KR20230095364A - 3d 프린팅 균열 자가 치유 캡슐 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린터를 이용하여 제작된 쉘 내부에 치유액이 주입되어 제작된 균열 자가 치유 캡슐에 관한 것이다.
본 발명은 3D 프린터로 필라멘트를 녹여 레이어를 적층하여 내부에 수용공간이 형성된 구형(球形)으로 제작된 균열 자가 치유 캡슐을 제공한다. 상기 균열 자가 치유 캡슐은 외경 4~25 mm, 벽 두께 0.25~0.4 mm 범위, 레이어 높이 0.05~0.1 ㎜ 범위 내에서 제작하는 것이 바람직하며, PLA(Poly Latic Acid) 필라멘트를 적용하여 제작할 수 있다.
본 발명은 3D 프린터로 필라멘트를 녹여 레이어를 적층하여 내부에 수용공간이 형성된 구형(球形)으로 제작된 균열 자가 치유 캡슐을 제공한다. 상기 균열 자가 치유 캡슐은 외경 4~25 mm, 벽 두께 0.25~0.4 mm 범위, 레이어 높이 0.05~0.1 ㎜ 범위 내에서 제작하는 것이 바람직하며, PLA(Poly Latic Acid) 필라멘트를 적용하여 제작할 수 있다.
Description
본 발명은 3D 프린터를 이용하여 제작된 쉘 내부에 치유액이 주입되어 제작된 균열 자가 치유 캡슐에 관한 것이다.
최근 콘크리트 산업 분야에서 지속가능한 개발에 관심이 높아지고 있다. 특히 콘크리트의 사용 수명을 연장함으로써 건설폐기물 발생량을 줄이고 시멘트, 골재 등의 자재를 절약하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
시멘트 복합재인 콘크리트는 저렴한 비용으로 쉽게 생산될 수 있고 압축강도가 높게 발현되지만 인장강도 및 휨강도가 낮고, 취성파괴가 이루어지는 등의 단점도 있다. 다양한 요인에 의해 발생하는 균열 역시 콘크리트의 약점이며, 내부 및 외부 열화 인자로 인해 균열이 확산됨에 따라 콘크리트의 안정성이 저하된다.
이에 최근 몇년간 균열을 자가 치유(Self-healing)할 수 있는 시멘트 복합체에 대한 연구가 최근 몇 년 동안 증가해 왔으며, 여러 연구 보고서들을 통해 콘크리트 조성물 내에 포함되는 균열 자가 치유 캡슐이 제안되었다.
미생물을 이용한 다수의 자가 치유 캡슐 기술이 연구된 바 있으나, 미생물을 배양하는 단계에서 제조 비용, 시간이 증가하는 문제가 있으며, 캡슐 제조 이후에도 외부 환경에 따라 활성화 되는 미생물의 개수가 감소하거나, 캡슐을 대량으로 생산하기 어려운 문제가 있다(특허문헌 1, 2 및 비특허문헌 1, 2 참조).
또한, 많은 연구에서 치유제를 캡슐화하기 위해 유리를 사용했으나, 이러한 유리 캡슐은 시멘트 페이스트 또는 금속 와이어의 형태로 추가적인 보호 없이는 콘크리트 혼합 과정을 견디지 못했다(비특허문헌 3 내지 5 참조).
이에 유리 대신, 혼합 과정을 견딜 수 있고 캡슐 특성 요건을 더 충족할 수 있는 젤라틴과 폴리우레탄과 같은 고분자 소재를 사용한 캡슐이 개발되었다. 그러나 이러한 고분자 소재 캡슐은 대부분 화학적 방법으로 제작된 폴리머 구조물인데 캡슐 재현성이 현저하게 낮고, 그 결과 캡슐의 모양과 두께의 균일성이 부족하여 구조적으로 취약하다(비특허문헌 6, 7 참조).
위 문제 해결을 위해 압출된 시멘트 캡슐이 제안되었으나, 이러한 압출 시멘트 캡슐은 형태상의 제약으로 시멘트 매트릭스에서 균질하게 혼합되기 어렵다(비특허문헌 8 내지 10 참조).
이에 본 발명의 발명자들은 균열 자가 치유 캡슐 제작에 3D 프린팅 기술을 적용하는 것을 검토하였다.
