KR101827211B1 - 1-에톡시-2,4,6트리니트로벤젠 및 질소계 둔감 충전제를 포함하는 용융충전용 화약 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1-에톡시-2,4,6-트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)과 질소계 둔감 충전제를 포함하는 용융충전용 화약에 관한 것이다.

Description

1-에톡시-2,4,6트리니트로벤젠 및 질소계 둔감 충전제를 포함하는 용융충전용 화약{The melting-casting explosives including 1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene and Nitrogenous insensitive filler}

본 발명은 2,4,6-트리니트로톨루엔을 대체할 수 있는 용융충전용 화약으로써의 1-에톡시-2,4,6트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)의 적용에 관한 것이다.

2,4,6-트리니트로톨루엔(화학식 A, 2,4,6-Trinitrotoluene, TNT)은 무기체계에 가장 광범위하게 사용되고 있는 화약으로서, 특히 용융충전용 화약으로 TNT 그 자체 혹은 다른 화약과 혼합한 조성에 널리 사용되고 있다. TNT의 용융점은 81℃로 상대적으로서, 쉽게 녹여서 탄에 충전할 수 있는 장점을 가지고 있다.

[화학식 A]

또한 TNT는 제조가 용이하고, 가격이 저렴하며 많은 무기체계에 TNT 단독 혹은 다른 물질과 혼합하여 다양한 성능과 특성을 나타내는 화약으로 사용되고 있다. TNT는 일반적으로 액체상태로 용융하여 탄체 혹은 탄두에 충전한다. 이때 용융된 TNT가 액상(ρ=1.48 g/㎝³)에서 고체(ρ=1.654 g/㎝³)화 될 때 상변화에 의하여 약 10 % 내외에 이르는 부피 수축현상을 수반하므로 용융 TNT 충전 후 탄체 내부에는 수축동공이 형성되고, 충전화약 내부에 크랙이 생성되어 포 발사 시에 포신 내에서 기폭현상이 발생(조폭현상)하고, 성능도 다른 화약에 비하여 낮은 편이기 때문에 대체 물질을 찾는 연구가 지속적으로 진행되어 왔다.

용융주조 폭약을 제조하는데 공지된 TNT-계 조성물 중에서, COMP B는 널리 공지되어 실시되고 있는 것 중 하나이다. 일반적으로 COMP B는 TNT, 1,3,5-트리니트로-1,3,5-트리아자-사이클로헥산(RDX) 및 밀랍의 혼합물을 포함한다. COMP B 중 각 성분의 정확한 농도는 산업적 실시분야에 따라 다소 달라질 수 있지만, 일반적으로 약 39.5중량% TNT, 약 59.5중량% RDX 클래스 1(100㎛) 및 약 1중량% 밀랍을 포함한다.

COMP B는 일반적으로 약 81℃의 비교적 낮은 용융온도를 가지는 TNT 용융주조 바인더를 먼저 용융시킴으로써 제조된다. 그 다음에 RDX 입자와 밀랍(선택적으로 RDX 입자 상에 사전 코팅된)을 슬러리나 균질 분산액이 얻어질 때까지 용융 TNT 속으로 교반한다. 용융된 슬러리는 주조공정에 의해 박격포, 수류탄, 대포포탄, 탄두 및 지뢰 등을 위한 포탄이나 주조 속에 부은 후 냉각 및 고화시킬 수 있다. COMP B의 용융 주입성은 용융주조 폭약의 특징이다.

그러나, 당해 기술분야에서 널리 알려진 바와 같이, COMP B와 같은 용융주조 폭약 조성물은 여러가지 단점을 가지고 있다. 단점 중 가장 잘 알려진 한가지는 용융주조 폭약이 냉각됨에 따라 수축되거나 균열이 생기는 경향이 있다는 것이다. 포탄(shell) 또는 케이싱(casing)으로부터 용융주조 폭약이 분리되고 폭약 내 균열이 형성되면 용융주조 폭약의 충격(또는 충돌) 감도가 상당히 증가된다. 이러한 충격/충돌 감도의 증가로 인해, COMP B로 만들어진 용융주조 폭약 등은 일부 군분야에 대해서는 충분한 예측가능성이 결여된 것으로 확인되어 왔다. 특히, 그러한 용융주조 폭약이 화기 모터 부근에서 사용되는 경우 조발폭발이 일어나기 쉽다.

