KR102050552B1 - 연소율 조정제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로, 연소율 조정제 및 연소율 조정제를 포함하는 추진제에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연소율 조정제를 포함하는 추진제를 제조하는 방법뿐만 아니라 추진제를 포함하는 탄약 카트리지에 관한 것이다. 연소율 조정제는 화학식(1)의 화합물을 포함하며, 추진제는 화학식 1의 화합물 및 에너지 재료를 포함한다.
[화학식 1]

Description

연소율 조정제{BURN RATE MODIFIER}
본 발명은 일반적으로, 연소율 조정제 및 연소율 조정제를 포함하는 추진제에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연소율 조정제를 포함하는 추진제를 제조하는 방법뿐만 아니라 추진제를 포함하는 탄약 카트리지에 관한 것이다.
추진제의 성능은 발사물의 밑면에 압력을 가하여 발사물을 총열 구멍에서 발사시키는 가스 및 열의 발생을 통해 화학 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 능력으로부터 결정된다. 많은 인자들이 이 과정에 영향을 미친다. 화학 조성이 하나의 중요한 특징이며 다른 하나는 연소율에 상당한 영향을 미치는 그레인(grain)의 형태(형상 및 크기)이다. 최적화된 추진제 설계에 이르기 위해서는 재료, 공정 조건, 물성 및 화학적 특성이 모두 상호 연결되어 추진제 성능을 결정한다는 것을 이해해야 한다. 향상된 탄약 성능을 제공하기 위해 최적화된 장입성으로 효율적인 연소를 달성하는 것이 목표이다. 또한, 추진제의 수명 향상 또는 극한 온도 이상에서의 탄도 일관성 보장과 같은 다른 측면도 중요하다. 또한, 효율을 향상시키고 보다 엄격한 안정성, 독성 및 환경적 영향 요건들을 충족시키기 위해 새로운 추진제 제제 및 제조 공정이 필요한 것으로 인식된다.
추진제 성능을 향상시키기 위해, 그리고 위험할 정도로 높은 압력이 축적되는 것을 방지하기 위해, 일반적으로 추진제에 연소 억제제(또는 연소율 조정제)가 첨가되어 탄도 과정의 초기 연소율을 조절한다. 이는 일반적으로 추진제 그레인에 화학 물질을 코팅함으로써 달성된다. 화학 물질은 그레인 매트릭스 내로 어느 정도까지 침투할 수 있고, (연소의 연쇄 반응을 중단시켜) 연소 반응을 느리게 하는 역할을 하거나, 화학 물질은 연소 냉각제이다. 연소 억제제는 자유 라디칼을 안정화하여 연소의 연쇄 반응을 중단시킴으로써 그러한 기능을 한다. 이러한 안정화는 라디칼의 수명을 연장하고, 라디칼 프로세스의 속도를 느리게 하여, 이후 연소가 줄거나 늦추어진다.
연소율 억제제의 일례는 디니트로톨루엔(DNT)이다. DNT는 적용이 비교적 용이하고, 장기간 안정적이며, 대부분의 소형 무기 추진제의 주요 에너지 성분인 니트로셀룰로오스와 같은 재료와 화학적으로 호환 가능하다. 그러나, DNT는 독성이 강하며, 의심스러운 발암물질로서 우려의 화학 물질이다. 최근의 법규(예컨대, 유럽 연합(EU) 하에서의 화학 물질의 등록, 평가, 허가 및 제한(REACH))는 DNT의 잠재력으로 강하게 규제되고 있는 DNT의 사용이 유럽에서 금지되도록 하는 결과를 가져왔다. DNT의 특성상, DNT는 공장 건물 내와 주변에 DNT가 축적되어 매우 서서히 토양에 침투하여 서서히 분해되는 관련 환경 문제들을 가지고 있다.
디부틸프탈레이트(DBP)와 같은 현재 이용 가능한 다른 연소율 조정제들도 우려 목록 물질로 되어 있어 금지될 가능성이 있다. 다른 국가들은 보다 엄격한 안정성 및 환경 규제를 채택하므로 DNT와 DBP 같은 재료에도 더 엄격한 제한이 적용될 것으로 기대된다.
따라서, DNT 및 현재 사용되는 다른 연소율 조정제에 대한 대안적인 연소율 조정제의 필요성이 있다.
따라서, 본 발명의 제1 양태에서, 화학식 1의 화합물을 포함하는 연소율 조정제가 제공된다.
[화학식 1]
Figure 112016031882283-pct00001
여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
본 출원인은 광범위한 시간에 걸쳐 상당한 연구 및 개발을 수행하여 탄약 추진제에서 DNT에 대한 적절한 대체물이 될 정도로 연소율 조정성을 갖는 신규의 연소율 조정제를 개발하였다. 본 출원인은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온, 및 화학식 1 내에서의 그 유도체들을 기반으로 한 본 신규의 연소율 조정제를 개발하였다. 본 출원인은 본 신규의 연소율 조정제가 DNT 못지 않게 좋은 연소율 조정성을 가지지만 독성 및 발암성의 단점이 없음을 알아냈다. 사실, 신규의 연소율 조정제는 심지어 업계 선호 DNT보다 놀라울 정도로 더 좋은 연소율 조정성을 가져서, 추진제 및 탄약 카트리지에 사용하기에 적합하다.
제2 양태에 따르면, 연소율 조정제로서 화학식 1의 화합물의 용도가 제공된다.
제3 양태에 따르면, 연소율 조정제로 사용하기 위한 화학식 1의 화합물이 제공된다.
일부 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온이다. 이 화합물이 바람직하지만, 구조적으로 그리고 물성과 밀접하게 관련된 화합물들 또한 DNT에 대한 다른 대안적 연소율 조정제를 제공할 수 있다.
제4 양태에 따르면, 에너지 재료 및 화학식 1의 화합물을 포함하는 추진제가 제공된다.
[화학식 1]
Figure 112016031882283-pct00002
여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
본 출원인이 실시한 시험 연구에서 추진제는 화학적으로 안정한 것으로 나타났다. 시험 연구는 또한 추진제가 탄도적으로 안정적임을 보여준다.
제5 양태에서, 제2 양태에 따른 추진제를 포함하는 탄약 카트리지가 제공된다.
탄약 카트리지는 일반적으로 케이싱, 상술한 추진제, 기폭제, 및 발사물을 포함한다.
제6 양태에 따르면, 에너지 재료 과립을 화학식 1의 화합물로 코팅하는 단계를 포함하는, 추진제 제조 방법이 제공된다.
[화학식 1]
Figure 112016031882283-pct00003
여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
이하 상세한 설명에서 이들 양태를 보다 자세히 설명한다.
