KR20200009561A - 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법 - Google Patents

Abstract

간단한 공정으로 성형품을 제작하고, 소결을 위한 후가공이 별도로 요구되지 않으며, 성형품질 및 성형속도를 높이는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법을 제시한다. 그 방법은 성형 분말 및 상온경화 바인더를 포함하는 슬러리로 만들고, 슬러리를 몰드에 주입한 후, 몰드에 주입된 슬러리를 상온경화시켜 성형체를 형성하고, 상온경화된 성형체를 열수조에 투입하여 열수경화를 시키고, 열수경화된 성형체를 건조하여 성형품을 완성시킨다.

Description

열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법{Method of forming slurry having hot-water curing}

본 발명은 슬러리 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온경화로 형성된 슬러리 성형체에 열수경화를 추가로 수행하여 성형품질 및 성형속도를 높이는 슬러리 성형방법에 관한 것이다.

성형은 플라스틱이나 금속 등 소성을 가진 재료를 열이나 압력 등을 가하여 원하는 모양으로 만드는 것이다. 성형방법은 압축, 사출, 압출, 용융, 적층, 롤 성형법 등이 있으며, 재질, 용도 등에 따라 다양하게 존재한다. 또한, 금속의 분말이나 탄화물, 질화물 및 산화물 등의 분체는 융점이 높아서 앞에서 제시한 방식은 적용하기 어려워서, 그들의 융점 이하의 온도에서 각각의 조건에 적합한 분위기에서 구워 결합시키는 분말소결법이 활용된다. 일반적으로, 분말소결법은 과립 형태의 분말을 바인더와 함께 성형한 다음, 그린(green) 가공을 한 후에 이를 소결하는 방식이 채용된다.

그런데, 분말소결법은 고온/고압, 별도의 금형, 소결 후에 후가공이 필요하는 등과 같이 공정이 복잡하고 정밀한 제어가 필요하다. 이를 해결하기 위하여 슬러리를 이용한 성형방법이 주목받고 있다. 국내등록특허 제10-1868736호는 상온에서의 경화를 활용한 슬러리 성형방법이 제시되었다. 상기 특허는 종래의 분말소결법의 문제점을 해결할 수 있으나, 성형품질 및 성형속도를 보다 높여야 할 필요가 있다. 물론, 상기 특허에 의한 성형품은 그 자체로도 사용할 수 있으나, 일부 성형품의 경우에는 생산성 및 성형품질을 개선할 여지가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단한 공정으로 성형품을 제작하고, 소결을 위한 후가공이 별도로 요구되지 않으며, 성형품질 및 성형속도를 높이는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법은 먼저 성형 분말 및 상온경화 바인더를 포함하는 슬러리를 제조한다. 그후, 상기 슬러리를 몰드에 주입한다. 상기 몰드에 주입된 슬러리를 상온경화시켜 성형체를 형성한다. 상기 상온경화된 성형체를 열수조에 투입하여, 열수경화를 시킨다. 상기 열수경화된 성형체를 건조하여 성형품을 완성시킨다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 성형 분말은 금속 또는 세라믹 또는 그 혼합물로 이루어질 수 있다. 상기 상온경화 바인더는 페놀계 수지를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 몰드의 내면에는 소수성을 부여하는 소수성 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 상온경화는 공기가 차단된 상태에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 상온경화의 온도는 20~30℃이며, 상기 열수경화 온도는 50~90℃가 좋다. 상기 열수경화는 상기 상온경화된 성형체에 수분을 공급한다. 상기 열수경화를 거친 상기 성형체의 수축율은 2% 이하가 바람직하다.

