[논문]3D 프린터 용 PLA/LDPE 고분자 블렌드 모노필라멘트

김유진; 최혜미; 신동수; 김규식; 장순호; 오태환

doi:10.12772/tse.2018.55.158

3D 프린터 용 PLA/LDPE 고분자 블렌드 모노필라멘트
PLA/LDPE Blend Monofilament for 3D Printing

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.55 no.3, 2018년, pp.158 - 163

김유진 (영남대학교 대학원 유기신소재공학과) , 최혜미 (영남대학교 대학원 유기신소재공학과) , 신동수 (클래비스) , 김규식 (클래비스) , 장순호 (한국섬유개발연구원) , 오태환 (영남대학교 대학원 유기신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of a compatibilizer and the blend ratio of low-density polyethylene (LDPE) on the 3D printability of polylactic acid (PLA)/LDPE monofilaments were investigated. Two kinds of PLA and LDPE with different melt indices (MI) were selected for the PLA/LDPE blend monofilaments. An ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer, having affinities for both PLA and LDPE, was used as a compatibilizer. The tensile strength of the PLA/LDPE monofilaments decreased with increasing amounts of LDPE. PLA with a lower MI of 6 showed better printability than PLA with higher MIs of 15-30, due to its higher viscosity. When the compatibilizer was added, the compatibility and 3D printability increased. The printability increased when the compatibilizer was added up to 20 wt.%, but decreased when LDPE was added at over 30 wt.%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PLA 단일고분자를 사용한 3D 프린팅 용 모노필라멘트는 이미 상업화가 이루어졌으나 타 고분자를 혼합한 PLA 블렌드 고분자 모노필라멘트에 대한 연구는 미미한 상태이다. 이에 본 연구에서는 3D 프린터 용 원료인 PLA 모노필라멘트의 제조원가 절감을 위한 방법으로 PLA 대비 상대적으로 저가(약 1.3 $/kg)인 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE)을 PLA와 용융 블렌드하여 각 고분자의 용융지수(melt index, MI), 상용화제의 첨가 여부, 블렌드 비율에 따른 모노필라멘트의 물성, 형태 변화 및 프린트성에 대해 살펴보았다.

제안 방법

3D 프린터의 소재로 사용되는 PLA 모노필라멘트의 제조원가를 낮추기 위한 블렌드 모노필라멘트를 제조하기 위해 가격이 저렴하고 가공성이 우수한 LDPE를 PLA 고분자의 MI 수준을 고려하여 2종을 선정하여 블렌드 하였다. PLA와 LPDE의 상용성을 높이기 위해 ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer 상용화제를 3 wt% 첨가하여 PLA MI, LDPE 비율, 상용화제 등의 PLA/LDPE 모노필라멘트의 3D 프린트성에 미치는 영향을 살펴보았다.
Figure 7과 8에는 PLA/LDPE 고분자 블렌드 모노필라멘트의 프린트성을 살펴보기 위해 3D 프린터를 이용해 PLA/LDPE 블렌드 모노필라멘트를 용융시켜 프린트성을 디지털현미경으로 촬영하여 인쇄되는 필라멘트의 주행성을 살펴보았다.
3D 프린터의 소재로 사용되는 PLA 모노필라멘트의 제조원가를 낮추기 위한 블렌드 모노필라멘트를 제조하기 위해 가격이 저렴하고 가공성이 우수한 LDPE를 PLA 고분자의 MI 수준을 고려하여 2종을 선정하여 블렌드 하였다. PLA와 LPDE의 상용성을 높이기 위해 ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer 상용화제를 3 wt% 첨가하여 PLA MI, LDPE 비율, 상용화제 등의 PLA/LDPE 모노필라멘트의 3D 프린트성에 미치는 영향을 살펴보았다.
블렌드 칩 제조 후 3D 프린트용 모노필라멘트이 제조는 모노필라멘트 용 소형 설비인 Noztek Pro filament extruder(Noztek, UK)를 사용하여 방사하였으며 압출온도는 210 ^oC, 방사속도는 5 m/min로 방사하였다(Figure 2).
에틸렌 반복단위는 LDPE에 친화성이 있고 부틸아크릴레이트와 글리시딜 메타아크릴레이트 반복단위는 PLA에 친화성이 있으며 글리시딜 메타아크릴레이트에 있는 에폭시기가 PLA의 말단에 있는 -COOH와 반응할 수 있다. 상용화제의 함량은 상용화제의 함량이 클 경우 제조원가 상승의 단점이 있어 일반적으로 사용되는 상용화제 첨가량 수준인 3 wt%로 고정하였다. 블렌드 조건 및 상용화제 함량 조건은 Table 1에 나타내었다.
시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC) Q200(TA Instruments)을 이용하여 열분석을 시행하였으며 온도범위는 30−220 oC이었고, 승온 속도는 20 oC/min로 하였다.
Table 1에 제시된 두 고분자의 블렌드를 위해 동방향 회전 쌍압출기(twin screw extruder)를 이용해 PLA/LDPE 고분자 블렌드 칩(chip)을 제조하였다. 압출기의 각 영역별 온도 조건은 100/150/210/220/220/230/230/240/250/260 ^oC로 설정하였다.
시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC) Q200(TA Instruments)을 이용하여 열분석을 시행하였으며 온도범위는 30−220 ^oC이었고, 승온 속도는 20 ^oC/min로 하였다. 주사전자현미경(scanning electron spectroscpy, SEM)은 S-4800(Hiatchi Co., Japan)을 이용하여 모노필라멘트 시료의 파단면을 관찰하였다. 프린트한 필라멘트 선은 디지털 현미경(Digital Microscope Z P4PM, China)을 사용해 촬영하였다.

