KR100848214B1 - 스파크-발생 관 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지연 유닛(delay unit)으로서 사용되거나 대체로 지연 요소에 의하여 보충되는 프레인 컨덕터 또는 폭발성 칼럼(explosive column)의 반응을 기폭하고(initiating) 폭발성 칼럼을 연결하기 위한 신호 전송 장치가 적용된 스파크-발생 관의 생산 방법 및 스파크-발생 관에 관한 것이며, 낮은 독성을 가지고 충격 또는 마찰에 의하여 점화되는 저 감도의 파이로테크닉 혼합물이 사용되고, 우수한 열적 성능의 스파크를 발생시키며, 상대적으로 정확도가 높은 혼합과 제조 방법을 안전하게 형성하는 플라스틱 관의 형성 방법에 대하여 상기 방법은 각각의 비활성 성분을 지속적이고 분리된 혼합(dosing)의 가능성을 포함하며, 상기 생산물은 충격 파를 전파하는 관에 대하여 현 파이로테크닉 충격파 튜브는: 상대적으로 큰 전송 민감성 및 감도, 저 위험 이송 분급(low risk transport classification)과 관 내부에서 절단부 또는 구멍을 통한 전파와 같은 장점을 가지며, 부가적인 장점으로는: 낮은 유독성 성분의 사용, 통상의 사용, 저 비용, 낮은 접착성의 폴리머, 노트, 킹크 또는 튜브 장애물을 통하여 전파되는 스파크의 발생 및 고온 폭발성 에멀젼 성분의 침투에 따르는 파손에 대한 저항성을 가진다.

Description

스파크-발생 관 및 그의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCTION OF THERMAL SHOCK TUBE, AND PRODUCT THEREOF}

본 발명은 지연 유닛(delay unit)으로서 사용되거나 대체로 지연 요소에 의하여 보충되는 프레인 컨덕터 또는 폭발성 칼럼(explosive column)을 연결 및 개시하기 위한 신호 전송 장치가 적용된 스파크-발생 관의 생산 방법 및 스파크-발생 관에 관한 것이며, 낮은 독성을 가지고 충격 또는 마찰에 의하여 점화되는 저 감도의 파이로테크닉 혼합물이 사용되고, 우수한 열적 성능의 스파크를 발생시키며, 상대적으로 정확도가 높은 혼합과 제조 방법을 안전하게 형성하는 플라스틱 관의 형성 방법에 대하여 상기 방법은 각각의 비활성 성분을 지속적이고 분리된 혼합(dosing)의 가능성을 포함하며, 상기 산물은 충격파를 전파하는 관에 대하여 현 파이로테크닉 충격파 튜브는: 상대적으로 큰 전송 민감성 및 감도, 저 위험 이송 분급(low risk transport classification)과 관 내부에서 절단부 또는 구멍을 통한 전파와 같은 장점을 가지며, 부가적인 장점으로는: 낮은 유독성 성분의 사용, 통상의 사용, 저 비용, 낮은 접착성의 폴리머, 노트, 킹크 또는 튜브 장애물을 통하여 전파되는 스파크의 발생 및 고온 폭발성 에멀젼 성분의 침투에 따르는 파손에 대한 저항성을 가진다.

1970년 초반부 이래로, “비전기식 뇌관” 또는 “충격파 튜브(shock tube)"로서 상업용으로 공지된 저 에너지 신호 도화선은 채석장 구역과 광산에서 폭약을 연결하고 기폭하기 위하여 널리 이용된다. 상표명 NONEL, EXEL, BRINEL 등등으로 판매되는 이러한 장치는 금속성 배선에 의하여 점화되는 전기 뇌관으로 대체되어 지고, 유사 전류의 유도로 인하여 우발적인 점화에 대한 본질 안전과 연결 및 이용의 용이함을 위하여 폭발 부속물의 시장에서 혁신적으로 나타났다.

일반적으로, 고성능 폭발물의 부품(이하 “종래의 충격 관으로 불린다.)으로서 이용되는 처리 및 산물은 다음을 따른다.

1) 미국 특허 제 US 3,590,739호는 종래 충격 관의 원 참조문이다. 이는 HMX, RDX 또는 PETN과 같은 제 2 폭발성 파우더가 연속적으로 삽입되고, 외측 직경이 2.0 내지 6.0 mm이며, 내부 직경이 1.0 내지 5.0 mm을 가지며, 원형의 관을 형성하는 플라스틱 압출의 과정을 기술하며, 동시에 내부 주변에서는 관이 형성되고, 최종 산물은 NONEL 및 EXEL과 같은 상표명으로 거래되는 비전기식 충격파 튜브로서 알려졌다. 최초 폭발물의 내관(primary explosive blasting cap)이 기폭 될 때(initiate) 종래의 충격 관은 1800 내지 2200 m/s 범위의 신호 전송 속도로 가스의 충격파를 발생시킨다. 부가적인 개선점은 파우더의 접착성을 증가시키기 위하여 SURLYN과 같은 아이오노머 폴리머(ionomeric polymer)의 이용과 특정 에너지를 증가시키는 알루미늄의 첨가제를 포함하는 것이다.

2) 미국 특허 제 US 4,328,753호는 2개의 층에 관한 종래의 충격 관을 기술하고, 폴리머로 제조된 내부 층은 폭발성 혼합물 파우더에 대해 접착성을 제공하고, 폴리머로 제조된 외부 층은 내부 폴리머 SURLYN와 외부 폴리머 폴리프로필렌, 폴리아미드 또는 폴리부텐에 가장 적합한 기계적인 강도를 제공한다. 이러한 산물은 원래의 NONEL 관을 초과하는 개선점을 가지며, SURLYN은 비싸고, 외부 충격에 대한 낮은 저항성을 가진다.

