KR102237677B1 - 고체 추진제 조성물 - Google Patents

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KR102237677B1
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Abstract

본 발명의 일 구현예에 따른 고체 추진제 조성물은, 고체 추진제 조성물의 전체 중량에 대하여, 하이드록실 터미네이티드 폴리머(hydroxyl terminated polymer)를 포함하는 바인더 0.1 중량% 내지 20 중량, 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 경화제 0.1 중량% 내지 15 중량%, 과염소산염 화합물을 포함하는 산화제 0.1 중량% 내지 70 중량%, 에스터계 화합물을 포함하는 가소제 0.1 중량% 내지 10 중량%, 아민계 화합물, 아지리딘계 화합물, 아미드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 결합제 0.1 중량% 내지 10 중량% 및 실리콘 계열, 비실리콘 계열, 또는 이들의 조합을 포함하는 소포제 0.1 중량 % 내지 10 중량%를 포함하며, 상기 바인더의 하이드록시기와 상기 경화제의 이소시아네이트기의 당량비는 0.5 내지 1.2이다.

Description

고체 추진제 조성물 {SOLID PROPELLANT COMPOSITION}
본 기재는 고체 추진제 조성물에 관한 것이다.
고체 추진제는 액체 연료에 비해 장기간 저장이 가능하며 즉시 발사가 가능하다고 하는 이점을 가지며, 군용 로켓탄이나 미사일, 혹은 우주용으로 두어도 액체 연료의 보조 연료로서 이용되고 있다.
상기 고체 추진제를 제조하기 위한 일반적인 고체 추진제 조성물은 바인더의 하이드록시기(-OH)와 경화제의 이소시아네이트기(-NCO)가 반응하여 만들어지는 고분자 물질이다. 추진제의 혼합이 끝난 후에도 주조가 가능한 유동성을 유지하는 시간이 존재하기는 하지만, 이 시간 동안의 점도 상승은 추진제 그레인 내부의 기공이나 균열 등과 같은 결함 발생의 원인이 될 수 있다. 이와 같은 기공이나 균열은 로켓 연소 시 불안정한 연소를 일으켜 연소관 파열 등과 같이 로켓 성능에 치명적인 결함을 야기할 수 있다.
따라서, 추진제 내부에 발생되는 기공이나 균열과 같은 결함을 방지하기 위한 고체 추진제 조성물에 대한 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
일 구현예에 따르면, 고체 추진제 내부에 발생되는 기공이나 균열과 같은 결함을 방지하기 위한 고체 추진제 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 추진제 조성물은, 고체 추진제 조성물의 전체 중량에 대하여, 하이드록실 터미네이티드 폴리머(hydroxyl terminated polymer)를 포함하는 바인더 0.1 중량% 내지 20 중량, 이소시아네이트계 화합물을 포함하는 경화제 0.1 중량% 내지 15 중량%, 과염소산염 화합물을 포함하는 산화제 0.1 중량% 내지 70 중량%, 에스터계 화합물을 포함하는 가소제 0.1 중량% 내지 10 중량%, 아민계 화합물, 아지리딘계 화합물, 아미드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 결합제 0.1 중량% 내지 10 중량% 및 실리콘 계열, 비실리콘 계열, 또는 이들의 조합을 포함하는 소포제 0.1 중량 % 내지 10 중량%를 포함하며, 상기 바인더의 하이드록시기와 상기 경화제의 이소시아네이트기의 당량비는 0.5 내지 1.2이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 추진제 조성물은, 고체 추진제 내부에 발생되는 기공이나 균열과 같은 결함을 방지하기 위한 고체 추진제 조성물을 제공할 수 있다.
도 1은 비교예, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 추진제에 경화제 투입 후 시간에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 비교예, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 추진제의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 추진제 조성물은 바인더, 경화제, 산화제, 가소제 및 결합제를 포함하며, 이때 상기 고체 추진제 조성물의 당량비는 0.7 내지 0.8이다.
이하에서는 상기 고체 추진제 조성물의 각 구성에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
바인더
바인더는 고체의 과립 성분이 복합 추진체에 함께 모여있는 매트릭스를 구조적으로 제공한다. 원료는 프리폴리머 또는 모노머로 제공되어, 추후 중합되어 폴리머를 형성할 수 있다. 상기 바인더는 고체 추진제 조성물의 기계적 및 화학적 특성, 추진체의 처리 및 노화에 영향을 미칠 수 있다. 상기 바인더 물질은 일반적으로 고체 추진제 조성물의 연소 과정에서 산화되는 연료의 역할을 할 수 있다.