다음의 도면을 참조하여, 단지 예로써, 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 추진제의 조성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 서로 다른 공정 규모에서 에너지 재료 과립 상의 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온에 대한 코팅 효율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 0.308 윈체스터 시험용 총열로부터 발사된 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 84℃에서 코팅된 에너지 재료 과립을 포함하는 카트리지에 대한 압력 대 속도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 0.308 윈체스터 시험용 총열로부터 발사된 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 78℃에서 코팅된 에너지 재료 과립을 포함하는 카트리지에 대한 압력 대 속도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 0.308 윈체스터 시험용 총열로부터 발사된 경우, DNT로 코팅된 상비의 더 큰 과립과 유사한 성능의, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 코팅된 작은 과립 크기의 에너지 재료에 대한 압력 대 속도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 0.30/06 스프링필드에서 발사된 경우, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 코팅된 작은 그레인의 압력 대 속도의, 이렇게 작은 그레인들은 달리 적용되지 않을 구경으로의 성능 확장을 나타낸 그래프이다.
도 7은 0.30/06 스프링필드 시험용 총열에서 발사된 경우, 중간 크기의 추진제 과립의 압력 대 속도 성능 이득을 나타낸 그래프이다.
도 8은 0.308 윈체스터에서 발사된 경우, 다양한 양의 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 코팅된 에너지 재료에 대한 압력 대 속도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 8을 전개하는 데 사용된, 그러나 0.300 윈체스터 매그넘에서의, 다양한 양의 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 코팅된 동일한 에너지 재료에 대한 압력 대 속도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 표준 DNT 타입의 추진제와 비교하여 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온을 포함하는 동일한 그레인 크기 기반의 추진제 제제에 대한 열 유속을 나타낸 그래프이다.
도 11은 표준 DNT 타입의 추진제와 비교하여 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온을 포함하는 동일한 그레인 크기 기반의 추진제 제제의 탄도 안정성을 나타낸 일련의 그래프이다.
도 12는 5.56 mm 시험 플랫폼에서 발사된 열화된 탄약의 압력과 속도의 탄도적 열 확산을 나타낸 2개의 그래프이다.
본 발명은 일반적으로, 연소율 조정제 및 연소율 조정제를 포함하는 추진제에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연소율 조정제를 포함하는 추진제를 제조하는 방법뿐만 아니라 추진제를 포함하는 탄약 카트리지에 관한 것이다.
이하, 상기 방법 및 연소율 조정제 및 추진제의 특징을 설명하였다. 아래에 설명된 모든 특징은 본 발명의 방법 및 물건에 독립적으로 적용된다.
화합물
본 발명은 화학식 1의 화합물의 용도를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112016031882283-pct00004
여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
일부 구현예에서, R1은 OH, O-(C1-4알킬) 및 C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 구현예에서, R1은 OH 및 O-(C1-4알킬)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 구현예에서, R1은 OH이다.
R1은 방향족 고리 주위의 임의의 위치에 있을 수 있다. 예를 들어, R1은 오쏘, 메타 또는 파라 위치에 있을 수 있다. 일부 구현예에서, R1은 파라 위치에 있다.
일부 구현예에서, R2는 H, OH, O-(C1-4알킬) 및 C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 구현예에서, R2는 H, OH 및 O-(C1-4알킬)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 구현예에서, R2는 H이다.
일부 바람직한 구현예에서, R3는 H이다.
일부 구현예에서, R4는 H, OH, O-(C1-4알킬) 및 C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 구현예에서, R4는 H, OH 및 O-(C1-4알킬)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특히 바람직한 구현예에서, R4는 H이다.
R4는 방향족 고리 주위의 임의의 위치에 있을 수 있다. 예를 들어, R4는 오쏘, 메타 또는 파라 위치에 있을 수 있다. 일부 구현예에서, R4는 오쏘 또는 파라 위치에 있다.
일 구현예에서, R1은 OH, R2는 H, R3는 H이고, R4는 H이다.
C1-4알킬이란 용어는 1 이상 4 이하의 탄소 원자를 갖는 분지형 또는 비분지형 알킬기를 의미한다. C1-4알킬기의 예는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, 및 tert-부틸을 포함한다. 이 정의는 C1-4알킬을 단독으로, 또는 -O(C1-4알킬), -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2 또는 -N(C1-4알킬)NH2와 같은 치환기의 일부로써 언급하는 경우 적용된다.
화학식 1의 화합물은 연소율 조정제로서 기능한다. 연소율 조정제는 구체적으로 연소율 억제제일 수 있다. 연소율 조정제 또는 연소율 억제제는 대안적으로 연소 억제제로 지칭될 수 있다.
화학식 1의 화합물은 바람직하게 약 50 내지 약 90℃의 융점을 가진다. 예를 들어, 융점은 약 55 내지 약 85℃, 예컨대 약 60 내지 약 80℃, 또는 약 65 내지 약 75℃일 수 있다. 일부 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 적어도 약 50℃의 융점을 가진다. 예를 들어, 융점은 적어도 약 60℃, 예컨대 적어도 약 65℃, 또는 적어도 약 70℃일 수 있다
일부 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온이다.
Figure 112016031882283-pct00005
이 화합물이 바람직하지만, 구조적으로 그리고 물성과 밀접하게 관련된 화합물들 또한 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온과 같은 기능을 수행할 수 있다.
본 출원인은 연소율 조정제로서 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 효능을 입증하기 위해 시험을 수행하였다. 시험 결과, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온은 심지어 업계 선호 DNT보다 놀라울 정도로 더 좋은 연소율 조정성을 가지지만 독성 및 발암성의 단점이 없는 것으로 나타났다. 특히, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온은 작은 그레인의 탄도 성능이 DNT로 코팅된 상당히 더 큰 과립과 유사할 정도까지 작은 그레인의 추진제 성능을 향상시킨다. 이는 카트리지 케이스 내에 더 많은 추진제가 장입되도록 할 수 있어 결과적으로 개선된 성능으로 이어진다. 더 많은 장입을 위해 더 작은 그레인들을 적용하는 것은 전체 장입물의 연소 효율의 개선, 즉 상업용 및 군사용 탄약에 대한 바람직한 결과인, 추진제의 보다 적은 낭비, 총구에서의 보다 적은 섬광, 추진제 장입물의 보다 깨끗한 연소를 의미한다. 연소율 조정제로서 DNT에 의존하는 기존의 그레인 제제들은 이러한 결과들을 동일한 정도로 제공할 수 없었다.
본 출원인은 시험을 수행하여 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온을 포함하는 추진제가 표준 DNT 변형보다 열 분해에 더 안정적임을 또한 밝혔다. 또한, 시험 결과, 추진제의 안정성은 사용된 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 양에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온 함유 추진제를 포함하는 탄약의 탄도 시험 결과, DNT 함유 탄도에 부합하는 탄도 성능을 나타냈다.
상기 내용을 바탕으로, 일 구현예에서, 화학식 1의 화합물을 포함하는 추진제는 화학식 1의 화합물 대신 DNT를 갖는 등가의 추진제보다 열 분해에 대해 더 높은 안정성을 가진다.
에너지 재료
본 발명의 추진제는 에너지 재료를 포함한다. 에너지 재료라는 용어는 연소되어 추진 가스를 발생시켜 발사물을 나아가게 할 수 있는 임의의 재료를 포함한다.
