KR102286044B1

KR102286044B1 - 건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3d 프린팅용 시멘트계 조성물

Info

Publication number: KR102286044B1
Application number: KR1020190179771A
Authority: KR
Inventors: 송훈; 신현욱
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-08-05
Also published as: KR20210086894A

Abstract

본 발명은 건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 관한 것으로, 초경량 재료의 사용으로 제품의 운반 및 작업성, 재료의 분리저항성이 개선되어 건축용 내·외장패널이나 조형물의 정밀한 3D 프린팅에 적합하면서도 불에 타지 않는 불연성능을 확보할 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 시멘트 55~80중량%, 플라이애시 5~10중량%, 닫힌 공극 경량골재 10~30중량% 및 글라스 버블 3~30중량%을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물{CEMENT-BASED COMPOSITION FOR ULTRA-LIGHT, NON-FLAMMABLE 3D PRINTING FOR MATERIAL EXTRUSION METHOD ADDITIVE MANUFACTURING OF ARCHITECTURAL FINISHING PANELS AND SCULPTURES}

본 발명은 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 관한 것으로, 초경량 재료의 사용으로 제품의 운반 및 작업성, 재료의 분리저항성이 개선되어 건축용 내·외장패널이나 조형물의 정밀한 3D 프린팅에 적합하면서도 불에 타지 않는 불연성능을 확보할 수 있도록 한 건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에 관한 것이다.

최근 건축물에서 비정형 건축물이나 곡면 노출콘크리트를 적용하는 경우 단가의 상승이나 다양한 생산공정 등으로 인한 비효율성이 급증한다. 이러한 건축물에서의 비효율성을 극복하기 위한 방안으로 3D 프린팅을 적용하여 기존의 생산방식과 융·복합하여 새로운 부가가치를 창출하고자 하는 일련의 노력들이 시도되고 있다.

건축용 내·외장패널 및 조형물을 적층하여 제조하기 위한 3D 프린팅의 이용은 노즐을 통해 직접 재료를 연속적으로 적층하는 재료압출 방식(ME 방식)과 잉크젯 프린터와 같이 바인더를 동시에 분사하여 연속적으로 적층하여 제조하는 파우더 베드 퓨전방식(PBF 방식)을 사용한다.

이중에서 재료를 연속적으로 적층하여 제조하는 방식은 건축용 내·외장패널 및 조형물의 적용이 가능하고 시멘트 모르타르의 유동성이나 경화속도를 조절하여 사용한다. 연속적으로 적층하여 비구조재를 제조하는 방식은 소량 다품종의 건축물 내·외장 패널이나 조형물 등에 적용이 가능하고 시장성도 좋다는 장점을 갖는다.

한편, 시멘트계 재료의 3D 프린팅 적층제조는 시멘트 모르타르를 개질하기 위한 폴리머 재료의 혼입이 필수적이며, 시멘트 모르타르는 점성이 높고 수축이 크기 때문에 시공성 및 시멘트 특성을 개질하고, 정밀도 높은 출력을 위해 시멘트 폴리머 디스퍼젼의 사용이 필수적이다. 시멘트 폴리머 디스퍼션 혼입 시멘트 모르타르는 기포의 연행에 의해 시공성이 좋아지고, 시멘트 수화물 사이에 폴리머 필름이 형성되어 인장강도와 취성이 개선된다. 또한, 시멘트 수화물 사이에 생성된 폴리머 필름은 기밀성, 수밀성 및 내약품성 등의 성능을 개선한다.

최근, 사용 편리성이 우수한 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene-vinyl acetate) 재유화형 분말수지가 널리 사용되고 있다. 분말수지의 경우 시멘트 폴리머 디스퍼젼을 분말상의 형태로 가공한 것으로 취급하기 용이하여 사용성이 좋다는 장점이 있다. 하지만 화재와 같은 고온에서는 재유화형 분말수지를 혼입한 경우 성능저하 현상이 더 크다. 재유화형 분말수지는 폴리머 필름을 형성하고 공극을 충전하여 내구성을 향상하지만 기본적으로 유기계 재료이고 고온에 의해 열분해하기 때문이다.