3) 유럽 특허 제 EP 027 219호와 일부 계속 출원 제 US 5,317,974호와 제 US 5,509,355호는 단일 층 충격 관을 기술하며, 이에 따르는 제조 방법에 있어서, 폴리머는 접착 촉진제의 소량과 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)로 구성되며, 관은 최종 관보다 더 큰 외부 및 내부 직경을 가진 관을 압출에 의하여 제조하며, 그 뒤 관은 LLDPE 분자를 방향 설정을 위하여 연신되어 지며, 최종 관은 상대적으로 큰 인장 강도를 가진다. 모든 클레임(claim)은 폴리머 제제에 있어서 소량의 접착 촉진제를 가지며, 종래 기술에서 파우더가 LLDPE에 대한 낮은 접착성을 가진다는 것은 공지된 사실이다. 이러한 클레임에도 불구하고, 종래의 최상 충격 관은 2개의 층으로 제조되어 졌으며, 내부 층은 SURLYN으로 제조되며, 불량하게 접착된 폭발성 파우더의 낮은 제거는 현장 적용(field application)을 하는 동안 관의 하부에서 루스 파우더(loose powder)의 농축 또는 파우더 층에서의 불연속을 인하여 전호 전파 시 실패를 가져온다.

4) 미국 특허 제 US 5,166,470호는 유럽 특허 제 EP 027 219호에 유사한 LLDPE의 단일 층 관을 기술하며, 폴리비닐 알코올(PVA)과 같은 친수성 중합체로 구성된 부가적인 얇은 층은 물과 같은 폴리머의 용액으로 플라스틱 관을 통과시킴에 의하여 침적되며, 용매를 건조한다. 이러한 의도로 인하여 관은 에멀젼 폭약에 존재하는 탄화수소에 대한 낮은 수용성을 가진다.

특히 고온의 디젤 연료는 LLDPE에 유해하고, 관과 고온의 디젤 연료에 기초한 에멀젼을 오랜 기간 동안 접촉시키면 신호 전파 시 실패를 야기한다. PVA 보호 피막은 깨지기 쉽고, LLDPE에 접착되지 않아서 접착 촉진제(예:Vinamul EVA 혼성중합체) 또는 고온의 공기 또는 클리너(예:크롬산)에 의하여 예비 처리가 필요하다.

저 에너지 전송 도화선의 부가적인 개선점에 있어서, 본 발명의 관은 높은 폭발성을 가지는 파우더를 대체하기위하여 관의 내부에서 파이로테크닉 혼합물을 이용한다. 일반적으로, 이하에서 언급될 “파이로테크닉 충격파 튜브”와 같은 파이로테크닉 혼합물의 몇몇 산물과 처리는 이하를 따른다.

1) 본 출원서의 출원인으로부터 출원된 브라질 특허 제 Pl 8104552호는 파이로케크닉 충격 관의 원 참조문이다. 상기 특허는 내부 직경이 1.0 내지 5.0 mm의 범위로 구성되고, 외부 직경이 2.0 내지 6.0 mm의 범위로 구성되는 원형 관을 형성하는 플라스틱 압출의 처리를 기술하며, K₂Cr₂O₇ + Al 또는 Mg, Fe₂O₃ + Al 또는 Mg, 또는 Sb₂O₃ + Al 또는 Mg, Sb₂O₅ + Al 또는 Mg 또는 O₂ + Al 또는 Mg의 조성을 가지는 파이로테크닉 혼합물의 파우더가 지속적으로 유입되며, 동시에 내부 주변에서 관이 형성되고, 최종 산물(resulting product)은 상표명 BRINEL로 거래되는 파이로테크닉 충격 관으로 불린다. 최조 폭발성 뇌관이 기폭될 때, 이러한 관은 가스의 방출 없이 알루미늄 테르밋법 반응(aluminothermy reaction)을 발생시키고, 에너지 전달을 위한 플라스마를 개선시킨다.

2) 미국 특허 제 US 4,757,765호는 종래의 지연 요소를 대체하여 밀리세컨드초 범위의 빠른 지연 시간을 얻기 위하여 관의 결정된 길이를 이용하는 목적으로서, 특히 종래의 충격 관과 도폭선(detonating cord)보다 작은 속도로 낮은 속도의 반응에서 사용하고, 내부에 접착된 파이로테크닉 지연 혼합물과 플라스틱 관을 사용하는 폭파 작업에서 기폭 신호를 제어하기 위한 비전기적 시스템을 기술한다. 플라스틱 관에 연결된 뇌관은 내관 내부에 지연 요소가 없이 동시에 작동해야 하며, 이로 인하여 스파크의 열적 반응을 최적화하는데 있어서 또는 유독성 성분을 제거하며 또는 관 내부에서 제한기를 통한 크로싱(crossing)을 보장하고 또는 에멀젼 폭발로부터 탄화수소에 의한 공격에 대한 저항성과 관에 대한 혼합물의 접착성 및 마찰과 기계적인 충격에 대한 혼합물의 감도를 감소시키는 것을 발명자의 관심사항이 아니다. 특허의 기술적인 보고서에 따라서, 10 밀리세컨드로 제한되는 지연 요소로서 사용되는 모든 샘플들은 현장 실습에 사용되는 대부분의 지연(delay)에 적합하지 않다는 것은 명백하다.

특허 업계 또는 상거래용으로 개선된 다양한 종류의 저 에너지 도화선이 존재하며, 그 외의 모든 출원서는 참조로서 구성되어 진다.

신호 전송 관은 선단에서 지연 뇌관의 삽입을 항상 보완하고, 이러한 뇌관은 내부가 압축된 폭발성 파우더로 형성되는 2개의 층을 포함하는 금속 캡(metal cap)으로 구성되며, 하부 층은 제 2 폭발물이 위치되며, 상부 층은 내부에 관의 충격파에 의하여 발생 된 열에 대한 파이로테크닉 혼합물 감도의 부가적인 칼럼과 파우더 형태의 파이로테크닉 지연 혼합물의 콤팩트형 칼럼을 포함하는 금속성 실린더로 구성된 지연 요소에 의하여 보충된 프레임 감도 기폭약(primary flame-sensitive explosive)이 형성된다.