또한, 용융주조 바인더로서의 TNT의 독성과 고열감도로 인하여, 용융주조 기술을 실시할 때 흔히 안전예방조치가 필요하고, 따라서 제조비용이 추가되고 제조 속도가 느려진다. 이러한 특성 외에도 TNT를 제조할 때는 레드워터(red water) 라는 독성 물질이 다량 발생하고, TNT 취급시에는 핑크워터(pink water)라는 오염수가 발생한다. 즉, TNT의 제조 시 핑크워터(pink water)로 알려진 독성 부산물을 생성하며, TNT 정제 과정동안, 톨루엔의 질화처리과정에서 생성된 메타 이성질체가 아황산나트륨과 반응하여 적색이고 고독성인 수용성, 황산염화 니트로톨루엔을 생성한다. 이러한 폐기흐름 청소는 노동집약적이고, 따라서 비용을 상당히 증가시킨다. 그 결과 미국 등 선진국에서는 자국 내에서의 TNT 제조를 금지한 상태이다.

최근 TNT의 대체 물질로 거론되는 후보물질들 중 2,4-디니트로아니솔(화학식 B, 2,4-dinitroanisole, DNAN)이 있는데, 이는 감도가 낮아서 용융충전용 둔감 복합화약 조성 개발에 유리한 점이 있지만, 성능은 TNT에 비하여 떨어진다. DNAN의 경우 매우 둔감한 특성을 갖고 있어, 둔감 용융충전용 화약으로 유망하였지만, 막상 너무 둔감하여 기폭이 어렵고, 성능이 낮은 단점이 있다. 또한, DNAN의 경우 미국 회사가 특허로 독점하고 있으므로 새로운 용융충전용 화약을 발굴하고자 하는 노력이 계속되고 있다.

[화학식 B]

따라서 본 발명은 TNT 또는 DNAN를 포함하지 않는 새로운 용융충전용 화약을 제공하고자 한다.

상기 과제 해결을 위하여 본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 1-에톡시-2,4,6-트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)과 질소계 둔감 충전제를 포함하는 용융충전용 화약을 제공한다.

[화학식 1]

본 발명은 상기 질소계 둔감 충전제가 아미노테트라졸(5-aminotetrazole), 구아니딘(guanidine) 또는 3-니트로-1,2,4-트리아졸-5-온(3-nitro-1,2,4triazole-5-one)인 것을 특징으로 하는 용융충전용 화약을 제공한다.

본 발명은 상기 질소계 둔감 충전제가 아미노테트라졸인 것을 특징으로 하는 용융충전용 화약을 제공한다.

ETNB는 TNT 및 미국에서 제시한 TNT 대체물질인 DNAN보다 용융충전용 화약으로 유망한 물질로, 특허 질소계 둔감 충전제와 혼합하였을 때 비교적 둔감하지만 종래 물질 대비 기폭이 잘 되고, 폭속도 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 따라서 ETNB는 질소계 둔감 충전제와 혼합하면 유망한 용융충전용 화약을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 TNT, DNAN 대비 ETNB의 구조를 비교한 도이다.
도 2는 ETNB의 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 열분석 한 결과 도이다.
도 3은 ETNB의 TGA(Thermo Gravimetric Analysis) 열분석 한 결과 도이다.

본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 1-에톡시-2,4,6-트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)과 질소계 둔감 충전제를 포함하는 용융충전용 화약에 관한 것으로 이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

[화학식 1]

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 용융충전용 화약은 용융화약으로 상기 화학식 1로 표시되는 1-에톡시-2,4,6-트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)을 포함한다.

ETNB는 녹는점이 TNT의 녹는점인 81℃와 거의 흡사하고, 또한 TNT 대체 용융충전용 화약으로 미국에서 개발된 DNAN(2,4-Dinitroanisole)보다 성능이 매우 높으며, 감도는 DNAN보다 조금 예민하지만 거의 비슷한 정도이다.