상기 바인더는 말단에 하이드록시기가 존재하는 하이드록실 터미네이티드 폴리머(hydroxyl terminated polymer)를 포함한다. 일 예로, 상기 하이드록실 터미네이티드 폴리머(hydroxyl terminated polymer)는 하이드록실 터미네이티드 폴리에테르(hydroxyl terminated polyether), 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyl terminated polybutadiene), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 바인더는 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyl terminated polybutadiene, HTPB)일 수 있다. 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔은 높은 고체 분율을 나타낼 수 있다.
상기 바인더는 고체 추진제 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 20 중량% 포함된다. 바인더가 상기 함량으로 포함되는 경우, 충분한 경화 반응에 의해 추진제 제조 공정이 원활하게 이루어질 수 있다.
상기 바인더가 0.1 중량% 보다 적게 포함될 경우, 경화가 이루어지지 않아 추진제의 기계적 물성을 가질 수 없으며, 상기 바인더가 20 중량%를 초과하여 포함되었을 경우 고체 원료(AL, AP 등)가 적게 포함되어 비추력과 같은 추진제 성능이 떨어질 수 있다.
경화제
경화제는 바인더의 중합이 완료되어 바인더 중합체가 될 때, 바인더 중합체에 경화성을 부여하기 위해 첨가된다. 상기 경화제는 이소시아네이트(isocyanate)계 화합물을 포함한다.
일 예로, 상기 이소시아네이트계 화합물은, 이소시아네이트 관능기를 2개 포함하는 다이이소시아네이트계 화합물일 수 있다. 다른 일 예로, 상기 이소시아네이트계 화합물은 다이머(dimer) 구조를 가질 수 있다.
상기 경화제는 다이머 다이이소시아네이트(dimer diisocyanate), 아이소포론 다이이소시아네이트(isophorone diisocyanate), 헥사메틸렌 다이이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 경화제는 상기 고체 추진제 조성물의 전제 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 15 중량% 포함될 수 있다. 경화제가 상기 범위로 포함되는 경우, 추진제 조성물의 성능 및 접착성에 사용되기 위한 적절한 응력 및 경도가 발휘될 수 있다.
산화제
산화제는 고체 추진제 조성물의 연소 시 높은 에너지를 생산하는 주요 성분으로, 상기 산화제는 다른 성분들과의 호환성, 양호한 성능 및 가용성을 포함한 특성들을 고려하여 사용된다. 상기 산화제는 과염소산염 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 과염소산염 화합물은 암모늄 과염소산염(ammonium perchlorate)일 수 있다.
상기 산화제는 상기 고체 추진제 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 70 중량%으로 포함될 수 있다. 산화제가 상기 함량으로 포함되는 경우, 상기 고체 추진제 조성물이 적절한 온도에서 적절한 속도로 연소될 수 있다.
가소제
가소제는 상대적으로 점도가 낮은 유기 액체로, 고체 추진제 조성물의 산화에 대한 열 에너지에 기여한다. 가소제는 상기 고체 추진제 조성물의 폭발성을 향상시키기 위해 첨가되는 것으로, 에스터계 화합물을 포함한다.
상기 가소제는 다이옥틸 세바케이트(dioctyl sebacate), 다이옥틸 아디페이트(dioctyl adipate), 아이소데실 펠라고네이트(isodecyl pelargonate), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 가소제는 고체 추진제 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 가소제가 상기 범위로 포함되는 경우, 고체 추진제 조성물의 안전성을 확보하면서도 높은 연소 성능을 발휘할 수 있다.
결합제
결합제는 고체 추진제 조성물에 포함된 성분들이 서로 분리되지 않도록 결합시키기 위해 첨가되는 것으로, 아민계 화합물, 아지리딘계 화합물, 아미드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일 예로, 비스 아이소프탈로일 메틸아지리딘(bis-isophthaloyl-1-methylaziridine), 비스이노프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine), 트리메소일 에틸 아지리딘(trimesoyl-1-(2-ethyl) aziridine), 시아노폴리아민(cyanoethylated Polyamine), 테파놀(TEPANOL) 또는 비스하이드록시에틸글리콜아미드(bis-hydroxyethyl glycol amide), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 결합제는 고체 추진제 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 결합제가 상기 범위로 포함되는 경우, 고체 추진제 조성물의 연소 성능에 영향을 미치지 않으면서, 고체 추진제 조성물의 각 성분들이 원활하게 결합될 수 있으며, 적절한 점도를 유지할 수 있다.
