KR101559905B1 - 이온성 액체 추진제의 점화지연시간 단축을 위한 이온성 액체 혼합물 제조방법 및 이에 의해 제조된 이온성 액체 혼합물 - Google Patents

이온성 액체 추진제의 점화지연시간 단축을 위한 이온성 액체 혼합물 제조방법 및 이에 의해 제조된 이온성 액체 혼합물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고에너지 이온성 액체 추진제의 자동점화시간을 단축시킬 수 있는 방법에 관한 것으로서, 3차 아민과 할로겐화알킬로 요오드화메탄(CH3I)을 반응시켜 반응 생성물을 형성하는 단계, 상기 형성된 반응 생성물을 이온 교환하여 이온성 액체를 합성하는 단계 및 상기 이온성 액체에 3차 아민 및 금속이온 촉매를 넣고 혼합하여 반응시켜 이온성 액체 혼합물을 합성하는 단계를 포함하여 제조된 이온성 액체 혼합물은 일반적으로 고에너지 이온성액체의 150 내지 200 msec에 이르는 자동점화시간을 50 msec 이하로 단축되는 효과가 있다.

Description

이온성 액체 추진제의 점화지연시간 단축을 위한 이온성 액체 혼합물 제조방법 및 이에 의해 제조된 이온성 액체 혼합물{IONIC LIQUID MIXTURE MANUFACTURING METHOD FOR REDUCTION OF IGNITION DELAY TIME OF IONIC LIQUID PROPELLANT}
본 발명은 고에너지 이온성 액체 추진제의 자동점화시간을 단축시킬 수 있는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속이온 촉매 및 3차 아민을 이용하여 이온성 액체 추진제의 자동 점화지연시간을 단축을 위한 이온성 액체 혼합물 제조방법 및 이에 의해 제조된 이온성 액체 혼합물에 관한 것이다.
하이드라진(hydrazine)은 질소와 수소의 화합물로 대부분 추진제로 사용하고 있으며, 다른 단일 추진제에 비해 비추력이 높고 단열분해온도가 낮기 때문에 단일 추진제에 적용하기 매우 적합하다. 하지만 치명적인 독성(LD50(rat), mg/kg = 60)으로 사용자의 안전을 위해 완벽한 보호 장비를 갖춰야 하고, 또한 높은 부식성으로 공기 중의 이산화탄소와 반응하기 때문에 보관 및 수송에 있어서도 각별한 주의가 필요하므로 항공우주 및 군용으로써 사용하기 어렵다. 그러므로 하이드라진보다 독성이 낮은 무독성 추진제에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
기존 고에너지 물질인 염소산화물이나 하이드라진 등과 비교하여 고에너지를 함유한 이온성 액체 추진제(ionic liquid propellent)는 열안정성이 우수하여 취급이 용이하며, 과산화수소와 반응하여 자동점화 추진제로 사용될 수 있고, 독성물질 발생 및 발암 물질 등의 부유물이 생성되지 않아 독성물질의 발생량을 대폭 감소시킬 수 있다.
그렇기 때문에 이온성 액체 추진제는 친환경적인 고에너지 활성 물질로써 낮은 증기압과 저독성의 특성을 지니고 있어 미국, 유럽에서 단일추진제를 중심으로 활발히 연구가 이루어지고 있다.
그리고 이온성 액체 추진제인 HAN(Hydroxylamine Nitrate)은 무독성의 높은 저장성을 갖는 단일 추진제로서, 이에 대한 합성과 기초 특성에 관한 연구와 추진제 촉매분해반응 촉매에 대한 연구가 이루어진 바가 있다.
기존 이온성 액체 추진제와 관련한 연구에서 이온성 액체를 연료로 사용하고 백연질산을 산화제로 사용하면 자동점화 반응을 수십 밀리초(millisecond, msec) 이내로 진행할 수 있음을 보여주고 있으나 점화지연시간을 이온성 액체 종류에 상관없이 단축해야만 이온성 액체를 자동 점화성 액체 추진제로서 사용할 수 있음이 보고되어있다.