하기 화학식 B의 DNAN은 하기 화학식 A의 TNT로부터 설계된 화합물로서 니트로벤젠고리의 α-위치에 탄소보다 산소가 연결되어 있을 경우 충격감도에 더 둔감하다는 연구결과가 보고되어 있다.

[화학식 A]

[화학식 B]

ETNB도 이 연구결과에 착안하여 TNT 구조에서 에너지를 부여하는 니트로기는 그대로 유지하되 TNT의 1번 위치에 탄소 대신 산소를 결합시켜 둔감도를 높이도록 설계하였다[도 1 참조]. 따라서, DNAN과 비슷한 둔감도를 유지하면서 DNAN보다는 높은 성능을 가지도록 설계하였고, 실제 시험결과 폭속은 6,400 m/s로 DNAN의 5,600 m/s 보다 높고, 충격감도는 DNAN와 비슷한 정도인 것을 확인하였다.

즉, 본 발명의 ETNB는 성능은 TNT보다 약간 낮지만, 감도는 DNAN 정도로 둔감한 화합물이다. 또한, 녹는점은 81℃로 TNT의 녹는점과 동일하므로, 용융충전용 화약으로 유망한 물질이라 할 수 있다.

둔감한 특성을 갖는 DNAN는 매우 둔감한 고폭화약과 혼합하여 사용하였을 때 기폭이 어렵고, 성능이 낮다는 단점이 있어서 실제 사용에 어려움이 있다.

이에 반해 본 발명의 ETNB는 매우 둔감한 고폭화약과 혼합하여 사용하였을 때 DNAN보다 훨씬 기폭이 잘되는 특성을 보이며, DNAN보다 성능도 좋기 때문에 질소계 충전제와 같은 매우 둔감한 특성의 분자화약과 혼합하여 사용하면 기폭이 가능하므로 성능과 둔감도를 동시에 향상 시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 용융충전용 화약은 상기 ETNB와 함께 질소계 둔감 충전제를 포함한다.

상기 질소계 둔감 충전제로 바람직하게는 5-아미노테트라졸(5-aminotetrazole, AT), 구아니딘(guanidine) 또는 3-니트로-1,2,4-트리아졸-5-온(3-nitro-1,2,4triazole-5-one)을, 더욱 바람직하게는 5-아미노테트라졸을 들 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.

하기 화학식 2의 5-아미노테트라졸은 폭속이 7,650m/sec 정도로서, 고폭화약으로 사용할 수 있을 정도의 높은 성능을 가진 고질소계 원료화약이나, 일반산업에서도 사용될 정도로 워낙 둔감하여 기폭이 어렵다는 단점이 있는 물질이다.

[화학식 2]

용융화약은 성능을 향상시키기 위하여 고성능의 원료화약과 혼합하여 사용하는데, 5-아미노테트라졸과 같이 매우 둔감한 특성을 가진 원료화약과 용융화약을 혼합하여 사용할 때, DNAN과 같이 둔감한 용융화약의 경우 둔감하여 기폭 시키기 어렵다.

이에 반해 본 발명의 ETNB는 기폭이 잘되므로 둔감한 원료화약 특히 질소계 원료화약과 혼합하여 사용 가능하다는 것이다.

본발명의 하기 화학식 1로 표시되는 1-에톡시-2,4,6-트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)과 질소계 둔감 충전제를 포함하는 용융충전용 화약의 제조방법을 제한적인지 않은 일예로 설명하면 다음과 같다.

[화학식 1]

먼저 ETNB를 ETNB의 녹는점인 약 85℃에서 용융시킨다. ETNB가 용융상태가 된 후 질소계 둔감 충전제를 넣어 슬러리나 균질 분산액이 얻어질 때까지 교반시킨다. 그 후 실온에서 냉각시킨다.

본 발명의 용융충전용 화약은 ETNB와 질소계 둔감 충전제를 바람직하게는 3:7 ~ 7:3 중량비로 포함하면 성능이 우수하고 기폭이 잘되는 용융충전용 화약을 얻을 수 있다. 보다 바람직하게 본 발명의 용융충전용 화약은 ETNB와 질소계 둔감 충전제를 4:6 ~ 6:4 중량비로 포함할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

[실시예 1]

ETNB의 물리적 특성과 둔감도를 측정하여 표 1에 나타내었다.