일부 구현예에서, 에너지 재료는 흑색 화약, 암모늄퍼클로레이트, 헥소겐, 부탄트리올트리나이트레이트, 에틸렌글리콜디나이트레이트, 디에틸렌글리콜디나이트레이트, 에리트리톨테트라나이트레이트, 옥토겐, 헥사니트로이소우르자이텐, 메트리올트리나이트레이트, N-메틸니트라민, 펜타에리트리톨테트라나이트레이트, 테트라니트로벤졸아민, 트리니트로톨루엔, 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스, 만니톨헥사나이트레이트, 트리에틸렌글리콜디나이트레이트, 구아니딘, 니트로구아니딘, 3-니트로-1,2,4-트리아졸-5-온, 암모늄나이트레이트, 프로판디올디나이트레이트, 헥사민, 5-아미노테트라졸, 메틸테트라졸, 페닐테트라졸, 폴리글리시딜나이트레이트, 폴리글리시딜아지드, 폴리[3-니트라토메틸-3-메틸옥시테인], 폴리[3-아지도메틸-3-메틸옥시테인], 폴리[3,3-비스(아지도메틸)옥시테인], 질화 사이클로덱스트린 중합체, 폴리글리시딜나이트레이트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일부 특정 구현예에서, 에너지 재료는 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 추진제는 단일 에너지 재료를 포함한다. 예를 들어, 추진제는 니트로셀룰로오스만을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 에너지 재료는 "단일 기재"로 지칭될 수 있고, 추진제는 "단일 기재 추진제"로 지칭될 수 있다. 다른 구현예에서, 추진제는 2개의 에너지 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 추진제는 니트로셀룰로오스 및 니트로글리세린을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 에너지 재료는 "이중 기재"로 지칭될 수 있고, 추진제는 "이중 기재 추진제"로 지칭될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 추진제는 둘 이상의 에너지 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 추진제는 니트로셀룰로오스, 니트로구아니딘, 및 니트로글리세린을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 에너지 재료는 "다중 기재"로 지칭될 수 있고, 추진제는 "다중 기재 추진제"로 지칭될 수 있다.
일 구현예에서, 에너지 재료는 니트로셀룰로오스이다.
에너지 재료는 화기용 탄약 카트리지에 포함되기에 적합한 임의의 형상일 수 있다.
일부 구현예에서, 에너지 재료는 과립 형태이다. "과립"이란 용어는 "커널(kernel)" 또는 "펠릿(pellet)"으로 지칭될 수도 있다.
과립의 에너지 재료는 본 기술분야에서 알려진 임의의 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 에너지 재료의 슬러리 또는 반죽을 압출하거나, 미립자 형태의 에너지 재료를 에너지 재료의 과립으로 압축할 수 있다. 다른 구현예에서, 에너지 재료 미립자들이 성형 튜브를 통해 슬러리를 펌핑하여 합쳐지고 응집체로 성형될 수 있다. 일부 구현예에서, 응집체는 실질적으로 구형일 수 있다. 응집체는 입자로 지칭될 수 있다.
일 구현예에서, 에너지 재료는 에너지 재료의 슬러리 또는 반죽을 압출하여 압출물을 형성하고 그 압출물을 과립화하여 제조된다. "과립화"라는 용어는 압출물을 과립으로 분할 또는 절단하는 과정을 의미한다. 일부 구현예에서, 에너지 재료의 슬러리 또는 반죽은 압출되어 압출 코드를 형성하고, 압출 코드는 원하는 길이로 절단되어 과립을 형성한다. 과립은 탄약에 사용하기에 적합한 임의의 크기일 수 있다.
상술한 공정 단계의 결과, 과립은 응집체, 그레인, 또는 입자로 지칭될 수도 있다.
과립은 임의의 형상일 수 있다. 일부 구현예에서, 과립은 일정한 단면을 가진 축 방향 차원을 갖는다. 예를 들어, 과립은 실질적으로 원형인 단면을 가질 수 있거나, 단면은 타원 또는 기타 유사한 임의의 형상일 수 있다. 일부 구현예에서, 과립은 원통 형상이다.
과립은 탄약에 사용하기에 적합한 임의의 크기일 수 있다. 일부 구현예에서, 과립의 길이는 약 0.1 내지 약 25 mm이다. 예를 들어, 과립의 길이는 약 0.3 내지 약 20 mm, 예컨대 약 0.5 내지 약 12 mm, 또는 약 0.7 내지 약 5 mm, 또는 약 1 내지 2 mm일 수 있다.
일부 구현예에서, 과립은 약 0.1 내지 약 20 mm의 직경을 갖는다. 예를 들어, 과립은 약 0.2 내지 약 15 mm, 예컨대 약 0.4 내지 약 12 mm, 또는 약 0.5 내지 약 10 mm, 또는 약 0.6 내지 약 5 mm, 또는 약 0.7 내지 약 1 mm의 직경을 가질 수 있다.
과립은 직경보다 더 큰 길이를 가질 수 있다. 이러한 구현예에서, 과립은 스틱으로 지칭될 수 있다. 일부 구현예에서, 스틱의 길이는 약 6 내지 약 14 mm, 예컨대 약 8 내지 약 12 mm일 수 있다. 일부 구현예에서, 스틱의 직경은 약 0.6 내지 약 1.2 mm, 예컨대 약 0.7 내지 약 1 mm일 수 있다.
과립화 후에, 과립은 건조되며, 건조되는 동안 약간 수축될 수 있다. 이 수축은 과립을 과립화하거나 에너지 재료 미립자들을 압축할 때 고려될 수 있다. 수축된 과립은 탄약에 사용되기에 적합한 임의의 크기일 수 있다. 일부 구현예에서, 과립의 길이는 약 0.1 내지 약 25 mm이다. 예를 들어, 과립의 길이는 약 0.3 내지 약 20 mm, 예컨대 약 0.5 내지 약 12 mm, 또는 약 0.7 내지 약 5 mm, 또는 약 1 내지 약 2 mm일 수 있다.
일부 구현예에서, 과립은 약 0.1 내지 약 20 mm의 직경을 갖는다. 예를 들어, 과립은 약 0.2 내지 약 15 mm, 예컨대 약 0.4 내지 약 12 mm, 또는 약 0.5 내지 약 10 mm, 또는 약 0.6 내지 약 5 mm, 또는 약 0.7 내지 약 1 mm의 직경을 가질 수 있다.
수축된 과립이 스틱일 경우, 스틱의 길이는 약 6 내지 약 14 mm, 예컨대 약 8 내지 약 12 mm일 수 있다. 일부 구현예에서, 스틱의 직경은 약 0.6 내지 약 1.2 mm, 예컨대 약 0.7 내지 약 1 mm일 수 있다.