대상 데이터

PLA 고분자는 일반 의류용 섬유 방사용으로 사용되는 MI 15−30(PLA 6201D, NatureWorks, USA) 범위의 등급과 모노필라멘트 용 MI 6(PLA 2030D, NatureWorks, USA)의 등급을 사용하였다. LDPE는 PLA의 MI 수준을 고려하여 MI 24(XJ710, Lotte Chemical Co., Korea), MI 7(LB7500, LG Chemical Co., Korea) 두 종류를 사용하였다. 상용화제로는 PLA와 LDPE 양쪽 모두에 친화성을 갖는 ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer(Evaloy, DuPont)[9,10]를 사용하였다.
PLA 고분자는 일반 의류용 섬유 방사용으로 사용되는 MI 15−30(PLA 6201D, NatureWorks, USA) 범위의 등급과 모노필라멘트 용 MI 6(PLA 2030D, NatureWorks, USA)의 등급을 사용하였다.
, Korea) 두 종류를 사용하였다. 상용화제로는 PLA와 LDPE 양쪽 모두에 친화성을 갖는 ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer(Evaloy, DuPont)[9,10]를 사용하였다. Figure 1에 ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer(EBA-GMA)의 화학구조를 나타내었다.

이론/모형

원사의 인장성질을 측정하기 위해 Instron사의 모델명 UTM Instron 3345를 이용하여 측정하였다. 파지거리는 50 mm이었고, 인장속도는 20 mm/min으로 5회 측정하였다.