폴리머 기반 재료의 3D 프린팅은 비교적 정확한 모델을 신속하게 제작할 수 있으며, 높은 재료 강도, 낮은 인쇄 비용, 복잡한 기하학적 구조 구현 등의 장점을 제공한다. 또한 3D 프린팅은 매우 높은 재현성과 균질성을 제공하며, 출력 형상의 자유도를 제공한다.
3D 프린팅 기술은 광조형, 분말 베드 융합, FDM(융합 증착 모델링), 잉크젯 인쇄 및 윤곽 제작 등의 여러 가지 방식이 개발되어 있으나, 고속, 저비용, 정밀도 면에서 유리한 FDM 방법이 널리 사용된다.
본 발명에서는 화학적 기술로 제조된 균열 자가 치유 캡슐의 단점을 극복하기 위해 FDM 방식을 사용하여 3D 프린팅 된 캡슐을 균열 자가 치유 캡슐로 적용하는 것을 연구하였다. 이를 위해 시멘트 복합 재료에 포함시키기 전에 구조 분석 시뮬레이션을 수행하고 다양한 3D 인쇄 캡슐의 벽 두께와 인쇄 방향에 따른 기계적 특성과 용해도를 평가하였다.
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본 발명은 3D 프린터를 이용하여 제작된 쉘 내부에 치유액을 주입하여 콘크리트 또는 모르타르의 균열을 자가 치유하는 캡슐과 그 제조방법을 제공함으로써, 크기와 형상이 일정한 자가 치유 캡슐을 대량 제작할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
본 발명은 3D 프린터로 필라멘트를 녹여 레이어를 적층하여 내부에 수용공간이 형성된 구형(球形)으로 제작된 균열 자가 치유 캡슐을 제공한다.
상기 균열 자가 치유 캡슐은 외경 4~25 mm, 벽 두께 0.25~0.4 mm 범위, 레이어 높이 0.05~0.1 ㎜ 범위 내에서 제작하는 것이 바람직하며, PLA(Poly Latic Acid) 필라멘트를 적용하여 제작할 수 있다.
상기 균열 자가 치유 캡슐은 레이어 적층 방향 대비 수평 하중에 의한 파열 하중값이, 레이어 적층 방향 대비 수직 하중에 의한 파열 하중값 보다 40% 이상 낮게 나타나도록 구성하는 것이 바람직하며, 상기 균열 자가 치유 캡슐 외연에는 래커(lacquer) 코팅 또는 수지(resin) 코팅을 할 수 있다.
상기 균열 자가 치유 캡슐의 최상단 레이어에는 주사홀을 형성시키고, 상기 주사홀에 주사바늘을 꽂아 상기 수용공간에 균열을 메우는 치유액을 주입할 수 있다.
전술한 본 발명에 따르면 다음의 효과를 기대할 수 있다.
1. 3D 프린터를 이용하여 균일한 형태와 크기의 캡슐을 반복적·안정적으로 제작할 수 있다.
2. 사용 조건에 따라 캡슐의 외경, 벽 두께 및 레이어 높이를 조절할 수 있다.
3. FDM 방식의 3D 프린팅에 의해 레이어가 적층되어 캡슐 형태를 이루고, 이에 따라 레이어 적층 방향과 하중 작용 방향에 따라 동일 하중에 대한 응력 차이가 발생하며, 이러한 응력 차이를 이용하여 캡슐의 파열 하중값을 조절할 수 있다.
4. 캡슐에 대한 래커 코팅 또는 레진 코팅으로 강알칼리 조건에서의 화학적 안정성 및 내구성을 보강할 수 있다.
[도 1]은 본 발명에 따른 균열 자가치유 캡슐의 층별 구성을 나타낸 사시도이다.
[도 2]는 본 발명에 따른 균열 자가치유 캡슐이 파괴되고 치유액이 외부로 방출되어 균열을 자가치유하는 과정을 나타낸 순서도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 균열 자가치유 캡슐을 제작하는 과정을 나타낸 순서도이다.
[도 4]는 본 발명 캡슐의 기계적 특성 분석을 위한 시뮬레이션 모델링 환경(a)과 캡슐에 가해지는 수평력(b)과 수직력(c)의 개념을 도시한 것이다.
