KR101296690B1 - 열가소성 바인더를 사용하여 형상 변형이 가능한 혼합형 고체 추진제 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열가소성 탄성중합체를 바인더로 사용하여 형상 변형이 가능한 혼합형 고체 추진제 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 탄성중합체로서 폴리염화비닐, 염화비닐-초산비닐 공중합체 및 폴리에테르아미드를 사용함으로써 형상 변형이 가능한 고체 추진제 조성물에 관한 것이다.

Description

열가소성 바인더를 사용하여 형상 변형이 가능한 혼합형 고체 추진제 조성물{Deformable solid propellant composition using thermoplastic binder}
본 발명은 열가소성 탄성중합체를 바인더로 사용하여 형상 변형이 가능한 혼합형 고체 추진제 조성물에 관한 것이다.
로켓 추진기관에 사용되는 고체 추진제는 산화제, 바인더, 안정제, 연소속도 조절제, 결합제 및 기타 첨가제를 혼합하여 제조된다. 상기 고체 추진제의 주성분인 산화제는 주로 과염소산암모늄, 질산암모늄, 사이클로트리메틸렌트리니트라민, 사이클로트리메틸렌테트라니트라민 등이 사용되며, 바인더는 산화제와 첨가제를 결합시키는 역할을 하고, 추진제의 기계적 특성을 결정한다.
현재 고체 추진제 제조 시 널리 사용되는 바인더는 카르복실터미네이티드 폴리부타디엔, 히드록실터미네이티드 폴리부타디엔, 히드록실터미네이티드 폴리에테르 등 수산기(-OH)를 가진 프리폴리머(prepolymer)와 이소시아네이트를 가진 경화제가 가교반응으로 결합하고 있는 우레탄 계열의 바인더이다. 수직혼합기에 프리폴리머, 산화제 및 기타 첨가제를 넣고, 프리폴리머의 당량에 해당하는 경화제를 투입한 후 혼합하여 제조한다. 제조된 추진제는 경화반응이 진행되기 전에 몰드에 충전한 후 60~70℃의 온도에서 수일간 경화반응을 거쳐 완성된다. 우레탄 계열의 고체 추진제는 경화반응이 진행되면 역반응이 불가능하므로 형상을 변형할 수 없고, 장기 저장 시 지속적으로 경화가 진행되어 추진제 표면 및 내부에 균열이 발생할 수 있다.
고체 추진제에 관한 종래 기술로는 한국공개특허공보 제2012-0104457호에 둔감성 고체 추진제 조성물이 개시되어 있고, 한국공개특허공보 제2011-0001107호에 고체 추진제용 경화제 및 이를 함유하는 접착 기능이 강화된 고체 추진제 조성물이 개시되어 있으며, 한국공개특허공보 제2004-0092810호에 고체 추진제 조성물이 개시되어 있으나, 상기와 같은 문제점들이 있다.
KR 2012-0104457 A KR 2011-0001107 A KR 2004-0092810 A
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고체 추진제 조성물의 바인더로서 열가소성 탄성중합체를 사용하여 경화반응에 의한 추진제의 균열을 방지하고, 추진제 제조과정에서 열을 가하여 형상의 변형이 가능하며, 장기 저장된 추진제에 열을 가하여 형상 변형 후 재사용이 가능한 추진제 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물은 바인더로서 열가소성 탄성중합체 5~40중량%, 산화제 20~90중량%, 가소제 1~20중량% 및 금속 화합물 0.1~30중량%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물에 있어서, 상기 바인더로서 사용되는 열가소성 탄성중합체는 폴리염화비닐, 염화비닐-초산비닐 공중합체 및 폴리에테르아미드로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 폴리염화비닐 및 염화비닐-초산비닐은 원료의 단가가 저렴하고, 여러 분야에서 널리 사용되므로 공급이 원활하며, 상기 폴리에테르아미드는 그 종류에 특별히 한정이 없고, 예를 들면, PebaxTM(Arkema사 제) 등을 사용할 수 있다.
상기 열가소성 탄성중합체의 함량은 5~40중량%인 것이 바람직한데, 5중량% 미만이면 추진제의 기계적 특성이 약해져 바람직하지 않으며, 40중량%를 초과하면 추진제의 성능이 낮아지고, 점화가 원할하지 않아 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물에 있어서, 상기 산화제는 과염소산암모늄, 질산암모늄, 사이클로트리메틸렌트리니트라민 및 사이클로트리메틸렌테트라니트라민으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 산화제의 등급 및 입자크기는 특별히 제한되지 않으며, 임의의 등급이 사용될 수 있다.