성능/효과

PLA는 MI 6인 경우가 MI 15−30인 경우보다 점도가 커 프린트성이 우수하였고, LDPE의 함량이 20 wt%까지는 프린트성이 양호하였으나 30 wt% 함량에서는 프린트성이 불량하였다.
PLA와 LDPE는 비상용성 고분자이나 ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer 상용화제의 첨가에 의해 PLA와 LDPE 고분자의 상용성이 증가하는 것을 확인하였고 프린트성도 향상하는 것을 확인하였다. PLA는 MI 6인 경우가 MI 15−30인 경우보다 점도가 커 프린트성이 우수하였고, LDPE의 함량이 20 wt%까지는 프린트성이 양호하였으나 30 wt% 함량에서는 프린트성이 불량하였다.
그러나, 상용화제를 첨가한 경우의 PLA(MI 6)/LDPE(7) 고분자 블렌드 모노필라멘트는에 있어서, 순수 PLA(MI 6)의 인장강도가 72 MPa로 PLA(MI 15−30)의 인장강도 62 MPa보다 큰 것을 고려하더라도, 순수 LDPE(MI 7)의 인장강도 값이 19.4 MPa로 LDPE(MI 24)의 65.2 MPa보다 매우 낮아 블렌드 시 더 크게 감소되어야 하나 상용화제의 첨가 영향으로 PLA(MI 15−30)/LDPE(24)의 경우보다 감소폭이 적은 것으로 판단된다.
PLA의 MI가 높은 경우 PLA의 점도가 낮아 흐름성이 우수해 전반적으로 3D 프린트성은 좋지 않았다. 그림에서 볼 수 있듯이 프린팅된 고분자의 두께의 균일도가 우수하지 않았으며 LDPE의 함량이 증가할수록 더욱 나빠지는 경향을 나타내었다. PLA의 MI가 낮은 경우에는 PLA의 용융점도 증가로 인해 프린트성은 높은 MI의 PLA 보다 양호해졌다.
6 J/g을 나타내는데 이는 본 실험에서 제조한 PLA 모노필라멘트의 결정성이 낮은데 기인하는 것으로 판단된다. 본 실험에 사용된 소형 압출기는 별도의 연신장치가 부착되지 않은 시험용 모노필라멘트 압출기로 압출 속도와 권취속도가 매우 낮아 방사연신비가 매우 낮으며, 폴리에스터(polyester)계 고분자인 PLA의 신장이 적고 방사장력이 낮아 응력유도결정화(stress induced crystallization)가 이루어지지 않아 결정성이 매우 낮은 것으로 판단되며 LDPE의 경우는 저밀도 폴리에틸렌임에도 불구하고 신장에 의한 결정화는 적었으나 냉각에 의한 결정화에 기인하여 61.9 J/g의 용융열이 나탄난 것으로 판단된다.
반면에 상용화제 3 wt% 첨가에 따른 PLA/LDPE 고분자 블렌드의 SEM 사진(Figure 6)에서는 분산상인 PLA의 입자 모양이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 분산상의 형태가 뚜렷하지 않은 것은 상용화제의 첨가에 의해 분산상의 크기가 상용화제 미첨가 시 보다 매우 작아져 SEM 사진으로는 구분할 수 없는 수준으로, 상용화제의 첨가로 인해 PLA와 LDPE 간의 상용성이 향상됨을 확인하였다.
PLA와 LDPE의 서로 상용성이 없으므로 LDPE 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하는 경향을 나타낸다. 상용화제를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 인장강도 값을 비교하면 소량의 상용화제 첨가에 의해 인장강도는 상용화제를 첨가하지 않은 경우보다 약간 큰 경향을 나타내었다. 이 두 경우 사용된 PLA와 LDPE의 MI가 서로 다르기 때문에 동등하게 비교할 수는 없다.
상용화제의 첨가로 인해 LDPE 함량이 20 wt%까지도 프린트성이 가능한 수준을 보였지만 30 wt% 첨가에서는 프린트성이 불량하였다. 연속상을 이루는 PLA의 MI가 3D 프린트용 필라멘트의 프린트성에 있어 중요한 인자이며, 비상용계인 LDPE 고분자를 블렌드하여 프린트가 가능하게 하기 위해서는 상용화제의 첨가가 반드시 필요한 것으로 판단된다.

후속연구

PLA와 LDPE의 고분자 블렌드 모노필라멘트의 3D 프린터 용 소재사로서의 가능성을 확인하였으며 추가적으로 상용화제 첨가량의 효과, 미세구조 정밀분석, PLA와 상용성이 우수한 폴리에스터계 고분자와의 추가 연구 등이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PLA의 장점은?	적층형에서는 파우더 형태나 고분자 필라멘트를 원료를 주로 사용하는데 3D 프린터 용 고분자 필라멘트의 경우 acrylonitrile butadiene styrene(ABS)와 PLA 고분자가 주로 사용된다[2−4]. PLA는 열가소성수지로 필라멘트 형태로 용융압출이 가능하고 인쇄된 제품의 강도, 내구성, 광택이 적절하다는 장점이 있다[5−8]. 그러나, 3D 프린터 용 PLA 원료 자체의 가격이 3.
	3D 프린터 용 고분자 필라멘트로 주요 사용되는 것은?	3D 프린팅은 입체 형상을 구현하는 방식에 따라 적층형과 절삭형으로 구분하며, 고분자 필라멘트를 이용하는 것은 적층형에 해당한다. 적층형에서는 파우더 형태나 고분자 필라멘트를 원료를 주로 사용하는데 3D 프린터 용 고분자 필라멘트의 경우 acrylonitrile butadiene styrene(ABS)와 PLA 고분자가 주로 사용된다[2−4]. PLA는 열가소성수지로 필라멘트 형태로 용융압출이 가능하고 인쇄된 제품의 강도, 내구성, 광택이 적절하다는 장점이 있다[5−8].
	저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE)을 PLA와 융융 블렌드하여 연구한 이유는?	PLA 단일고분자를 사용한 3D 프린팅 용 모노필라멘트는 이미 상업화가 이루어졌으나 타 고분자를 혼합한 PLA 블렌드 고분자 모노필라멘트에 대한 연구는 미미한 상태이다. 이에 본 연구에서는 3D 프린터 용 원료인 PLA 모노필라멘트의 제조원가 절감을 위한 방법으로 PLA 대비 상대적으로 저가(약 1.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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