결과 산물(resulting product) 뿐만 아니라 종래의 충격 관의 제조 방법은 다음의 문제점을 가진다.

a) 폭발물(유독성 및 위험성을 가지는 RDX, HMX 또는 PETN)이 장전된 관의 생산은 생산 라인에서 특별한 주의와 보호가 요구되는 유독성 산물을 취급함에 있어서 우발적인 폭발의 위험성을 가진다. 분자 폭발물을 사용함에 따라 관을 압출하는 동안 비활성 성분의 혼합을 지연시킨다.

b) 종래의 충격 관에 있어서, 반응 산물은 관의 최종 말단에 형성될 때, 열 손실을 가지며 팽창하는 기본적으로 고온의 가스로 구성되고, 이러한 열 손실은 파이로테크닉 지연 혼합물의 점화를 억제한다. 상대적으로 느린 지연 파우더는 특히 충격파 튜브 아웃풋에 대해 반응이 없다. 상대적으로 큰 칼럼 길이와 열에 대해 상대적으로 큰 감도로 파이로테크닉 혼합물을 이용하거나 폭발 계열에 대해 연속성을 부여하기 위하여 감도 파이로테크닉 혼합물의 부가적인 칼럼을 첨가할 필요성이 있다. 결론적으로, 최종 산물은 상대적으로 많은 생산 비용이 소요되며, 파이로테크닉 혼합물의 처리 및 취급은 상대적으로 큰 우발적인 점화 위험을 제공한다.

c) 플라스틱 관내에서 결정 구조의 폭발물(crystalline explosive)(RDX, HMX 또는 PETN)은 장약(loading)없는 부분을 방지하고, 관의 일부분에서 루스 파우더의 농축을 최소화하기 위하여 SURLYN과 같은 특정의 값비싼 폴리머, 아이오노머 폴리머의 사용과 특별한 제조 과정이 요구되는 낮은 접착성을 가진다. 특히 LLDPE는 접착성이 현저히 부족하다. 잘 알려진 상업용 브랜드들은 폴리머 조성을 변화시킴에 의하여 폴리머 접착성을 개선시키기 위한 노력에도 불구하고, 내부 층으로서 SURLYN과 2개의 층을 이루는 관을 현저히 지속적으로 사용해왔다.

d) 종래의 충격 관의 장약은 고전 폭발 이론에 의하여 충격파를 알맞게 전파시키기에 충분한 임계 질량과 임계 직경이 부족하다. 원래의 충격 관의 발명자인 Dr.Persson의 연구 결과에 따르면, 충격파는 반응성 전면부(reactive front) 뒤에서 충격파에 의하여 야기된 플라스틱 덕트의 변형으로 제거된(dislodge) 폭발성 파우더의 분진 폭발에 의하여 지속적으로 유지된다. 이러한 특징으로 인하여, 충격파를 분산시키는 절단부 또는 밀폐 제한기가 내부 덕트에 형성된다면 종래의 충격 관은 작동하지 않는다. 현장 실습(field practice)에 있어서, 예상치 못한 절단부, 연신부, 노트, 구멍 또는 밀폐된 킹크의 경우 관은 전파되지 않는다.

e) 종래의 충격 관은 “스냅, 스냅 및 샷”으로 산업상 불리는 효과에 대해 민감하며, 관이 28번째 존재하는 조항에서 알려진 특히 기계적인 에너지 방출 상태의 파열을 야기하도록 연신되어진다면, 예상치 못한 점화가 발생될 것이다. 2002년 라스베가스에서 개최된 ISEE의 연례 회의에 있어서, 종래의 충격 관에 대한 모든 카탈로그와 기술적인 보고가 이루어졌다. 몇몇 상용 충격 관의 조항과 기술적인 보고는 참조에 의하여 구성되어 진다.

f) 종래의 충격 관은 수많은 도시에서 폭발물로서 운송하도록 분류되었으며, 특히 테러리즘에 대항하기 위하여 위험 산물 규정이 증가 된 후, 이로 인하여 운송함에 있어 부가적인 비용과 어려움이 야기되었다.

g) SURLYN과 같은 아이오노머 레신의 친수성 특징으로 인하여 종래의 충격 관은 현장 실습에 있어서 종종 발견되는 2 바의 압력 이상의 수중에서 지속적으로 노출되어 진 후, 전파되지 않는다.

h) SURLYN 단독으로 제조된 관은 폴리에틸렌으로 구성된 부가적인 외부 층의 동시 압출(co-extrusion)이 요구되는 마멸, 킹크, 노트 등등에 대해 낮은 저항성과 낮은 인장 강도를 가진다. 상기 처리는 값비싼 SURLYN의 사용을 방지하지 못한다.

i) 종래의 폭발성 파우더는 폭발성 에멀젼으로부터 고온의 탄화수소(대부분 디젤 연료)에 의하여 관 내부가 오염되는 경우 전파하기에 충분한 활성화 에너지가 부족하다. LLDPE를 포함하는 폴리머는 공격(aggression)에 대하여 상당히 영향받기 쉽다. 소량의 접착성이 개선된 첨가물, 대부분의 EVA 혼성 중합체는 디젤 오일의 휘발성 물질에 의하여 침범하도록 더욱 잘 가해진다. PVA와 같은 친수성 폴리머의 부가적인 피막(skin)이 요구되어 지며, 현장 실습에서 발견되는 거친 환경 상태에서 피막의 마멸 저항성은 현저하게 저하되며, 이로 인하여 피막의 제거와 고장을 야기한다. 발명자(author)는 PVA가 덮여진 관의 시리즈를 구성하는 실험을 실시하며, 피막의 낮은 접착성이 형성되어진다.

j) 제조물에 의하여 공고된 명세서에 따라, 종래의 충격관 속도는 폭연 범위 가 1800 내지 2200 m/s이거나 10%내의 2200 m/s의 평균 속도로 구성된다. 상기 상대적으로 넓은 범위는 지연 요소의 정확한 타이밍을 방해한다. 미국 특허 제 5,173,569호, 제 5,435,248호, 5,942,718호 및 브라질 특허 제 Pl9502995호에 따르면, 모든 충격관은 전기적 지연 뇌관의 기폭약을 사용한다. 이러한 내관은 높은 정확도의 전기적 지연 요소를 특징으로 한다. 그러나 관의 특정길이의 타이밍 에러는 전자 회로에 내재된 타이밍 에러(timing error)가 부가되어 진다. 노천 채광에 사용되는 전형적인 관의 길이는 21m이며, 에러는 +/- 1ms 이고, 반면 전가 회로의 내재된 에러는 일반적으로 +/- 0.1ms이다.

k) 종래의 충격관 폭연(deflagration)은 본질적으로 가스 반응 생성물을 발생시키고, 관의 선단에 형성되는 가스 팽창을 통하여 대부분의 방출된 열 에너지를 재빨리 분산시키는 충격파를 받는다. 이와 같은 이유로 인하여, 종래의 충격관 아웃풋은 상대적으로 느린 지연 요소의 점화를 위하여 부가적으로 높은 프레임 감도(flame-sensitive)가 요구되며, 낮은 프레임 감도의 지연 혼합물을 점화시킬 수 없다. 높은 프레임 감도의 혼합물은 우발적인 위험을 증가시키는 기계적인 충격, 마찰 및 정전기 방전에 매우 민감하다. 부가 요소는 생산 비용을 증가시킨다.

