KR20240014041A - 수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법, 그리고 삼차원 조형물의 제조 방법 - Google Patents

수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법, 그리고 삼차원 조형물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

발생 가스양이 0.25wt％ 이하, 멜트 플로 레이트가 5g/10min 이상 75g/10min 이하, 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 폴리아릴렌술피드 수지 분말을 포함하는 수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법, 그리고 그 수지 분말 혼합물을 사용한 삼차원 조형물의 제조 방법. 본 발명의 수지 분말 혼합물을 사용함으로써, 보이드가 적고, 인장 강도가 우수한 삼차원 조형물을 얻을 수 있다.

Description

수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법, 그리고 삼차원 조형물의 제조 방법
본 발명은, 자동차나 항공 우주, 산업, 의료 등의 폭넓은 용도에 적합한 삼차원 조형물을 제조하는 방법, 나아가 그 재료로서 적합하게 사용되는 수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
삼차원 조형은 형상의 자유도가 높은 설계를 가능하게 하는 점에서, 자동차나 항공 우주, 산업, 의료 등의 용도에 널리 전개되고 있다. 이러한 조형 방식으로서는, 분말상(粉末床) 용융 결합 방식이, 정밀 조형이나 기계 강도를 실현할 수 있는 점이나 서포트 부재가 불필요하다는 점에서 적합하다. 분말상 용융 결합 방식의 조형 공정은, 수지 분말을 박층으로 전개하는 박층 형성 공정과, 형성된 박층에, 조형 대상물의 단면 형상에 대응하는 형상으로 레이저광을 조사하여, 그 분말을 결합시키는 단면 형상 형성 공정을 순차로 반복함으로써 조형물을 제조하는 방법이다.
상기 수지 분말의 소재로서는, 주로 폴리아미드 12 수지가 많이 사용되어 왔지만, 근년 강도나 내열성의 요구가 강해지고, 우수한 기계 특성이나 내열성 등을 갖고 있는 폴리페닐렌술피드 수지(이하, PPS 수지라 칭하는 경우가 있다.)로 대표되는 폴리아릴렌술피드 수지 등의 고기능성의 소재 적용이 요망되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에서는, 분말상 용융 결합 방식에 적절한 재결정화 온도를 갖는 폴리아릴렌술피드 수지를 사용함으로써, 결정화에 의한 수축을 저감시켜, 삼차원 조형물(이하, 조형물이라 칭하는 경우가 있음)의 휨을 억제하는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 2에서는, 폴리아릴렌술피드 수지에 무기 입자와 무기 강화재를 첨가함으로써, 조형 시의 분체 유동성을 손상시키지 않고 조형물의 기계 강도를 향상시키는 기술을 개시하고 있다.
일본 특허 제6256818호 공보 일본 특허 공개 제2017-043654호 공보
그러나, 특허문헌 1, 2에서는, 사출 성형과 비교하여, 조형물의 인장 강도가 낮다는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은, 종래 기술의 문제를 감안하여, 조형물의 보이드가 적고, 인장 강도가 우수한 삼차원 조형물을 제조하는 방법, 나아가 그 재료로서 적합하게 사용되는 수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 행한 결과, 하기 발명에 이르렀다. 즉, 본 발명은 이하와 같다.
(1) 이하의 (a1) 내지 (a3)을 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 포함하는 수지 분말 혼합물.
(a1) 발생 가스양이 0.25wt％ 이하
(a2) 멜트 플로 레이트가 5g/10min 이상 75g/10min 이하
(a3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
(2) 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여, 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 20중량부 이상 100 중량부 이하 포함하는, (1)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(3) 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], 및 이하의 (b1) 내지 (b3)을 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]를 포함하는, (1) 또는 (2)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(b1) 발생 가스양이 0.25wt％ 초과 0.40wt％ 이하
(b2) 멜트 플로 레이트가 75g/10min 초과 125g/10min 이하
(b3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
(4) 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여, 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]를 1중량부 이상 50 중량부 이하 포함하는, (3)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(5) 탄소 섬유, 유리 섬유 및 글래스 비즈에서 선택되는 적어도 1종의 무기 강화재를 함유하는, (1) 내지 (4) 중 어느 것에 기재된 수지 분말 혼합물.
(6) 수지 분말 혼합물을 100중량％로 하여, 상기 무기 강화재를 5중량％ 이상 40중량％ 이하 포함하는, (5)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(7) 상기 무기 강화재의 최대 치수가 1㎛ 이상 400㎛ 이하인, (5) 또는 (6)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(8) 상기 무기 강화재가 20×10-4Ω·cm 이하의 체적 고유 저항률을 갖는 탄소 섬유인, (5) 내지 (7) 중 어느 것에 기재된 수지 분말 혼합물.
(9) 평균 입경 20nm 이상 500nm 이하인 무기 입자를 함유하는, (1) 내지 (8) 중 어느 것에 기재된 수지 분말 혼합물.
(10) 수지 분말 혼합물을 100중량％로 하여, 상기 무기 입자를 0.1중량％ 이상 0.5중량％ 이하 포함하는, (9)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(11) 상기 무기 입자가 구상의 실리카 미립자인, (9) 또는 (10)에 기재된 수지 분말 혼합물.
(12) 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A] 및 수지 분말 혼합물을 구성하는 기타 성분을, 적어도 용기를 회전시키는 제1 회전축과, 해당 제1 회전축에 의한 회전 방향과는 다른 방향으로 용기를 상기 제1 회전축과 함께 회전시키는 제2 회전축을 포함하는 복수의 회전축을 갖는 용기에 봉입하고, 상기 복수의 회전축을 동시에 회전시켜 혼합하는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (11) 중 어느 것에 기재된 수지 분말 혼합물의 제조 방법.
(13) 상기 용기 내에 마련된 회전 블레이드로 수지 분말 혼합물을 구성하는 성분의 응집을 해소하면서 혼합하는, (12)에 기재된 수지 분말 혼합물의 제조 방법.
(14) (1) 내지 (11) 중 어느 것에 기재된 수지 분말 혼합물을 3D 프린터에 공급하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.
(15) 3D 프린터가 분말상 용융 결합법의 3D 프린터인, (14)에 기재된 삼차원 조형물의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 발생 가스양이 적은 수지 분말 혼합물, 그리고 그 수지 분말 혼합물을 사용하여 삼차원 조형물로 했을 때, 보이드가 적고, 인장 강도가 우수한 조형물을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용하는 혼합기의 일례인, 회전축을 2개 갖는 혼합기의 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 혼합기의 다른 일례인, 회전축을 2개 갖는 혼합기의 개략 사시도이다.