[도 5]는 캡슐에 가하는 수직·수평력에 대한 정상/전단 응력 분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
[도 6]은 캡슐의 압축강도 시험 방법 및 장치를 나타낸 것이다.
[도 7]은 캡슐의 레이어 적층 방향과 하중 작용 방향에 따른 파괴 거동을 나타낸 것이다.
[도 2]는 본 발명에 따른 균열 자가치유 캡슐이 파괴되고 치유액이 외부로 방출되어 균열을 자가치유하는 과정을 나타낸 순서도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 균열 자가치유 캡슐을 제작하는 과정을 나타낸 순서도이다.
[도 4]는 본 발명 캡슐의 기계적 특성 분석을 위한 시뮬레이션 모델링 환경(a)과 캡슐에 가해지는 수평력(b)과 수직력(c)의 개념을 도시한 것이다.
[도 5]는 캡슐에 가하는 수직·수평력에 대한 정상/전단 응력 분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
[도 6]은 캡슐의 압축강도 시험 방법 및 장치를 나타낸 것이다.
[도 7]은 캡슐의 레이어 적층 방향과 하중 작용 방향에 따른 파괴 거동을 나타낸 것이다.
본 발명은 3D 프린터로 필라멘트를 녹여 레이어를 적층하여 내부에 수용공간이 형성된 구형(球形)으로 제작된 균열 자가 치유 캡슐을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
[도 1]은 상기 균열 자가 치유 캡슐의 레이어 적층 구조를 나타낸 사시도이다.
상기 레이어는 3D 프린터를 이용하여 FDM 방식에 따라 PLA(Poly Latic Acid) 필라멘트를 적용하여 층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 레이어는 복수 개의 레이어가 적층되어 캡슐의 외형을 갖출 수 있다.
[도 1]을 참조하면, FDM 방식으로 주사된 레이어가 적층되었고, 최종적으로 구의 형태가 되도록 형성되어 균열 자가 치유 캡슐의 외형을 구성할 수 있다. 이때, 적층된 레이어로 인하여 형성된 밀폐된 상기 수용공간은 내부에 치유물질이 내입 될 수 있다.
상기 균열 자가 치유 캡슐은 필요에 따라 직경, 벽 두께, 레이어 높이를 특정 범위 내에서 가변적으로 제작할 수 있으며, 외경 4~25 mm, 벽 두께 0.25~0.4 mm 범위, 레이어 높이 0.05~0.1 ㎜ 범위 내에서 제작하는 것이 바람직하다.
상기 균열 자가 치유 캡슐은 외경을 통상의 굵은골재 최대치수인 25 mm 이하가 되도록 하되, 최소한의 치유물질 수용공간 확보를 위해 벽 두께를 감안하여 4 mm 이상의 외경을 확보하는 것이 바람직하다. 벽 두께 0.25~0.4 mm는 상기 균열 자가 치유 캡슐의 레이어 적층 방향과 하중 작용 방향에 따른 응력을 고려하여, 레이어 적층 방향 대비 수평 하중에 의한 파열 하중값이, 레이어 적층 방향 대비 수직 하중에 의한 파열 하중값 보다 40% 이상 낮게 나타나는 범위에서 선정한 것으로, 이에 관한 구체적인 사항은 시험예와 함께 후술한다.
상기 균열 자가 치유 캡슐 외연에는 래커(lacquer) 코팅 또는 수지(resin) 코팅함으로써 내화학성을 높일 수 있다.
상기 균열 자가 치유 캡슐은 3D 프린팅 기법으로 제작되어 밀폐성을 유지하도록 제작되나, 외부에 별도의 코팅을 부가하여 안정성을 높일 수 있다. 상기 균열 자가 치유 캡슐에 레커 또는 레진 코팅하는 단계를 통하여, 상기 균열 자가 캡슐은 콘크리트 또는 모르타르와 혼합되는 과정에서 더욱 안정적으로 유지될 수 있다.