본 특허의 출원서로부터 브라질 특허 제 Pl 8104552호에 공지된 파이로테크닉 충격관은 다음의 문제점을 가진다.

A) 파이로테크닉 혼합물은 유독성 성분(K₂Cr₂O₇, Sb₂O₃, Sb₂O₅)와 인화성 솔벤트를 사용하며, 이는 솔벤트의 재활용, 취급 주의, 적절한 폐기물 처리가 요구된다.

B) 플라스틱 관의 압출 과정은 준비된 감도의 파이로테크닉 혼합물의 혼합(dosing)을 포함하며, 플라스틱 관을 형성하는 동안 취급과 처리에 있어서 위험하다.

C) 종래의 충격관과 같이 파이로테크닉 충격관은 에멀젼 폭약에 존재하는 탄화수소에 의한 공격을 견디지 못하여 지속적인 노출은 전파에 있어서 실패를 야기한다.

D) O₂ + Al 또는 Mg의 혼합물은 산물의 사용과 생산에 있어서 가스의 손실이 있기 때문에 실질적으로 실행가능하게 보이지 않는다.

E) Fe₂O₃ + Al 또는 Mg의 혼합물은 높은 비율의 전파 실패와 뇌관의 점화 자극에 대한 상기 파이로테크닉 혼합물의 낮은 감도로 인하여 실질적으로 실행가능하게 보이지 않는다. 상기 원리는 높은 탐만 온도의 성분으로 입증되었다.

F) 아이템 D와 E에 존재하는 한계점을 부여하여, 오직 남겨진 선택사항은 Al 또는 Mg로 구성되는 K₂Cr₂O₇, Sb₂O₅의 충격 감도 혼합물, 높은 마찰 및 높은 유독성에 있다.

G) 알루미늄테르밋 반응에서 형성된 반응 생성물, 특허 청구항의 제한점에 의하여 필수 고체, Al₂O₃, K₂O, Sb, 안티몬산화물, Cr₂O₃는 상대적으로 느린 점화와, 낮은 감도의 지연 요소를 방지하는 낮은 열전도성을 가진다.

H) 종래의 충격관과 같은 제분된 파이로테크닉 혼합물은 특히 LLDPE로 구성되는 관 폴리머에 대한 낮은 접착성을 가진다.

I) 파이로테크닉 혼합물은 밀폐된 노트, 절단부, 킹크로 전파되도록 최적화되지 않는다.

미국 특허 제 US 4,757,764호에 공개된 폭발 작업에 있어서, 기폭 신호를 제어하기 위한 시스템은 다음의 문제점을 가진다.

Aa) 원래의 파이로테크닉 충격관에서 발생되는 것과 같이, 처리는 준비된 감 도의 파이로테크닉 혼합물의 도징(dosing)을 포함하고, 플라스틱 관을 형성하는 동안 취급 및 처리에 있어서 위험성을 가진다.

Bb) 상기 시스템은 오로지 관의 정해진 길이를 통하여 시간 지연을 제공하기위한 직접 관 대 관 연결부를 이용하고, 10 밀리세컨드의 범위에서 빠른 지연에 제한되어 지며, 반면 필드 폭발 공정은 10초까지의 지연 타이밍이 요구된다.

Cc) 혼합물의 조성에서 어떠한 접착 첨가제를 포함하지 않는 제분된 혼합물은 폴리머에 대한 낮은 접착성을 가지며, 실례에 도시된 바와 같이 SURLYN 또는 실리콘과 같은 값비싼 재료의 사용이 요구된다.

Dd) 발명자의 목적은 뇌관 내에서 높은 감도의 기폭약을 직접 점화시키고, 지연 요소를 제거시키며, 본질적으로 감소된 속도를 가지는 관을 통하여 얻어진 지연 시스템에 있으며, 전달 신호의 열적 수행의 최적화가 존재하지 않는다. 낮은 속도의 혼합물은 밀폐된 킹크, 노트 또는 절단부를 통하여 전파되기에 어려우며, 상대적으로 느리고 낮은 감도의 지연 혼합물을 직접 점화시키기 위한 에너지가 부족하다.

"열 충격관 및 열 충격관의 제조 방법“은 현 충격관의 성능과 제조 방법에 있어서의 문제점을 극복하도록 개선되어져 왔다. 이와 같은 접근법은 신규한 것이 다.

종래 기술에 있어서의 연구는 관을 형성하는 폴리머에 있어서 원하는 특성을 얻는 것이나 낮은 비용의 폴리머와 통상의 사용을 위하여 파이로테크닉 혼합물의 조성이 최적화되어지지는 않는다. 새로운 접근 방법은 다수의 목적을 가지며, 즉 이는 파이로테크닉 혼합물의 조성을 통하여 다수의 가능성 있고 원하는 특성을 얻기 위함이다.

본 특허 출원서로부터의 처리 및 생산에 있어서 현 충격관에 대한 다음의 장점을 가진다.

-열 충격관은 낮은 유독성의 최적화된 파이로테크닉 혼합물을 수용한다.

-처리에 따라 압축 처리를 하는 동안 2개의 비활성 성분의 혼합물과 연속적인 혼합이 허용되며, 상기 성분은 혼합물 이전에 마찰과 충격에 대하여 실질적으로 반응이 없으며, 이러한 방법에 있어서, 처리하는 동안 우발적인 점화의 개연성을 본질적으로 감소시키며, 생산하는 동안 관이 점화되는 경우에 있어서 매우 작은 양의 폭연에 의하여 최소의 손실을 야기한다.

-처리에 따라 탈감각 부가물과 산화제 성분을 커버링(covering)에 의하여 기 계적인 충격과 마찰에 대한 상대적으로 작은 감도를 가지는 안전한 파이로테크닉 혼합물이 얻어진다.