일부 구현예에서, 과립은 천공을 포함하여 연소 사이클에서 나중에 연소율을 향상시키고 연소에서 더 점진적인 과립이 되도록 한다. 다른 식으로 표현하면, 일부 구현예에서, 과립은 하나 이상의 천공을 포함한다. 천공은 과립의 표면적을 증가시켜 결국 화학식 1의 화합물의 적용 시 연소율을 더욱 완화시킨다. 일부 구현예에서, 천공은 탄도 사이클의 초기 단계에서 연소율을 더욱 완화시킨다.
"천공"이란 용어는 과립 내 구멍을 의미한다. "천공"에 대한 대안적인 용어는 채널, 보어, 및 캐비티이다. 천공은 과립을 통해 끝까지 연장될 수 있다. 일부 구현예에서, 천공은 과립을 통해 축 방향으로 연장된다.
천공은 과립의 크기에 적합한 임의의 직경을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 천공은 약 50 내지 1,000 ㎛의 직경을 갖는다. 예를 들어, 천공은 약 50 내지 약 700 ㎛, 예컨대 약 50 내지 약 500 ㎛, 또는 약 100 내지 약 300 ㎛의 직경을 가질 수 있다.
각 과립 내에는 하나의 천공보다 더 많은 천공이 있을 수 있다. 일부 구현예에서, 하나의 천공이 존재한다. 다른 구현예에서, 다수의 천공이 존재한다. 특정한 일 구현예에서, 하나의 중앙 천공이 존재한다. 다른 구현예에서, 적어도 2개의 천공, 예컨대 적어도 3개의 천공, 또는 적어도 4개의 천공, 또는 적어도 5개의 천공이 존재한다.
에너지 재료가 압출에 의해 제조될 경우, 압출물은 하나 이상의 천공으로 압출될 수 있다.
추진제
추진제는 에너지 재료 및 화학식 1의 화합물을 포함한다. 에너지 재료 및 화학식 1의 화합물은 임의의 방식으로 결합될 수 있다. 일부 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 에너지 재료 과립 상의 코팅 형태일 수 있다. 따라서, 일 구현예에서, 에너지 재료 과립을 화학식 1의 화합물로 코팅하는 단계를 포함하는, 추진제 제조 방법이 제공된다.
추진제는 추가 층들을 포함할 수 있다. 적합한 층들은 마무리층, 점화층, 및/또는 제2 에너지 재료층을 포함한다.
제2 에너지 재료층이 존재하는 구현예에서, 추진제의 코어를 형성하는 에너지 재료를 제1 에너지 재료로 지칭한다. 제2 에너지 재료층은 상술한 에너지 재료들의 범위로부터 선택될 수 있다. 제2 에너지 재료층은 제1 에너지 재료와 적절히 다르다.
추진제가 점화층을 포함하는 구현예에서, 점화층은 점화 성분을 포함한다. 점화 성분은 나이트레이트의 1족 금속염을 포함할 수 있다.
추진제가 마무리층을 포함하는 구현예에서, 마무리층은 흑연층의 형태일 수 있다. 일반적으로 표면 흑연처리가 최종 마무리 단계이지만, 추진제를 건조하기 이전 또는 이후에 흑연처리가 완료될 수 있다. 일부 구현예에서, 흑연 마무리층은 점화 성분을 포함할 수 있다. 적합한 점화 성분의 예는 하나 이상의 나이트레이트의 1족 금속염을 포함한다.
마무리층은 일반적으로 추진제의 최외각층이다. 추가적인 층들은 추진제 주위의 완전한 층이거나 부분적인 층일 수 있다.
특정의 일 구현예에서, 추진제는 화학적으로 안정하다. 다른 특정 구현예에서, 추진제는 탄도적으로 안정하다. 일 구현예에서, 추진제는 화학식 1의 화합물 대신 DNT를 함유한 등가의 추진제보다 화학적 및/또는 탄도적으로 더 안정하다.
코팅
에너지 재료의 코팅은 본 기술분야에서 알려진 임의의 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 에너지 재료 과립이 화학식 1의 화합물 내에 침지되거나, 에너지 재료 과립 상에 화학식 1의 화합물이 텀블 코팅 또는 스프레이 코팅될 수 있다. 화학식 1의 화합물은 순수한 액체, 분말로서, 또는 용액으로서 도포될 수 있다.
일부 구현예에서, 에너지 재료는 용기에서 화학식 1의 화합물로 코팅된다. 적합한 용기는 텀블 코터, 과립기, 성형 튜브, 오거(auger), 및 S자형 또는 나선형 혼합 블레이드를 가진 하프 파이프 형상을 기반으로 한 리본 혼합기를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
일부 구현예에서, 코팅은 "스위티 배럴" 또는 "텀블러"와 같이 본 기술분야에서 알려진 용기에서 에너지 재료 과립에 적용된다. 이 용기는 회전 텀블러 또는 텀블러 코터로도 알려져 있을 수 있다. 이러한 용기를 본원에서는 "텀블러 코터"로 지칭한다. 이러한 구현예에서, 에너지 재료 과립은 텀블러 코터에 첨가되고, 텀블러 코터 드럼이 회전되어 과립의 텀블링을 일으키며, 이후 화학식 1의 화합물이 첨가되어 과립이 텀블링함에 따라 과립을 코팅한다. 일부 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 한번에 첨가된다. 다른 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 과립이 점진적으로 코팅되도록 조금씩 첨가된다. 텀블러 코터 내 원료들을 예열하고 화학식 1의 화합물을 용융시키기 위해 필요한 열이 가해질 수 있다. 열은 본 기술분야에서 알려진 임의의 방법에 의해 가해질 수 있다. 일부 구현예에서, 스팀 가열이 이용된다. 다른 구현예에서, 가열은 용기를 열 피복함으로써 달성된다. 열을 가하면 화학식 1의 화합물이 과립을 코팅하도록 할 수 있고, 추진제 과립의 표면 내로의 화학식 1의 화합물의 확산을 높일 수 있다.
일부 구현예에서, 에너지 재료 과립 및 화학식 1의 화합물은 대기 조건 하의 용기에서 혼합된다. 바람직하게, 용기는 텀블러 코터 또는 리본 혼합기이다. 용기는 원하는 양의 과립을 코팅하기에 적합한 임의의 크기일 수 있다. 예를 들어, 용기는 배치 당 수백 킬로그램의 과립, 또는 배치 당 최대 1톤 이상의 과립을 코팅하기에 적합한 크기일 수 있다. 이후 용기를 닫고, 예를 들어 스팀을 첨가하거나 열 피복된 용기를 사용하여 용기를 가열한다. 열(스팀)은 화학식 1의 화합물을 연화 및 용융시켜 에너지 재료 과립 상에 코팅을 형성하도록 할 수 있다. 형성되는 모든 덩어리는 텀블링 과정과 수분 또는 용매의 존재를 통해 그 자리에서 깨진다. 코팅된 제품이 제조될 때까지 이 과정은 계속된다. 수분 또는 용매는 화학식 1의 화합물이 그레인 상으로 용융되면서 그레인 서로 간의 점착성을 감소시키기에 충분한 양으로 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 이 과정은 최대 약 150분("실행 시간") 동안 계속된다. 예를 들어, 이 과정은 최대 약 120분, 예컨대 최대 약 90분, 또는 최대 약 60분, 또는 최대 약 30분 동안 계속될 수 있다.
