KR20210155853A - 3d 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물 - Google Patents

3d 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 20 내지 40 중량%; 및 열가소성 고분자 수지 60 내지 80 중량%를 포함하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물에 관한 것이다. 이에 더하여 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 3D 프린터 출력물과, 상기 마스터배치의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 마스터배치 조성물을 제공함으로써, 3D 프린터를 이용한 출력시에 마스터배치와 고분자 수지의 혼합 비율을 간편하게 조절할 수 있고, 이로 인해 출력물의 디자인 및 용도에 따라 물성을 조절할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물 {MASTERBATCH COMPOSITION FOR ADJUSTING PHYSICAL PROPERTIES OF 3D PRINTED OUTPUT}
본 발명은 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물에 관한 것이다.
3D 프린터는 물리적 객체를 3D로 형성하도록 구성되는 3D 프린팅 메커니즘을 갖는다. 이러한 3D 프린터로 하여금 물리적 객체를 3D으로 형성하도록 하는 3D 프린팅용 소재로서, 3D 프린팅용 수지 조성물과 관련된 연구가 계속되고 있다.
3D 프린팅의 장점은 하나의 제품만을 생산하는 경우에도 생산 비용이 비교적 적게 들고, 어떤 모양의 제품이든 자유롭게 만들어낼 수 있다는 데 있다. 기존의 모형 제조 기술에서는 틀을 만든 후, 틀을 이용하여 제품을 생산하기 때문에 하나의 제품을 만드는데 소요되는 비용이 매우 크지만, 3D 프린팅 기술은 틀 없이 원료를 한 겹씩 적층하여 제품을 생산하기 때문에 다품종 소량생산에 매우 적합하다.
또한 3D 프린팅 기술에 의하면, 아무리 복잡한 모양의 제품이라도 간단하게 생산할 수 있기 때문에, 3D 프린팅 기술을 이용하여 생산할 수 있는 제품의 종류는 사실상 무궁무진하다고 할 수 있다. 그로 인해, 3D 프린팅 기술은 제조업, 의료, IT 분야 등 다방면에서 기술의 패러다임을 바꾸며, 산업 혁신을 이끌 것으로 기대되고 있다.
다만 3D 프린팅 기술은 응용할 수 있는 분야가 다양하다는 장점은 있으나, 다양한 용도 및 디자인에 맞추어 3D 프린팅 출력물의 물성을 조절할 수 있는 방법에 대한 연구는 다소 미흡하였다.
이에 사용되는 수지 자체를 3D 프린터에 맞도록 제조하는 방식이 제안되었으나(대한민국 공개특허 제2017-0055857호), 다른 고분자 수지를 사용해야하는 경우 적용할 수 없는 한계점이 존재하였다.
전술한 기술상의 요구를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 3D 프린터 출력물의 물성을 용도에 맞추어 용이하게 조절할 수 있는 방법을 제공하는 것으로, 이에 본 발명은 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물을 개발하는 것을 그 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서, 탄소섬유 20 내지 40 중량%; 및 열가소성 고분자 수지 60 내지 80 중량%를 포함하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일구현예로, 상기 탄소섬유는, 표면에 열가소성 수지가 처리된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 열가소성 수지는 극성 열가소성 수지 또는 비극성 열가소성 수지인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 극성 열가소성 수지는 폴리아미드(PA) 계열 수지인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 비극성 열가소성 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS) 계열 수지인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 탄소섬유는 0.1 내지 2 mm 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 탄소섬유는, 혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 이하일 경우, 0.1 내지 0.7 mm인 것이고, 혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 초과일 경우, 0.7 내지 2 mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는, 3D 프린터 출력물을 제공한다.
본 발명의 일구현예로, 상기 3D 프린터 출력물은, 상기 마스터배치 조성물 및 고분자 수지를 포함하는 것으로, 상기 조성물 및 고분자 수지는 1:0.5 내지 1:10의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명은 탄소섬유를 사이징제 용액에 함침시켜 사이징된 탄소섬유를 제조하는 단계(S1);
상기 S1 단계에서 사이징된 탄소섬유를 절단하는 단계(S2);
상기 S2 단계에서 절단된 탄소섬유를 열가소성 고분자 수지와 혼합하여 혼련하는 단계(S3); 및
상기 혼련이 완료되면, 압출하여 펠렛 형태의 마스터배치를 제조하는 단계(S4)를 포함하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일구현예로, 상기 S1 단계의 탄소섬유는 사이징제 용액에 함침되기 전에, 질소분위기 탄화로에 통과시켜 에폭시 사이징제를 제거한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물을 제공하는 것으로, 마스터배치 형태로 제공되어, 3D 프린팅 시에 고분자 재료와의 혼합 비율을 용이하게 조절하여, 제조하고자 하는 출력물의 특성에 맞추어 물성을 조절할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에서 제조한 마스터배치의 외형을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조한 마스터 배치(ABS 95%, CF 5%)의 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조한 마스터 배치(ABS 70%, CF 30%)의 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 3D 프린터 출력물의 물성을 조절하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 3D프린팅 출력은 수시간에서 수십시간이 소요되고 출력하는 동안 소재가 연속적으로 공급되어야 한다. 이에 3D 프린팅 출력물의 물성을 조절하기 위하여 프린팅의 재료가 되는 고분자 소재에 강화재를 첨가하여 사용해왔고, 주로 아라미드, 케블라, 자일론, 금속섬유, 탄소섬유, 유리섬유, 현무암섬유 등이 사용되었다.