일본등록특허 제 4536262 호(2010.06.25)
앞서 기술된 바와 같이 일반적으로 이온성 액체가 자동 점화성을 갖는 액체추진제로서 사용되기 위해서는 점화지연시간의 단축이 필요하며, 이와 같은 점화지연시간은 일반적으로 고에너지를 함유한 이온성 액체 추진체에서 150 내지 200 msec 정도의 자동 점화지연시간을 갖고 있으며, 이를 저독성이 검증된 자동점화성을 갖는 이온성 액체로 추진제로 그 범위를 확장하기 위해서는 점화지연시간을 50 msec 이하로 단축된 이온성 액체의 개발의 요구되고 있다.
따라서 본 발명은 상기 필요성에 의해서 고안된 것으로서, 이온성 액체와 금속이온 촉매 및 3차 아민을 이용하여 산화제와 반응 시 짧은 점화 지연시간을 지닌 이온성 액체 혼합물 제조방법을 제시하는데 목적이 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 전술된 제조방법으로 통해 제조된 산화제와 반응 시 짧은 점화 지연시간을 지닌 이온성 액체 혼합물을 제시하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 이온성 액체 혼합물 제조방법은 3차 아민과 할로겐화알킬로 요오드화메탄(CH3I)을 반응시켜 반응 생성물을 형성하는 단계, 상기 형성된 반응 생성물을 이온 교환하여 이온성 액체를 합성하는 단계, 및 상기 이온성 액체에 3차 아민 및 금속이온 촉매를 넣고 혼합하여 반응시켜 이온성 액체 혼합물을 합성하는 단계를 포함한다.
상기 3차 아민은 3차 아민은 디아민(diamine)으로 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA), 테트라메틸프로판-1,3-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylpropane-1,3-diamine, TMPDA), 테트라메틸메탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylmetanediamine), 테트라메틸-1,4-부탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,4-butanediamine) 및 테트라메틸-1,6-헥산디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,6-hexanediamine) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 4차 아민은 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dicyanamide, HMEDA), 헥사메틸메탄디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2-hexamethylmethanediaminium dicyanamide, HMMDA),헥사메틸프로판-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2 -hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA), 헥사메틸부탄-1,4-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2-hexamethylbutane-1,4-diaminium dicyanamide, HMBDA), 헥사메틸펜탄-1,5-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2 -hexamethylpentane-1,5-diaminium dicyanamide) 및 헥사메틸헥산-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2 -hexamethylhexane-1,6-diaminium dicyanamide, HMHDA) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 이온성 액체 혼합물을 합성하는 단계에서는 상기 3차 아민을 1 내지 20 중량%의 양으로 이온성 액체에 혼합되며, 여기서 3차 아민으로는 바람직하게 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)을 사용하여, 1 내지 20 중량%의 양으로 이온성 액체에 혼합된다.
그리고 상기 이온성 액체는 상기 4차 아민을 30 내지 70 중량%로 포함할 수 있다.
상기 금속이온 촉매는 망간 (Mn), 철 (Fe) 및 코발트 (Co) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으며, 또한 염으로 나이트라이트(nitrite, NO2 -) 및 나이트레이트(nitrate, NO3 -)에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 1 내지 5 중량%로 첨가된다.
본 발명의 이온성 액체 혼합물은 전술된 이온성 액체 혼합물 제조방법으로 제조되며, 이러한 이온성 액체 혼합물의 점화지연시간은 점화지연시간을 나타내는 추세선에 따라 하기와 같은 수학식으로 나타낼 수 있다. 여기서, y는 점화지연시간, x는 3차 아민의 농도이다.
Figure 112015072866919-pat00001
Figure 112015072866919-pat00002
이와 같이 본 발명은 4차 아민을 30 내지 70 중량% 포함하는 4차 아민계열의 이온성 액체에 1 내지 20 중량%의 3차 아민과 금속이온 촉매를 첨가하여, 50 msec 이하의 점화지연 시간을 지닌 이온성 액체 혼합물로써 자동점화성이 있는 이온성 액체 추진제를 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 점화지연시간이 50 msec 이상인 이온성 액체에 금속이온 촉매와 3차 아민을 첨가함으로써 통상 긴 점화지연시간이 요구된 이온성 액체를 대신하여 50 msec 이하의 점화지연 시간을 지닌 이온성 액체 혼합물을 제공할 수 있다.