또한 재료압출 방식을 이용하여 건축용 내·외장패널이나 조형물을 제조하는 경우 초경량재료를 사용하게 되면 자중에 대한 부담이 적고 제품의 운반이나 가공하는데도 휠씬 용이한 반면, 제품에 대한 강도가 작아지고 재료의 혼입으로 배합조건이 현저하게 달라지기 때문에 조성물을 쉽게 선택하기 어렵다는 문제점이 있었다.

한국공개특허공보 제2017-0141348호(2017.12.26.)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 초경량 재료의 사용으로 제품의 운반 및 작업성, 재료의 분리저항성이 개선되어 건축용 내·외장패널이나 조형물의 정밀한 3D 프린팅에 적합하면서도 불에 타지 않는 불연성능을 확보할 수 있도록 한 건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은, 건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물로서, 시멘트 55~80중량%, 플라이애시 5~10중량%, 닫힌 공극 경량골재 10~30중량% 및 글라스 버블 3~20중량%을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

여기서, 재유화형 분말수지로서 에텔렌비닐콜로라이드를 시멘트 중량에 대해 1~10%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 닫힌 공극 경량골재는 10~180μm의 입경을 갖는 것으로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 글라스 버블은 상기 닫힌 공극 경량골재 틈새에 위치할 수 있도록 5~90μm의 입경을 갖는 것으로 구비되어 서로의 혼합비를 통해 전체 조성물의 밀도를 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 에텔렌비닐콜로라이드 재유화형 분말수지는 글라스 버블과 같은 5~90μm의 입경을 갖는 것으로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 닫힌 공극 경량골재와 글라스 버블은 부피비율 1 : 1로 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편 본 발명의 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은, 시멘트 55~80중량%, 플라이애시 5~10중량% 및 닫힌 공극 경량골재 10~35중량%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은, 시멘트 55~82중량%, 플라이애시 5~10중량% 및 글라스 버블 8~35중량% 및 재유화형 분말수지로서 시멘트 중량에 대해 에텔렌비닐콜로라이드 1~10%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 시멘트는 보통포틀랜드시멘트와 백색포틀랜드시멘트 중 어느 하나이거나 보통포틀랜드시멘트와 백색포틀랜드시멘트를 혼합한 것으로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 플라이애시는 메타카올린 및 실리카퓸 분말을 혼합한 것으로 구비되며, 점도의 조절 및 강도 증진을 위해 강제식 볼밀을 이용하여 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 점도 증진을 위하여 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 응결시간 조절을 위하여 칼슘포메이트 분체 0.5~3중량%, 유동성 조절을 위하여 카르복실 유동화제 분체 0.1~2중량%를 더 첨가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의한 경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은 초경량 재료의 사용으로 제품의 운반 및 작업성, 재료의 분리저항성이 개선되어 건축용 내·외장패널이나 조형물의 정밀한 3D 프린팅에 적합하면서도 불에 타지 않는 불연성능까지 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물의 초경량 재료의 혼입과 플로시험을 실시하여 물성을 비교한 사진
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에서 닫힌 공극 초경량 골재의 표면 상태와 내부 공극형태를 확인하기 위한 FE-SEM 사진
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에서 글라스 버블의 표면 상태와 내부 공극형태를 확인하기 위한 FE-SEM 사진
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에서 EVCL 재유화형 분말수지의 표면 상태를 확인하기 위한 FE-SEM 사진
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에서 EVCL 재유화형 분말수지의 폴리머 필름 FE-SEM 사진
도 6는 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에서 EVCL 재유화형 분말수지의 내열성능을 확인하기 위한 TG-DTA 분석 그래프
도 7는 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물에서 EVCL 재유화형 분말수지 혼입율에 따른 시험체의 가열 전·후의 내부공극 변화 사진
도 8은 EVA와 EVCL을 혼입한 시험체의 난연성능 시험 사진으로 EVA를 혼입한 시험체는 균열이 발생하였으나 EVCL을 혼입한 시험체는 균열이 발생하지 않은 것을 보여주는 사진
도 9는 EVA와 EVCL을 혼입한 시험체의 난연성능 시험 사진으로 EVA를 혼입한 시험체는 수축이 발생하여 휘었으나 EVCL을 혼입한 시험체는 수축이 발생하지 않은 것을 보여주는 사진

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 초경량 불연성 3D프린팅 조성물에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

<실시예>

본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트 분체 조성물은, 초경량 재료의 사용으로 제품의 운반 및 작업성, 재료의 분리저항성이 개선되어 건축용 내·외장패널이나 조형물의 정밀한 3D 프린팅에 적합하면서도 불에 타지 않는 불연성능을 확보할 수 있도록 구성된다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트 분체 조성물은 시멘트 55~80중량%, 플라이애시 5~10중량%, 닫힌 공극 경량골재 10~30중량%, 글라스 버블 3~20중량% 및 재유화형 분말수지로서 에텔렌비닐콜로라이드를 시멘트 중량에 대해 1~10%를 포함한다.