그러나 상기 강화재 소재는 대체로 필라멘트 형태로 제공되어 왔고, 상기 필라멘트 형태의 소재는 고분자 소재와 균일하게 분산되지 않거나 함량 비율을 정확하게 조절할 수 없는 한계점이 존재하였다.
이에 본 발명은 펠렛형태로 제조된, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물과 상기 마스터배치의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
이렇게 3D 프린터에 필라멘트가 아닌 펠렛 형태의 소재를 적절한 소재공급장치에 의하여 연속적으로 공급할 경우. 사용하는 고분자 소재와 마스터배치의 함량 비율에 따라 출력물의 물성을 다양하게 조절할 수 있다. 아울러 분말이나 필라멘트 형태로 제조시에 발생했던 미세분진이나 이로 인하여 발생하는 재료 로스 등을 방지할 수 있고, 출력물의 질도 일정하게 유지할 수 있다.
마스터배치 기술은 플라스틱 등의 사출물 제조를 위한 원료의 혼합공정에서 고분자 소재와 첨가제의 분산성을 향상시키기 위하여 사용되나, 3D 프린터에 특화되어있는 마스터배치 관련 기술은 아직 미미하다. 이에, 본 발명의 목적은, 3D 프린터 출력물의 물성 조절을 용이하게 수행할 수 있는 마스터배치를 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 기술상의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 탄소섬유 20 내지 40 중량%; 및 열가소성 고분자 수지 60 내지 80 중량%를 포함하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물을 제공한다. 또한 상기 조성물을 포함하는 3D 프린팅 출력물도 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명은 탄소섬유를 사이징제 용액에 함침시켜 사이징된 탄소섬유를 제조하는 단계(S1);
상기 S1 단계에서 사이징된 탄소섬유를 절단하는 단계(S2);
상기 S2 단계에서 절단된 탄소섬유를 열가소성 고분자 수지와 혼합하여 혼련하는 단계(S3); 및
상기 혼련이 완료되면, 압출하여 펠렛 형태의 마스터배치를 제조하는 단계(S4)를 포함하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 상기 탄소섬유는 표면에 열가소성 수지가 처리된 것을 특징으로 한다. 상기 표면 처리에 의해 열가소성 수지가 탄소섬유의 표면에 처리되어 열가소성 수지와 계면 결합력이 상승하는 것으로, 마스터배치를 형성하는 열가소성 수지와 탄소수지가 단단하게 결합할 수 있다.
본 발명의 조성물에 포함되는 열가소성 수지는 ABS (acrylonitrile butadiene styrene copolymer, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌 코폴리머), PC(polycarbonate, 폴리카보네이트), PU(poly urethane, 폴리우레탄), PA(poly amide, 폴리아미드), PET(polyethylene terephthalate, 폴리에틸렌테레프탈레이트), PBT(polybutylene terephthalate, 폴리부틸렌테레프탈레이트), PP(polypropylene, 폴리프로필렌), PLA(polylactic acid 폴리락트산), PPS(polyphenylene sulfide, 폴리페닐렌설파이드), PE(polyethylene, 폴리에틸렌), PEEK(polyetheretherketone, 폴리에테르에테르케톤), 및 PEI(polyetherimide, 폴리에테르이미드)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지일 수 있다. 상기 수지의 종류에 따라 탄소섬유의 표면에 처리되는 열가소성 수지를 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면에 처리되는 수지는 극성 열가소성 수지 또는 비극성 열가소성 수지일 수 있고, 상기 극성 열가소성 수지는 PA계열 수지일 수 있고, 상기 비극성 열가소성 수지는 PE, PP 또는 ABS계열 수지일 수 있다.
