KR100690369B1 - 플라즈마 파쇄제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파쇄가 요구되는 목적물을 정밀하게 파쇄하는 플라즈마 파쇄제 혼합물에 관한 것으로 산화제(Oxidizer), 연료(Fuel), 고형화제(Solidifying agent), 미소중공구체(Hollow micro sphere)를 주성분으로 혼합하여 제조되는 것으로, 금속선에 대전류를 펄스파워(Pulse-power)형태로 급속방전 시켰을 때 발생되는 고온과 고압의 플라즈마(Plasma) 방전 에너지에 의해 안정적으로 팽창될 수 있는 조성비로 균일하게 혼합되어 구성됨으로써, 파쇄가 요구되는 목적물을 산화제와 연료의 연소반응 시에 발생되는 가스 팽창력을 이용하여 파쇄하며, 반응시에 완전연소반응을 유도하여 2차 폭발(Secondary explosion) 또는 2차 연소(Secondary combustion)를 하지 않도록 하며, 목적물의 파쇄 시 저소음, 저진동이며, 상기 혼합물에 고형화제를 첨가하여 지속적인 충격이 가해지거나 장기간 저장하여도 물질의 변질이 없는 특성을 가지며, 상기 혼합물에 미소중공구체를 혼합하여 고밀도에서도 충분한 감도(Sensitivity)를 유지하도록 한 것이 특징이다.

산화제(Oxidizer), 연료(Fuel), 고형화제(Solidifying agent), 미소중공구체(Hollow micro sphere)

Description

플라즈마 파쇄제 조성물 {Plasma smashing mixture}

본 발명은 플라즈마 파쇄제 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소 공급원(Oxidizer)인 강산 또는 중성화합물, 연료(Fuel)로 사용되는 니트릴 화합물, 고형화제(Solidifying agent)로 사용되는 무기물 또는 유기물, 미소중공구체(Hollow micro sphere)를 주성분으로 혼합하여 제조되는 것으로, 금속선에 대전류를 펄스파워형태로 급속방전 시켰을 때 발생되는 고온과 고압의 플라즈마 방전 에너지에 의해 안정적으로 팽창될 수 있는 조성비로 균일하게 혼합되어 구성됨으로써, 파쇄가 요구되는 목적물을 산화제와 연료의 연소반응 시에 발생되는 가스팽창력을 이용하여 파쇄하며, 목적물의 파쇄 시 저소음, 저진동이며, 반응시에 완전연소반응을 유도하여 2차 폭발(Secondary explosion) 또는 2차 연소(Secondary combustion)를 하지 않으며, 고형화제를 사용하여 지속적인 충격이 가해지거나 장기간 저장하여도 물질의 변질이 없으며, 미소중공구체를 혼합하여 고밀도에서도 충분한 감도(Sensitivity)를 유지하도록 한 특성을 가진 플라즈마 파쇄제 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 건축 또는 토목공사에서 콘크리트나 암반파쇄 등에 사용되는 화약류 및 폭약류는 내부의 혼합물이 약간의 열, 충격, 파편 등의 외부 충격에 의해 화학적으로 반응하게 되고 이 화학 반응에 순간 강한 충격파와 대량의 고온 고압 가스가 기체 팽창을 일으켜 목적물을 파쇄 한다.

그러나 이러한 화약류 및 폭약류는 불안정한 물질 이어서 외부의 충격과 마찰뿐만 아니라 열에 의해서도 급팽창 반응이 일어나게 되므로 상기 폭약이나 화약 등의 급팽창 물질의 취급에는 많은 안전사고의 위험이 있어 보관 시에는 매우 안정된 물질이면서 폭발 시엔 큰 폭발력을 얻거나 또는 필요한 정도의 폭발력을 얻도록 조절 가능한 폭발 물질의 개발이 요구되고 있다.