이하, 본 발명에 대해서, 실시 형태와 함께 상세하게 설명한다.
본 발명의 수지 분말 혼합물은, 이하의 (a1) 내지 (a3)의 조건을 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 포함하는, 수지 분말 혼합물이다.
(a1) 발생 가스양이 0.25wt％ 이하
(a2) 멜트 플로 레이트가 5g/10min 이상 75g/10min 이하
(a3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
조형물의 강도나 내열성의 향상 수단으로서는, 상술한 폴리아릴렌술피드 수지 등을 소재로서 사용하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 일반적으로, 높은 내열성을 갖는 수지를 포함하는 수지 분말을 조형물의 소재로서 사용하는 경우, 강한 레이저광 조사에 의해 수지 분말을 용융시키는 공정을 포함하기 때문에, 수지 중의 저비점 올리고머 유래의 발생 가스에 의해, 조형물 내에 보이드가 생겨, 인장 강도가 저하된다는 문제가 있었다. 이에 비해, 수지 구조나 성형의 메커니즘에 착안하여, 수지 중에 미가교를 형성시킴으로써, 레이저 조사 시의 가스 발생을 억제하여, 조형물의 인장 강도를 향상시킬 수 있다고 착상하였다. 한편, 수지 중에 가교를 형성하면 점도도 상승되어, 오히려 성형성이 저하되는 문제가 있었다.
그래서, 본원 발명자들은, 발생 가스양, 멜트 플로 레이트, 평균 입경이 특정한 범위가 되는 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 포함하는 수지 분말 혼합물을 사용함으로써, 상술한 트레이드오프를 해소하여, 조형물의 인장 강도를 향상시킬 수 있는 것을 알아내고, 본 발명에 이르렀다.
이하, 수지 분말 혼합물을 구성하는 각 성분에 대하여 설명한다.
본 발명의 수지 분말 혼합물은, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 포함하는 것을 필수로 한다. [A]는, 이하의 (a1) 내지 (a3)의 조건을 모두 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말이다.
(a1) 발생 가스양이 0.25wt％ 이하
(a2) 멜트 플로 레이트가 5g/10min 이상 75g/10min 이하
(a3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
이러한 [A]를 수지 분말 혼합물에 배합함으로써, 보이드리스로 품위가 양호한 조형물이 얻어져, 높은 인장 강도를 발현하는 것이 가능해진다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]의 조건 (a1)로서는, [A]의 발생 가스양 0.25wt％ 이하인 것이 필요하다. 이러한 범위라면, 용융된 수지의 가스 발생을 억제할 수 있고, 조형물 중의 보이드가 감소하고, 그 결과, 조형물의 인장 강도를 높일 수 있다. 또한, 결함이 발생하기 어려운 보이드리스의 조형물을 얻을 수 있는 점에서, 0.2wt％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 발생 가스양의 하한은 특별히 없지만, 검출 한계의 하한은 통상 0.05wt％이다.
여기에서 말하는 발생 가스양이란, 가열에 의한 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 구성하는 폴리아릴렌술피드 수지의 중량 감소의 율을 가리킨다. 구체적으로는, 알루미늄컵 칭량 접시(애즈원 가부시키가이샤제 5-361-01)에 [A] 10g을, 320℃로 예비 가열한 오븐(야마토 가가쿠 가부시키가이샤제 FO810, 대기 분위기 하)에서 2시간 가열했을 때, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 구성하는 폴리아릴렌술피드 수지의 일부가 열분해되고, 올리고머 성분이 휘발되는 것에 의한 수지의 중량 감소가 발생하는데, 이러한 중량 감소의 율을 가리킨 것이다. 이러한 발생 가스양은, 가열 전후의 [A]의 중량차를 가열 전의 [A]의 중량으로 나누고, 100을 곱하여 산출된다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]의 조건 (a2)로서는, [A]의 멜트 플로 레이트가 5g/10min 이상 75g/10min 이하인 것이 필요하다. 이러한 범위라면, 레이저광 조사 후의 용융 수지가 하층까지 침투하여, 층간의 밀착성이 높아져, 조형물의 인장 강도를 유지할 수 있다.
여기서, [A]의 멜트 플로 레이트란, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를, ASTM-D1238-70에 준하는 방법으로 315.5℃, 5kg 하중의 조건으로 하여, 측정한 값이다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]의 조건 (a3)으로서는, [A]의 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 필요하다. 1㎛ 미만인 경우, 정전기에 의해 [A]의 응집이 발생하고, 마찬가지로 분말 적층 시에 균일성이 손상되어 삼차원 조형물의 인장 강도가 저하된다. 100㎛를 초과하는 경우, 분말 적층 시에 균일성이 손상되어 삼차원 조형물의 인장 강도가 저하되어버린다. 평균 입경의 바람직한 하한은 3㎛이며, 보다 바람직하게는 8㎛이며, 가장 바람직하게는 15㎛이다. 또한, 바람직한 평균 입경의 상한은 95㎛이며, 보다 바람직하게는 85㎛이며, 가장 바람직하게는 70㎛이다.
여기서, [A]의 평균 입경이란, 미(Mie)의 산란·회절 이론에 기초하는 레이저 회절식 입도 분포계로 측정되는 입도 분포의 소입경측으로부터의 누적 도수가 50％가 되는 입경(d50)이다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]는, 발생 가스의 성분이 되는 저비점의 올리고머를 제거할 수 있는 관점에서, 열처리된 것이 바람직하다.
열처리의 방법으로서는 질소 분위기 하에서의 가열이나 과산화물 등의 가교제를 첨가한 가열법을 들 수 있지만, 질소 분위기 하에서 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 발생 가스를 효율적으로 제거하기 위해 교반하거나 분말을 얇게 빈틈없이 채운 상태에서 가열하는 것이 바람직하다.