용기가 가열되는 데 필요한 온도(및 그에 따라 첨가될 필요가 있는 스팀의 양)는 화학식 1의 화합물을 연화 및 용융시키는 데 필요한 온도에 따라 달라진다. 일부 구현예에서, 용기는 적어도 약 50℃의 온도로 가열된다. 예를 들어, 온도는 적어도 약 60℃, 예컨대 적어도 약 65℃, 또는 적어도 약 70℃, 또는 적어도 약 80℃일 수 있다. 일부 구현예에서, 온도는 적어도 약 85℃, 예컨대 적어도 약 90℃, 또는 적어도 약 95℃이다.
화학식 1의 화합물의 코팅은 에너지 재료 과립의 표면 상의 별도의 외층으로 머무를 필요는 없다. 화학식 1의 화합물은 에너지 재료의 표층 또는 표면 아래 층 내로 부분적으로 또는 전체적으로 확산 또는 침투할 수 있다. 이러한 경우, 화학식 1의 화합물은 그레인 내부로부터 표층까지 이어진다. 화학식 1의 화합물은 표면으로부터 고르게 분포되거나, 과립 내에 고르지 않게 분포될 수 있다. 화학식 1의 화합물은 과립 당 대체로 균일한 크기를 가진 과립 밴드 또는 영역에 있을 수 있다.
화학식 1의 화합물이 에너지 재료 내로 확산하는 식으로 도포되는 경우, 화학식 1의 화합물은 많은 추진제 성분과 접촉할 수 있다.
코팅이란 용어는 과립의 표면 상에 남아있는 코팅 및 표면 내로 확산한 코팅을 포함하여 이러한 모든 형태의 코팅을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 특히, "과립의 표면 상의 코팅"이란 표현은 과립의 표면 상에 남아있는 코팅 및 과립 내로 확산한 코팅을 포함한다.
에너지 재료 과립 내로 화학식 1의 화합물의 확산이 일어나는 경우, 확산된 화학식 1의 화합물의 층은 억제 밴드 또는 억제 영역으로 지칭될 수 있다. 이하에서, 코팅의 두께를 언급하는 경우, 이는 코팅이 과립의 표면 내로 확산한 구현예에 대한 억제 밴드의 두께와 동일하다.
코팅의 두께(즉, 억제 밴드의 두께)는 화학식 1의 화합물이 적절한 방식으로 에너지 재료의 연소율을 늦출 수 있는 임의의 두께일 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅의 두께는 약 10 내지 약 700 ㎛이다. 예를 들어, 두께는 약 15 내지 약 500 ㎛, 예컨대 약 20 내지 400 ㎛, 또는 약 50 내지 300 ㎛일 수 있다.
화학식 1의 화합물이 에너지 재료 과립 내로 확산하는 깊이는 과립이 화합물과 접촉하고 있는 시간의 길이, 도포되고 있는 화합물의 농도, 코팅이 수행되고 있는 온도, 및/또는 추진제 매트릭스와 화합물 간의 화학적 상호작용에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 보다 얇은 억제 밴드를 얻기 위해, 급격한 초기 온도 상승 및/또는 보다 짧은 실행 시간이 사용될 수 있다. 보다 두꺼운 억제 밴드를 얻기 위해서는, 보다 느린 초기 온도 상승 및/또는 보다 긴 실행 시간이 사용될 수 있다. 또한, 소정의 운전 조건 하에서, 추진제 매트릭스 조성을 변경하면 침투 깊이가 변할 수 있으므로, 억제 밴드의 두께가 변할 수 있다.
비제한적인 용매화 기술을 포함하여, 과립 내로의 화합물의 확산을 관리하는 추가 수단이 이용 가능하다. 용매화 시, 화학식 1의 화합물은 다양한 유기 용매에 용해될 수 있고, 온도, 용해도 및 용액의 농도와 관련된 깊이로 과립 내에 침착되는 화학식 1의 화합물을 수반하면서, 과립 내로 확산하는 용액으로서 과립에 도포될 수 있다. 용매화 기술은 추진제 과립에 화학식 1의 화합물 용액, 화학식 1의 화합물의 이동을 관리하기 위한 용매, 및 화학식 1의 화합물의 에멀젼을 도포하는 것을 포함한다.
바람직하게, 화학식 1의 화합물은 지수 함수형 감쇠 곡선이 농도 프로파일을 근사화하도록 지수 함수형 농도 프로파일로 에너지 재료 과립 내로 확산된다. 다시 말하면, 연소율 조정제의 농도는 과립 표면 아래에서 최대의 어느 한도이고, 농도는 억제 영역 내로의 침투 깊이 증가에 따라, 그리고 억제 영역으로부터 바깥쪽으로 측정할 때 대략 기하급수적으로 감소한다.
화학식 1의 화합물은 이 화합물이 존재하지 않을 때의 연소율에 비해 에너지 재료 과립 외면의 연소율을 지연시키기에 충분한 양으로 추진제에 존재한다. 일부 구현예에서, 화학식 1의 화합물은 추진제의 약 0.1 내지 약 10 wt% 양으로 존재한다. 예를 들어, 화학식 1의 화합물은 약 0.2 내지 약 8%, 예컨대 약 0.5 내지 약 6.5%, 또는 약 0.7 내지 약 6%의 양으로 존재할 수 있다. 가장 바람직하게, 화학식 1의 화합물은 추진제의 약 1 내지 약 5 wt%의 양으로 존재한다.
화학식 1의 화합물은 과립의 표면 전체를 코팅할 수 있다. 대안적으로, 화학식 1의 화합물은 과립 표면의 일부를 코팅할 수 있다. 예를 들어, 화학식 1의 화합물은 과립의 외면을 코팅하거나, 천공된 영역 내의 과립 표면을 코팅하거나, 과립의 외면 및 내면 모두를 코팅할 수 있다.
코팅으로서 화학식 1의 화합물의 도포는 조성물 전체에 걸친 냉각제로서의 화합물의 포함을 배제하는 것은 아니다.
일부 구현예에서, 코팅이 없을 수 있으며, 화학식 1의 화합물은 과립 전체에 걸쳐 고르게 분산된다. 이 경우, 화학식 1의 화합물은 연소율 조정제로서 기능할 수 있다.