이러한 폭발 물질로는 한국 특허 등록 제213,577호에 개시되어 있는 급팽창 금속 혼합물을 들 수 있는데, 이는 산화제인 금속질산염과, 그 금속 질산염에 의해 산화하면서 발열하여 부피를 증가시키는 금속분말과, 그 금속 질산염과 금속분말의 산화반응을 촉진시키는 반응촉진제를 적정비율로 배합하여 제조된 것으로서 소음이 작으며 파편을 비산시키지 않는 효과를 얻을 수 있는 것으로 주장되고 있으나, 제조된 파쇄제가 습기에 취약하여 저장시 변질이 쉽게 발생되고, 변질된 후에는 반응 이 쉽게 일어나지 않기 때문에 전원 공급부에서 더불어 높은 고전압을 인가 해야하므로써 취급상 고도의 전기적인 제어성을 확보해야 하고 안전성 면에서 위험이 상존하며, 파쇄 효과 면에서도 작업성과 경제성이 없으며, 일반적으로 변질되지 않은 혼합물의 사용시에도 각각의 혼합성분의 반응속도 차이가 현저하여, 1차 폭발 및 연소반응 후에 불완전하게 반응하고 남은 잔여혼합물에 의한 대기중의 2차 폭발 및 2차 연소가 자주발생하고 있어 파쇄된 파편의 비산에 의한 인명 및 물적사고 위험이 상존하며, 파암 효과면에서도 에너지의 사용효율이 떨어져 작업성과 경제성이 없다. 이러한 점을 개선코자 한국공개특허 제2003-6083호에서는 비질산 금속 염과 금속분말의 혼합물로 구성된 급팽창 금속 혼합물을 제안하고 있는바, 이는 폭발력을 줄여 소음과 진동 및 파편의 비산을 방지하는 효과가 있는 것으로 주장되고 있고, 또 일반적으로 산업현장에서 사용되는 테르밋 용접반응을 일부 응용한 파쇄제 제조방법으로 금속 염과 금속분말의 반응 시에 발생하는 고온을 이용한 기화팽창방식에 의해 암반 등의 목적물을 파쇄한다고 기재하고 있으나, 테르밋 용접반응은 가스의 발생이 거의 없어 암반이나 기타 파쇄가 필요한 목적물을 효과적으로 파쇄하지 못하며, 또한 파쇄 시 암반이나 파쇄 목적물 내에 충분하게 응압 조건이 만족되어야만 반응을 하며, 비질산 금속 염과 금속분말의 혼합물은 습기에 취약하여 저장시에 주의가 요구되며, 혼합물이 일단 흡습하면 자연 발화하는 문제가 있고, 흡습된 혼합물은 약간의 열 충격이나 마찰에 의해 화학적으로 반응하여 취급에도 제약이 많다.