상기 수용공간에는 액상 또는 분말상의 치유물질이 내장되도록 할 수 있다. 상기 균열 자가 치유 캡슐은 콘크리트 또는 모르타르에 혼합되는 것으로, 경화된 콘크리트 또는 모르타르에 균열이 발생함에 따라 파손되어 누출된 치유물질이 수분과 반응하여 상기 균열을 메우는 수화물을 생성하는 것이다.
[도 2]는 콘크리트 또는 모르타르에 균열이 발생했을 경우 혼합된 상기 균열 자가 치유 캡슐이 파손되어 누출된 치율물질이 균열을 메우는 과정을 나타낸 순서도이다.
(a)는 콘크리트 또는 모르타르에 혼합된 균열 자가 치유 캡슐이며,
(b)는 콘크리트 또는 모르타르의 일측에 균열이 발생한 것을 나타낸 것이다.
(c)는 균열로 인하여 발생한 응력으로 상기 균열 자가 치유 캡슐이 파열되어 치유 물질이 누출된 것을 나타낸 것이다.
(d)는 누출된 치유물질이 수분과 반응하여 균열을 메워 자가 치료가 완료된 것을 나타낸 것이다.
상기 균열 자가 치유 캡슐의 최상단 레이어에는 주사홀을 형성시키고, 상기 주사홀에 주사바늘을 꽂아 상기 수용공간에 균열을 메우는 액상 치유물질(치유액)을 주입할 수 있다.
[도 3]은 상기 주사홀에 액상 치유물질을 주입하는 과정을 나타낸 순서도이다.
(a)는 FDM방식으로 적층되어 최상단 레이어에 주사홀이 형성된 균열 자가 치유 캡슐이다.
(b)는 상기 주사홀에 주사바늘을 꽃아 상기 수용공간에 균열을 메우는 액상 치유물질(치유액)을 주입하는 것을 나타낸 것이다.
(c)는 상기 수용공간에 상기 치유액이 주입된 상기 균열 자가 치유 캡슐의 외연에 레커 또는 수지 코팅한 것을 도시한 것이다.
상기 균열 자가 치유 캡슐과 주사바늘을 다량으로 정렬시켜 대량 생산 공정이 이루어지도록 할 수 있으며, 상기 주사홀은 접착 방식, 땜질 방식, 코팅 방식 등을 적용하여 커버할 수 있다.
또한, 3D 프린터로 레이어를 절반 이상 적층한 상태에서 분말상 치유물질(치유분말)을 상기 수용공간에 투입한 후 다시 3D 프린터로 나머지 레이어 적층 작업을 진행하는 과정으로 균열 자가 치유 캡슐을 제조할 수 있다.
이하에서는 상기 균열 자가 치유 캡슐의 구체적 실시예와 그에 대한 시험예와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
1. 3D 프린팅 재료와 3D 프린팅 설정
3D 프린터에서는 ABS(Acrylonitrile Butadiene styrene), PLA(poly(lactic acid)) 등 고분자 물질이 필라멘트로 널리 사용되고 있다. ABS는 대표적인 열가소성 수지 제품인 반면 PLA는 녹는점이 낮고 성형성이 좋은 친환경적인 생분해성 고분자이다. PLA는 에스터 가수분해를 통해 자연적으로 분해되어 젖산과 올리고머를 생성한다. 이러한 생체적합성 분해 제품은 인체에 의해 대사될 뿐만 아니라 미생물 전환도 거친다. PLA의 이러한 유용성으로 인해 본 발명에서는 캡슐의 재료로 PLA를 선택하였다.
0.25 mm 노즐이 있는 3D 프린터(Brule Ultimaker S3)를 사용하여 2.85 mm 직경 PLA 필라멘트를 녹여 레이어를 쌓는 방식으로 3종의 캡슐을 제작했다. 세 경우 모두에서 캡슐 직경은 15 mm, 각 레이어 높이는 0.07 mm, 노즐 온도는 225°C로 고정시켰다. 3종의 캡슐은 벽 두께를 0.25 mm, 0.4 mm, 0.8 mm로 상이하게 설정하였다.
2. 3D 프린팅 캡슐의 특성 평가
2.1 캡슐의 기계적 시뮬레이션
캡슐 제조를 위한 설계 매개변수를 얻기 위해 Ansys 소프트웨어를 사용하여 캡슐의 구조 분석을 수행했다. 제작된 3종의 캡슐에 대하여 레이어 적층 방행 대비 수직, 수평 방향으로 각각 10초 동안 최대 700N의 외력을 가하여 응력 분포 및 변형을 분석하였다.