가열 처리의 온도의 하한은 150℃ 이상인 것이 바람직하고, 200℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 250℃ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 열처리 온도가 150℃보다도 낮으면, 저비점 올리고머를 효율적으로 제거할 수 없다. 열처리의 온도 상한으로서는, [A]를 구성하는 폴리아릴렌술피드 수지의 융점 미만인 것이 바람직하고, 융점보다 5℃ 이상 낮은 온도가 보다 바람직하고, 융점보다 10℃ 이상 낮은 온도가 더욱 바람직하다. 융점을 초과하면 조형 시에 조형물 주변의 분말이 용융되고, 평균 입경 및 균일도가 변화되어, 분말의 유동성이 현저하게 손상되어버릴 우려가 있다. 열처리의 시간은, 올리고머를 충분히 제거하기 위해서, 1시간 이상 24시간 이하가 바람직하고, 2시간 이상 10시간 이하가 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]의 함유량은, 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여, 상기 [A]를 20중량부 이상 100중량부 이하 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 인장 강도를 향상시키기 위해서, 보다 바람직하게는 40중량부 이상 100 중량부 이하이며, 가장 바람직하게는 70중량부 이상 100 중량부 이하이다.
그 중에서도, 저비점 올리고머를 효율적으로 제거할 수 있는 점에서, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]는 리사이클 수지 분말인 것이 바람직하다. 리사이클 수지 분말이란, 3D 프린터 장치에 공급되어 장치 내에서 가열된 수지 분말 중, 조형에 사용되지 않은 수지 분말을 회수한 것을 가리킨다. 이러한 리사이클 수지 분말은, 예를 들어 분말상 용융 결합법의 3D 프린터 장치(가부시키가이샤 애스펙트사제 Rafael300HT)를 사용하여, 250 내지 275℃의 질소 분위기 하에 조형 시간 1 내지 20시간 조형했을 때, 조형에 사용되지 않은 수지 분말을 회수함으로써 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서는, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A] 이외의 수지 분말로서, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]를 포함하는 것이 바람직하다. [B]는, 이하의 (b1) 내지 (b3)의 조건을 모두 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말이다.
(b1) 발생 가스양이 0.25wt％ 초과 0.40wt％ 이하
(b2) 멜트 플로 레이트가 75g/10min 초과 125g/10min 이하
(b3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]의 조건 (b1)로서는, 인장 강도를 유지하기 위해서, [B]의 발생 가스양이 0.25wt％ 초과 0.40wt％ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]의 조건 (b2)로서는, 성형성의 관점에서, [B]의 멜트 플로 레이트가 75g/10min 초과 125g/10min 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]의 조건 (b3)으로서는, 성형 시의 균일성을 높이기 위해서, [B]의 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.
여기서, [B]의 발생 가스양, [B]의 멜트 플로 레이트, [B]의 평균 입경은, [A]와 마찬가지의 평가법 및 산출법에 의해 유도된다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]의 함유량은, 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여, 상기 [B]가 1중량부 이상 50 중량부 이하인 것이 바람직하다. 또한, 조형물의 인장 강도나 성형성의 밸런스로부터, 보다 바람직하게는 1중량부 이상 30 중량부 이하, 가장 바람직하게는 1중량부 이상 20 중량부 이하이다. [B]의 비율이 적을수록, 가스 발생량이 많은 수지의 비율이 적어지기 때문에 보이드 저감의 면에서 효과적이다.
본 발명의 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A] 및 [B]의 입도 분포(균일도)는, 분체압이 가해졌을 때의 압축도가 낮아지기 때문에, 4.0 이하인 것이 바람직하다. 균일도는, 바람직하게는 3.2 이하이며, 보다 바람직하게는 3.0 이하이며, 더욱 바람직하게는 2.8 이하이며, 특히 바람직하게는 2.5 이하이며, 현저하게 바람직하게는 2.0 이하이다. 균일도의 하한은 이론적으로는 1.0이지만, 현실적으로는 1.1 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.2 이상이며, 특히 바람직하게는 1.3 이상이며, 현저하게 바람직하게는 1.4 이상이다.
여기서, 균일도란, 전술한 방법에 의해 측정한 입도 분포(미(Mie)의 산란·회절 이론에 기초하는 레이저 회절식 입도 분포계로 측정되는 입도 분포)의 소입경측으로부터의 누적 도수가 60％가 되는 입경(d60)을 소입경측으로부터의 누적 도수가 10％가 되는 입경(d10)으로 나눈 값이다.
본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지 분말을 구성하는 폴리아릴렌술피드 수지는, 식, -(Ar-S)-의 반복 단위를 주요 구성 단위로 하는, 호모폴리머 또는 코폴리머이다. Ar은 결합손이 방향환에 존재하는 방향환을 포함하는 기이며, 하기 식 (A) 내지 식 (K) 등으로 표시되는 2가의 반복 단위 등이 예시되지만, 그 중에서 식 (A)로 표시되는 반복 단위가 특히 바람직하다.
Figure pct00001
단, 식 중의 R1, R2는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 알콕시기 및 할로겐기에서 선택된 치환기이며, R1과 R2는 동일하여도 달라도 된다.
또한, 본 발명에 있어서의 폴리아릴렌술피드 수지는, 상기 반복 단위를 포함하는 랜덤 공중합체, 블록 공중합체 및 그들의 혼합물 중 어느 것이어도 된다. 이들의 대표적인 것으로서, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리페닐렌술피드 술폰 수지, 폴리페닐렌술피드 케톤 수지, 이들의 랜덤 공중합체, 블록 공중합체 및 그들의 혼합물 등을 들 수 있다. 특히 바람직한 폴리아릴렌술피드 수지로서는, 폴리머의 주요 구성 단위로서 p-페닐렌술피드 단위를 80몰％ 이상, 특히 90몰％ 이상 함유하는 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리페닐렌술피드 술폰 수지, 폴리페닐렌술피드 케톤 수지를 들 수 있다. 가장 바람직한 것은 폴리페닐렌술피드 수지이다.
본 발명에 사용하는 폴리아릴렌술피드 수지 분말의 재결정화 온도는 150℃ 이상 210℃ 이하인 것이 바람직하다. 폴리아릴렌술피드 수지의 재결정화 온도가 150℃ 미만이면 레이저광 조사 후의 고화가 현저하게 느려지고, 용융 수지의 상부에 분말층을 적층할 때에 균일한 분말면(粉面)을 형성할 수 없다. 또한, 폴리아릴렌술피드 수지의 재결정화 온도가 210℃를 초과하면, 레이저광 조사에 의해 용융된 수지가 결정화됨으로써 수축·휨이 발생한다. 분말상 용융 결합법에 있어서는, 용융 수지에 휨이 발생하면, 용융 수지의 상부에 분말층을 적층할 때에 휘어진 용융 수지가 끌어당겨져, 원하는 형상의 삼차원 조형물을 얻을 수 없다. 여기서 재결정화 온도는 폴리아릴렌술피드 수지를 질소 분위기 중, 시차 주사 열량계를 사용하여, 50℃부터 340℃까지 20℃/min으로 승온 후, 340℃에서 5분간 유지하고, 340℃에서 50℃까지 20℃/min으로 강온했을 때의 결정화 시의 발열 피크의 정점 온도를 가리킨다. 재결정화 온도의 바람직한 하한은 150℃이고, 보다 바람직하게는 153℃이고, 더욱 바람직하게는 155℃이고, 특히 바람직하게는 160℃이다. 재결정화 온도의 바람직한 상한은 210℃이고, 보다 바람직하게는 205℃이고, 더욱 바람직하게는 200℃이고, 특히 바람직하게는 195℃이다.