일부 구현예에서, 추진제는 상이한 연소율 조정제의 제2 층을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 층은 제1 층의 화학식 1의 화합물과 다른 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 제2 층은 본 기술분야에서 알려진 임의의 연소율 조정제를 포함할 수 있다. 적합한 연소율 조정제의 예는 디니트로톨루엔, 아세틸트리에틸시트레이트, 트리에틸시트레이트, 트리-n-부틸시트레이트, 트리부틸아세틸시트레이트, 아세틸트리-n-부틸시트레이트, 아세틸트리-n-헥실시트레이트, n-부티릴트리-n-헥실시트레이트, 디-n-부틸-아디페이트, 디이소프로필아디페이트, 디이소부틸아디페이트, 디에틸헥실아디페이트, 노닐운데실아디페이트, n-데실-n-옥틸아디페이트, 디부톡시에톡시에틸아디페이트, 디메틸아디페이트, 헥실옥틸데실아디페이트, 디이소노닐아디페이트, 디부틸프탈레이트, 디에틸프탈레이트, 디아밀프탈레이트, 노닐운데실프탈레이트, 비스(3,5,5-트리메틸헥실)프탈레이트, 디-n-프로필아디페이트, 디-n-부틸세바케이트, 디옥틸세바케이트, 디메틸세바케이트, 디에틸디페닐우레아, 디메틸디페닐우레아, 디-n-부틸프탈레이트, 디-n-헥실프탈레이트, 디노닐운데실프탈레이트, 노닐운데실프탈레이트, 디옥틸테레프탈레이트, 디옥틸이소프탈레이트, 1,2-사이클로헥산디카본산디이소노닐에스테르, 디부틸말레이트, 디노닐말레이트, 디이소옥틸말레이트, 디부틸푸마레이트, 디노닐푸마레이트, 디메틸세바케이트, 디부틸세바케이트, 디이소옥틸세바케이트, 디부틸아젤레이트, 디에틸렌글리콜디벤조에이트, 트리옥틸트리멜리테이트, 트리옥틸포스페이트, 부틸스테아레이트, 메틸페닐우레탄, N-메틸-N-페닐우레탄, 에틸디페닐카바메이트, 캄퍼, 아라비아고무, 젤라틴, 로진, 변성 로진에스테르, 2염기산 및 알킬지방알콜의 레진, 2가 알코올 및 이염기산을 기반으로 한 1,500 내지 30,000 분자량의 폴리에스테르, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
첨가제
일부 구현예에서, 추진제는 가소제, 안정제, 섬광 억제제, 총열 마모 개량제, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 포함한다.
일부 구현예에서, 첨가제는 에너지 재료 과립 내에 포함된다. 다른 구현예에서, 첨가제는 화학식 1의 화합물과 혼합된다. 또 다른 구현예에서, 첨가제는 에너지 재료 과립 내에 포함되고 화학식 1의 화합물과 혼합된다. 에너지 재료 과립 내의 첨가제 포함은 이후에 과립으로 형성되는 에너지 재료의 슬러리 또는 반죽에 첨가제를 첨가함으로써 달성될 수 있다.
"가소제"라는 용어는 에너지 재료에 균질성 및 가소성을 부여하는 임의의 화합물을 의미한다. 일부 구현예에서, 가소제는 디에틸프탈레이트, 캄퍼, 디부틸프탈레이트, 디-n-프로필아디페이트, 메틸페닐우레탄, 스테아르산칼슘, 부틸스테아레이트, 니트로글리세린, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
"안정제"라는 용어는 에너지 재료를 안정화하는 데 사용될 수 있는 임의의 화합물을 의미한다. 일부 구현예에서, 안정제는 탄산수소나트륨, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 아카다이트, 센트럴라이트, 2-니트로소디페닐아민, 디페닐아민, N-메틸-p-니트로아닐린, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
"섬광 억제제"라는 용어는 화기의 총구 섬광을 억제하는 데 사용될 수 있는 임의의 화합물을 의미한다. 일부 구현예에서, 섬광 억제제는 유기산의 칼륨염, 황산칼륨, 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
"총열 마모 개량제"라는 용어는 총열 마모를 줄이는 데 사용될 수 있는 임의의 화합물을 의미한다. 일부 구현예에서, 총열 마모 개량제는 비스무트, 산화비스무트, 시트르산비스무트, 차탄산비스무트(bismuth subcarbonate), 납, 탄산납, 기타 납과 비스무트의 염, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
탄약
일 구현예에서, 추진제를 포함하는 탄약 카트리지가 제공된다. 탄약 카트리지는 일반적으로 케이싱, 상술한 추진제, 기폭제, 및 발사물을 포함한다.
본 발명의 추진제는 광범위한 화기에 사용하는 데 적합하다. 본 발명의 추진제는 특히 0.22 내지 0.224 구경 화기, 0.243 구경 화기, 0.27 구경 화기, 6 mm 구경 화기, 7 mm 구경 화기, 0.30 구경 화기, 8 mm 구경 화기, 0.338 구경 화기에서 최대 0.50 구경 화기에 사용하는 데 적합하며, 심지어 중대형 구경 화기에도 적합하다.
케이싱은 추진제의 연소 시 파열되지 않을 정도로 충분히 강하고 충분히 두꺼운 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 케이싱은 임의의 크기일 수 있으며, 그 크기는 카트리지가 사용될 화기에 따라 달라질 것이다. 종래의 케이싱 재료 및 구조는 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 본 출원에 적용된다.
기폭제 또는 기폭 화합물은 열을 생성하여 추진제를 점화할 수 있는 임의의 물질로 이루어질 수 있다. 기폭 화합물의 예는 아지드화납(덱스트린화), 스티픈산납, 풀민산수은, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 일부 구현예에서, 기폭 화합물은 ASA(알루미늄, 스티픈산납, 아지드화납)이다.
발사물은 추진제의 연소 시 화기 시스템(또는 총)의 총구로부터 발사될 수 있는 임의의 물체일 수 있다. 발사물의 예는 블릿(bullet), 탄환(shot), 탄알(pellet), 슬러그(slug), 유탄(shell), 볼(ball), 산탄(buckshot), 볼트(bolt), 로켓(rocket), 및 포탄(cannon ball)을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 일부 구현예에서, 발사물은 블릿, 탄알, 슬러그, 및 볼로 이루어진 군으로부터 선택된다.
장점
화학식 1의 화합물은 단지 탄소, 수소, 산소, 및 일부 경우 질소 분자를 함유하고, 할로겐과 같은 어떠한 잠재적 독성 또는 유해성 원소도 함유하지 않는다. 이 화합물은 DNT보다 독성이 낮고, 니트로셀룰로오스와 같은 에너지 재료와 공용할 수 있으며, 시간이 지나도 (화학적뿐만 아니라 탄도적으로) 안정적이다. 화학식 1의 화합물은 DNT 못지 않게 좋은 연소율 조정성을 가지지만 독성 및 발암성의 단점이 없다. 사실, 화학식 1의 화합물은 심지어 업계 선호 DNT보다 놀라울 정도로 더 좋은 연소율 조정성을 가져서, 추진제 및 탄약 카트리지에 사용하기에 적합하다.
실시예
이하, 비제한적인 예를 참조하여 본 발명을 설명한다.
