하지 않으며,비닐아세테이트 함량이 20%를 초과하면, 친수성은 증가하나 융점이 너무 낮아 열분해 공정에서 형상유지에 불리하다.
이러한 액-액상 분리가 발생하는 비닐아세테이트 조성에서는 사출성형 후에 냉각속도가 커질수록 결정화도와 굽힘강도가 증가하게 되므로, 사출성형 후 금형에서 취출시 부러짐 현상을 방지할 수 있다.
또한, 에틸렌비닐아세테이트와 파라핀 왁스의 조성에서 에틸렌비닐아세테이트가 20~ 0중량%인 경우에 높은 굽힘강도를 나타낸다.
결합제의 굽힘강도는 분말이 최대로 충전된 분말사출성형체의 굽힘강도와 직결되기 때문에, 이러한 강도의 증가를 위한 결합제의 조성과 사출성형시 성형온도와 냉각온도가 매우 중요하며, 제품의 수율과도 직결된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
{실시예}
1. 본 발명에 사용된 결합제의 분자량과 열물성을 표 1에 나타내었다.
구분 비닐아세테이트량(%) 수평균분자량(Mn) 무게평균분자량(Mw) Mw/Mn 용융온도(℃) 밀도
EVA-1 9.5 21,000 74,800 3.56 95 0.930
EVA-2 6 22,700 67,200 2.96 92 0.928
PW - 540 560 1.04 55 0.900
* EVA:에틸렌비닐아세테이트, PW:파라핀 왁스
굽힘강도를 측정하기 위하여 EVA/PW의 블렌드의 여러가지 조성을 150℃, 1hr 동안 용융하여 제조한 후 130℃에서 성형하였다. 시편의 크기는 ASTM D790 규격으로서 27.2 ×6.8 ×1.7mm(L×W×T)이다.
표 2는 에틸렌비닐아세테이트(비닐아세테이트 9.5%)와 파라핀 왁스의 조성이 중량%로 각각 35:65인 결합제를 전술한 시편으로 성형한 후, 130℃에서 25℃로 냉각하는 경우 냉각속도에 따른 굽힘강도를 나타낸 것이다. 냉각속도의 증가에 따라 굽힘강도는 증가하는데, 이는 에틸렌비닐아세테이트의 혼합엔탈피의 증가로 에틸렌비닐아세테이트의 결정화도가 증가한 것에 기인한다.
냉각속도(℃/min) 굽힘강도(Mpa)
발명예 1 1 150
발명예 2 5 173
발명예 3 30 187
표 3은 결합제의 조성에 따른 굽힘강도를 나타낸 것으로서 사출성형 가능한 본 발명의 조성범위에서 순수한 에틸렌비닐아세테이트나 파라핀 왁스보다 우수한 강도를 나타내는 것을 관찰할 수 있다.
결합제 종류 굽힘강도(MPa)
비교예 1 PW 91
비교예 2 EVA 90
발명예 4 20EVA-80PW 118
발명예 5 35EVA-65PW 165
발명예 6 30EVA-70PW 111
2. 본 발명의 결합제를 사용하여 분말사출성형체의 강도에 미치는 효과를 검증하기 위하여 분말혼합체를 제조하였다. 혼합체를 구성하기 위한 금속분말은 고압수 분무법으로 제조된 평균입경 8㎛인 STS316L을 사용하였다. 사출성형용 혼합체는 금속분말과 결합제가 부피비로 53:47로 시그마형 혼합기에서 150℃에서 1시간 혼합하였다. 혼합된 금속분말 혼합체는 냉각 후 파쇄하여 사출성형용 혼합체로 제조하였다. 사출성형 조건은 사출압 400kg/cm2, 사출온도 130℃로서 판상모양 (47.4(L) × 20.22(W)×3.95(T)mm)으로 만들었다.
표 4는 제조된 분말사출성형체의 굽힘강도를 결합제의 조성에 따라 조사한 것으로서, 결합제의 굽힘강도는 분말사출성형체의 강도와 직접적인 연관이 있음을 나타낸다.
결합제 조성 굽힘강도(MPa)
발명예 7 20EVA-80PW 1245
발명예 8 35EVA-65PW 1635
발명예 9 30EVA-70PW 1314
표 5는 발명예 5의 결합제 조성으로 제조된 분말사출성형체의 굽힘강도를 금형온도를 변수로 하여 측정한 것이다. 굽힘강도는 금형의 온도 증가에 따라 굽힘강도가 증가하는 것을 알 수 있는데, 이것은 파라핀 왁스의 용융점과 금형온도 상이의 차이가 작아지면, 파라핀 왁스의 혼합엔탈피는 줄어들고, 에틸렌비닐아세테이트의 혼합엔탈피는 증가하기 때문이다. 또한, 발명예 6의 결합제로 만든 혼합체의 굽힘강도 역시 금형온도가 20℃에서 35℃로 증가함에 따라 커지는 것을 확인하였다.
금형온도 굽힘강도
발명예 10 20℃ 1378±108
발명예 11 30℃ 1451±65
발명예 12 40℃ 1621±58
본 발명의 결합제를 포함하는 혼합체를 본 발명의 일정한 조건하에 사출성형을 실시하는 경우, 성형이 용이할 뿐 아니라 높은 굽힘강도를 갖게 되므로, 사출성형 후 금형으로부터 취출시 부러지지 않으며, 결합제의 제거가 용이하고, 탈지 후 잔류물질이 없으므로, 성형체의 강도를 향상시키는 바람직한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 분말사출성형에 사용되는 혼합체에 있어서, 비닐아세테이트 6~20중량%를 포함하는 에틸렌비닐아세테이트 20~40중량% 및 파라핀 왁스 60~80중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 결합제.
  2. 분말사출성형용 혼합체의 분말사출성형 방법에 있어서, 제1항의 결합제를 포함하는 혼합체에 대한 사출성형 온도는 85~250℃의 범위이고, 금형온도는 사출성형체의 냉각속도가 1~200℃/min의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 결합제를 이용한 혼합체의 강도향상 방법.
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