본 발명의 수지 분말은 상술한 [A], [B] 이외의 임의의 수지 분말을 사용할 수 있다. 예를 들어, 에폭시 수지나 아크릴 수지 등으로 구성되는 열경화성 수지 입자, [A], [B] 이외의 폴리아릴렌술피드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리부틸테레프탈레이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리카르보네이트 수지 등으로 구성되는 열가소성 수지 입자를 들 수 있다. 이들 수지 분말은 1종류뿐만 아니라, 복수종을 조합하여 배합해도 된다.
본 발명의 수지 분말 혼합물은, 조형물의 인장 강도를 향상시키기 위해서, 무기 강화재를 첨가시킬 수 있다.
본 발명에서 사용하는 무기 강화재의 크기는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 최대 치수가 1㎛ 이상 400㎛ 이하인 것을 사용할 수 있다. 삼차원 조형물의 인장 강도를 보다 발휘하기 위해서는 20㎛ 이상이 보다 바람직하고, 50㎛ 이상이 보다 바람직하다. 또한, 수지 분말 혼합물의 유동성은 무기 강화재의 치수가 클수록 악화되어버리는 관점에서 200㎛ 이하가 바람직하고, 170㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 여기서, 최대 치수란, 전자 현미경을 사용하여 무기 강화재를 관찰하여, 1만배 이상 10만배 이하로 확대한 화상으로부터, 무작위로 임의의 100개의 무기 강화재를 선택하여, 각각의 무기 강화재의 외측 윤곽선 상에서 2점의 거리가 최대가 되는 길이를 최대 길이로서 계측한 값의 개수 평균값이다.
무기 강화재가 섬유상인 경우, 섬유 직경이 0.1㎛ 이상 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 섬유 직경의 보다 바람직한 하한은 0.5㎛이며, 특히 바람직하게는 1㎛이다. 또한, 섬유 직경의 보다 바람직한 상한은 40㎛이며, 특히 바람직하게는 30㎛이다.
본 발명의 무기 강화재로서는, 탈크, 규산 함유 화합물, 광물, 유리 섬유, 글래스 비즈, 유리 플레이크, 발포 글래스 비즈, 단결정 티타늄산칼륨, 탄소 섬유, 카본 나노튜브, 카본 블랙, 무연탄 분말, 산화티타늄, 산화마그네슘, 티타늄산칼륨, 마이카, 아스베스토, 아황산칼슘, 규산칼슘, 황화몰리브덴, 보론 섬유, 탄화규소 섬유 등을 들 수 있지만, 바람직하게는 탄소 섬유, 유리 섬유, 글래스 비즈이다. 또한, 이들 무기 강화재는 각각 단독으로 혹은 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 탄소 섬유의 체적 고유 저항률은, 낮을수록 분말 혼합물로서 혼합할 때, 대전에 의한 섬유의 응집이 발생하기 어려워지기 때문에, 바람직하다. 체적 고유 저항률은 20×10-4Ω·cm 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 체적 고유 저항률이란, 로빙으로부터 잘라낸 탄소 섬유 다발의 전기 저항값을 측정하여, 하기 식에 의해 구한 값이다.
체적 고유 저항률=저항값(Ω)×탄소 섬유 다발폭(mm)×탄소 섬유 다발 두께(mm)×탄소 섬유 다발 길이(mm)
본 발명에 있어서의 무기 강화재의 함유량은, 수지 분말 혼합물을 100중량％로 하여, 상기 무기 강화재를 5중량％ 이상 40중량％ 이하 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본원에서 수지 분말 혼합물이란, [A], [B] 및 [A], [B] 이외의 성분을 포함하는 수지 분말, 무기 강화제, 무기 입자, 기타 성분의 혼합물, 즉 모든 원료를 혼합한 물질을 가리킨다. 무기 강화재가 5중량％ 이상이면 조형물의 보다 높은 보강 효과를 얻을 수 있기 때문에 바람직하고, 또한 10중량％ 이상이 바람직하고, 15중량％ 이상이 보다 바람직하다. 또한, 40중량％ 이하라면 삼차원 조형물의 외관을 손상시키지 않고 양호한 조형물이 얻어지기 쉽고, 35중량％ 이하가 바람직하고, 30중량％ 이하가 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 수지 분말 혼합물의 유동성을 더욱 개선하기 위해서, 무기 입자를 첨가할 수 있다. 수지 분말 혼합물의 유동성은, 수지 분말의 입경이 작으면 근방의 입자와의 상호 작용에 의해 악화되지만, 수지 분말보다도 입경이 작은 무기 입자를 첨가함으로써 입자간 거리를 확장하여, 분말 혼합물의 유동성을 개선하는 경향이 있다.
본 발명에 있어서의 무기 입자의 평균 입경은, 20nm 이상 500nm 이하인 것이 바람직하다. 무기 입자의 평균 입경이 500nm 이하이면, 수지 분말 혼합물에 대하여 균일하게 분산되기 쉽다. 또한, 무기 입자의 평균 입경이 20nm 이상이면, 수지 분말 혼합물의 유동성을 향상시키는 충분한 효과가 얻어진다. 여기서, 평균 입경은, 상기 수지 분말의 평균 입경과 마찬가지의 방법으로 측정한 값이다.
무기 입자의 평균 입경의 상한은, 바람직하게는 400nm이며, 보다 바람직하게는 300nm이며, 특히 바람직하게는 250nm이며, 현저하게 바람직하게는 200nm이다. 하한은, 바람직하게는 30nm이며, 보다 바람직하게는 40nm이며, 특히 바람직하게는 50nm이다.