ETNB는 위와 같이 용융충전화약으로 적용 가능한 물리적 특성과 둔감도를 만족하고 있다.

[실시예 2]

ETNB와 5-아미노테트라졸(AT)을 5:5 중량비로 혼합한 혼합조성에 대한 실험실적 특성, 감도 및 폭속 등의 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교예]

TNT, DNAN 및 AT의 물리적 특성과 둔감도를 표 1에 나타내었다. 또한 DNAN과 RDX, ETNB와 RDX, DNAN과 AT를 하기 중량비로 혼합한 혼합조성에 대한 실험실적 특성, 감도 및 폭속 등의 결과를 표 1에 나타내었다.

	충격감도 (J)	마찰감도 (N)	폭속 (m/s)
TNT (2,4,6-Trinitrotoluene)	47.10	무반응	6,850
ETNB (1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene)	76.56	>352.8 (무반응)	6,400
DNAN (2,4-Dinitroanisole)	79.43	323.4	5,590
ETNB:RDX = 4:6	7.05	335.16	7,695
DNAN:RDX = 4:6	25.59	295.96	7,329
ETNB:AT = 5:5	38.02	352.80	6,704
DNAN:AT = 5:5	>80.0(무반응)	337.51	6,174
AT (Aminotetrazole)	>80.0(무반응)	352.80	7,651

충격감도 시험은 외부의 물리적 자극에 대하여 화약의 반응정도를 측정하는 것으로 측정값이 낮을수록 적은 에너지로 반응함을 의미한다. 충격감도 시험 결과를 보면, ETNB, DNAN, AT 각각의 충격감도는 굉장히 둔감하지만, RDX나 AT의 고폭화약과 혼합하여 충격감도 시험을 실시하였을 경우, DNAN보다 ETNB의 경우 훨씬 기폭이 잘되는 것을 확인할 수 있었다.

즉, 아미노테트라졸(아미노테트라졸의 경우, 너무 둔감하여 단독기폭이 어려운 고폭화약이다)과 같이 너무 둔감한 화약에 적용하였을 때 DNAN의 경우에는 아예 반응을 하지 않아서 기폭이 어려움을 알 수 있고, ETNB와 혼합하였을 때는 38J로 매우 둔감하지만 DNAN/AT에 비하여 기폭이 잘 되고, 폭속도 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 또한, ETNB와 AT 혼합조성과 비슷한 성능일 것으로 예상되는 RDX와 DNAN를 혼합하여 제조한 용융충전용 시료보다는 둔감한 특성을 가지는 것으로 보아 ETNB는 질소계 둔감 충전제와 혼합하면 유망한 용융충전용 화약이 될 것으로 사료된다.

도 2는 ETNB의 DSC 열분석 한 결과 도이다. 이는 온도 변화에 따른 상변화 및 발열 반응을 볼 수 있다. 85℃ 부근에서 용융이 되고 305℃에서 발열이 된다. 이는 TNT 의 용융점인 약 81℃보다 다소 높은 용융점을 가지는 것을 알 수 있다.

도 3은 ETNB의 TGA 열분석 한 결과를 나타낸 도면으로, 온도 변화에 따른 무게 감소변화를 나타낸다. 상온에서 분해가 되는 약 450℃까지의 무게 감소량은 약 96%이다.

Claims (4)

1. 하기 화학식 1로 표시되는 1-에톡시-2,4,6-트리니트로벤젠(1-Ethoxy-2,4,6-Trinitrobenzene, ETNB)과 질소계 둔감 충전제를 5:5의 중량비로 포함하고,
   상기 질소계 둔감 충전제가 아미노테트라졸(5-aminotetrazole), 구아니딘(guanidine) 또는 3-니트로-1,2,4-트리아졸-5-온(3-nitro-1,2,4triazole-5-one)인 것을 특징으로 하는 용융충전용 화약.
   [화학식 1]
   

   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 질소계 둔감 충전제가 아미노테트라졸인 것을 특징으로 하는 용융충전용 화약.
4. 삭제

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