본 발명의 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법에 의하면, 상온경화로 형성된 성형체에 열수경화를 추가로 수행함으로써, 간단한 공정으로 성형품을 제작하고, 소결을 위한 후가공이 별도로 요구되지 않으며, 성형품질 및 성형속도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 슬러리 성형방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명 및 비교예에 의한 성형품을 비교한 전자현미경 사진들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 상온경화로 형성된 성형체에 열수경화를 추가로 수행함으로써, 간단한 공정으로 성형품을 제작하고, 소결을 위한 후가공이 별도로 요구되지 않으며, 성형품질 및 성형속도를 높이는 슬러리 성형방법을 제시한다. 이를 위해, 상온경화 및 열수경화에 의해 슬러리를 성형하는 과정을 구체적으로 알아보고, 열수경화를 추가함으로써 얻어지는 효과를 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 슬러리 성형방법은 플레이트(plate), 봉(rod), 부싱(bushing) 등이 제작이 가능하고, 예컨대 미세전자소자를 생산하기 위한 노광기용 가이드, 에어 슬라이드 빔(beam), 계측기의 측정용 빔(beam) 등과 같이 정밀한 성형품에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 슬러리 성형방법을 나타내는 흐름도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.

도 1에 의하면, 본 발명의 슬러리 성형방법은 먼저, 성형 분말 및 상온경화 바인더를 포함하는 슬러리를 제조한다(S10). 상기 슬러리는 성형 분말과 상온에서 경화되는 바인더가 포함되어 혼합된 것이다. 상기 성형 분말은 세라믹 분말 또는 금속 분말 또는 그들의 혼합물을 포함한다. 상기 성형 분말은 볼밀(ball mill) 등을 통하여 제작된다. 상온에서 경화되는 바인더는 가열하지 않아도 경화하는 접착제로써, 통상적으로 20~30℃의 상온에서 경화된다. 일반적으로, 상기 바인더는 상온에서 작업할 수 있기 때문에 경화촉진제를 가하여 상온경화 접착제로서 사용되고 있다.

상온경화 바인더는 예를 들어, 페놀과 포름알데히드의 알칼리 촉매에 의한 축합물에 산성 경화촉진제를 첨가하여 사용되는 페놀 수지가 있다. 구체적으로, 페놀과 포름알데히드를 알칼리 촉매(보통 수산화나트륨)를 사용하여 가열 축합시켜 레졸형의 수지를 만들고 에탄올로 묽게 하여 액상의 수지이다. 사용할 때에는 산성 경화촉진제를 첨가하면 상온에서 하루 이내에 경화된다. 경화촉진제로 주로 방향족 술폰산이 사용되며 그 외에 인산, 염산, 황산 등의 무기산도 사용된다. 페놀 수지는 유기재료로서 뛰어난 내열성과 내연소성을 갖고 있어 각국의 소화기준을 만족한다. 또한 페놀 수지는 설령 탄다고 해도 연기나 유해가스의 발생이 적기 때문에 화염에 안전한 유일한 플라스틱이다. 페놀 수지는 고온에 두어도 연화해서 강도가 저하되는 일이 없고, 고온에 장기간 노출시켜도 눈에 띄게 높은 잔류 탄소화율을 보이기 때문에 다른 플라스틱에 비해 강도열화가 적다.

상온경화 바인더의 다른 예는 불포화 폴리에스테르수지 및 비닐에스테르 수지의 경화제가 있다. 상기 경화제는 통상적으로 메틸 에틸 케톤퍼옥사이드(MEKP)이나 아세틸아세톤퍼옥사이드(AAP) 등의 케톤퍼옥사이드류 또는 쿠멘히드로퍼옥시드(CHP) 등의 하이드로퍼옥사이드류와 나프텐산 코발트 등의 금속 비누에 의한 레독스계나 벤조일 퍼옥사이드(BPO)과 N,N-디메틸아닐린 등의 방향족 3급 아민류를 병용한다. 또한, 고무계 상온 경화성 접착제로서 클로로프렌 고무와 점착 부여 수지를 주제(용제 용액)로 하는 2액형 고무계 상온 경화성 접착제가 있고, 이것에는 이소시아네이트계 경화제(폴리이소시아네이트 화합물 또는 그 알코올 아닥트체)가 이용되고 있다.