-파이로테크닉 혼합물은 관의 장전량 초과와 부족을 방지하고, LLDPE를 포함하는 저 비용의 통상의 폴리머와 동일한 첨가물이 이용되며, 플라스틱 관에 대한 우수한 접착성을 가진다.

-산물은 종래의 충격관에 비하여 현 파이로테크닉 충격관에 대한 몇몇의 장점을 유지하며, 이는 상대적으로 큰 전파의 감도와 민감성, 운반을 위한 낮은 위험 등급, 절단부 또는 구멍에 대한 전파로 구성된다.

-신호 전송의 스파크는 용융된 금속과 같이 너무 많은 가스로 형성되어 지며, 관 내부에서 노트, 밀폐된 킹크 또는 장애물을 횡단하고, 열전도성과 전달성에 의하여 최적화된 열 전달이 이루어지며, 상대적으로 느린 지연 칼럼, 낮은 감도로 직접 점화된다.

-열 충격관은 고온의 폭발성 에멀젼이 존재하는 선박용 디젤에 대한 환경적인 노출을 견디며, 고온에서 72시간동안 노출된 후 기능이 유지된다.(순수한 선박용 디젤에서 24시간동안 65℃ + 48시간동안 40℃)

-열 충격관은 1200 m/s에서 에러율이 +/- 20 m/s 이며, 평균 속도로부터 +/- 1,67%내의 전파 속도 정확성을 가지며, 21m 길이의 관에서 오직 +/- 0.3ms의 전기적 지연 기폭약이 부가된다.

본 발명은 부가적인 목적을 위하여 연구에 의하여 완성되고, 출원인으로부터 파이로테크닉 충격 관 BRINEL의 사용, 발명자의 생산 소유물 및 지식에 기초한다. 부가적인 목적은

-파이로테크닉 혼합물 중 유독성 성분의 대체,

-관의 내부 표면에 대한 혼합물의 접착성 개선,

-충격 및 마찰에 대한 혼합물의 감도 저하,

-파이로테크닉 혼합물의 처리 위험성의 감소,

-자동화되고, 위험성이 없으며 환경상 안전한 방법에 의하여 대량의 민감한 파이로테크닉 혼합물을 처리하고, 위험한 솔벤트와 재결정화 및 그라인딩(grinding)을 포함하는 노동 집약적 작업(labor-intense working)에 사용되는 파이로테크닉 혼합물을 위한 제조 방법의 대체,

-가스 팽창에 의한 열의 분산 없이, 전도성과 전달성에 의하여 우수한 열 이동과 최적화된 스파크의 발생,

-디젤 오일에 기초한 폭발성 에멀젼을 3일 동안 65°C 까지 가열한 후 기능성 관의 생산을 포함한다.

달성된 발명의 효과를 이해하기 위한 기본적인 특징들 중 하나는 러시아 화학자 탐만에 의하여 기술되어 진다. 탐만의 이론에 따르면, 고체 물질들 사이에서 산화-환원 반응을 하기 위해 필요한 진동 에너지는 절대 온도 단위(K)로 물질의 용융점의 절반과 균등한 온도에서 대부분 이용가능하다. 이러한 탐만 온도는, 특정 성분이 파이로테크닉 혼합물을 열, 불꽃 및 기계적인 충격에 대하여 꽤 민감하게 만드는 이유 및 그밖의 다른 성분들이 전파를 시작하기 꽤 어렵게 만드는 이유를 설명한다. 예를 들어 제분된 알루미늄 혼합물의 탐만 온도는 193°C이며, 페로소페릭 옥사이드, Fe₃O₄의 탐만 온도는 전파하고 기폭하기에 특히 어려운 623°C인 반면 제분된 알루미늄과 염화칼륨 혼합물의 탐만 온도는 47.5°C로 이는 특히 위험하다. 발명의 원리중 하나는 파이로테크닉 반응의 기폭과 전파를 보장하기에 충분한 활성화 에너지를 형성하는 것과 폭발성 에멀젼으로부터 유입되는 탄화수소 연료로 관의 내부를 오염시키는 것이며, 이러한 오염은 엔탈피 파이로테크닉 반응을 감소시킨다. 파이로테크닉 혼합물의 일부분을 수용하기에 적합한 낮은 탐만 온도의 물질은 과염소산칼륨, 염화칼륨, 3황화안티몬, 황, 질화칼륨, 과염소산암모늄, 염화나트륨 또는 상기 목적에 적합한 탐만 온도를 가지는 다른 물질들이 언급될 수 있다. 상기 물질에 제한됨이 없이, 본 발명은 부가적인 점화 요소 없이 상대적으로 작고, 저속 지연 칼럼의 사용을 허용하고, 상대적으로 큰 열효율을 가진 지연 요소를 점화시키며, 성능 좋은 전파 지속성을 허용하고, 높은 열 전도성과 열 전달계수를 가지는 산물을 형성하는 파이로테크닉 반응의 관찰(observation)에 기초한다. 이에 대한 산화-환원 반응은