여기서 상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트와 백색 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 사용하거나 백색 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용할 수 있다. 상기 시멘트의 사용량이 55중량% 미만이면 압축강도의 발현이 되지 않아 내구성이 크게 저하되며, 80중량%를 초과하면 다른 성분들을 충분한 양으로 혼합하는데 지장을 준다. 이같은 시멘트는 알려진 바와 같이 불연재료인 동시에 물과 반응하여 수화물을 생성하는 수경성 재료로서 강도를 발현하는 역할을 한다.

상기 플라이애시는 시멘트를 대체하는 혼화재로 사용되며 필러로서 유동성을 부여하는 역할을 한다. 상기 플라이애시는 주성분이 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)로 포졸란 반응으로 밀실한 구조를 형성하고 경량성 및 내화학성이 우수하다. 본 발명에서 플라이애시로부터 기대하는 중요한 역할 한가지는 조성물에 유동성을 부여하는 것이며, 이를 극대화하기 위해 메타카올린 및 실리카퓸 분말 중 적어도 하나를 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시는 점도 조절 및 강도 증진을 위해 미분으로 분쇄하는 것이 좋다. 상기 플라이애시의 혼합비가 5중량% 미만이면 3D 프린팅 재료로서 기대하는 수준의 충분한 유동성을 얻기 어려우며, 10중량%를 초과하게 되면 강도의 저하를 초래할 수 있으므로 5~10중량% 범위 내에서 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 닫힌 공극 경량골재는 시멘트 모르타르의 골재 역할을 수행하며 특히 경량성능 확보를 위해 중요한 역할을 수행한다. 상기 닫힌 공극 경량골재의 혼합비가 10중량% 미만이면 제품의 경량 효과를 기대하기 어려우며, 30중량%를 초과하면압축강도 및 불연성능을 저하시키게 된다.

상기 글라스 버블은 골재 역할을 수행하며 특히 경량의 정도를 조절할 수 있는 중요한 역할을 수행한다. 상기 닫힌 공극 경량골재의 혼합비가 3중량% 미만이면 경량 효과를 기대하기 어려우며, 30중량%를 초과하면 압축강도 및 내구성능을 저하시키게 된다.

상기의 닫힌 공극 경량골재를 혼합 사용하는 경우 두 조성물의 밀도차가 크기 때문에 부피비율로 혼합 사용할 수 있다. 부피 비율로 혼합하지 않은 경우 조성물 부피비율이 현저하게 달라지기 때문에 3D 프린팅 조성물의 물성이 현저한게 달라진다.

위에서 설명된 닫힌 공극 경량골재와 글라스 버블은 전체 시멘트 분체 조성물에서 닫힌 공극 경량골재 17 중량%, 글라스 버블 4 중량% 범위에서 부피비율 1 : 1 비율로 혼합되었을 때 경량성능, 압축강도에서 가장 뛰어난 성능을 발휘하였다.

상기 에틸렌비닐콜로라이드(EVCL)는 재유화형 분말수지로서 시멘트 혼합물에 공기를 연행하고 친수성질에 의해 작업성과 분리저항성 등을 개선시키는 역할을 한다. 또한 도 5의 사진처럼 에틸렌비닐콜로라이드(EVCL)는 경화된 시멘트 수화물 사이의 공극에서 폴리머 필름의 형태로 존재하면서 내구성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 에틸렌비닐콜로라이드(EVCL) 재유화형 분말수지는 혼합비가 시멘트 중량에 대해 1~10% 혼합되어 되는데, 혼합비가 1중량% 미만이면 내구성이 저하되며 10중량%를 초과하면 고온에 노출되어 열분해되기 쉬워 압축강도 및 난연성능이 저하된다. 상기 에틸렌비닐콜로라이드 재유화형 분말수지는 에틸렌비닐아세테이트(EVA)에 비해 난연특성이 우수하므로 본 발명의 실시예에 의한 3D 프린팅용 시멘트 분체 조성물이 불연성 확보할 수 있도록 에틸렌비닐아세테이트가 아닌 에틸렌비닐콜로라이드 재유화형 분말수지가 혼합된다.