그후, 상기 슬러리를 몰드에 주입한다(S12). 여기서, 상기 몰드는 플레이트(plate), 봉(rod), 부싱(bushing) 등의 제작 및 예컨대 미세전자소자를 생산하기 위한 노광기용 가이드, 에어 슬라이드 빔(beam), 계측기의 측정용 빔(beam) 등과 같이 정밀한 성형품을 만들기 위한 것이다. 이때, 상기 몰드이 내면에는 접촉각을 늘려서 소수성을 갖게 하는 소수성 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 소수성 코팅층은 상기 슬러리 내의 상온경화 바인더와 몰드가 달라붙는 현상을 방지한다. 상기 소수성 코팅층은 통상적으로 습식 또는 건식방법으로 불소계 수지 또는 실리콘계 수지를 코팅하고, 특히 건식 증착방법으로, 실리카로 이루어진 증착층 및 상기 증착층 상에 불소계 수지 또는 실리콘계 수지가 코팅하여 형성한다. 이때,

다음에, 상기 몰드에 주입된 슬러리를 상온경화시켜 성형체를 형성한다(S14). 상온경화는 상기 몰드를 공기가 차단된 분위기에서 일정한 시간동안 방치하는 것이다. 왜냐하면, 상온경화 바인더가 공기와 접촉하면 경화되는 과정에서 크랙이 발생하기 때문이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 상온에서 경화되는 바인더는 가열하지 않아도 경화하는 접착제로써, 통상적으로 20~30℃의 상온에서 경화된다. 일반적으로, 상기 바인더는 상온에서 작업할 수 있기 때문에 경화촉진제를 가하여 상온경화 접착제로서 사용되고 있다.

상온경화는 추후에 열수경화를 할 때, 상온경화 바인더의 가교결합에 의하여 급격한 수축을 방지하기 위함이다. 즉, 상온경화는 열수경화를 위한 사전처리와 같은 역할을 한다. 실질적으로 열수경화를 거친 성형체의 수축율은 2% 이하이다. 본 발명의 실시예에 의한 상온경화는 약 0.5% 정도의 수축율로 경화되도록 조절된다. 상온경화 시간은 2~24시간이 바람직하며, 상온경화 시간은 슬러리를 이루는 성형 분말, 상온경화 바인더, 경화촉진제, 성형체의 크기, 성형체의 형상, 수축율 등에 따라서 달라질 수 있다.

이어서, 상온경화된 성형체를 열수조에 투입한다(S16). 상기 열수조는 50~90℃의 온도를 가지는 열수(hot-water)가 담긴 수조로써, 적어도 하나 이상의 상기 성형체가 충분히 담길 정도의 크기를 가진다. 상기 열수조의 온도는 상기 상온경화된 성형체에 수분을 전달하는 정도의 증기압을 가지면 충분하다. 상기 열수조는 직육면체, 원통 등과 같이 다양한 형상을 가질 수 있으며, 상기 성형체가 담긴 후에는 외부와 차단하는 덮개를 구비하는 것이 좋다. 이때, 상기 열수조에는 상기 성형체의 넓은 면이 열수조의 바닥에 밀착되지 않도록 하는 구조물이 설치될 수 있다.

그후, 상기 성형체를 상기 열수조에서 열수경화시킨다(S18). 상기 열수경화는 상기 열수조에 담긴 성형체를 가열 및 정수압(hydrostatic pressure)을 가하여 성형한다. 정수압은 정지해 있는 물이 채워진 열수조 속에서는 상대적인 마찰운동이 없기 때문에 마찰력이 작용하지 않는 상태이며, 내부에 담지된 성형체의 어떤 면에도 마찰력이 작용하지 않는다. 또한, 성형체의 표면을 제외하고는 인장력에 저항하지 않기 때문에 정지해 있는 물의 내부에 작용하는 힘은 압력뿐이다. 상기 정수압에 의해, 상온경화된 성형체에는 모든 방향으로 균일한 압력이 작용하여, 보다 정밀한 성형품을 얻을 수 있다.

또한, 상기 열수는 50~90℃의 온도를 가지므로, 상온경화에서 완전하게 경화되지 않은 부분이 빠르게 경화된다. 성형품의 부피가 크거나 형상이 복잡하면, 상온에서의 상온경화가 완료되는 시간이 매우 길어질 수 있다. 그런데, 열수경화를 실시하면, 열수의 수분이 성형체에 전달되므로, 상온경화가 완료되지 않은 부분을 상온경화보다도 빠른 속도로 경화시킬 수 있다. 또한, 열수조는 정수압이 작용하므로, 열수경화가 일어나는 과정에서 발생할 수 있는 성형품의 크랙(crack)을 방지할 수 있다. 열수경화된 성형체를 건조하면, 성형품이 완성된다(S20).

