하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)의 다양한 첨가량이 3D 프린팅용 모르타르의 인쇄성, 유변학적 특성 및 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하여 적절한 HPMC 첨가량을 논의하고, 미세 형태학적 분석과 함께 그 영향 메커니즘을 분석하였다. 연구 결과, HPMC 함량이 증가함에 따라 모르타르의 유동성이 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 압출성은 감소하지만 유동성 유지 능력은 향상되었다. 압출성, 형상 유지율 및 자중 하에서의 관통 저항성은 HPMC 함량 증가에 따라 크게 증가하여 적층성이 향상되고 프린팅 시간이 연장되었다. 유변학적 관점에서 보면, HPMC 함량이 증가함에 따라 슬러리의 겉보기 점도, 항복 응력 및 소성 점도가 크게 증가하여 적층성이 향상되었다. 요변성은 HPMC 함량 증가에 따라 처음에는 증가하다가 감소하는 경향을 보였으며, 이로 인해 프린팅성이 향상되었다. HPMC 함량이 너무 높으면 모르타르의 다공성이 증가하고 강도가 저하됩니다. HPMC 함량은 0.20%를 초과하지 않는 것이 좋습니다.
최근 3D 프린팅(적층 제조) 기술은 급속도로 발전하여 생명공학, 항공우주, 예술 창작 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 3D 프린팅 기술의 금형 없는 공정은 재료의 특성과 구조 설계의 유연성을 크게 향상시켰으며, 자동화된 시공 방식은 인력 절감은 물론 다양한 열악한 환경의 건설 프로젝트에도 적합하게 만들었습니다. 3D 프린팅 기술과 건설 분야의 결합은 혁신적이고 유망한 분야입니다. 현재 시멘트계 재료의 3D 프린팅 대표적인 공정으로는 압출 적층 공정(윤곽 성형 공정 포함)과 콘크리트 프린팅 및 분말 접착 공정(D형 공정)이 있습니다. 이 중 압출 적층 공정은 기존 콘크리트 성형 공정과의 차이가 적고 대형 부품 제작이 용이하며 시공 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있어 시멘트계 재료 3D 프린팅 기술 연구의 주요 관심사로 떠오르고 있습니다.
3D 프린팅용 "잉크 재료"로 사용되는 시멘트계 재료는 일반 시멘트계 재료와는 다른 성능 요구 조건을 갖습니다. 우선, 새로 혼합된 시멘트계 재료는 작업성이 좋아야 하고, 시공 과정에서 원활한 압출이 이루어져야 합니다. 또한, 압출된 시멘트계 재료는 적층성이 있어야 하는데, 즉 자체 무게와 상부층의 압력에도 무너지거나 크게 변형되지 않아야 합니다. 게다가, 3D 프린팅의 적층 공정에서는 층간 계면의 우수한 기계적 특성을 확보하기 위해 3D 프린팅 건축 자재는 접착력 또한 좋아야 합니다. 요컨대, 압출성, 적층성, 그리고 높은 접착력을 동시에 고려하여 설계해야 합니다. 시멘트계 재료는 건설 분야에서 3D 프린팅 기술을 적용하기 위한 필수 조건 중 하나입니다. 시멘트계 재료의 수화 과정과 유동학적 특성을 조절하는 것은 위의 프린팅 성능을 향상시키는 두 가지 중요한 방법입니다. 시멘트질 재료의 수화 과정 조절은 구현하기 어렵고 배관 막힘 등의 문제를 야기하기 쉽습니다. 또한, 유동학적 특성 조절은 프린팅 공정 중 유동성을 유지하고 압출 성형 후 구조화 속도를 확보하는 데 필수적입니다. 현재 연구에서는 점도 조절제, 광물 혼화제, 나노점토 등을 사용하여 시멘트계 재료의 유동학적 특성을 조절함으로써 프린팅 성능을 향상시키고 있습니다.
하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)는 흔히 사용되는 고분자 증점제입니다. 분자 사슬의 하이드록실기와 에테르 결합은 수소 결합을 통해 자유수와 결합할 수 있습니다. 콘크리트에 HPMC를 첨가하면 응집력과 수분 보유력을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 현재 시멘트계 재료의 물성에 대한 HPMC의 영향 연구는 주로 유동성, 수분 보유력, 유변학적 특성에 초점을 맞추고 있으며, 3D 프린팅용 시멘트계 재료의 특성(압출성, 적층성 등)에 대한 연구는 미미합니다. 또한, 3D 프린팅에 대한 통일된 표준이 부족하여 시멘트계 재료의 프린팅성 평가 방법이 아직 확립되지 않았습니다. 재료의 적층성은 상당한 변형이 발생하는 프린팅 가능 레이어 수 또는 최대 프린팅 높이로 평가되지만, 이러한 평가 방법은 주관성이 높고 범용성이 떨어지며 과정이 복잡합니다. 따라서 엔지니어링 응용 분야에서 성능 평가 방법은 큰 잠재력과 가치를 지닙니다.
본 논문에서는 모르타르의 3D 프린팅성을 향상시키기 위해 시멘트계 재료에 다양한 함량의 HPMC를 첨가하고, 프린팅성, 유동학적 특성, 기계적 특성 연구를 통해 HPMC 함량이 3D 프린팅 모르타르의 특성에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다. 유동성 등의 평가 결과를 바탕으로 최적량의 HPMC를 배합한 모르타르를 선정하여 프린팅 검증을 수행하고, 프린팅된 제품의 관련 매개변수를 측정하였다. 시료의 미세 형태 연구를 통해 프린팅 재료의 성능 변화에 대한 내부 메커니즘을 규명하였다. 또한, 본 연구를 통해 시멘트계 3D 프린팅 재료의 프린팅 성능에 대한 종합적인 평가 방법을 확립하고, 건설 분야에서 3D 프린팅 기술의 활용을 촉진하고자 하였다.
게시 시간: 2022년 9월 27일