또한 특허 출원 제 2003-41185호 전기식 파암용 팽창제 조성물은 금속 염과 금속분말의 불꽃 산화 반응과 이때 생성된 불꽃 산화반응에 의하여 유기물의 연소 산화 반응이 혼합된 이중 산화 및 연소 (Hybrid - Oxidation & Combustion)반응을 진행함으로 하여, 암반의 이완조건(Relaxation - ability Class)에 부합되는 압력을 발생시켜, 암반을 반응 초기에 이완시킴으로 하여 한국공개특허 제2003-6083호와 같이 특수한 응압조건을 유지하지 않아도 효과적으로 파암작업을 진행 할 수 있으며, 파암 후 급속히 입자 화되어 폭발 부산물의 수거가 용이하며, 목적물의 파암 시 저소음, 저진동이며 파암 후 에도 목적물이 비산되지 않는 것을 특징으로 한다고 주장되고 있으나, 현장 적용 시 불꽃 산화 반응과 이때 생성된 불꽃 산화반응에 의하여 유기물의 연소 산화 반응 사이의 속도 차이에 의해 한국 특허 등록 제213,577호에 개시되어 있는 급팽창 금속 혼합물과 유사하게 1차 폭발 및 연소반응 후에 불완전하게 반응하고 남은 잔여혼합물에 의한 대기중의 2차 폭발 및 2차 연소가 자주발생하고 있어 현장에서 취급 시 취급원의 안전을 위협하며, 2차 폭발 시 발생되는 소음과 비산으로 공공의 안전유지와 현장 공법적용에 한계가 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 파쇄가 요구되는 목적물을 정밀하게 파쇄하는 파쇄제 혼합물에 관한 것으로 산화제 (Oxidizer), 연료(Fuel), 고형화제(Solidifying agent), 미소중공구체(Hollow micro sphere)를 주성분으로 혼합하여 제조되는 것으로, 금속선에 대전류를 펄스파워형태로 급속방전 시켰을 때 발생되는 고온과 고압의 플라즈마 방전 에너지에 의해 안정적으로 팽창될 수 있는 조성비로 균일하게 혼합되어 구성됨으로써, 파쇄가 요구되는 목적물을 산화제와 연료의 연소반응 시에 발생되는 가스팽창력을 이용하여 파쇄하며, 반응시에 완전연소반응을 유도하여 1차 반응 후에 2차 폭발 및 2차 연소를 하지 않도록 하며, 목적물의 파쇄 시 저소음, 저진동이며, 상기 혼합물에 고형화제를 첨가하여 지속적인 충격이 가해지거나 장기간 저장하여도 물질의 변질이 없는 특성을 가지며, 상기 혼합물에 미소중공구체를 혼합하여 고밀도에서도 충분한 감도(Sensitivity)를 유지하도록 한 것이 특징이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 파쇄제 조성물은 질산, 과염소산, 과산화 수소등의 산화제로 사용 가능한 것 중에서 선택되는 산소 공급원(Oxidizer)과; 상기 산화제와 반응하여 연소하는 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 부티로니트릴, 부틸 시아나이드, 벤조니트릴 등의 니트릴 화합물 등에서 선택되는 연료와; 지속적인 충격이 가해지거나 장기간 저장하여도 불폭성 물질로 변화하지 않으며 사압의 영향을 적게 받도록 하는 무기물질인 규조토, 실리카겔 혹은 유기물인 우무 중에서 선택되는 고형화제; 고밀도에서도 충분한 감도를 유지하도록 한 미소중공구체;의 혼합물로 이루어져 있다.

그리고 상기한 산화제는 2~98중량%이고, 상기 연료는 2~98중량%이며, 상기 고형화제 및 미소중공구체는 상기 산화제와 연료와의 혼합물 100중량부에 기초하여 각각 3~30중량부, 미소중공구체는 3~20중량부로 구성된다.

그리고 상기한 산화제의 농도는 40~99%이고, 상기 연료의 농도는 40~99%로 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 플라즈마 파쇄제 조성물은 산화제와 연료, 고형화제, 미소중공구체의 혼합물로 이루어져 있다.

상기 산화제는 연료와의 연소반응 시 산소공급원의 목적으로 사용되는 것으로 강산인 농질산(HNO₃), 발연질산(HNO₃), 과염소산(HClO₄)등이 사용되거나, 중성화합물인 과산화수소(H₂O₂) 중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물이다.

상기 연료는 산소공급원에서 산소를 공급 받아 연소하는 물질로 사용되는 것으로 아세토니트릴(CH₃CN), 프로피오니트릴(C₂H₅CN), 부티로니트릴(C₃H₇CN), 브틸 시 아나이드(C₄H₉CN), 벤조니트릴(C₆H₅CN)중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물이다.

상기 고형화제는 규조토(SiO₂), 실리카겔(SiO₂), 우무(CH₂O)중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물이다.

상기 미소중고구체는 유리질 미소중공구체(Hollow glass micro spheres), 플라스틱 미소중공구체(Hollow plastic micro sphere)중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물이다.

산화제와 연료는 액체상으로 혼합되며, 지속적인 충격이 가해지거나 장기간 저장하여도 불폭성 물질로 변화하지 않으며 사압의 영향을 적게 받도록 고형제를 혼합하며, 고밀도에서도 충분한 감도를 유지하도록 하기 위하여 미소중공구체를 혼합하는데, 그 혼합 비율은 산화제 2~98중량%와 연료 2~98중량%를 포함하는 혼합물 100중량부에 대하여 고형화제 3~30중량부 및 미소중공구체 3~20중량부를 포함하는 것이 적합하다.