특히 본 발명을 통해 금속이온 촉매와 3차 아민을 도입함으로써 상온에서도 안정적이고 결정체를 이루지 않아 침전이 일어나지 않은 이온성 액체 혼합물을 이용할 수 있도록 만들어 준다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 이온성 액체인 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dycyanamide, HMEDA)의 제조방법이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조한 이온성 액체인 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1,N 1,N 3,N 3,N 3-hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA)의 제조방법이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dycyanamide, HMEDA)의 수소 원자 핵자기 공명(1H-NMR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dycyanamide, HMEDA)의 탄소 원자 핵자기 공명(13C-NMR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조한 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1,N 1,N 3,N 3,N 3-hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA)의 수소 원자 핵자기 공명(1H-NMR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조한 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1,N 1,N 3,N 3,N 3-hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA)의 탄소 원자 핵자기 공명(13C-NMR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA)의 농도 변화에 따른 이온성 액체 혼합물의 점화지연시간을 측정한 결과이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 이온성 액체 혼합물 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 3차 아민과 할로겐화 알킬인 요오드화메탄(CH3I)과 반응하여 4차 암모늄염인 반응 생성물을 형성하고, 상기 반응 생성물을 디시안아미드(dicyanamide, N(CN)2)로 이온 교환함으로서 4차 아민을 포함하는 이온성 액체를 형성한다.
상기 반응 생성물로 4차 암모늄염은 3차 아민을 할로겐화 알킬뿐만 아니라 황산 디알킬, 탄산 디알킬 등으로 4차화 함으로써 얻을 수 있다.
상기 3차 아민은 디아민(diamine)으로 바람직하게 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA), 테트라메틸프로판-1,3-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylpropane-1,3-diamine, TMPDA), 테트라메틸메탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylmetanediamine), 테트라메틸-1,4-부탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,4-butanediamine), 테트라메틸-1,6-헥산디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,6-hexanediamine) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 이온성 액체 혼합물은 상기 제조된 이온성 액체에 3차 아민으로 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA)와 금속이온 촉매를 첨가하여 이온성 액체 혼합물을 제조한다.
상기 금속이온 촉매에서 금속은 망간(Mn), 철(Fe) 및 코발트(Co) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 또한 염으로 나이트라이트(nitrite, NO2 -) 및 나이트레이트(nitrate, NO3 -)에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 여기서 상기와 같은 금속이온 촉매는 바람직하게 1 내지 5 중량%로 첨가될 수 있다.
그리고 본 발명에서 이온성 액체 혼합물을 제조하기 위해 사용될 수 있는 이온성 액체의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 이온성 액체로 바람직하게는 4차 아민계열의 이온성 액체로 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dicyanamide, HMEDA), 헥사메틸메탄디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2-hexamethylmethanediaminium dicyanamide, HMMDA),헥사메틸프로판-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2 -hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA), 헥사메틸부탄-1,4-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2-hexamethylbutane-1,4-diaminium dicyanamide, HMBDA), 헥사메틸펜탄-1,5-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2 -hexamethylpentane-1,5-diaminium dicyanamide) 및 헥사메틸헥산-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1 , N 1 , N 1 , N 2 , N 2 , N 2 -hexamethylhexane-1,6-diaminium dicyanamide, HMHDA) 등의 4차 아민을 포함하는 이온성 액체가 사용될 수 있고, 상기 금속이온 촉매 또는 TMEDA(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine)와 침전 생성 없이 혼합물을 형성할 수 있는 것이라면 무방하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체의 제조 방법은 다음과 같다.