본 발명의 무기 입자로서는, 탄산칼슘 입자, 실리카(이산화규소) 미립자, 용융 실리카 입자, 결정 실리카 입자, 알루미나(산화알루미늄) 입자, 알루미나 함유 화합물 입자, 알루미늄 입자 등을 들 수 있다. 바람직하게는 실리카 미립자를 들 수 있고, 그 중에서 인체에 대한 유해성이 작은 비정질 실리카 입자가 공업상 매우 바람직하다.
무기 입자의 형상으로서는, 구상, 다공상, 중공형, 부정 형상 등이 있고, 본 발명에 있어서의 무기 입자의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 양호한 유동성을 나타내는 점에서 그 중에서도 구상인 것이 바람직하다.
이 경우, 구상이란 진구뿐만 아니라, 변형된 구도 포함한다. 또한, 무기 입자의 형상은, 입자를 이차원으로 투영했을 때의 원형도로 평가한다. 여기서 원형도란, (투영한 입자상의 면적과 동등한 원의 주위 길이)/(투영한 입자의 주위 길이)이다. 무기 입자의 평균 원형도는 0.7 이상 1.0 이하가 바람직하고, 0.8 이상 1.0 이하가 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.9 이상 1.0 이하가 바람직하다.
본 발명의 무기 입자의 혼합 비율은, 수지 분말 혼합물을 100중량％로 하여, 상기 무기 입자를 0.1중량％ 이상 0.5중량％ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1중량％ 이상 0.3중량％ 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.1중량％ 이상 0.2중량％ 이하이다.
본 발명의 수지 분말의 제조 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 중합으로 얻어지는 입자를 수지 입자로 할 수도 있고, 수지를 펠릿이나 섬유, 필름을 제작한 것 등으로부터 입자를 얻을 수도 있다. 또한, 사용하는 수지 입자의 형태에 따라서 후술하는 분쇄 처리를 행할 수 있다. 또한, 용매에 원재료를 용해시킨 후에 스프레이 드라이하는 방법, 용매 내에서 에멀션을 형성한 후에 빈용매에 접촉시키는 빈용매 석출법, 용매 중에서 에멀션을 형성한 후에 유기 용매를 건조 제거하는 액 중 건조법, 입자화하고자 하는 수지 성분과 그것과는 다른 수지 성분을 기계적으로 혼련함으로써 바다 섬 구조를 형성시키고, 그 후에 바다 성분을 용매로 제거하는 강제 용융 혼련법도 들 수 있다. 그 중에서도, 경제성의 관점에서 분쇄 처리가 적합하게 사용된다. 분쇄 처리의 방법에 특별히 제한은 없고, 디스크 밀, 제트 밀, 비즈 밀, 해머 밀, 볼 밀, 샌드 밀, 터보 밀, 냉동 분쇄를 들 수 있다. 바람직하게는 터보 밀, 제트 밀, 냉동 분쇄 등의 건식 분쇄이며, 더욱 바람직하게는 냉동 분쇄이다.
본 발명의 수지 분말 혼합물은, 수지 분말과 첨가물을 균일하게 혼합하는 것이 중요하다. 혼합 방법은 특별히 제한되지 않지만, 수지 분말이나 무기 강화재, 무기 입자 등을 봉입한 용기째로 회전시키는 혼합 방법이 혼합물의 회수나 운용면에 있어서 바람직하고, 적어도 용기를 회전시키는 제1 회전축과, 해당 제1 회전축에 의한 회전 방향과는 다른 방향으로 용기를 상기 제1 회전축과 함께 회전시키는 제2 회전축을 포함하는 복수의 회전축을 갖는 용기에 봉입하고, 상기 복수의 회전축을 동시에 회전시켜 혼합하는 것이 바람직하다. 복수의 회전축에 있어서의 회전축끼리의 각도는 특별히 한정되지 않지만, 회전축이 직각으로 교차되는 것이 바람직하다. 상기 복수의 회전축을 갖는 혼합기로서는, 예를 들어 복수의 회전축을 갖는 크로스 로터리 믹서나, 복수의 회전축을 갖는 텀블러 믹서를 들 수 있다. 혼합 용기의 회전수는 회전 방향에 관계없이, 3.5rpm 이상 35rpm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 15rpm 이상 30rpm 이하이다. 혼합 시간은 장시간이면 일수록 균일 혼합에 대하여 효과적이고, 15분 이상이 바람직하고, 20분 이상이 보다 바람직하다. 또한 7분 이하의 단시간이면 혼합 후에도 불균일한 상태로 되기 때문에 조형물의 강도가 저하되어버린다.
상기 복수의 회전축을 갖는 혼합기로서는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같은 복수의 회전축을 갖는 크로스 로터리 믹서나, 도 2에 도시한 바와 같은 복수의 회전축을 갖는 텀블러 믹서를 들 수 있다. 복수의 회전축을 갖는 크로스 로터리 믹서는, 예를 들어 도 1에 나타내는 바와 같이, 수지 분말과 첨가물을 봉입한 용기(1)를 자전시키는 제1 회전축(2)과, 해당 제1 회전축(2)에 의한 회전 방향과는 다른 방향으로 용기(1)를 제1 회전축(2)과 함께 회전시키는 제2 회전축(3)을 구비한 혼합기(100)이다. 복수의 회전축을 갖는 텀블러 믹서는, 예를 들어 도 2에 나타내는 바와 같이, 수지 분말과 첨가물을 봉입한 용기(11)를 회전시키는 제1 회전축(12)과, 해당 제1 회전축(12)에 의한 회전 방향과는 다른 방향으로 용기(11)를 제1 회전축(12)과 함께 회전시키는 제2 회전축(13)을 구비한 혼합기(200)이다. 혼합기(100, 200) 모두, 3개 이상의 회전축을 갖는 구조로 하는 것도 가능하다.
본 발명에 있어서, 섬유 형상의 무기 강화재를 사용하는 경우, 용기 내부에 회전날 또는 교반 날개가 탑재되어 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이들을 사용하면 섬유의 응집이 해소되어, 보다 균일하게 혼합하는 것이 가능하다. 회전날 또는 교반 날개는 1개의 용기에 대하여 1개 이상 탑재되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 회전수는 100rpm 이상 1,000rpm 이하가 바람직하고, 400rpm 이상 700rpm 이하가 보다 바람직하다.
본 발명의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 상술한 수지 분말 혼합물을 3D 프린터에 공급하여 제작한다. 본 발명의 삼차원 조형물의 조형 방식으로서는, 분말상 용융 결합법이 적합하다.