또한, 점도 증진을 위한 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 응결시간 조절을 위한 칼슘포메이트 분말 0.5~3중량%, 유동성 조절을 위한 카르복실 유동화제 분말 0.1~2중량%를 더 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 메칠셀룰로우즈는 시멘트 반죽의 점도를 증가시켜 적층에 유리하도록 해주는 용도로 사용되며 혼합비가 0.5중량% 미만인 경우 반죽의 점도가 크게 증진되지 않고, 3중량%를 초과하면 점도가 과도하게 높아져서 반죽이 잘 되지 않는다. 상기 칼슘포메이트는 시멘트 반죽의 응결을 촉진시키는 화학 혼화제로 적층을 위해 응결시간 조절을 위해 포함된다. 상기 칼슘포메이트는 혼합비가 0.5중량% 미만이면 응결시간의 단축이 잘 이루어지지 않으며 3중량%를 초과하면 급결현상으로 반죽이 어려워진다. 상기 카르복실 유동화제는 시멘트 반죽의 유동성 확보를 위해 혼합된다. 상기 카르복실 유동화제의 혼합비는 0.1중량% 미만이면 반죽의 유동성이 저하되어 압출이 어렵고, 2중량%를 초과하면 반죽이 풀어져 재료분리가 발생한다.

이와 같은 3D 프린팅용 시멘트 분체 조성물과 물을 혼합한 후 믹싱하여 페이스트를 만들고, 직경 3~10mm의 노즐을 갖는 3D 프린터를 이용하여 재료압출 방식으로 한 층씩 적층하면 안정적인 적층구조를 가지면서 높은 경량성 및 불연성까지 확보한 제품을 얻을 수 있게 된다. 이같은 본 발명의 3D 프린팅용 시멘트 분체 조성물은 특히 경량이면서 불연성을 요하는 건축용 외장패널 및 조형물을 제조하는데 적합한 것이다.

<실험예>

하기 표 1과 같이 다양한 혼합비로 시멘트, 플라이애시, 실리카샌드, 닫힌 공극 경량골재, 글라스 버블을 혼합하고, EVCL을 시멘트 중량의 1, 3, 5 10%를 혼입한 시편들에 대하여 밀도, 강도, 유동성의 항목으로 나누어 살펴보았다.

본 실험에서 닫힌 공극 경량골재는 도 2에서 볼 수 있는 것처럼 10~180μm의 입경을 갖는 것으로 사용하였으며, 글라스 버블은 도 3에서 볼 수 있는 것처럼 닫힌 공극 경량골재의 1/2 수준인 5~90μm의 입경을 갖는 것으로 사용하였다. EVCL 재유화형 분말수지의 경우 도 4에서 볼 수 있는 것처럼 글라스 버블과 거의 동일한 입경을 갖는 것으로 사용하였다.