본 발명의 실시예 1은 3차 아민으로 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA)와 요오드화메탄(CH3I)을 1:2의 몰비로 아세톤 용매와 함께 섞은 혼합물을 60 온도에서 48시간 동안 교반하여 반응 생성물을 흰색의 침전물로서 형성한다. 형성된 반응 생성물을 아세톤에 침지시켜 수회 세척한 다음 진공 오븐에서 60 온도로 12시간 동안 건조하여 반응 생성물을 수득한다.
이때, 상기 과정에서 사용되는 아세톤 용매의 양은 예를 들어, 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dicyanamide, HMEDA)을 0.05 내지 0.08 몰농도로 제조 할 때에 아세톤 용매는 약 300 ml 내지 400 ml 정도를 사용할 수 있다.
이어서, 상기 수득된 반응 생성물은 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 요오드화물(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium iodide, HMEDI)이며, 이로부터 이온성 액체를 형성하기 위하여 디시안아미드(dicyanamide, N(CN)2)를 이용하여 이온 교환을 한다.
상기에서 이온 교환의 일례로, 나트륨디시안디아미드(Sodium dicyanamide, NaN(CN)2)를 물에 녹인 후 질산은(AgNO3) 용액과 1:1의 몰비로 교반하여 반응하면 실버디시안디아미드(silver dicyanamide, AgN(CN)2)이 침전된다. 침전된 실버디시안디아미드(silver dicyanamide, AgN(CN)2)를 여과하고 이차증류수로 세척한 후 건조시켜 실버디시안디아미드(AgN(CN)2)를 얻는다.
헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 요오드화물(HMEDI)이 50 중량%로 함유된 용액에 상기와 같은 방법에 의해 제조된 실버디시안디아미드(AgN(CN)2)을 넣고 교반하여 이온 교환을 실시한다.
상기 이온 교환 과정에서는 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 요오드화물(HMEDI)와 실버디시안디아미드(AgN(CN)2)가 반응하여 요오드화은(AgI)이 침전되고, 디시안아미드(N(CN)2)가 치환된 4차 아민 용액을 얻는다. 이때, 여기서 이온 교환 반응에 대한 이온 교환율은 침전된 요오드화은(AgI)의 양을 측정하고 정량함으로써 확인할 수 있다.
상기에서 이온 교환 과정으로 디시안아미드(N(CN)2)가 치환된 4차 아민 용액은 진공증류기를 이용하여 농축함으로써 디시안아미드(N(CN)2)가 치환된 4차 아민으로 40 내지 50 중량%의 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dicyanamide, HMEDA)가 포함된 이온성 액체를 제조할 수 있다.
또 다른 실시예 2는 3차 아민으로 테트라메틸프로판-1,3-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylpropane-1,3-diamine, TMPDA)를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 이온성 액체를 제조하며, 이러한 이온성 액체로 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1,N 1,N 3,N 3,N 3-hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA)를 제조한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이온성 액체의 제조 방법을 나타내며, 이와 같은 방법으로 제조된 이온성 액체의 수율은 90%이상이며, 또한 이온성 액체는 4차 이민이 40 내지 70 중량%정도 포함된 수화물(hydrate)로 획득할 수 있다.
한편, 상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 이온성 액체에 3차 아민 및 금속이온 촉매를 넣고 혼합하여 반응시켜 이온성 액체 혼합물의 제조된다.
상기에서 이온성 액체 혼합물을 제조 시 넣는 3차 아민은 전술된 바와 같은 트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA), 테트라메틸프로판-1,3-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylpropane-1,3-diamine, TMPDA), 테트라메틸메탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylmetanediamine), 테트라메틸-1,4-부탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,4-butanediamine), 테트라메틸-1,6-헥산디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,6-hexanediamine) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이 중 바람직하게 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA)를 사용할 수 있다.
상기에서 이온성 액체 혼합물의 제조방법의 일례로, 실시예 3은 상기 실시예 1에서 제조한 이온성 액체인 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dicyanamide, HMEDA)에 금속이온 촉매로써 1 중량%의 망간염을 첨가하고 상기 이온성 액체(HMEDA)를 기준으로 3차 아민인 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA)을 1 내지 20 %의 농도로 첨가하여 이온성 액체 혼합물을 제조한다.