아래 [표 1]은 시뮬레이션 매개변수를 정리한 것이다. 캡슐은 구형이고 속이 비어 있으며, 외경은 15 mm이고, 최상단 레이어에 직경 1 mm의 구멍(치유액 주입을 위한 주사홀)을 형성시킨다. 캡슐의 벽 두께는 0.25 mm, 0.4 mm, 0.8 mm의 3종으로 설정되었다. 캡슐은 PLA 필라멘트가 한 번에 한 층씩 쌓이도록 구성되었다. 시뮬레이션에서 캡슐은 고정 판과 수직 방향으로 움직이는 평판 사이에 배치되었다. 시뮬레이션은 정상 응력 사례와 전단 응력 사례를 비교하기 위해 수행되었다. 힘을 가하면, 전단 응력(접선 응력)은 수평 방향으로 작용하는 반면, 정상 응력은 수직 방향으로 작용한다.
FDM 3D 프린팅 방법에서는 필라멘트를 적층하여 목적물을 생성하므로 작용하는 힘의 방향과 레이어 적층 방향 간의 관계에 따라 변형과 파괴 성상이 달라지므로 캡슐에 가해지는 전단 응력과 수직 응력을 모두 분석해야 한다. [도 4]에서, (a)는 시뮬레이션 모델링 환경을 보여주고, (b)와 (c)는 각각 캡슐에 가해지는 수평력과 수직력의 개념을 도시한 것이다. 시뮬레이션은 100, 400, 700 N의 힘을 캡슐의 레이어 적층 방향에 대한 수평 및 수직 방향으로 적용하여 벽 두께 0.25, 0.4, 0.8 mm의 캡슐 내 응력을 비교하였다.
[도 5]의 (a)와 (b)는 0.4 mm의 벽 두께 캡슐에 각각 400 N의 수평력과 수직력을 가함에 따른 정상 및 전단 응력 분포를 나타낸 것이다. [도 5]의 (c) 내지 (e)는 캡슐 두께별로(0.25 mm, 0.4 mm, 0.8 mm) 100 N, 400 N, 700 N의 수직·수평력에 대한 정상/전단 응력 분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
분석 결과 절대 응력 값은 외부 힘에 따라 달라지지만 캡슐의 응력 분포 경향은 벽 두께 별로 유사한 것으로 나타났다. 그러나 벽 두께가 다른 캡슐에서 동일한 외력에 대해 서로 다른 응력 분포 패턴이 나타났다. 이러한 결과를 통해 캡슐 벽이 얇을수록 동일한 수직·수평력에 의해 더 큰 응력 분포가 나타나는 것이 확인된다. 캡슐 벽 두께가 0.25mm일 때 수평력에 의한 응력분포는 수직력에 의한 응력분포보다 거의 두 배였다. 즉, 얇은 캡슐 벽(0.25 mm 두께)은 층에 대해 수평으로 힘을 가하면 더 쉽게 파열되는 반면에 벽이 두꺼운 경우(0.4 mm 이상)에는 수평 응력 분포와 수직 응력 분포의 차이가 감소하므로 이러한 경우 하중의 방향성이 캡슐의 파열에 미치는 영향이 작다.
한편, 모든 두께 조건에서 캡슐에 가해지는 수평력에 의한 전단 응력이 가장 크게 나타났다([도 5]의 (c) 내지 (e) 참조). 따라서 3D 프린팅 캡슐의 응력 분포는 캡슐 벽 두께 뿐만 아니라 외력의 방향과 크기에 대한 함수임을 시뮬레이션 분석에서 확인할 수 있다. 결국, 이러한 응력 분포는 캡슐 변형과 파열을 관리한다. 따라서 실험 결과와 시뮬레이션을 비교하기 위해 가공된 캡슐의 파열 테스트를 실시했다.