분말상 용융 결합법이란, 원료인 수지 분말 혼합물의 층을 형성하고, 원하는 조형물의 단면에 대응하는 위치를 레이저 등의 열원에 의해 용융, 용착시키고, 그 위에 추가로 수지 분말 혼합물의 층을 형성하는 조작을 반복함으로써, 3차원 조형물을 얻는 방식의 3D 프린트 방법이다.
또한, 분말상 용융 결합법 3D 프린터에 제공된 수지 분말 혼합물은, 적절히 회수되고, 예를 들어 용해 석출시켜 분말화하여 재생하거나, 눈 크기 1mm의 체로 수지 분말 이외의 용융 수지를 제거하는 처리를 행한 것을 그대로, 혹은 미사용의 수지 분말 혼합물과 혼합하여, 다시 3D 프린터 장치에 공급하거나 하는 것이 가능하다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예로 구체적으로 설명한다. 또한, 각종 측정법은 이하와 같다.
<원료>
·폴리아릴렌술피드 수지 분말([A] 및 [B] 등)
[제조예 1]
교반기 구비 1리터 오토클레이브에, 47중량％ 수황화나트륨 1.00몰, 46중량％ 수산화나트륨 1.05몰, N-메틸-2피롤리돈(NMP) 1.65몰, 아세트산나트륨 0.45몰 및 이온 교환수 5.55몰을 투입하고, 상압에서 질소를 통과시키면서 225℃까지 약 2시간에 걸쳐 서서히 가열하여, 물 11.70몰 및 NMP 0.02몰을 유출(留出)시킨 후, 반응 용기를 160℃로 냉각시켰다.
이어서, p-디클로로벤젠(p-DCB) 1.02몰, NMP 1.32몰을 첨가하여, 반응 용기를 질소 가스 하에 밀봉하고, 400rpm으로 교반하면서, 160℃부터 240℃까지 0.4℃/분의 속도, 240℃부터 270℃까지 0.4℃/분의 속도로 2단계 승온시켰다. 270℃ 도달 10분 경과 후에 물 0.75몰을 15분에 걸쳐 계 내에 주입하였다. 270℃에서 120분 경과 후, 200℃까지 1.0℃/분의 속도로 냉각시키고, 그 후, 실온 근방까지 급랭시켜 내용물을 취출하였다.
내용물을 취출하여, 0.5리터의 NMP로 희석 후, 용제와 고형물을 체(80mesh)로 여과 분리하고, 얻어진 고형물을 1리터의 온수로 수회 세정한 후, 고형물의 폴리아릴렌술피드에 대하여 0.45중량％의 아세트산칼슘·1수화물 800g을 첨가하여 세정하고, 또한 1리터의 온수로 세정, 여과 분리하여 케이크를 얻었다.
얻어진 케이크를 질소 기류 하, 120℃에서 건조 후에 분쇄하여, 발생 가스양 0.34wt％, 멜트 플로 레이트 150g/10min, 평균 입경 50㎛, 재결정화 온도 178℃의 PPS 수지 분말(폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 이외: [C1])을 얻었다.
[제조예 2]
제조예 1에서 얻어진 PPS 수지 분말 10kg 사용하여, 분말상 결합 방식에 3D 프린터(가부시키가이샤 애스펙트제, Rafael300HT)를 사용하여, 4mm×20mm×155mm의 입체 조형물의 제조를 행하였다. 설정 조건은, 60WCO2 레이저를 사용하고, 적층 높이 0.1mm, 레이저 주사 간격 0.1mm, 레이저 주사 속도 10m/s, 레이저 출력 35W, 온도 설정 260℃(질소 분위기 하), 조형 시간 5시간으로 하였다. 조형 종료 후, 조형에 사용되지 않은 수지 분말을 회수하였다(폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]: [A1]). 이 수지 분말의 발생량 가스양은 0.11wt％, 멜트 플로 레이트는 45g/10min, 평균 입경은 50㎛, 재결정화 온도는 178℃였다.
[제조예 3]
제조예 2의 제법을 2회 반복하였다. 즉, 제조예 1에서 얻어진 PPS 수지 분말에 대하여, 온도 260℃, 10시간의 열 이력을 받은 상태의 PPS 수지 분말을 회수하였다(폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]: [A2]). 이 수지 분말의 발생 가스양은 0.02wt％, 멜트 플로 레이트는 28g/10min, 평균 입경은 50㎛, 재결정화 온도는 178℃였다.
[제조예 4]
교반기 구비 1리터 오토클레이브에, 47중량％ 수황화나트륨 1.00몰, 46중량％ 수산화나트륨 1.05몰, NMP 1.65몰, 아세트산나트륨 0.45몰 및 이온 교환수 5.55몰을 투입하고, 상압에서 질소를 통과시키면서 225℃까지 약 2시간에 걸쳐 서서히 가열하여, 물 11.70몰 및 NMP 0.02몰을 유출시킨 후, 반응 용기를 160℃로 냉각시켰다.
이어서, p-DCB 1.02몰, NMP 1.32몰을 첨가하여, 반응 용기를 질소 가스 하에 밀봉하고, 400rpm으로 교반하면서, 160℃부터 240℃까지 0.4℃/분의 속도, 240℃부터 270℃까지 0.4℃/분의 속도로 2단계 승온시켰다. 270℃ 도달 10분 경과 후에 물 0.75몰을 15분에 걸쳐 계 내에 주입하였다. 270℃에 130분 경과 후, 200℃까지 1.0℃/분의 속도로 냉각시키고, 그 후, 실온 근방까지 급랭시켜 내용물을 취출하였다.
내용물을 취출한 후에는 제조예 1과 마찬가지로 세정, 여과 분리, 건조, 분쇄하여, 발생 가스양 0.34wt％, 멜트 플로 레이트 110g/10min, 평균 입경 50㎛, 재결정화 온도 178℃의 PPS 수지 분말(폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B])을 얻었다.
[제조예 5]
교반기 구비 70리터 오토클레이브에, 47.5％ 수황화나트륨 70.00몰, 96％ 수산화나트륨 69.80몰, NMP 115.50몰, 아세트산나트륨 23.10몰 및 이온 교환수 583.3몰을 투입하고, 상압에서 질소를 통과시키면서 245℃까지 약 3시간에 걸쳐 서서히 가열하여, 물 821.1몰 및 NMP 2.82몰을 유출시킨 후, 반응 용기를 200℃로 냉각시켰다.