또 다른 실시예 4는 상기 실시예 2에서 제조한 이온성 액체로 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1,N 1,N 3,N 3,N 3-hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA)를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일한 과정으로, 도 2에 나타낸바와 같이 이온성 액체 혼합물을 제조한다.
그리고 전술된 바와 같은 방법으로 제조된 이온성 액체는 핵자기 공명분광기(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)를 이용하여 구조적 특성 분석을 실시한다. 여기서 상기 핵자기 공명분광기(NMR)로는 수소 원자 핵자기공명(1H-NMR)과 탄소 원자 핵자기공명(13C-NMR) 분광기라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 그리고 상기 수소 원자 핵자기공명(1H-NMR) 분석은 제조된 이온성 액체 물질을 NMR 용매인 중수(D2O)에 용해시킨 후 화학적 이동을 ppm 단위로 기록하고 분석하여 구조를 분석을 수행할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 이온성 액체인 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(HMEDA)의 구조는 도 3과 도4에 각각 도시된 산소 원자 핵자기공명(1H-NMR)과 탄소 원자 핵자기공명(13C-NMR) 스펙트럼을 통해 확인되었으며, 실시예 2에 따라 제조된 이온성 액체인 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(HMPDA)의 구조는 도 5와 도6에 도시된 산소 원자 핵자기공명(1H-NMR)과 탄소 원자 핵자기공명(13C-NMR) 스펙트럼 결과를 분석하여 구조를 확인하였다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체의 구조는 도 3 내지 도 6에 각각 도시된 수소 원자 핵자기공명(1H-NMR)과 탄소 원자 핵자기공명(13C-NMR) 스펙트럼을 얻어 이온 액체의 구조를 알 수 있으며, 분석 결과 설계된 화학구조를 가지고 있음을 확인 수 있었다.
본 발명에 따라 제조된 이온성 액체 혼합물은 플라스크에 넣고 95% 또는 93%의 백연질산(HNO3)을 산화제로 사용하여 액적 실험을 수행하였으며, 이하, 액적 실험 수행 결과에서 나타난 점화지연시간에 대하여 설명하기로 한다.
상기에서 점적 실험은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이온성 액체 혼합물 1 내지 2 ml을 삼구 플라스크에 넣고 진공장치와 질소 주입장치를 연결시켜, 상기 삼구 플라스크 내부의 공기를 10 분 이상 제거한다. 그리고 상기에서 내부 공기가 제거된 플라스크에 주사기를 이용하여 95%이상의 백연질산을 주입하며, 백연 질산의 주입과 동시에 240 fs(femto second)의 속도로 측정이 가능한 고속 카메라로 고속 촬영하여 점화지연시간을 측정한다. 여기서 점화지연시간은 급격한 반응에 의한 연기 발생시점을 기준으로 측정된 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(HMPDA)를 40 중량% 포함하는 이온성 액체에 금속이온 촉매로 1 중량%의 망간염을 첨가하고, 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)을 첨가하여 점화지연시간을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 이온성 액체 혼합물에서 3차 아민인 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 첨가량에 따른 실제 점화지연시간 측정값을 이용하여 점화지연시간을 나타내는 추세선을 구하고, 상기 추세선에 따라서 3차 아민인 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 농도에 대응되는 점화지연시간을 계산할 수 있다.
상기 추세선은 본 발명의 일례에 따라 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 여기서 y는 점화지연시간(ignition delay time)이고, x는 3차 아민의 농도이다.
Figure 112015072866919-pat00003
도 7의 그래프에 나타난 바와 같이, 이온성 액체 화합물에서 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 중량%이 증가함에 따라 점화지연시간이 125 msec 에서 50 msec까지 감소한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예로 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(HMEDA)가 50 중량%를 포함하는 이온성 액체에 금속이온 촉매로 1 중량%의 망간염과 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)을 첨가하여 점화지연시간을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
상기 도 7에서와 마찬가지로 이온성 액체 혼합물에서 3차 아민인 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 첨가량에 따른 실제 점화지연시간 측정값을 이용하여 점화지연시간을 나타내는 추세선을 구하고, 상기 추세선에 따라서 3차 아민인 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 농도에 대응되는 점화지연시간을 계산할 수 있다. 이러한 본 발명의 또 다른 일예에 따른 추세선은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서 y는 점화지연시간(msec)이고, x는 3차 아민의 농도이다.