2.2 캡슐의 기계적 특성 측정
캡슐의 주요 기능은 캡슐 본체에 포함된 치유액을 보호하는 것이다. 또한, 캡슐은 특정 조건에서만 치유액을 방출하도록 설계될 수 있다. 따라서 캡슐의 기계적 특성(예: 파열 강도)은 캡슐 내구성을 유지하는 데 중요한 설계 매개변수다. 본 발명에서는 캡슐의 기계적 특성을 측정하기 위해 캡슐을 2개의 평행 플레이트 사이에 두고 압축하는 동시에 압축력의 함수로 평행 플레이트 사이의 거리를 측정하였다.
구체적으로, 두께 조건에 따른 3종의 캡슐 각각을 유니버셜 시험장치(Unitest M1)의 평행 플레이트 사이에 놓고 10 mm/min의 일정한 속도로 실온에서 압축시키는 방식으로 진행하였다([도 6] 참조).
시험 시작 시 플레이트 사이의 거리는 초기 캡슐 크기(2r)로 설정하고, 시험을 진행하는 동안 압축력과 캡슐 변형을 측정하였으며, 두 플레이트 사이의 간격은 캡슐 유형별로 Δd씩 줄였다. 압축력과 캡슐 레이어 적층 방향 사이의 각도는 캡슐 특성을 결정하는 데 중요한 매개변수이다.
시뮬레이션과 동일한 조건을 구현하기 위해 FDM을 사용하여 PLA 소재로 캡슐을 외경 15 mm의 구 형태로 3D 프린팅하고 벽 두께는 0.25 mm, 0.4 mm, 0.8 mm의 3종으로 제작하여 시뮬레이션에 사용된 것과 동일한 설계 매개변수를 적용했다.
PLA 필라멘트의 층이 쌓여서 3D 형상을 만들어내기 때문에 구조물의 인장 강도와 영의 계수(Young's modulus)는 레이어 적층 방향에 대한 하중의 각도에 따라 달라진다. 특히, 벽 두께 0.4 mm까지는 레이어 적층 방향의 수직 방향 하중에 대한 캡슐의 압축 강도는 레이어 적층 방향의 수평 방향 하중에 대한 캡슐의 압축 강도의 약 두배 가량으로 나타났다.
[도 7]에서, (a)는 레이어 적층 방향의 수직 방향 하중(레이어 출력 각도 0°) 작용시의 캡슐 벽 두께 유형별 변형을 나타낸다. 캡슐은 두께에 관계 없이 3단계로 변형 및 파열된다. 1단계에서는 캡슐이 하중이 증가하는 타원형으로 압축되며, 2단계에서는 캡슐에 좌굴(buckling)이 관찰되며, 3단계에서 캡슐은 결국 파열된다.
(b)는 레이어 적층 방향의 수평 방향 하중(레이어 출력 각도 90°) 작용시의 캡슐 벽 두께 유형별 변형을 나타낸다. 이 경우 캡슐에 좌굴(buckling) 발생 전에 레이어 경계면이 파열되므로 캡슐은 파열은 변형-파열 2단계로만 진행된다.
(c)는 캡슐 종류에 따른 레이어 각도별 파열 하중값을 나타낸 것이다. 수직 방향 하중 작용 시(레이어 출력 각도 0°) 캡슐 벽 두께 0.25 mm, 0.4 mm 및 0.8 mm에 따라 파열 하중값은 각각 106.5 ± 30.3 N, 293.0 ± 22.6 N 및 670.0 ± 82.0으로 측정되었다. 반면 수평 방향 하중 작용 시(레이어 출력 각도 90°)의 상기 캡슐 벽 두께별 파열 하중값은 각각 66.0 ± 13.4N, 135.7 ± 18.8N, 517.1 ± 55.5로 나타났다. 상기 캡슐 벽 두께별 수직 방향 파열 하중값 대비 수평 방향 파열 하중값은 각각 48%, 54%, 23% 낮으므로 캡슐 벽이 가장 두꺼울 때 레이어 적층 방향과 하중 작용 방향 사이 각도의 영향이 가장 낮음을 확인할 수 있다.
