KR20190105177A - 발향수지 조성물을 이용한 3d 필라멘트 조성물 제조방법 - Google Patents

발향수지 조성물을 이용한 3d 필라멘트 조성물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 열가소성 수지에 향기와 배합한 백유(white oil)를 첨가하여 향기가 침투된 발향수지를 이용하여 3D 필라멘트를 제조함으로써 인체에 무해하고, 3D 프린터로 출력 시 유연성이 우수하며, 반영구적으로 향이 발산되며, 이용상의 거부감을 최소화할 수 있도록 하는 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 (a) 열가소성 수지에 백유(White oil)와 향료를 혼합한 혼합물을 투입하여 믹싱하는 단계; (b) (a) 단계의 결과물을 압출하여 펠릿화하는 단계; (c) (b) 단계에서 제조된 펠렛화된 발향수지 조성물을 필라멘트 압출기(Filament Extruder)에 투입하여 3D 필라멘트를 제조하는 단계를 포함하는 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법을 제공한다.

Description

발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법{Manufacturing method for 3D filament material using the transmission-path composition}
본 발명은 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 열가소성 수지에 향기와 배합한 백유(white oil)를 첨가하여 향기가 침투된 발향수지를 이용하여 3D 필라멘트를 제조함으로써 인체에 무해하고, 3D 프린터로 출력 시 유연성이 우수하며, 반영구적으로 향이 발산되며, 이용상의 거부감을 최소화할 수 있도록 하는 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법에 관한 것이다.
3D 프린트는 3차원 도면 데이터를 바탕으로 입체물을 출력하는 장치로서, 일반적인 텍스트나 이미지를 잉크를 사용하여 평면에 찍어내는 기존의 2D 프린터와는 다르게 다양한 소재를 사용하여 입체적인 결과물을 출력할 수 있도록 하는 특징을 가진다.
3D 프린터는 입체물을 출력하는 방식에 따라 적층형과 절삭형으로 구분되며, 적층형은 얇은 2차원 면을 층층이 쌓아 올려 입체물을 생성하는 방식이며, 절삭형은 덩어리를 조각하듯이 깎아서 인쇄물을 생성한다.
그러나, 절삭형은 소재의 불필요한 부분을 깎아내므로 재료의 손실이 발생한다는 단점으로 인해, 재료의 손실이 적은 적층형 프린터가 보급되고 있다.
적층형 프린터는 필라멘트라는 선형 플라스틱 재료를 사용하는 데, 이 필라멘트는 익스트루더(extruder) 라는 프린터 내 기어에서 열처리 후 추출되어 얇은 층으로 적층되어 출력물을 구성하게 된다.
즉, 필라멘트의 종류에 따라 출력물의 특성이 달라질 수 있으므로, 3D 프린터를 운용하는 데 있어, 필라멘트는 중요한 구성요소이다.
종래에는 3D 프린트에 투입되어 입체물을 출력할 수 있는 필라멘트의 소재로서, 주로 폴리아마이드, ABS 등 주로 경화된 플라스틱 소재를 원료로 하여 사용하는 것이 일반적이였다.
그러나, 종래의 소재로 이용되는 플라스틱 소재의 특성상 3D 프린트로 출력하는 과정 중에 딱딱하게 굳어 출력물이 제대로 구현되지 못하거나, 출력시 인체에 유해한 성분이 발생되며, 무취 또는 약간의 악취가 발생되어 이용상에 거부감이 느껴지는 문제점이 있었다.
따라서, 상술한 3D 프린트에 이용되는 기존 필라멘트의 문제점을 최소화하여 보다 유연성을 지니고, 이용상에 거부감이 없는 3D 프린터용 필라멘트의 제조방법이 필요할 것으로 보인다.
선행기술문헌 : KR 공개특허공보 제2016-0059302호(2016.5.26.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 인체에 무해하고, 3D 프린터로 출력 시 유연성이 우수하며, 반영구적으로 향이 발산되어 이용상의 거부감을 최소화한 제품을 생산할 수 있도록 하는 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법은 (a) 열가소성 수지에 백유(White oil)와 향료를 혼합한 혼합물을 투입하여 믹싱하는 단계; (b) (a) 단계의 결과물을 압출하여 펠릿화하는 단계; (c) (b) 단계에서 제조된 펠렛화된 발향수지 조성물을 필라멘트 압출기(Filament Extruder)에 투입하여 3D 필라멘트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 열가소성 수지에 향기와 배합한 백유(white oil)를 첨가하여 향기가 침투된 발향수지를 이용하여 3D 필라멘트를 제조함으로써 인체에 무해하고, 3D 프린터로 출력 시 유연성이 우수하며, 반영구적으로 향이 발산되며, 이용상의 거부감을 최소화한 제품을 제조할 수 있도록 하고, 제품의 경도를 다양하게 조절하여 제조할 수 있도록 하여 부드럽고 말랑한 제품부터 딱딱한 제품까지 광범위하게 제조할 수 있도록 하는 데 그 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법은 원료혼합단계(S100), 압출 및 펠릿화 단계(S110), 3D 필라멘트 제조단계(S120), 및 포장단계(S130)를 포함하여 구성된다.
이하, 각 공정에 관하여 설명하기로 한다.
원료 혼합단계(100)는 용기에 액체저장탱크(예컨대, ISO 탱크) 또는 드럼으로 백유(White oil)을 부어 향료와 배합한 혼합물을 열가소성 수지와 혼합하는 단계이다.
일 실시예로서, S100은 SEBS 수지(Styrene Ethylene Butylene Styrene Block Copolymer), PP, 향료가 배합된 오일, 첨가제를 포함하는 원료를 Supper Mixer의 7번 Lid에 일정 배합비로 5~10분 간 혼합한다.