상기한 산화제의 농도는 40~99%이고, 상기 연료의 농도는 40~99%,로 구성된 다.

이하 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 파쇄제 조성물의 제조 방법을 설명한다.

먼저 상술한 다수의 산화제중의 1종 또는 2종이상의 혼합물에 상술한 연료 중에 1종 또는 2종이상의 연료를 목적물의 파쇄에 필요한 에너지량이 되도록 혼합한다.

다음에 고형화제와 상술한 혼합물을 별도의 혼합용기 내에서 일정량의 비율로 혼합한 다음 미소중공구체를 혼합한다.

다음에는 본 발명에 따른 플라즈마 파쇄제 조성물의 작용 효과를 설명한다.

사용자는 파쇄를 요하는 공사 현장에 본 발명에 의한 플라즈마 파쇄제 조성물을 배치한다. 다음에 플라즈마 파쇄제 혼합물을 배치한 곳으로부터 일정한 안전거리(약 80m) 떨어진 곳에서 파쇄제 내부에 설치된 금속 와이어에 대전류 (약 80kJ)를 펄스파워 형태로 급속 방전한다. 이때 파쇄제 수용용기 내부에 설치된 도전성의 금속선에 플라즈마 채널이 형성되며 플라즈마 채널에서 방출하는 고온, 고 압의 플라즈마 충격력에 의해 연소반응이 발생되며, 이때 발생되는 가스팽창력을 이용하여 목적물을 파쇄한다.

이하, 본 발명 따른 플라즈마 파쇄제 조성물의 구성을 실시 예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시 예 1>

산화제와 연료의 혼합물을 혼합함에 있어서, 산화제는 농도 94%의 발연질산을, 연료는 아세토니트릴, 유리질 미소중공구체을 혼합하여 플라즈마 파쇄제 조성물을 얻었다.

이때 발연질산은 혼합물에 대한 중량 비로 77.15%의 비율을 차지하도록 1386.28g이 첨가되었고, 연료로 첨가된 아세토니트릴은 410.52g(22.85중량%)이 사용되었다. 유리질 미소중공구체는 산화제와 연료의 전체 혼합물의 총중량의 5%비율로 혼합하였으며 연소 반응에는 직접적으로 참여하지 않는다.

상기와 같이 하여 얻은 조성물을 파쇄제 용기에 충진시키고 연소 실험을 행한 바, 이때 관찰결과 파쇄제 용기내의 금속 와이어에 플라즈마 발생장치를 이용하여 고전압이 인가되자 순간 불꽃이 일어났고 뒤이어 연소 반응이 일어나면서 폭발 되는 것을 관찰 할 수 있었으며, 완전연소가 되어 불완전 연소물에 의한 2차 폭발이 발생되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

상기 실시 예 1에서 얻어진 플라즈마 파쇄제 조성물의 반응은 다음과 같다.

상기 반응식에서 발생한 CO₂량은 측정결과 448ℓ 가 발생하였고, H₂O는 고온의영향으로 증기화 되어 가스상으로 존재하였는바 그 양은 582.4ℓ 발생하였고, N₂량은 358.4ℓ 였다.

<실시 예 2>

산화제와 연료의 혼합물을 혼합함에 있어서, 산화제는 농도 90%의 과염소산을, 연료는 부티로니트릴을 혼합하여 플라즈마 파쇄제 조성물을 얻었다.

이때 염소산은 혼합물에 대한 중량 비로 80.69%의 비율을 차지하도록 2310.55g이 첨가되었고, 연료로 첨가된 브티오 니트릴은 552.85g(19.31중량%)이 사용되었다.

상기 실시 예 2에서 얻어진 플라즈마 파쇄제 조성물의 반응은 다음과 같다.

상기 반응식에서 발생한 HCl 량은 측정결과 515.2ℓ 가 발생하였고, CO₂량은 측정결과 716.8ℓ 가 발생하였고, H₂O는 고온의 영향으로 증기화 되어 가스상으로 존재하였는바 그 양은 627.2ℓ 발생하였고, N₂량은 89.6ℓ 였다.