(d)는 캡슐이 압축됨에 따라 플레이트와 접촉하는 캡슐 부분이 수직 방향으로 변형될 때 캡슐의 다른 부분은 플레이트와 평행한 방향으로 확장되는 개념을 나타낸 것이다. 레이어 적층 방향과 평형 방향의 하중 작용 시, 레이어 경계부가 갈라지면서 캡슐이 파열된다
2.3. 화학적 안정성 측정
유기 용매와 같은 화학 물질에 대한 캡슐의 안정성 및 내성을 확인하기 위해 여러 용매에서 코팅되지 않은 PLA 캡슐과 래커(lacquer) 코팅 PLA 캡슐 및 수지(resin) 코팅 PLA 캡슐의 용해도를 테스트했다(상온, 2주).
본 시험에서는 헥산, 에테르, 에틸아세테이트, 메탄올, Ca(OH)2 수용액, pH 13의 인산염 완충액 등이 사용되었다. 대표적인 유기용매와 기본용액에 2주간 다양한 캡슐을 담갔다가 캡슐을 꺼내 말렸다. 실험 전·후의 캡슐 무게를 측정하였다.
시험에 사용된 용매는 무극성 용제와 극성 용제 중 대표적인 것을 선정하였다. 무극성 용매는 헥산과 에테르, 극성 용매는 에틸 아세테이트와 메탄올이 각각 선택되었다. 또한 PLA 캡슐이 투입되는 시멘트 복합체는 알칼리성이 강하므로 Ca(OH)2 수용액과 pH-13 완충용액을 기본 수용액으로 선정하였다.
다양한 용매에 대한 용해도 시험 결과는 [표 2]에 요약되어 있다. 코팅되지 않은 PLA 캡슐은 헥산, 에테르, 메탄올 및 염기성 수용액에 녹지 않았지만, 에틸 아세테이트에서 균열이 나타났고, 래커 및 수지 코팅 PLA 캡슐에서도 유사한 결과가 관찰되었다.
[표 3]은 용해도 실험 전후에 캡슐 중량을 측정하여 용매에 따른 캡슐의 중량 변화를 정리한 것이다. 에틸 아세테이트를 용매로 사용한 경우 PLA 캡슐 3종 모두 유의한 크랙이 관찰되어 중량 변화 측정 대상에서 제외하였다. 헥산 및 에테르 용매에서 코팅 및 코팅되지 않은 PLA 캡슐의 중량 변화는 오차 범위 내에 있다. 그러나 메탄올에서는 수지 코팅된 PLA 캡슐의 무게가 약간 감소했다. Ca(OH)2 수용액에서 PLA 캡슐의 무게는 거의 변하지 않았지만 pH-13 수용액에서는 큰 무게 감소가 관찰되었다. 다만 수지 코팅된 PLA 캡슐에서 가장 적은 중량 감소를 보이면서, 수지 코팅이 염기성 수용액에서 PLA 캡슐을 가장 잘 보호한다는 것으로 관찰되었다.
이상에서 본 발명에 대하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명은 위의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 및 변형을 포함한다.
100 : 자가 치유 캡슐
110 : 레이어 120 : 수용공간
130 : 주사홀
200 : 치유액
300 : 코팅층
110 : 레이어 120 : 수용공간
130 : 주사홀
200 : 치유액
300 : 코팅층
Claims (9)
- 3D 프린터로 필라멘트를 녹여 레이어를 적층하여 내부에 수용공간이 형성된 구형(球形)으로 제작된 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항에서,
외경이 4~25 mm인 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항에서,
벽 두께가 0.25~0.4 mm인 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항에서,
레이어 높이가 0.05~0.1 ㎜인 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항에서,
상기 필라멘트는 PLA(Poly Latic Acid) 필라멘트인 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항에서,
레이어 적층 방향 대비 수평 하중에 의한 파열 하중값이,
레이어 적층 방향 대비 수직 하중에 의한 파열 하중값 보다 40% 이상 낮은 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항에서,
최상단 레이어에 주사홀이 형성된 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제7항에서,
상기 주사홀에 주사바늘을 꽂아 상기 수용공간에 균열을 메우는 치유액이 주입된 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
외연에 래커(lacquer) 코팅 또는 수지(resin) 코팅이 이루어진 것을 특징으로 하는 균열 자가 치유 캡슐.
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Also Published As
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| KR102637978B1 (ko) | 2024-02-16 |
| WO2023120874A1 (ko) | 2023-06-29 |
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