연소율 조정제 wt% 추진제 산소 평형 % STP에서의 가스 (L/g) 2,950 K에서의 가스 (L/g)
DNT 6.5 -34.0 0.96 9.47
4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온 1.0 -30.5 0.94 9.26
연소율 조정제 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온에 대해 DNT에 대한 비교 시험을 하였다. 한 세트의 시험 결과가 위의 표 1에 명시되어 있다. 비교 시험 연구는 약 1.4 mm의 평균 길이 및 약 0.7 mm의 평균 직경을 갖는 니트로셀룰로오스 에너지 재료의 과립을 제조하는 것을 포함하였다. 과립은 대략 50 ㎛ 직경의 하나의 중앙 천공을 가졌다. 표에 명시된 양의 DNT 또는 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 과립을 코팅하여 추진제를 형성하였다. 시험 결과, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온 추진제에 대한 추진제 산소 평형은 DNT 추진제에 대한 -34.0%와 비교하여 -30.5%인 것으로 나타났다. 또한 시험 결과, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온 추진제에 대한 표준 온도 및 압력에서의 가스는 DNT 추진제에 대한 0.96 L/g과 비교하여 0.94 L/g이며, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온 추진제에 대한 2,950 K에서의 가스는 DNT 추진제에 대한 9.47 L/g과 비교하여 9.26 L/g인 것으로 나타났다.
이러한 데이터는 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온이 DNT에 대한 좋은 대체물임을 입증한다. 사실, 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온은 DNT보다 더 적은 양으로 사용되어 유사한 결과를 달성할 수 있다.
이후 카트리지에 추진제를 장입하고 실내 범위에서 시험용 총열에서의 시험 조건 하에서 발사하여, 전자 피에조미터로 케이스-컨포멀 챔버 압력을 측정하고, 각 발사에 대한 미가공 센서 데이터를 처리하는 해석 장치에 연결된 전자 탄환-통과-감지 화면으로 발사물 속도를 측정하였다. 탄도 비교는 도 5 내지 도 7에서 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 추진제의 조성을 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 추진제는 하나의 중앙 천공을 가진 과립 형태이다. 에너지 재료(1)는 본 발명의 연소율 조정제층(3)으로 코팅되었다. 추진제는 상이한 연소율 조정제의 제2 층(2)을 포함하거나, 이 영역은 더 많은 에너지 재료를 나타낼 수 있다. 본 구현예에서, 연소율 조정제는 과립의 바깥쪽 표면 및 천공된 영역 내 과립의 표면 상에 코팅된다. 추진제는 선택적으로 흑연 표면유약으로 덮인 점화층(4)을 더 포함하지만, 당업자에게 알려진 다른 재료, 예컨대 나이트레이트의 금속염을 함유할 수 있다.
도 1의 추진제 과립은 에너지 재료의 반죽 또는 슬러리를 하나의 중앙 천공으로 압출하여 압출 코드를 형성하고 나서 그 압출 코드를 필요한 길이로 절단함으로써 제조될 수 있다. 이후 과립은 건조될 수 있고, 건조되는 동안 약간 수축될 수 있다. 이후 과립은 연소율 조정제의 제1 층(및 선택적으로 상이한 연소율 조정제의 제2 층)으로 코팅될 수 있고, 최종적으로 점화층으로 코팅될 수 있다.
도 2는 1 kg(실험실 규모의 저용량) 및 2 kg(실험실 규모의 고용량)의 제조 규모에서 13.15% 질소의 표준 니트로셀룰로오스 추진제(약 1.5 mm 길이, 0.7 mm 직경 및 140 ㎛ 천공)에서 (백분율로 표시된) 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅 효율을 나타낸다. 이 그래프는 증가된 용량이 결과적으로 개선된 코팅 효율로 이어짐을 보여준다.
도 3은 84℃의 온도에서 약 1.5 mm 길이, 0.8 mm 직경 및 140 ㎛ 천공의 니트로셀룰로오스 에너지 재료 과립 상에 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 제조 코팅을 실행하여 다양한 시간에서 얻어진 추진제 샘플의 탄도 압력 및 속도 경향에 대한 오버레이 플롯이다. 탄약 빌드는 168 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물과 함께 윈체스터 케이스 및 큰 소총 기폭제를 포함하였다.
도 4는 78℃의 온도에서 약 1.5 mm 길이, 0.8 mm 직경 및 140 ㎛ 천공의 니트로셀룰로오스 에너지 재료 과립 상에 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온으로 제조 코팅을 실행하여 다양한 시간에서 얻어진 추진제 샘플의 탄도 압력 및 속도 경향에 대한 오버레이 플롯을 나타낸다. 탄약 빌드는 168 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물과 함께 윈체스터 케이스 및 큰 소총 기폭제를 포함하였다.
도 5는 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅을 포함하는 실험적인 니트로셀룰로오스 추진제(1.5 mm 길이, 0.7 mm 직경 및 50 ㎛ 천공)에 대한 종래 시판하는 DNT 코팅 니트로셀룰로오스 추진제(약 1.5 mm 길이, 0.8 mm 직경 및 140 ㎛ 천공 - AR2206H)와의 성능 비교를 나타낸다. 탄약 빌드는 168 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물과 함께 윈체스터 케이스 및 큰 소총 기폭제를 포함하였다.
도 6은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅을 포함하는 니트로셀룰로오스 추진제(1.5 mm 길이, 0.7 mm 직경 및 50 ㎛ 천공)에 대한 종래 시판하는 DNT 코팅 니트로셀룰로오스 추진제(약 1.5 mm 길이, 1.0 mm 직경 및 180 ㎛ 천공 - AR2209)와의 압력 및 속도에 대한 성능 비교 플롯을 나타낸다. 탄약은 168 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물과 함께 윈체스터 케이스 및 툴라모 큰 소총 기폭제를 포함하였다. 도표는 추진제의 조성에서 DNT를 화학식 1의 화합물로 대체함으로써만 달성될 수 있는 실험적인 추진제로 얻어진 성능상 장점을 보여준다.
도 7은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅을 포함하는 니트로셀룰로오스 추진제(1.5 mm 길이, 0.8 mm 직경 및 140 ㎛ 천공)에 대한 종래 시판하는 DNT 코팅 니트로셀룰로오스 추진제(약 1.5 mm 길이, 1.15 mm 직경 및 180 ㎛ 천공)와의 압력 및 속도에 대한 성능 비교 플롯을 나타낸다. 탄약은 168 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물과 함께 윈체스터 케이스 및 툴라모 큰 소총 기폭제를 포함하였다. 도표는 서로 다른 타입의 추진제를 동일한 양으로 장입한 경우, 화학식 1의 화합물로 제조된 추진제로 상당한 성능상 장점이 가능하다는 것을 보여준다.
도 8은 0.308 윈체스터 구경 시스템에서 다양한 레벨(0.3% 내지 3.6%)에서의 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온("HPK") 코팅을 포함하는 실험적인 니트로셀룰로오스 추진제(1.5 mm 길이, 0.7 mm 직경 및 50 ㎛ 천공)의 오버레이 플롯을 나타낸다. 탄약 빌드는 168 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물과 함께 윈체스터 케이스 및 큰 소총 기폭제를 포함하였다.