상기 산화제의 함량은 20~90중량%인 것이 바람직한데, 20중량% 미만이면 추진제 내에 산소가 부족하여 정상연소가 되지 않아 바람직하지 않으며, 90중량%를 초과하면 추진제의 기계적 특성이 약해져 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물에 있어서, 상기 가소제는 n-에틸톨루엔술폰아미드 및 디옥틸프탈레이트로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 n-에틸톨루엔술폰아미드의 예로서 켓젠플렉스 8(Ketjenflex8, Akzo Nobel Chemicals 사 제) 등을 사용할 수 있으며, 바인더로서 사용되는 열가소성 탄성중합체와 열역학적으로 상용성이 있다. 상기 가소제의 함량은 1~20중량%인 것이 바람직한데, 1중량% 미만이면 그 효과가 미미하며 바람직하지 않고, 20중량%를 초과하면 추진제의 기계적 특성이 약해져 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물에 있어서, 상기 금속 화합물은 특별히 한정이 없고, 알루미늄, 불화리튬, 탄화지르코늄 및 산화철로부터 선택되는 1종 이상이다.
상기 금속 화합물의 함량은 0.1~30중량%인 것이 바람직한데, 0.1중량% 미만이면 그 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 30중량%를 초과하면 오히려 산화제의 낮은 함유율로 인하여 추진제 내에 산소가 부족하여 성능이 감소하므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물에는 일반적인 고체 추진제 조성물에 첨가되는 통상의 첨가제들, 예로서 산화방지제로서 펜타에리트리톨 테트라키스(Irganox1010TM, BASF사 제), 결합제로서 폴리이소부틸렌, 열안정제로 디옥틸주석-모노옥틸주석화합물(ThermoliteTM, Arkema사 제), 계면활성제로서 불소계면활성제(FluoradTM, 3M사 제), 고결방지제로서 스테아린산칼슘, 및 붕소를 각각 0.1~3.0중량% 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물의 제조는 통상의 방법을 이용할 수 있으며, 예를 들어 각 성분들을 계량, 혼합하여 조성물을 제조할 수 있다. 그리고, 본 발명의 고체 추진제 조성물을 이용하여 고체 추진제를 제작하는 방법은, 예를 들어 상기 조성물을 이용하여 압연, 절단, 성형 순으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 바인더, 산화제, 가소제 및 금속 화합물과 필요에 따라 첨가제를 계량하여 혼합기에서 혼합하여 조성물을 제조한 후, 바인더의 연성온도 이상으로 가온된 압연기에 투입하여 추진제 시트를 제작하고, 제작된 추진제 시트는 작게 절단한 후 성형기에 넣고, 진공, 압력 및 온도 조건을 조절하여 원하는 형상의 추진제를 제작할 수 있다.
본 발명의 열가소성 혼합형 고체 추진제 조성물은 기존 고체 추진제와 유사한 성능을 가지며, 열을 가하면 형상이 변형가능하여 재활용이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 열가소성 탄성중합체의 구조를 나타낸 도면으로서, 상온에서 연한부분(soft segment)과 결정구조의 단단한 부분(hard segment)이 형성되어 탄성체의 특성을 보이지만 연성온도 이상으로 가온하면 단단한 부분을 구성하고 있는 결정구조가 사라져 유동성을 가지므로 형상의 변형이 가능하다.
이하, 본 발명에 대해서 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리에테르아미드(PEBAXTM) 8중량%, 과염소산암모늄 78중량%, n-에틸톨루엔술폰아미드(ketjenflex8) 2중량%, 디옥틸프탈레이트 0.4중량%, 알루미늄분말 10중량%와 첨가제로서 폴리이소부틸렌 1중량%, Irganox1010 0.2중량%, Fluorad FC-430 0.2중량%, 스테아린산칼슘 0.2중량%로 구성되는 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