이어서, p-DCB 71.07몰, NMP 94.50몰을 첨가하여, 반응 용기를 질소 가스 하에 밀봉하고, 240rpm으로 교반하면서 0.6℃/분의 속도로 200℃로부터 270℃까지 승온시켰다. 270℃에서 100분 경과 후, 급랭시켰다. 내측 온도가 100℃에 도달하면 오토클레이브의 바닥 마개 밸브를 개방하고, 질소로 가압하면서 내용물을 교반기 구비 용기에 15분에 걸쳐 플러쉬하고, 감압 진공(-0.1MPa) 하에 100℃에서 잠시 교반하여 대부분의 NMP를 제거하였다.
얻어진 내용물과 이온 교환수 76리터를 교반기 구비 오토클레이브에 넣고, 70℃에서 30분 세정한 후, 유리 필터로 흡인 여과하였다. 이어서 70℃로 가열한 76리터의 이온 교환수를 유리 필터에 부어, 흡인 여과하여 케이크를 얻었다.
얻어진 케이크 및 이온 교환수 90리터를 교반기 구비 오토클레이브에 투입하고, pH가 7이 되도록 아세트산을 첨가하였다. 오토클레이브 내부를 질소로 치환한 후, 180℃까지 승온하여, 30분 유지하였다. 그 후 오토클레이브를 냉각시켜 내용물을 취출하였다.
내용물을 유리 필터로 흡인 여과한 후, 이것에 70℃의 이온 교환수 76리터를 쏟아 붓고, 흡인 여과하여 케이크를 얻었다. 얻어진 케이크를 진공 -0.1MPa 하에, 60℃에서 건조 후에 분쇄하여, 발생 가스양 0.18wt％, 멜트 플로 레이트 1200g/10min, 평균 입경 50㎛, 재결정화 온도 217℃의 PPS 수지 분말(폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 이외: [C2])을 얻었다.
[제조예 6]
제조예 1에서 얻어진 PPS 수지 분말을 금속 배트(vat)에 두께 5cm로 빈틈없이 채워 열풍 오븐 내에 정치하고, 대기 하 270℃, 2시간 30분 가열하여, 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 이외: [C3]을 얻었다. 이 수지 분말의 발생 가스양은 0.36wt％, 멜트 플로 레이트는 70g/10min, 평균 입경은 54㎛, 재결정화 온도는 178℃였다.
[제조예 7]
교반기 구비 오토클레이브에, 47.5％ 수황화나트륨 70.00몰, 96％ 수산화나트륨 70.20몰, NMP 140.00몰, 아세트산나트륨 26.67몰 및 이온 교환수 583.3몰을 투입하고, 상압에서 질소를 통과시키면서 240℃까지 약 3시간에 걸쳐 서서히 가열하여, 물 819.0몰 및 NMP 2.82몰을 유출시킨 후, 반응 용기를 160℃로 냉각시켰다.
이어서, p-DCB 70.24몰, NMP 65.17몰을 첨가하여, 반응 용기를 질소 가스 하에 밀봉하고, 240rpm으로 교반하면서, 200℃부터 250℃까지 0.8℃/분의 속도로 승온하여, 250℃에서 70분 유지하였다. 이어서, 250℃부터 278℃까지 0.8℃/분의 속도로 승온하여, 278℃에서 78분 유지하였다. 오토클레이브 저부의 발출 밸브를 개방하고, 질소로 가압하면서 내용물을 교반기 구비 용기에 15분에 걸쳐 플러쉬하고, 250℃에서 잠시 교반하여 대부분의 NMP를 제거하였다.
얻어진 내용물 및 이온 교환수 76리터를 교반기 구비 오토클레이브에 넣어, 70℃부터 30분 세정한 후, 유리 필터로 흡인 여과하였다. 이어서 70℃로 가열한 76리터의 이온 교환수를 유리 필터에 부어, 흡인 여과하여 케이크를 얻었다.
얻어진 케이크 및 이온 교환수 90리터를, 교반기 구비 오토클레이브에 투입하고, 오토클레이브 내부를 질소로 치환한 후, 192℃까지 승온하여, 30분 유지하였다. 그 후 오토클레이브를 냉각시켜 내용물을 취출하였다.
내용물을 유리 필터로 흡인 여과한 후, 이것에 70℃의 이온 교환수 76리터를 쏟아 붓고, 흡인 여과하여 케이크를 얻었다. 얻어진 케이크를 질소 기류 하, 120℃에서 건조 후에 분쇄하여, 발생 가스양 0.10wt％, 멜트 플로 레이트 231g/10min, 평균 입경 300㎛, 재결정화 온도 220℃의 PPS 수지 분말(폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 이외: [C4])을 얻었다.
[기타 성분]
수지 분말 혼합물에 배합하는 수지 분말 이외의 성분으로서는, 탄소 섬유는 Zoltek 가부시키가이샤제 “PX35”를 사용하고, 유리 섬유는 닛폰 덴키 가라스 가부시키가이샤제 EPG70MD-01N을 사용하고, 무기 입자는 신에쯔 가가꾸 고교 가부시키가이샤제 X-24-9600 QSG-170을 사용하였다.
[수지 분말 혼합물의 혼합 방법]
본 발명에 있어서의 수지 분말 혼합물의 혼합 방법은, 도 1에 나타낸 바와 같은 2개의 회전축을 갖는 크로스 로터리 믹서를 사용하였다. 수지 분말, 무기 입자 및 무기 강화재를 용기에 봉입하여, 연속 횡전 운동(공전) 및 연속 회전 운동(자전)시키면서 혼합하였다.
<측정법>
[폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 및 [C]의 발생 가스양 평가]
용기에 10g의 폴리아릴렌술피드 수지 분말을 정칭(精秤)하고, 320℃의 오븐에서 2시간 가열하였다. 냉각 후, 중량을 측정하고, 이하의 식을 따라서 발생 가스양을 결정하였다.
(발생 가스양)=(가열 전의 수지 분말의 중량-가열 후의 수지 분말의 중량)/(가열 전의 수지 분말의 중량)×100(wt％).
[폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 및 [C]의 멜트 플로 레이트]
폴리아릴렌술피드 수지 분말을 사용하여, ASTM-D1238-70에 따라서, 315.5℃, 5kg 하중에서 측정하였다.
[폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], [B] 및 [C]의 평균 입경]
폴리아릴렌술피드 수지 분말의 평균 입경은, 레이저 회절·산란 방식 입도 분포 측정 장치(닛키소제, MT3300EXII)를 사용하고, 분산매로서 폴리옥시에틸렌쿠미루페닐에테르(상품명 노날 912A 도호 가가꾸 고교제)의 0.5중량％ 수용액을 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 마이크로트랙법에 의한 레이저의 산란광을 해석하여 얻어지는 미립자의 총 체적을 100％로 하여 누적 커브를 구하고, 소입경측으로부터의 누적 커브가 50％가 되는 점의 입경(메디안 직경: d50)을 수지 분말의 평균 입경으로 하였다.
[삼차원 조형물의 물성]
수지 분말 혼합물 10kg을 사용하여, 분말상 결합 방식에 3D 프린터(가부시키가이샤 애스펙트제, Rafael300HT)를 사용하고, 삼차원 조형물로서 XY 평면 방향으로 긴 변이 되는 덤벨형 시험편(4mm×20mm×155mm)을 제작하였다. 설정 조건은, 60WCO2 레이저를 사용하고, 적층 높이 0.1mm, 레이저 주사 간격을 0.1mm, 레이저 주사 속도를 10m/s, 레이저 출력을 35W, 온도 설정은 260℃로 하였다. 조형에 걸리는 시간은 5시간을 요하였다. 얻어진 시험편을 사용하고, 만능 시험기(가부시키가이샤 에이앤디제, 텐실론 만능 시험기 RTG-1250)로 인장 강도를 측정하였다. 측정 방법은, ISO-527-1에 따라서, 5회 측정한 평균값을 인장 강도로 하였다. 또한, 인장 시험 후의 시험편의 파단면으로부터 보이드의 발생 상태를 눈으로 봐서 관찰하고, 0.3mm 이상의 보이드가 10개 이상 관찰된 것을 ×, 10개 미만인 것을 Ο로서 평가하였다.
<실시예 1 내지 5, 비교예 1 내지 7>
각 표에 나타내는 수지 분말, 무기 입자 및 무기 강화재의 성분을 소정량, 배합·혼합하여, 수지 분말 혼합물을 얻었다. 표 1 및 표 2에, 성분과 배합량을 나타낸다(표 중에 있어서의 수지 분말의 숫자는, 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여 각 성분의 중량부를 나타낸다. 무기 입자 및 무기 강화재의 숫자는, 수지 분말 혼합물을 100중량％로 한 각 성분의 함유량이다).
이어서, 얻어진 수지 분말 혼합물을 사용하여 삼차원 조형물의 제작을 행하고, 인장 강도를 측정하였다. 각 실시예 및 비교예의 평가 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다. 단, 비교예 7은, 균일한 분말면을 형성할 수 없어, 조형물의 평가 측정을 할 수 없었다.
Figure pct00002
Figure pct00003
실시예 1 내지 5는, 비교예 1 내지 6과 비교하여, 조형물의 보이드가 적고, 조형물의 인장 강도는 높은 값을 나타냈다.
본 발명은, 보이드가 적고 인장 강도가 우수한 삼차원 조형물의 제조 방법, 나아가 그 재료로서 적합하게 사용되는 수지 분말 혼합물, 및 그 제조 방법을 제공하기 때문에, 자동차나 항공 우주, 산업, 의료 등이 폭넓은 용도에 적합하게 이용할 수 있다.
1, 11: 용기
2, 12: 제1 회전축
3, 13: 제2 회전축
100, 200: 혼합기

Claims (15)

  1. 이하의 (a1) 내지 (a3)을 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 포함하는 수지 분말 혼합물.
    (a1) 발생 가스양이 0.25wt％ 이하
    (a2) 멜트 플로 레이트가 5g/10min 이상 75g/10min 이하
    (a3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
  2. 제1항에 있어서, 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여, 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A]를 20중량부 이상 100 중량부 이하 포함하는, 수지 분말 혼합물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A], 및 이하의 (b1) 내지 (b3)을 만족시키는 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]를 포함하는, 수지 분말 혼합물.
    (b1) 발생 가스양이 0.25wt％ 초과 0.40wt％ 이하
    (b2) 멜트 플로 레이트가 75g/10min 초과 125g/10min 이하
    (b3) 평균 입경이 1㎛ 이상 100㎛ 이하
  4. 제3항에 있어서, 수지 분말의 총량을 100중량부로 하여, 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [B]를 1중량부 이상 50 중량부 이하 포함하는, 수지 분말 혼합물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 글래스 비즈에서 선택되는 적어도 1종의 무기 강화재를 함유하는, 수지 분말 혼합물.
  6. 제5항에 있어서, 수지 분말 혼합물을 100중량％로 하여, 상기 무기 강화재를 5중량％ 이상 40중량％ 이하 포함하는, 수지 분말 혼합물.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 무기 강화재의 최대 치수가 1㎛ 이상 400㎛ 이하인, 수지 분말 혼합물.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무기 강화재가 20×10-4Ω·cm 이하의 체적 고유 저항률을 갖는 탄소 섬유인, 수지 분말 혼합물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 입경 20nm 이상 500nm 이하인 무기 입자를 함유하는, 수지 분말 혼합물.
  10. 제9항에 있어서, 수지 분말 혼합물 100중량％로 하여, 상기 무기 입자를 0.1중량％ 이상 0.5중량％ 이하 포함하는, 수지 분말 혼합물.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 무기 입자가 구상의 실리카 미립자인, 수지 분말 혼합물.
  12. 상기 폴리아릴렌술피드 수지 분말 [A] 및 수지 분말 혼합물을 구성하는 기타 성분을, 적어도 용기를 회전시키는 제1 회전축과, 해당 제1 회전축에 의한 회전 방향과는 다른 방향으로 용기를 상기 제1 회전축과 함께 회전시키는 제2 회전축을 포함하는 복수의 회전축을 갖는 용기에 봉입하고, 상기 복수의 회전축을 동시에 회전시켜 혼합하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 수지 분말 혼합물의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 용기 내에 마련된 회전 블레이드로 수지 분말 혼합물을 구성하는 성분의 응집을 해소하면서 혼합하는, 수지 분말 혼합물의 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 수지 분말 혼합물을 3D 프린터에 공급하는 것을 특징으로 하는, 삼차원 조형물의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 3D 프린터가 분말상 용융 결합법의 3D 프린터인, 삼차원 조형물의 제조 방법.
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