8 Al+ 3 Fe₃O₄ ⇒ 4 Al₂O₃(solid) + 9 Fe(liquid) 또는

2 Al + Fe₂O₃ ⇒ Al₂O₃(solid) + 2 Fe(liquid) 에 따른다.

여기서 용융된 금속 철은 전달만큼 많은 전도에 의하여 뛰어난 열전달을 제공한다. 본 발명에 기초한 또다른 관찰은 고체 또는 액체 산물의 단일 생산은 노트, 킹크, 제한기 등등을 통하여 전파를 허용하지 않는다는 것이다. 폴드(fold) 또는 제한기 주위에서 폴리머가 탄성 팽창을 하기에 충분한 가스 체적이 생성되고 스파크의 크로싱(crossing)이 요구된다. 그러나 이러한 가스 체적은 과도하게 형성될 수 없으며, 그렇지 않으면 관의 선단에서 가스 팽창과 조합된 고체 및 액체 생산물의 스파크가 분산되고, 지연 요소의 점화를 위해 필요한 열에너지의 손실이 야기된다. 예를 들어 가스 발생을 위한 알맞은 요소는 3황화안티몬, 과염소산칼륨, 질산칼륨, 질산나트륨, 과염소산암모늄, 과염소산칼륨 등등이다. 본 발명을 위한 기초로서 형성된 지식에 따라, 특정 생산물은 혼합물의 기계적인 충격과 마찰에 대한 감도을 감소시키는 윤활 특성과 외관상 접착 특성이 존재하며, 심지어 순수한 LLDPE와 동등하기에 어려운 접착제를 제공한다. 이러한 생산물의 예로서 활석(talc)(마그네슘 및 알루미늄을 함유하는 규산염광물)와 흑연로 구성된다. 본 발명의 다른 목적에 따라, 산화제와 첨가제의 혼합물을 연료 또는 환원제로부터 분리시키고, 최종 활성 혼합물이 자동, 연속적으로 또는 반회분식(semi-batch) 공정으로 플라스틱 압출기로부터 형성되며, 이로 인하여 매우 작은 양의 파이로테크닉 혼합물이 형성되며, 생산을 하는 동안 관의 우발적인 점화의 효과와 손실을 최소화하는데 있다. 본 발명의 기초가 되는 다른 특징은 현장 적용(field application)을 하는 동안 관내부에서 우발적으로 형성되는 구멍과 최종적인 절단부를 통하여 전파하는데 있으며, 스파크는 가스 생산물로서 높은 열 전달율의 생산물에 의하여 너무 많이 형성되며, 이와 같은 방법으로 관의 개방된 부분이 스파크의 릴리스를 위하여 기계적인 충돌을 허용하도록 양족의 열 전달율은 파이로테크닉 신호 전송의 지속성을 허용한다.

스파크-발생 관을 위한 최적화된 구성의 개선점은 몇몇의 실질적인 실험에 의하여 달성되어 진다. 이러한 실험에 있어서, 제분된 파이로테크닉 혼합물의 구성은 압출기 내에서 용융된 순수한 LLDPE의 내부 직경으로 분사함에 의하여 혼합되어지고, 관을 3.1 mm의 외부 직경, 1.4 mm의 내부 직경의 가요성 관으로 형성하기위하여 연신되어지고, 냉각되어 진다. 출원인으로부터 종래 기술인 파이로테크닉 충격 관 뿐만 아니라 주요 생산자로부터 제조된 종래 기술의 SURLYN 충격 관은 비교로서 견본이 되고, 실험된다.

실험의 실례를 보다 잘 이해하기 위하여 다음의 기술에 따른다.

1)전파 속도 실험: 측정 길이 5 M의 관 부분을 정밀 크로노미터에 고정된 2개의 광학 센서 사이에 놓는다. 관을 점화시키고, 제 1 센서에 의하여 스파크의 라이트(light)를 통과시켜 시간을 측정하기 시작하고, 제 2 센서에 의하여 통과할 때 시간 재는 것을 중단한다. 전파 속도는 두번째 측정된 시간을 5로 나눔에 따라 얻어진다.

2)킹크 전파 실험: 10개의 표본에서, 관의 스파크는 동일한 길이로 이격되어진 10개의 밀폐된 180° 폴드(fold)를 통하여 전파된다. 실패 없이 완벽히 전파되는 10개의 샘플들 사이의 최소 거리: 1m, 50cm, 30cm, 20cm, 10cm는 “킹크들 사이의 최소 거리”로 기록된다.

3)단단한 노트 전파 실험: 1m 길이의 관 샘플은 중간 부분에 단일 매듭이 형성되며, 관의 말단은 액체 구동식 수축 장치에 의하여 고정되고, 하중 셀(loading cell)은 매듭이 형성된 셀에 대한 인장 강도를 특정하기 위하여 접착되어 진다. 관이 점화되고, 노트를 통하여 전파된 연속적인 샘플들의 최대 하중이 기록된다. 최대 하중이 높으면 높을수록 단단한 노트를 통하여 현장 적용(field application)에서 우발적으로 형성되는 관의 전파 능력이 좋아진다. 이러한 실험은 비교적으로 이중 층(LLDPE 및 SURLYN)으로 형성되는 종래 기술의 충격 관뿐만 아니라 단일 층 충격 관으로 달성되어 진다.

4)낮은 에너지 도폭선 기폭: 1m 길이 관들의 100개의 샘플은 “J"형태의 커넥터를 통하여 연료 장전이 2 그램/미터인 PETN과 도폭선에 연결되어 지고, 도폭선은 기폭되어진다. 전파에 실패한 도폭선의 개수는 ”2그램/m 도폭선에 의하여 초기의 실패율“로서 기록되어 진다.

5)기계적인 충격 감도: 파이로테크닉 혼합물 파우더의 샘플은 특정의 길이로부터 자유 낙하하는 공지된 무게의 낙하 해머로 제공되어진다. 5개의 연속적인 샘플의 폭발에서의 에너지는 E= m.g.h로 계산되어지며, 여기서 m은 자유 낙하 시 질량이고, g는 중력가속도이며, h는 점화 시 최소 높이이다.

6)상대적으로 낮은 지연 감도: 점화 혼합물의 어떠한 부가적인 층이 없이 저속 지연 혼합물을 포함하고, 압축된 지연 파우더의 24 mm 길이의 칼럼과 8.3 초 지연 시간의 지연 요소는 다른 말단에 배열된 1.0m 길이의 스파크-발생 관의 선단과 다양한 길이를 가진 외부 직경이 6mm인 PVC 호스의 단부에 위치되어 진다. 스파크-발생 관이 점화될 때, 스파크는 호스의 내부로부터 자유 공간을 횡단하고, 지연 요소를 기폭한다. 요소가 항상 점화되는 호스의 길이가 크면 클수록 스파크의 열적 성능이 우수해진다. 5개의 연속적인 샘플을 점화하기 위한 최대의 호스 길이는 “저속 지연 요소의 감도”로서 기록되어 진다.

7)관 대 관의“공기 간격”: 3m 길이의 스파크-발생 관은 중간 길이에서 횡단하도록 절단되고, 절반의 관은 측정된 간격으로 이격되어 이동하며, “하프 파이프” 형태로 알루미늄 가이드를 통하여 배열을 유지한다. 관의 일부분 사이의 자유 간격을 횡단할 때, 5개의 연속적인 샘플들 중 제 2 부분을 기폭하는 스파크보다 최대 거리는 “올-파이어 에어 간격(all-fire air gap)"으로서 기록되어 진다.