경화바인더가 가교결합을 할 때, 발열이 일어나 상기 성형체 온도가 30℃ 이상이 된다. 이러한 온도에서 상기 성형체가 공기 중에 노출되면 성형체 내부 및 표면에서 수분의 불균일이 발생한다. 즉, 상기 표면은 급격히 건조되고 내부는 수분이 존재하여 성형체에서의 수분 분포가 불균일하게 된다. 이러한 현상은 성형체의 표피 크랙을 유발한다. 상기 열수경화는 이러한 표피 크랙을 방지하기 위한 것이다. 구체적으로, 상기 성형체의 내부 및 외부의 수분을 일정하게 하면서, 경화바인더의 가교결합을 빠르게 하고, 성형체의 크랙을 방지한다. 열수경화 시간은 2~24시간이 바람직하며, 열수경화 시간은 슬러리를 이루는 성형 분말, 상온경화 바인더, 경화촉진제, 성형체의 크기, 성형체의 형상, 수축율 등에 따라서 달라질 수 있다.

만일, 열수경화를 거치지 않고 상온경화하여 경화바인더를 완전히 가교결합을 시키려면, 열수경화보다 훨씬 긴 시간, 예컨대 수일의 시간이 필요하다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 경화시간을 줄여 생산성을 높이기 위하여, 상온경화 후에 열수경화를 거치는 것이다.

이하, 본 발명의 열수경화된 성형품의 물성을 상세하게 설명하기 위해, 다음과 같은 실시예를 제시한다. 하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

본 발명의 실시예에서 평균입도가 300㎛인 RBSC 분말을 사용하였고, 전체 중량에 대하여 45중량%이었다. RBSC 분말에 대하여, 용매인 물은 55중량%, 분산제 5중량%, 페놀수지 25중량%, 방향족 술폰산 30중량%이 포함되도록 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 그후, 상기 슬러리를 가로*세로*높이 100cm*100cm*5cm 플레이트 형태의 성형품을 만들기 위한 몰드에 투입하였다. 그런 다음, 공기 분위기, 25℃에서 2시간 동안 상온경화하여 성형체를 만들었다. 상기 성형체를 열수조에 투입하고, 80℃에서 6시간 동안 열수경화를 하였다. 열수경화가 완료된 상기 성형품을 상온에서 2시간 동안 노출시켜 건조하였다.

<비교예>

상기 열수경화를 수행하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예와 같이 성형품을 제조하였다.

도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 성형품을 비교한 전자현미경 사진이다.

도 2에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 성형품은 크랙(crack)이 보이지 않고 성형품질이 우수한 상태를 보였다. 하지만, 비교예의 성형품은 경화가 제대로 일어나지 않은 상태에서 공기에 노출되어, 성형품 내에 크랙(crack)이 생성되었다. 비교예의 성형품은 완전하게 경화가 일어나기 위한 시간은 본 발명의 실시예에 비해 오래 걸린다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 비교예의 성형품의 경화는 2시간으로는 충분하지 않았다. 또한, 본 발명의 성형품은 정수압 및 수분의 공급을 활용함으로써, 경화 과정에 발생하는 크랙(crack)을 차단할 수 있었다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (8)

1. 성형 분말 및 상온경화 바인더를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계;
   상기 슬러리를 몰드에 주입하는 단계;
   상기 몰드에 주입된 슬러리를 상온경화시켜 성형체를 형성하는 단계;
   상기 상온경화된 성형체를 열수조에 투입하여, 열수경화를 시키는 단계; 및
   상기 열수경화된 성형체를 건조하여 성형품을 완성시키는 단계를 포함하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 성형 분말은 금속 또는 세라믹 또는 그 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 상온경화 바인더는 페놀계 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 몰드의 내면에는 소수성을 부여하는 소수성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 상온경화는 공기가 차단된 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 상온경화의 온도는 20~30℃이며, 상기 열수경화 온도는 50~90℃인 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 열수경화는 상기 상온경화된 성형체에 수분을 공급하는 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 열수경화를 거친 상기 성형체의 수축율은 2% 이하인 것을 특징으로 하는 열수경화를 포함하는 슬러리 성형방법.

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