종래에는 3D 프린터로 구현을 할 수 있는 필라멘트의 소재로서, 주로 폴리아마이드, ABS등 주로 경화된 소재를 사용하는 것이 일반적이였으나, 본 발명에서는 합성수지의 한 종류이고, 고무처럼 탄성이 좋은 SEBS 수지(Styrene Ethylene Butylene Styrene Block Copolymer)를 사용한다.
아래의 화학식 1은 SEBS 수지의 분자식을 도식화한 것이다.
Figure pat00001
또한, S100 에서 투입되는 폴리올레핀(Polyolefin)은 열가소성 수지로, SEBS 수지와의 배합을 통해 제품을 만들 때 투입량에 따라 달라지는 제품의 물성을 맞추기 위해 투입될 수 있다.
특히, SEBS 수지 단독으로도 가공이 가능하나, 3D 프린터 출력과정에서 소재의 한계성이 발생한다. 따라서 폴리올레핀(Polyolefin)을 투입하여 출력에 발생 할 수 있는 문제점들을 없애고 사용자들이 요구하는 물성을 가진 3D 필라멘트를 제작하도록 한다.
아래의 화학식 2는 폴리올레핀 계열 중 하나인 폴리에틸렌(Polyethylene)의 분자구조를 도식화한 것이다.
Figure pat00002
예컨대, 폴리올레핀 계열 중 Polyethylene 수지, Polypropylene 수지를 포함하는 PP가 이용될 수 있다.
백유(Aromatic Oil)은 제품의 배합과 물성에 영향을 주는 원료로서, 가공성에 영향을 주고, PVC 또는 다른 제품을 생산할 때에 사용되는 가소제로서의 기능을 한다. 이때, 백유의 투입량이 증가하면 배합물의 경도를 낮출 수 있다.
따라서, S100 에서는 백유을 향료와 우선적으로 배합하여 소량의 향기가 전체 배합물에 분산될 수 있도록 한다.
탄산칼슘은 고무제품에 원하는 물성을 맞추기 위해 투입되는 물질이다.
향료(Phytoncide)는 소량의 원액을 투입하여 향료를 발현하도록 하기 위하여 투입되며, 백유의 배합량에 따라 투입량이 달라질 수 있다.
Montan OP 는 칼탄에서 만들어지는 내열성이 높은 왁스로서, 저분자량의 향료가 고온에서 파괴되는 현상을 방지하여 열안정성을 높이고, 제품의 외부 윤활성을 통해 안정적인 제품을 생산할 수 있도록 한다.
산화방지제(Anti-Oxidant RM)는 최종 제품이 생산된 이후 공기에 의해 제품의 산화를 방지하여 제품의 수명을 연장시켜 주는 물질로서, 물성에 영향을 미치지 않도록 소량 첨가하는 것이 바람직하다.
압출 및 펠릿화 단계(S110)는 S100 의 결과물을 압출하여 펠릿화하는 단계로서, 일 실시예로서, 호퍼(Hooper)에 S100 에서 배합된 원료를 투입하고, 히터(Heater)의 온도를 각각 설정하여 원료를 생산한다.
이때, S110 에서 이용되는 히터는 5개의 영역(zone)으로 구성되고, 제1 영역과 제2 영역은 180℃로 설정하고, 제3 영역과 제4 영역은 190℃로 설정하며, 제5 영역은 200℃로 설정하여 호퍼(Hopper)에 투입된 원료가 제1 영역 내지 제5 영역을 거쳐 안정성을 갖춘 원료로 생산할 수 있도록 한다.
또한, 최종적으로 원료가 토출되는 Die의 온도는 제5 영역과 동일한 200℃로 설정하여 생산된 원료를 쿨링 수조에 넣어 생산과정에서 발생하는 열을 낮추고 Pelletize 기계에 넣어 원료를 펠렛화 시킨다.
3D 필라멘트 제조단계(S120)는 필라멘트 압출기(Filament Extruder)에 호퍼(Hopper)를 통해 펠렛화된 원료(수지조성물)을 투입하고 Extrusion 노즐과 필라멘트 가이드(Filament guide)를 거쳐 3D 필라멘트를 제조하는 단계이다.
포장단계(S130)는 S120 에 의해 추출된 3D 필라멘트를 포장하는 단계로서, 3D 프린터에서의 편리한 사용을 위하여 롤링하여 제품을 생산 및 포장하는 것이 바람직하다. 또한, S130는 향의 손실을 최소화하기 위하여 압축포방 방식이 이용될 수 있다.
S100 내지 S130 에 의해 제조된 최종 생산물인 3D 필라멘트는 주로 3D 프리너를 출력하기 위한 원료로서 이용될 수 있으며, 그 밖에 다양한 용도로서 활용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법에 따라 제품을 제작하되, 배합비율을 달리하여 제품의 경도에 따라 펠릿화 된 제품을 아령 시편을 만들 수 있는 사출기에 넣어서 아령시편을 제작하고, 이를 만능시험기를 이용하여 경도, 연실율, 인장, MI 등을 측정하여 물성을 측정하였고, 각 배합비에 따라 제작하여 경도계를 이용하여 경도를 측정하였다.
1. 경도
시편을 제작한 조각에 경도계를 사용하여 경도를 측정하는 값으로 제품의 단단함의 기준이다.
2. 연신율(elongation, 신장)
아령시편(specimen)을 만능시험기에 넣어 당겼을 때 원형 상태보다 늘어나는 길이를 의미하며, 몇 배로 늘어나는 가를 측정한다.
3. 인장(Tensile)
아령시편을 당겨서 찢어질 때의 힘을 의미하며, 시편의 모양이 변형되는 변형점에서 다시 원형 상태로 돌아가는 힘을 의미한다.
4. MI(Melt Index)
압출식 플라스토미터(멜트 인덱스, melt indexer)를 이용하여 일정 압력 및온도에 따라 용융 수지의 유출량을 측정하고 이를 g/10 min 단위로 표현하였다. MI는 유동성의 척도가 되거나 수지 제조 시 품질 관리의 척도가 될 수 있다. 특히, 폴리올레핀 계열의 폴리에틸렌에 적용될 수 있다.
[실시예 1]
파라핀 오일에 향기 액상을 상온에서 믹싱하고, 열가소성 고분자에 향기가 믹싱된 오일 및 첨가제를 수퍼믹서에 넣어서 고속회전으로 분산시키고, 분산된 수지조성물을 압출기에서 압출하여 펠릿화함으로써 발향수지 조성물을 제조한 후, 사출기를 이용하여 시편을 제작였다.
여기서, SEBS 수지 100 중량부, 백유 300 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 5 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장(Tensile)은 86.2, 신장(Elongation)은 1124, 비중 0.884, 경도 30A를 지님을 확인할 수 있었다.