8)뜨거운 폭발성 에멀젼에 대해 노출시킨 후의 기폭(initiation): 당업계에서 사용되는 고무 플러그와 주름이 형성된 알루미늄 캡으로 밀봉된 말단을 포함하는 12m 길이의 스파크-발생 관의 30개의 샘플은 연료와 같은 선박용 디젤 오일로써 65℃의 고온 체적의 폭발성 에멀젼으로 담겨지며, 용기(recipient)는 24시간 동안 65℃로 실험실용 스토브에 위치된다. 이러한 기간 후에, 스토브는 40℃로 하강된 서모스탯을 가지며, 상기 샘플들은 48시간동안 에멀젼에 위치되어지며, 전체 72시간동안 노출된다. 관은 점화되어지고, 실패된 관의 퍼센트는 “뜨거운 에멀젼 대하여 노출된 후의 파손”으로 기록되어 진다.

9)관에 대한 혼합물의 접착: 분석 측정에 의하면 5m 길이를 가지는 10개의 관 샘플은 0.0001g의 정확도로 하중을 받는다. 그 뒤 관의 내부는 비 접착성 파우더를 제거하기 위하여 2분 동안 0.3 Nm3/분의 흐름율로 압축된 공기가 흘려보내 진다. 관은 다시 하중을 받으며, 하중은 측정되어 진다. 관의 내부는 접착된 파우더를 제거하고, 활석와 이온 산화물을 끌어당기며, 알루미늄과 과염소산을 분해하기 위하여 수용성 수산화나트륨 용액의 흐름으로 세척되어 진다. 텅 빈 플라스틱 관은 하중을 받는다. 관의 내부 직경을 결정한 후, 표면 영역은 차분(difference)에 의하여 측정되어 지고, 프리 파우더의 하중은 영역 비율에 의하여 측정되어 지며, 접착된 파우더의 하중은 영역 비율에 의하여 측정되어 지고, 전체 파우더 중량에 의하여 프리 파우더 중량의 퍼센트 율이 계산되어 진다.

실험의 결과는 요약되고 정리된 테이블 1에 따른다.

테이블 1에 나타난 실험 결과에 따라서, 조성 Al/Fe₃O₄/LClO₄/활석의 각각의 백분율은 40/27.5/31.5/1.0으로 형성되는 것이 최상의 효율을 가진다. 750 m/s의 상대적으로 낮은 속도에 해당하고, 65% 알루미늄을 포함하는 높은 성분의 알루미늄 연료는 킹크, 노트 및 저속 지연 요소의 매우 낮은 감도를 통하여 전파하는 불충분한 스파크 성능을 의미한다. 한편, 조성이 30/32.5/36.5/1.0으로 형성되는 매우 낮은 알루미늄 함량의 연료는 매우 높은 가스 체적을 발생시킬 것이며, 관의 선단에서 스파크 생산물을 분산시키고, 저속 지연요소와 “올-파이어 에어 간격(all-fire air gap)”을 감소시킨다. 혼합물의 충격파 감도를 감소시키고, 관에 대한 혼합물의 접착성을 개선하는 활석의 효과 또한 입증되었다. 달성된 조사와 실질적인 실험에 기초하여, 스파크-발생 관의 최적화된 조성은 다음에 따른다.

-32% 내지 60%의 제분된 알루미늄. 마그네슘, 실리콘, 붕소 및 지르코늄과 같이 고온의 스파크를 발생시킬 수 있는 또다른 제분된 연료 또는 환원제가 사용될 수 있다.

-15% 내지 35%의 제분된 페로소페릭 옥사이드-Fe₃O₄. 산화제2철-Fe₂O₃, 산화제1철-FeO, 코발트산화물, 산화구리-CuO 및 산화제2구리-Cu₂O와 같이 산화-환원 반응에서 고온 전도 및 전달의 산물들을 발생시키는 또다른 물질들이 사용될 수 있다.

-20% 내지 40%의 과염소산칼륨-KClO₄. 염화칼륨, 질산칼륨, 과염소산암모늄, 과염소산나트륨, 황 및 3황화안티몬과 같이, 파이로테크닉 반응의 활성화 에너지를 저하시키고, 킹크, 노트 또는 관 제한기를 통하여 전파시키기에 충분한 가스 체적을 발생시킬 수 있는, 낮은 탐만 온도의 또다른 물질들이 사용될 수 있다.

-0.5% 내지 3.0%의 활석. 흑연과 같이, 충격과 마찰 감도를 감소시키고, 접착성을 촉진시킬 수 있는 또다른 물질들이 사용될 수 있다.

파이로테크닉 혼합물 조성의 성분들은 조합된 특징을 가질 수 있는데, 즉, 동일한 물질 성분은 상기 언급된 기능보다 많은 기능을 동시에 가질 수 있다.

조성 성분의 특징은 제조면에서 더 우수한 성능, 더 큰 안정성, 및 환경적 그리고 직무적 건강상의 위험 감소를 수득하기 위하여, 전통적인 충격 관에 상기 성분들을 개별적으로 또는 성분들을 조합하여 최적화시켜 종래 기술의 충격 관에 적용할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 따라 보다 잘 이해할 수 있다.

도 1은 스파크-발생 관을 생산하기 위한 처리도.

도 2는 관의 선단에 형성된 스파크-발생 관의 스파크를 도시한 도.

도 3은 관의 선단에 형성된 종래 기술의 충격 관의 가스 생산물과 비교되는 도.

도 1에 따라서, 스파크-발생 관의 제조 과정은 다음에 따른다.

a) 산화제 및 접착 촉진제 및 감도 저하 첨가제(desensitizing additive)가 미리 그리고 완전히 혼합되어 혼합물 Ⅰ을 형성한다.

b) 혼합물 Ⅰ은 도징 사이로(dosing silo)로 공급되고, 연료는 그 외의 혼합 사일로로 공급되어 진다.

c) 혼합물 Ⅰ과 연료는 플라스틱 관 압출기의 제어 루프(control loop)에 주파수 제어기 또는 그 외의 종래 기술의 제어기를 포함하는 전기 모터가 달린 진동식 도저(vibratory doser) 또는 그 외의 종래 기술의 질량 또는 체적 미세혼합 수단 또는 2개의 대응하는 도징 나사 타입의 장치를 통하여 균형을 이루는 비율로 지속적으로 투입되며(dose), 이러한 균형을 이루는 투입량은 하부 스크린이 구비된 롤 균일화 혼합기(roll homogeneizer-mixer)로 일정하게 도달하여, 감응형 파이로테크닉 최종 혼합물이 형성되고, 상기 하부 스크린은 플라스틱 관 압출기의 압출 링에 연결된다.