No.	Water (C wt.%)	Powder (wt.%)					EVCL (C wt.%	Density (g/cm³)	Comp. strength (N/mm²)	Flow (mm)	비고
No.	Water (C wt.%)	C	FA	Silica sand	Light agg.	Glass bubble	EVCL (C wt.%	Density (g/cm³)	Comp. strength (N/mm²)	Flow (mm)	비고
S0CL	45	45.0	5.0	50.0	-	-	-	2.08	57.7	185
S1CL	45	45.0	5.0	50.0	-	-	1	1.94	45.2	191
S3CL	45	45.0	5.0	50.0	-	-	3	1.98	47.7	206
S5CL	45	45.0	5.0	50.0	-	-	5	1.98	42.0	218
S10CL	45	45.0	5.0	50.0	-	-	10	1.94	31.9	208
L0CL	45	62.5	7.0	-	30.5	-	-	1.59	46.1	165	○
L1CL	45	62.5	7.0	-	30.5	-	1	1.55	39.5	175	○
L3CL	45	62.5	7.0	-	30.5	-	3	1.49	40.5	160	○
L5CL	45	62.5	7.0	-	30.5	-	5	1.52	34.2	170	○
L10CL	45	62.5	7.0	-	30.5	-	10	1.39	36.3	167
G0CL	45	81.8	9.1	-	-	9.1	-	1.44	44.9	198	○
G1CL	45	81.8	9.1	-	-	9.1	1	1.42	44.1	197	○
G3CL	45	81.8	9.1	-	-	9.1	3	1.45	38.5	203	○
G5CL	45	81.8	9.1	-	-	9.1	5	1.43	37.7	204	○
G10CL	45	81.8	9.1	-	-	9.1	10	1.42	35.3	199
S0CL	45	52.4	5.8	29.0	12.8	-	-	1.89	54.3	175
S1CL	45	52.4	5.8	29.0	12.8	-	1	1.67	40.4	178
S3CL	45	52.4	5.8	29.0	12.8	-	3	1.73	43.4	190
S5CL	45	52.4	5.8	29.0	12.8	-	5	1.77	41.9	189
S10CL	45	52.4	5.8	29.0	12.8	-	10	1.75	38.9	192
L0CL	45	58.0	6.6	32.2	-	3.2	-	1.80	54.2	224
L1CL	45	58.0	6.6	32.2	-	3.2	1	1.76	45.3	210	○
L3CL	45	58.0	6.6	32.2	-	3.2	3	1.75	42.8	212	○
L5CL	45	58.0	6.6	32.2	-	3.2	5	1.76	44.2	213	○
L10CL	45	58.0	6.6	32.2	-	3.2	10	1.74	38.4	211
G0CL	45	70.8	7.9	-	17.4	3.9	-	1.59	49.5	188	○
G1CL	45	70.8	7.9	-	17.4	3.9	1	1.47	41.0	191	○
G3CL	45	70.8	7.9	-	17.4	3.9	3	1.54	46.0	193	○
G5CL	45	70.8	7.9	-	17.4	3.9	5	1.51	43.1	197	○
G10CL	45	70.8	7.9	-	17.4	3.9	10	1.49	37.4	190

표 1에서 확인할 수 있는 것처럼 L0CL, L1CL, L3CL, L5CL, G0CL, G1CL, G3CL, G5CL, L1CL, L3CL, L5CL, G0CL, G1CL, G3CL, G5CL에서 밀도 1.8 g/cm³ 이하, 강도 30 N/mm²을 만족하면서 유동성까지 갖추고 있는 것으로 나타났다. 이들 중 실리카샌드를 사용하지 않아도 경량성, 강도, 유동성에서 우수한 성능을 나타낸 것은 L0CL, L1CL, L3CL, L5CL, G0CL, G1CL, G3CL, G5CL, G0CL, G1CL, G3CL, G5CL이었다.

이들을 통해 예상했던 것처럼 글라스 버블의 사용에 따라 유동성이 증가되어 작업성능이 좋아지며 압축강도도 높아졌다. 닫힌 공극 경량골재 및 글라스 버블을 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용하는 경우에도 유사한 결과를 나타냈는데, 혼합 범위를 3~30중량% 혼합하여 초경량 제품을 구현할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.

또한, 대체적으로 볼 때 에텔렌비닐콜로라이드(EVCL)을 사용한 것이 그렇지 않은 것보다 상대적으로 우수한 밀도를 나타냈음을 확인할 수 있었다. 주목할 점으로 도 6에서 EVCL 재유화형 분말수지의 내열성능을 확인하기 위한 TG-DTA 분석 그래프, 도 7의 EVCL 재유화형 분말수지 혼입율에 따른 시험체의 가열 전·후의 내부공극 변화 사진을 살펴보면 조성물의 불연성에 크게 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.

한편, 도 8의 EVA와 EVCL을 혼입한 시험체의 난연성능 시험 사진을 살펴보면 EVA를 혼입한 시험체는 균열이 발생하였으나 EVCL을 혼입한 시험체는 균열이 발생하지 않았으며, 도 9의 EVA와 EVCL을 혼입한 시험체의 난연성능 시험 사진을 살펴보면 EVA를 혼입한 시험체는 수축이 발생하여 휘었으나 EVCL을 혼입한 시험체는 수축이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 시멘트계 재료의 불연성을 보존하기 위해서는 재유화형 분말수지로서 EVA가 아닌 EVCL이 사용되어야 함을 보여준다.