Figure 112015072866919-pat00004
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 도 7에서의 결과와 마찬가지로 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 중량%이 증가함에 따라 점화지연시간이 급격히 감소함을 알 수 있다.
특히, 이 경우에서는 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)의 첨가량이 1 내지 5 중량%이내에서 점화지연시간의 50 % 정도가 감소되었음을 알 수 있었고, 이온성 액체에 있어서 3차 아민인 테트라메틸에탄-1,2-디아민(TMEDA)와 유사한 구조를 지닌 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(HMEDA)가 헥사메틸프로판-1,3-디암모늄 디시안아미드(HMPDA)보다 휠씬 점화지연시간이 단축되었음을 알 수 있다.
이처럼, 점화지연시간은 이온성 액체의 구조에 따라 변화하며, 구체적으로 이와 같은 구조의 변화가 탄소 사슬의 길이가 길고 대칭성인 경우 점회지연시간이 길어지고, 이와 반대로 탄소 사슬의 길이가 짧고 비대칭성의 경우에 점화지연시간이 더욱 짧아짐을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 이온성 액체 혼합물은 기존의 일반적인 고에너지 이온성액체의 150 내지 200 msec에 이르는 자동점화시간이 50 msec 이하로 단축되므로 자동점화성이 있는 액체 추진제로서 적합하게 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 3차 아민과 할로겐화알킬로 요오드화메탄(CH3I)을 반응시켜 반응 생성물을 형성하는 단계;
    상기 형성된 반응 생성물을 이온 교환하여 4차 아민을 포함하는 이온성 액체를 합성하는 단계; 및
    상기 이온성 액체에 3차 아민 및 금속이온 촉매를 넣고 혼합하여 반응시켜 이온성 액체 혼합물을 합성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 3차 아민은 디아민(diamine)으로 테트라메틸에탄-1,2-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylethane-1,2-diamine, TMEDA), 테트라메틸프로판-1,3-디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylpropane-1,3-diamine, TMPDA), 테트라메틸메탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethylmetanediamine), 테트라메틸-1,4-부탄디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,4-butanediamine), 테트라메틸-1,6-헥산디아민(N 1,N 1,N 2,N 2-tetramethyl-1,6-hexanediamine) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 4차 아민은 디아민(diamine)으로 헥사메틸에탄-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylethane-1,2-diaminium dicyanamide, HMEDA), 헥사메틸메탄디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylmethanediaminium dicyanamide, HMMDA), 헥사메틸프로판-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylpropane-1,3-diaminium dicyanamide, HMPDA), 헥사메틸부탄-1,4-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylbutane-1,4-diaminium dicyanamide, HMBDA), 헥사메틸펜탄-1,5-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylpentane-1,5-diaminium dicyanamide), 헥사메틸헥산-1,2-디암모늄 디시안아미드(N 1,N 1 ,N 1,N 2,N 2,N 2-hexamethylhexane-1,6-diaminium dicyanamide, HMHDA)중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이온성 액체 혼합물을 합성하는 단계에서는 상기 3차 아민을 1 내지 20 중량%의 양으로 이온성 액체에 혼합하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이온성 액체는 상기 4차 아민을 40 내지 70 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속이온 촉매는 망간 (Mn), 철 (Fe) 및 코발트 (Co) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 금속이온 촉매는 1 내지 5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 의한 제조방법으로 제조된 이온성 액체 혼합물.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 이온성 액체 혼합물의 점화지연시간은
    Figure 112015072866919-pat00005
    (여기서, y는 점화지연시간, x는 3차 아민의 농도)에 따르는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 이온성 액체 혼합물의 점화지연시간은
    Figure 112015072866919-pat00006
    (여기서, y는 점화지연시간, x는 3차 아민의 농도)에 따르는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 혼합물.
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