<실시 예 3>

산화제와 연료의 혼합물을 혼합함에 있어서, 산화제는 농도 80%의 과산화수소를, 연료는 아세토니트릴을 혼합하였고, 고형화제로는 규조토를 혼합하여 플라즈마 파쇄제 조성물을 얻었다.

이때 과산화수소는 혼합물에 대한 중량 비로 80.56%의 비율을 차지하도록 340.15g이 첨가되었고, 연료로 첨가된 아세토니트릴은 82.1g(19.44중량%)이 사용되었다. 고형화제로 사용된 규조토는 산화제와 연료의 전체 혼합물의 총중량의 4%비율로 혼합하였으며 연소 반응에는 직접적으로 참여하지 않는다.

상기 실시 예 3에서 얻어진 플라즈마 파쇄제 조성물의 반응은 다음과 같다.

상기 반응식에서 발생한 CO₂량은 측정결과 89.6ℓ 가 발생하였고, H₂O는 고온의 영향으로 증기화 되어 가스상으로 존재하였는바 그 양은 313.6ℓ 발생하였고, N₂량은 22.4ℓ 였다.

상기 실시 예들에서 보여지는 바와 같이 산화제와 연료의 연소반응 결과 생성된 가스압이 파쇄목적물의 탄성한계 이상의 응력으로 작용하여 파쇄 목적물을 파쇄한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 파쇄제 조성물은 금속선에 대전류를 펄스파워형태로 급속방전 시켰을 때 발생되는 고온과 고압의 플라즈마 방전 에너지에 의해 안정적으로 팽창될 수 있는 조성비로 균일하게 혼합되어 구성됨으로써, 파쇄가 요구되는 목적물을 산화제와 연료의 연소반응 시에 발생되는 가스 팽창력을 이용하여 파쇄하며, 반응시에 완전연소반응을 유도하여 2차 폭발 및 2차 연소를 하지 않도록 하며, 목적물의 파쇄 시 저소음, 저진동이며, 상기 혼합물에 고형화제를 첨가하여 지속적인 충격이 가해지거나 장기간 저장하여도 물질의 변질이 없는 특성을 가지며, 상기 혼합물에 미소중공구체를 혼합하여 고밀도에서도 충분한 감도(Sensitivity)를 유지하도록 한 것이 특징이다.

Claims (8)

1. 산화제와 연료, 고형화제, 미소중공구체의 혼합물로 이루어진 플라즈마 파쇄제 조성물의 혼합 성분 중에서 선택되는 산화제와;

   상기 산화제와 반응하여 연소하는 연료로 사용되는 니트릴 화합물 등에서 선택되는 연료와;

   산화제와 연료의 혼합물을 고형화 할 때 혼합하는 유기물 또는 무기물 등에서 선택되는 고형화제와;

   상기 산화제와 연료의 연소반응의 예감제로 혼합하는 미소중공구체;의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물
2. 제1항에 있어서,

   그 혼합 비율은 상기 산화제 2∼98중량% 및 상기 연료 2∼98중량%를 포함하는 혼합물 100중량부에 대하여 상기 고형화제 3∼30중량부 및 미소중공구체 3∼20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 산화제는 강산인 농질산(HNO₃)혹은 발연질산(HNO₃), 과염소산(HClO₄)이 사용되거나, 중성화합물인 과산화수소(H₂O₂) 중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연료는 산소공급원에서 산소를 공급 받아 연소하는 물질로 사용되는 것으로 아세토니트릴(CH₃CN), 프로피오니트릴(C₂H₅CN), 부티로니트릴(C₃H₇CN), 부틸 시아나이드(C₄H₉CN), 벤조니트릴(C₆H₅CN)중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 고형화제는 규조토(SiO₂), 실리카겔(SiO₂), 우무(CH₂O)중에서 선택되는 어느 하나 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   사용되는 산화제의 농도는 40~99%인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   사용되는 연료의 농도는 40~99%인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   사용되는 미소중공구체가 유리질 미소중공구체, 혹은 플라스틱 미소중공구체인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파쇄제 조성물.