상기 탄소섬유는 표면에 열가소성 수지가 처리되기 전에, 에폭시 사이징을 제거하는 단계를 통해 디사이징 처리될 수 있다. 일반적인 탄소섬유는 에폭시 사이징(sizing) 처리가 되어 있으므로, 에폭시 사이징 처리되어 있는 탄소섬유의 경우, 질소 분위기의 800~1200℃(바람직하게는 900℃)의 탄화로에서 1~2 m/min 속도로 통과시켜 에폭시 사이징제를 제거하는 단계를 통해 디사이징 처리를 수행할 수 있다.
상기 탄소섬유에 사이징제 용액에 함침시켜 사이징된 탄소섬유를 제조하는 단계(S1)는, 극성 열가소성 수지 또는 비극성 열가소성 수지로 이루어지는 사이징제를 1~5 wt%로 포함하는 용액이 담겨있는 수조에 탄소섬유를 통과시켜 함침한 후, 1m 구간에서 130~150℃에서 건조하여 수행될 수 있다. 이 과정은 연속식으로 이루어지며 0.5~2 m/min 속도로 진행한다.
본 발명에서 상기 S1 단계에서 사이징된 탄소섬유를 절단하는 단계(S2)는, 사이징이 완료된 탄소섬유를 절단하여 제조하고자 하는 출력물의 용도에 맞추어 탄소섬유의 길이를 조절하는 단계이다.
본 발명에서 상기 탄소섬유의 길이는, 혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 이하일 경우, 0.1 내지 0.7 mm으로 조절하고, 혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 초과일 경우, 0.7 내지 3 mm으로 조절한다. 상기 용융흐름지수의 측정은 용융흐름지수 측정기(MFI)로 측정되는 것으로, 상기 용융흐름지수는 ASTM D1238법에 의해, 220℃, 10kg, g/10min_조건에서 측정된 값을 의미하는 것이다.
본 발명에서 S3 단계는 상기 S2 단계에서 절단된 탄소섬유를 열가소성 고분자 수지와 혼합하여 혼련하는 단계이다. 상기 혼련의 방식에는 제한은 없으나, ABS, PC, PU, PA, PET, PBT, PP, PLA, PPS, PE, PEEK, PEI 등의 열가소성 고분자 수지 60~80 중량% 중량비에 절단된 탄소섬유 20~40 중량%를 용융 혼합한다. 이때 수지 용융은 트윈압출기를 사용하여 230~330℃에서 수행되며, 상기 트윈압출기는 2~10개의 온도구간을 가진다. 열가소성 고분자 수지와 탄소섬유를 혼합할 때 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수에 따라 섬유 함량을 20~40% 범위에서 조절한다.
상기 혼련이 완료되면, S4 단계에서 압출하여 펠렛 형태의 마스터배치를 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 마스터배치와 고분자 수지를 이용하여 제조된 3D 프린터 출력물을 제공할 수 있다. 상기 고분자 수지의 종류에는 제한이 없다. 상기 조성물 및 고분자 수지는 1:0.5 내지 1:10의 중량비로 혼합되는 것일 수 있으나, 제조하고자 하는 출력물의 디자인과 용도에 따라 중량비를 조절하여 혼합할 수 있다.
예를 들어, 40% 탄소섬유를 포함하는 마스터배치(ABS 60%, CF 40%)를 사용한다면, 마스터배치와 ABS 고분자 수지를 1:1로 혼합하여 사용할 경우 최종적으로 20% 탄소섬유 함량의 ABS 고분자 소재 3D 프린터 출력물을 얻을 수 있다.
만약 20% 함량의 탄소섬유보다 낮은 물성의 출력물을 얻을 필요가 있어 10% 함량의 탄소섬유로 출력하고자 하면 마스터배치와 ABS 고분자를 1:3으로 혼합하여 사용하면 된다. 같은 방법으로 5% 함량의 탄소섬유로 출력하고자 하면 마스터배치와 ABS를 1:7으로 혼합하여 사용한다.
이와 같이, 3D프린팅에서 출력물의 디자인과 용도에 따라 물성을 조절할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명할 것이다.
[실시예]
실시예 1. 탄소섬유 준비
일반적인 탄소섬유는 에폭시 사이징(sizing) 처리가 되어있어 디사이징(de-sizing) 과정이 필요하다. 따라서 탄소섬유를 질소 분위기의 900℃ 탄화로에 1~2 m/min 속도로 통과시켜 에폭시 사이징제를 제거해주었다.
실시예 2. 가소성 수지 리사이징
탄소섬유의 ABS 가소성 수지와의 계면 결합력을 높이기 위하여 페녹시계, 우레탄계, 나일론계 등의 가소성 수지가 사이징(sizing)된 탄소섬유를 제조하였다.