제조된 고체 추진제 조성물의 특성을 평가한 결과, 1,000psia, 20℃에서 연소속도 9.1mm/s, 압력지수 0.43, 밀도 1.81g/cc이었다.
실시예 2
과염소산암모늄을 76중량% 사용하고, 불화리튬을 2중량% 더 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
제조된 고체 추진제 조성물의 특성을 평가한 결과는 1,000psia, 20℃에서 연소속도 6.2mm/s, 압력지수 0.36, 밀도 1.80g/cc이었다.
실시예 3
불화리튬 대신에 산화철 2중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
제조된 고체 추진제 조성물의 특성평가 결과는 1,000psia, 20℃에서 연소속도 13.2mm/s, 압력지수 0.47, 밀도 1.81g/cc이었다.
실시예 4
폴리에테르아미드 8중량% 대신에 폴리염화비닐 5중량%와, 염화비닐-초산비닐 공중합체 3중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
제조된 고체 추진제 조성물의 특성을 평가한 결과, 1,000psia, 20℃에서 연소속도 8.9mm/s, 압력지수 0.42, 밀도 1.83g/cc이었다.
비교예
히드록실터미네이티드 폴리부타디엔 9중량%, 디옥틸프탈레이트 3중량%, 이소포론디이소시아네이트(IPDI) 0.7중량%, 과염소산암모늄 86중량%, ZrC분말 1중량%, 첨가제로서 결합제인 테파놀(Tepanol, 3M사 제), 산화방지제인 2'-메틸렌-비스(4-메틸-6-tert-부틸), 경화촉진제인 아세틸아세토산제2철(ferric acetylacetonate)이 각각 0.1중량% 로 구성되는 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
제조된 고체 추진제 조성물의 특성을 평가한 결과, 1,000psia, 20℃에서 연소속도 10.9mm/s, 압력지수 0.42, 밀도 1.72g/cc이었다.
상기 실시예 1~4 및 비교예에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1~4는 종래 기술인 비교예에 비하여 연소속도 및 압력지수는 유사하고, 밀도는 더 높게 나타남을 알 수 있으며, 또한, 실시예 1~4로부터 제조된 추진제에 열을 가하여 형상 변형이 가능함을 확인하였다.

Claims (6)

  1. 바인더로서 열가소성 탄성중합체 5~40중량%, 산화제 20~90중량%, 가소제 1~20중량%, 금속 화합물 0.1~30중량%, 산화방지제로서 펜타에리트리톨테트라키스, 결합제로서 폴리이소부틸렌, 열안정제로 디옥틸주석-모노옥틸주석화합물, 계면활성제로서 불소계면활성제 및 고결방지제로서 스테아린산칼슘을 각각 0.1~3.0중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 추진제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바인더로서 사용되는 열가소성 탄성중합체는 폴리염화비닐, 염화비닐-초산비닐 공중합체 및 폴리에테르아미드로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체 추진제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 과염소산암모늄, 질산암모늄, 사이클로트리메틸렌트리니트라민 및 사이클로트리메틸렌테트라니트라민으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체 추진제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가소제는 n-에틸톨루엔술폰아미드 및 디옥틸프탈레이트로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체 추진제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 화합물은 알루미늄, 불화리튬, 탄화지르코늄 및 산화철로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체 추진제 조성물.










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