하기 표 2는 초경량 불연성 조성물의 불연성능 실험예이다.

시료명		Silica sand	Light-weight aggregate	Glass bubble	성능기준
시험조건 (가열로안정)	노내온도의 Drift(℃)	1.8	0.4	1.7	-
시험조건 (가열로안정)	노내온도의 편차(℃)	9.0	9.5	9.8	-
질량 (g)	시험 후 질량	126.50	113.63	83.08	30% 이하
	가열감량	22.27	22.14	25.12
	감소율(%)	13.81	19.48	23.22
노내온도 (℃)	초기온도	749.9	754	752	최고온도가 최종평형온도를 20K초과 상승하지 않을 것
	최고온도	731.0	754.4	760.8
	최종평형온도	732.5	752.5	753.8
	온도차	1.7	1.9	7.0
잔염시간(s)		0	0	0	-

기본적으로 시멘트계 재료는 불에 타지 않는 불연재료이므로 불연성을 발휘할 수 있는 가운데, 상기 표 2에서 확인할 수 있는 것처럼 닫힌 공극 경량골재나 글라스 버블을 사용한 경우에도 불연성을 나타냈다.

위 실험결과들을 정리해보면, 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물은 초경량 불연성 제품 제조 시 작업이 용이하고 화재와 같은 고온에서 일반제품에 비해 난연성능이 우수하다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물을 기반으로 제조된 제품을 사용한 건물에 설치하였을 때 자중에 대한 부담이 적고 초경량 제품임에도 불구하고 플래시한 혼합상태에서도 초기물성의 변화가 적어 성능저하의 정도를 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다. 초경량 제품 제조 시 닫힌 공극 경량골재와 글라스 버블을 실리카샌드 대체 50중량%로 혼입한 경우 밀도의 개선효과는 약 10% 정도이며, 대체 100중량%로 혼입한 경우 밀도의 개선효과는 약 20% 정도이다. 닫힌 공극 경량골재을 사용하는 경우 유동성이 약간 저하되며 글라스 버블을 사용하는 경우에는 유동성이 증가하기 때문에 이에 대한 조절이 필요하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims

건축 내·외장패널 및 조형물의 재료압출 방식 적층제조를 위한 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물로서,
시멘트 55~80중량%, 플라이애시 5~10중량%, 닫힌 공극 경량골재 10~30중량% 및 글라스 버블 3~20중량%을 포함하며,
3D 프린터 노즐을 통해 압출하여 적층 가능하도록, 상기 닫힌 공극 경량골재는 10~180μm의 입경을 갖는 것으로 구비하고, 상기 글라스 버블은 상기 닫힌 공극 경량골재 틈새에 위치할 수 있는 5~90μm의 입경을 갖는 것으로 구비하여 서로의 혼합비를 통해 전체 조성물의 밀도를 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
제1항에 있어서,
재유화형 분말수지로서 에텔렌비닐콜로라이드를 시멘트 중량에 대해 1~10%를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
삭제
삭제
제2항에 있어서,
에텔렌비닐콜로라이드 재유화형 분말수지는 글라스 버블과 같은 5~90μm의 입경을 갖는 것으로 구비된 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
제2항에 있어서,
상기 닫힌 공극 경량골재와 글라스 버블은 부피비율 1 : 1로 혼합하는 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시멘트는 보통포틀랜드시멘트와 백색포틀랜드시멘트 중 어느 하나이거나 보통포틀랜드시멘트와 백색포틀랜드시멘트를 혼합한 것으로 구비되는 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
제11항에 있어서,
상기 플라이애시는 메타카올린 및 실리카퓸 분말을 혼합한 것으로 구비되며, 점도의 조절 및 강도 증진을 위해 강제식 볼밀을 이용하여 미분으로 분쇄한 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.
제11항에 있어서,
점도 증진을 위하여 메칠셀룰로우즈 0.5~3중량%, 응결시간 조절을 위하여 칼슘포메이트 분체 0.5~3중량%, 유동성 조절을 위하여 카르복실 유동화제 분체 0.1~2중량%를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 초경량 불연성 3D 프린팅용 시멘트계 조성물.