먼저 탄소섬유를 사이징제로 ABS를 3 wt%로 포함하는 용액에 통과시켜 함침한 후, 1m 구간에서 130~150℃의 온도 조건으로 건조하였다. 이 과정은 연속식으로 이루어졌고, 1 m/min 속도로 진행하였다.
실시예 3. 탄소섬유 절단
사이징된 탄소섬유를 0.5mm 길이로 일정하게 절단하였다. 이때 가소성 고분자 수지의 용융상태에서의 점도 편차에 따른 섬유와 수지의 혼합 조건을 일정하게 조절하기 위하여 절단된 탄소섬유의 길이 편차를 0.1mm 이내가 되도록 하였다.
실시예 4. 열가소성 고분자 수지와 혼합
ABS 가소성 수지 60% 중량비에, 상기 실시예 3에서 제조된 절단된 탄소섬유 40%를 용융 혼합해주었다. 이때 수지 용융은 트윈압출기를 사용하여 250℃에서 수행되었고, 상기 트윈압출기는 6개의 온도구간을 가진 것을 사용하였다.
이후 압출을 통해 길이 약 5mm 직경 3mm가 되도록 펠렛 형태의 마스터 배치를 제조하였다.
실시예 5. 열가소성 고분자 수지와 혼합
ABS 가소성 수지 60% 중량비에, 상기 실시예 3에서 제조된 절단된 탄소섬유 40%를 용융 혼합해주었다. 이때 수지 용융은 트윈압출기를 사용하여 250℃에서 수행되었고, 상기 트윈압출기는 6개의 온도구간을 가진 것을 사용하였다.
이후 압출을 통해 길이 약 5mm 직경 3mm가 되도록 펠렛 형태의 마스터 배치를 제조하였다(도 1).
실시예 6. 마스터배치의 인장강도 확인
상기 실시예 5의 제조방법과 동일하게, 각각 가소성 수지 95 중량%, 탄소섬유 5 중량%를 혼합하여 제조된 마스터 배치 및 가소성 수지 70 중량%, 탄소섬유 30 중량%를 혼합하여 제조된 마스터 배치를 제조하였다.
상기 마스터 배치의 Tensile strain(인장변형)에 따른 인장강도를 측정하여 도 2(ABS 95%, CF 5%) 및 도 3(ABS 70%, CF 30%)에 나타내었다. 그 결과 CF를 30% 포함하는 경우 약 40 MPa 이상의 결과를 보였고, CF를 5% 포함하는 경우 인장변형은 약3%로 높게 나타났으나 인장강도는 약 30 MPa로 나타났다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 탄소섬유 20 내지 40 중량%; 및
    열가소성 고분자 수지 60 내지 80 중량%를 포함하는,
    3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는, 표면에 열가소성 수지가 처리된 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 극성 열가소성 수지 또는 비극성 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 극성 열가소성 수지는 폴리아미드(PA) 계열 수지인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비극성 열가소성 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS) 계열 수지인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 0.1 내지 2 mm 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소섬유는, 혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 이하일 경우, 0.1 내지 0.7 mm인 것이고,
    혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 초과일 경우, 0.7 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치 조성물.
  8. 제1항의 조성물을 포함하는, 3D 프린터 출력물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 3D 프린터 출력물은, 제1항의 조성물 및 고분자 수지를 포함하는 것으로,
    상기 조성물 및 고분자 수지는 1:0.5 내지 1:10의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물.
  10. 탄소섬유를 사이징제 용액에 함침시켜 사이징된 탄소섬유를 제조하는 단계(S1);
    상기 S1 단계에서 사이징된 탄소섬유를 절단하는 단계(S2);
    상기 S2 단계에서 절단된 탄소섬유를 열가소성 고분자 수지와 혼합하여 혼련하는 단계(S3); 및
    상기 혼련이 완료되면, 압출하여 펠렛 형태의 마스터배치를 제조하는 단계(S4)를 포함하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 S1 단계의 탄소섬유는 사이징제 용액에 함침되기 전에,
    질소분위기 탄화로에 통과시켜 에폭시 사이징제를 제거한 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 S1 단계의 사이징제 용액은 극성 열가소성 수지 또는 비극성 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 극성 열가소성 수지는 폴리아미드(PA) 계열 수지인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 비극성 열가소성 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS) 계열 수지인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 길이는,
    혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 이하일 경우, 0.1 내지 0.7 mm인 것이고,
    혼합되는 상기 열가소성 고분자 수지의 용융흐름지수가 10 초과일 경우, 0.7 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는, 3D 프린터 출력물의 물성 조절용 마스터배치의 제조방법.
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