(d) 파이로테크닉 혼합물을 제조하는 동시에, 용융된 폴리머는 플라스틱 관이 형성된 압출기의 링을 통하여 압출되어 지고, 동시에 플라스틱 관의 내부에서 파이로테크닉 최종 혼합물의 투입량이 중력(gravity)에 의하여 형성되어 스파크-발생 관이 얻어진다.

발명의 교시 사항이 저하됨이 없이, 부가적인 처리 단계는 플라스틱 처리 영역에서 인장 강도, 관의 열처리 및 그 외의 종래 기술의 기술을 형성하기 위한 관 냉각 단계, 관의 신장 단계를 포함한다.

스파크-발생 관으로 형성되는 최종 생산물은 내벽에 접착된 5 내지 40 mg/m의 파이로테크닉 혼합물(pyrotechnic mixture)을 포함하고, 외측 직경의 범위가 2.0 내지 6.0 mm이고, 내측 직경의 범위가 1.0 내지 5.0 mm로 형성되는 EVA, 폴리에틸렌, LLDPE 또는 SURLYN와 같은 종래 기술의 플라스틱 관을 이용한다.

도 2는 전파되는 동안에 관의 선단에 형성된 스파크-발생 관 스파크를 도시하며, 이러한 도면은 고온의 고체와 용융된 생산물(1)에서 볼 수 있는 관 스파크의 고속 사진을 나타내며, 상기 생산물은 높은 열 전도 및 전달의 용융된 철을 포함하며, 가스로 구성되는 생산물(2)은 관의 선단에서 용융된 제트 분출을 야기한다.

이에 비하여 도 3은 기본적으로 가스로 구성되는 생산물이 관의 선단에서 전파될 때의 종래 기술의 충격 관을 도시하며, 이러한 도면은 관의 단부에서 가스 팽창에 의하여 확산되어진 기본적인 가스로 구성된 생산물(1)이 도시된 관 프레임의 고속 사진을 나타낸다. 이러한 비교 사진으로 인하여 종래 기술의 충격 관이 저감도 지연 칼럼을 점화시키기 위한 능력을 갖지 않으며, 절단부를 통하여 전파되지 않는 것이 명확해진다.

Claims (9)

1. 다음 조성물의 최적화된 조성으로 특징되는, 스파크-발생 관:

   a)알루미늄, 마그네슘, 실리콘 또는 지르코늄에서 선택되며, 고온의 스파크를 발생시킬 수 있는 환원제 또는 제분된 연료,

   b)페로소페릭 옥사이드-Fe₃O₄, 산화제2철-Fe₂O₃, 산화제1철-FeO, 산화코발트, 산화제2구리-CuO 또는 산화제1구리-Cu₂O에서 선택되며, 고온 전도성 또는 전달성의 반응 산물을 발생시키는 물질,

   c)과염소산칼륨-KClO₄, 염화칼륨, 질산칼륨, 과염소산암모늄, 과염소산나트륨, 황 또는 삼황화안티몬에서 선택되며, 킹크, 노트 또는 관 제한기를 통하여 전파시키기에 충분한 가스 체적을 발생시키고, 파이로테크닉 반응의 활성화 에너지를 낮출 수 있는 낮은 탐만 온도의 물질 및

   d)활석(talc) 또는 흑연에서 선택되며, 파이로테크닉 혼합물의 충격과 마찰 감도를 감소시키고, 접착성을 촉진시킬 수 있는 물질.
2. 제 1 항에 있어서, 최적화된 조성은

   a.32% 내지 60%의 제분된 알루미늄,

   b.15% 내지 35%의 제분된 페로소페릭 옥사이드-Fe₃O₄,

   c.20% 내지 40%의 과염소산칼륨-KClO₄ 및

   d.0.5% 내지 3.0%의 활석(talc)

   임을 특징으로 하는 스파크-발생 관.
3. 제 1 항에 있어서, 다음을 사용함을 특징으로 하는, 스파크-발생 관:

   낮은 탐만온도를 가지며 산화제인, 과염소산칼륨, 질산칼륨 및 과염소산암모늄; 낮은 탐만 온도를 가지며 연소성인 삼황화안티몬; 접착성 촉진제이며 충격 및 마찰 감도를 감소시키는 활석 및 흑연.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 다음 절차에 따른, 제 1항의 스파크-발생 관의 제조 방법:

   a) 산화제 및 접착 촉진제 및 감도 저하 첨가제(desensitizing additive)가 미리 그리고 완전히 혼합되어 혼합물 Ⅰ을 형성하는 단계,

   b) 혼합물 Ⅰ은 도징 사일로(dosing silo)로 공급되고, 연료(fuel)는 그밖의 다른 도징 사일로로 공급되는 단계,

   c) 균형을 이루는 비율의 혼합물 I과 연료는, 주파수 제어기 또는 제어 루프 내에 플라스틱 튜브 압출기를 가지는 그밖의 다른 제어기가 구비된 전기 모터를 포함한, 진동식 도저 또는 그밖의 다른 질량 또는 체적 미세혼합 수단을 통하여 또는 2개의 평행한 도징 나사 타입 장치를 통해 연속적으로 도즈(dose)되고, 상기 균형을 이루는 투입량은 플라스틱 관 압출기의 압출 링에 연결된 하부 스크린이 구비된 롤 균일화 혼합기(roll homogeneizer-mixer)로 일정하게 도달하여, 최종 감응형 파이로테크닉 혼합물이 소량 형성되는 단계, 및

   d) 파이로테크닉 혼합물의 제조와 병행하여, 플라스틱 관을 성형함과 동시에 중력에 의해 플라스틱 관 내부에서 최종 파이로테크닉 혼합물을 투여하는 압출기의 링을 통하여 용융된 폴리머가 압출되고, 스파크-발생 관이 수득되는 단계.
8. 삭제
9. 삭제

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