여기서, 'A'는 shore A를 의미한다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 250 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 5 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 83.6, 신장 1078, 비중 0.904, 경도 35A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 3]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 200 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 5 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 83, 신장 760, 비중 0.89, 경도 40A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 4]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 100 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 5 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 91, 신장 982, 비중 0.894, 경도 45A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 5]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 200 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 10 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 90.8, 신장 1005, 비중0.886, 경도 50A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 6]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 200 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 15 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 95.2, 신장 962.6, 비중 0.892, 경도 55A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 7]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 150 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 20 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 107.08, 신장 926.6, 비중 0.981, 경도 60A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 8]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 150 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 25 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 88.2, 신장 596.07, 비중 1.0, 경도 65A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 9]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 125 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 30 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 74.4, 신장 669.3, 비중 0.975, 경도 70A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예 10]
실시예 1과 동일한 공정으로 진행하되, 발향수지 조성물의 배합비율은 SEBS 수지 100 중량부, 백유 125 중량부, 산화방지제 0.5 중량부, 향료 1 중량부, 왁스 1 중량부, 폴리올레핀 35 중량부의 배합비율로 혼합하였다.
상술한 배합비로 제조된 제품의 인장은 74.4, 신장 669.3, 비중 0.975, 경도 75A 를 지님을 확인할 수 있었다.
[실시예] 1 내지 [실시예 10]에 따라 각기 다른 배합 비율을 조성하여 제품의 경도를 소프트하고 말랑말랑한 제품부터 딱딱한 제품까지 다양하게 생산할 수 있으며, 특히, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법에 따라 제조된 제품 중 인장, 신장 및 상품화에 적합한 배합 비율은 경도 60A가 바람직함을 확인할 수 있었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100 - 원료혼합단계
S110 - 압출 및 펠릿화 단계
S120 - 3D 필라멘트 제조단계
S130 - 포장단계

Claims (1)

  1. (a) 열가소성 수지에 백유(White oil)와 향료를 혼합한 혼합물을 투입하여 믹싱하는 단계;
    (b) (a) 단계의 결과물을 압출하여 펠릿화하는 단계;
    (c) (b) 단계에서 제조된 펠렛화된 발향수지 조성물을 필라멘트 압출기(Filament Extruder)에 투입하여 3D 필라멘트를 제조하는 단계
    를 포함하는 발향수지 조성물을 이용한 3D 필라멘트 조성물 제조방법.






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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210056004A (ko) 2019-11-08 2021-05-18 임찬영 자개를 이용한 3d 프린터용 필라멘트 조성물의 제조방법 및 이를 이용해 제조된 3d 프린터용 필라멘트

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