도 9는 0.300 윈체스터 매그넘 구경 시스템에서 다양한 레벨(2.8% 내지 4%)에서의 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온("HPK") 코팅을 포함하는 실험적인 니트로셀룰로오스 추진제(1.5 mm 길이, 0.8 mm 직경 및 140 ㎛ 천공)의 오버레이 플롯을 나타낸다. 탄약은 윈체스터 케이스, 윈체스터 큰 소총 기폭제 및 180 그레인 시에라 할로우 포인트 보트 테일 발사물로 구성되었다. 도 9는 더 많은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온이 도포됨에 따라 추진제가 얼마나 점진적으로 되는지를 보여준다.
도 10은 각각 6% DNT, 2% 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온, 및 6% 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅을 포함하는 3개의 니트로셀룰로오스계 작은 추진제(1.39 mm 길이, 0.7 mm 직경, 50 ㎛ 천공) 샘플에 대한, 승인된 STANAG 4582 방법에 따른 열 유동 열량 추적을 나타낸다. 도 10은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온을 포함한 추진제가 표준 DNT 변형보다 열 분해에 더 안정적이었음을 보여준다. 또한, 추진제의 안정성은 사용된 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 양에 비례하여 증가한 것으로 시험에서 나타났다.
도 11은 각각 6% DNT 및 2% 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅을 포함하는 2개의 니트로셀룰로오스계 추진제(1.39 mm 길이, 0.7 mm 직경, 50 ㎛ 천공) 샘플의 탄도 안정성을 나타낸다. 도 11은 열화되지 않은 샘플에 대한 탄도 변화가 5.56 mm 시험 플랫폼에서 각 연소율 조정제에 대해 유사했음을 보여준다. 탄약은 Nammo BNT 발사물과 함께 SS109 스타일로 구성되었다. 도 11은 또한 3주에 걸친 인공 열화에서 실제 탄도 변화가 적었음을 보여준다.
도 12는 5.56 mm 시험 플랫폼에서 -15℃, 21℃, 및 52℃에서 측정된, 각각 6% DNT 및 2% 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온의 코팅을 포함하는 2개의 니트로셀룰로오스계 추진제(1.39 mm 길이, 0.7 mm 직경, 50 ㎛ 천공) 샘플의 탄도적 열 확산을 나타낸다. 탄약은 Nammo BNT 발사물과 함께 SS109 스타일로 구성되었다. 도 12는 3주의 기간에 걸친 탄도적 열 확산이 열화에 크게 영향을 받지 않았음을 보여준다.
당업자는 특정 구현예들로 나타낸 본 발명에 넓게 설명된 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 많은 변형 및/또는 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 구현예들은 모든 면에서 한정적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
"하나의" 및 "그"와 같은 용어 및 본 발명을 설명하는 문맥(특히, 다음의 청구범위의 문맥)에서 유사한 지시어의 사용은 본원에서 달리 나타내지 않거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 이상 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 이해해야 한다.
다음의 청구범위 및 앞선 본 발명의 설명에서, 표현 언어 또는 필요한 암시로 인해 문맥이 달리 필요로 하는 경우를 제외하고, "포함한다" 또는 "포함하는"과 같은 변형 단어는 포괄적 의미로, 즉, 기술한 특징의 존재를 명시하기 위해 사용된 것이지, 본 발명의 다양한 구현예에서 다른 특징의 존재 또는 추가를 배제하기 위해 사용된 것은 아니다.

Claims (18)

  1. 과립 형태의 에너지 재료 및
    화학식 1의 화합물을 포함하는 추진제:
    [화학식 1]
    Figure 112019052550146-pct00006

    여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 과립은 천공을 포함하는, 추진제.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지 재료는 흑색 화약, 암모늄퍼클로레이트, 헥소겐, 부탄트리올트리나이트레이트, 에틸렌글리콜디나이트레이트, 디에틸렌글리콜디나이트레이트, 에리트리톨테트라나이트레이트, 옥토겐, 헥사니트로이소우르자이텐, 메트리올트리나이트레이트, N-메틸니트라민, 펜타에리트리톨테트라나이트레이트, 테트라니트로벤졸아민, 트리니트로톨루엔, 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스, 만니톨헥사나이트레이트, 트리에틸렌글리콜디나이트레이트, 구아니딘, 니트로구아니딘, 3-니트로-1,2,4-트리아졸-5-온, 암모늄나이트레이트, 프로판디올디나이트레이트, 헥사민, 5-아미노테트라졸, 메틸테트라졸, 페닐테트라졸, 폴리글리시딜나이트레이트, 폴리글리시딜아지드, 폴리[3-니트라토메틸-3-메틸옥시테인], 폴리[3-아지도메틸-3-메틸옥시테인], 폴리[3,3-비스(아지도메틸)옥시테인], 질화 사이클로덱스트린 중합체, 폴리글리시딜나이트레이트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 추진제.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에너지 재료는 니트로셀룰로오스인, 추진제.
  5. 제1항에 있어서, 화학식 1의 상기 화합물은 상기 과립의 표면 상의 코팅 형태인, 추진제.
  6. 제1항에 있어서, 흑연층을 더 포함하는, 추진제.
  7. 화학식 1의 화합물을 포함하는 연소율 조정제:
    [화학식 1]
    Figure 112019052550146-pct00007

    여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
  8. 제7항에 있어서, 상기 화합물은 4-(4-하이드록시페닐)부탄-2-온인, 연소율 조정제.
  9. 에너지 재료 과립을 화학식 1의 화합물로 코팅하는 단계를 포함하는, 추진제 제조 방법:
    [화학식 1]
    Figure 112019052550146-pct00009

    여기서, R1은 H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R2는 -H, -OH, -O-(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R3는 -H 및 -C1-4알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    R4는 -H, -OH, -O(C1-4알킬), -C1-4알킬, -NHC1-4알킬, -N(C1-4알킬)2, -NO2, -NHNH2, -N(C1-4알킬)NH2, 및 -CN으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    R1, R2, 및 R4 중 적어도 하나는 OH이다.
  10. 제9항에 있어서, 상기 에너지 재료 과립은 상기 에너지 재료의 슬러리 또는 반죽을 압출하여 압출 코드를 형성하고 상기 압출 코드를 절단하여 형성되는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 에너지 재료는 천공을 가지며 압출되는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 화학식 1의 상기 화합물은 상기 에너지 재료 과립 내로 확산되는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 화학식 1의 상기 화합물은 상기 에너지 재료 과립 전체에 걸쳐 고르게 분산되는, 방법.
  14. 제1항에 따른 추진제를 포함하는 탄약 카트리지.
  15. 케이싱, 제1항에 따른 추진제, 기폭제, 및 발사물을 포함하는 탄약 카트리지.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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