소포제
소포제는 고체 추진제 조성물 내에 존재하는 기포를 제거함으로써 고체 추진제 조성물의 점도 및 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
일반적인 혼합형 고체 추진제 제조시 중요하게 생각해야 할 요소는 추진제의 팟 라이프(pot life, 추진제 혼합이 끝난 후에 주조가 가능한 유동성을 유지하는 시간)이다. 추진제의 점도 상승은 추진제 그레인 내부의 기공이나 균열 등과 같은 결함의 발생 원인이 된다. 발생된 결함이 심할 경우, 이러한 원인으로 로켓 연소 시 불안정 연소로 연소관 파열 등 로켓 성능에 치명적인 결함을 야기할 수 있다.
기공이나 균열과 같은 결합을 해결하기 위해 산화제인 암모늄 과염소산염 입자의 크기 조절 및 비율 조절과 분자량 및 관능기수 등 바인더 특성 연구를 통한 경화 반응 분석 등 추진제의 점도를 낮추는 많은 연구가 선행되었다. 하지만 이러한 연구에도 수많은 기공 문제가 지속적으로 발생되고 있으며, 이로 인한 결함의 발생 가능성 역시 지속적으로 존재하여 왔다. 본 구현예에 따른 고체 추진제 조성물은 소포제를 포함하여, 추진제 내부에 존재하는 기포를 제거할 수 있다.
본 구현예에 따른 소포제는 실리콘 계열 소포제, 비실리콘 계열 소포제, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 계열 소포제는 폴리실록산계열 소포제를 포함할 수 있으며, 비실리콘 계열 소포제는 폴리머 소포제를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 계열 소포제는 일 예로, 실리콘 원소와 산소의 결합인 실록산 결합(Si-O-Si 결합)을 기본 골격으로 하여 실리콘 원소의 촉쇄에 유기기를 가지는 유기실리콘 수지를 포함할 수 있으며, 일 예로, 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다. 폴리디메틸실록산은 실록산 결합에 의한 무기적 성질과 메틸기에 의한 유기적 성질을 동시에 가지는 오일상의 수지로 낮은 표면 장력, 우수한 확산성 및 침투성이 뛰어나다. 일 예로 본 구현예에 따른 실리콘 계열 소포제는 BYK-1797를 포함할 수 있다.
상기 비실리콘 계열 소포제는 실리콘 성분이 없는 소포제로, 폴리머 소포제, 백색 미네랄 오일, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 비실리콘 계열 소포제는 폴리에테르, 알콜, 탄화수소 등과 같은 성분을 포함할 수 있다. 상기 비실리콘계열 소포제는 추진제 내부에 존재하는 기포의 내부에 신속하게 침투하여 퍼뜨릴 수 있는 장점이 있으며 탈포 효과가 매우 우수하다. 일 예로 본 구현예에 따른 비실리콘계열 소포제는 BYK-A-535를 포함할 수 있다.
이 외에도 본 구현예에 따른 고체 추진제 조성물 내의 기포를 제거하기 위해 적절한 상용성(용해)과 비상용성(비용해) 사이의 균형을 갖춘 소포제라면 본 구현예에 적용될 수 있을 것이다. 상용성이 지나치게 높은 경우에는 오히려 기포를 안정화하여 소포 효과가 줄어들 수 있으며, 비상용성이 지나치게 높은 경우에는 조성물 내부에서 원활하게 혼합되지 못하여 소포 효과가 발휘될 수 없다. 따라서 적절한 상용성 및 비상용성 사이의 균형을 가지는 소포제여야 본 구현예에 따른 소포 효과를 나타낼 수 있다.
당량비
한편, 상기 고체 추진제 조성물의 당량비는 0.5 내지 1.2이다. 예를 들어, 0.5 내지 1.1일 수 있으며, 예를 들어 0.5 내지 1.0, 예를 들어, 0.6 내지 1.0, 예를 들어, 0.7 내지 1.0일 수 있다. 상기 고체 추진제 조성물의 당량비가 상기 범위인 경우, 경화가 완료된 고체 추진제 조성물의 변형율이 적절한 범위를 유지하여, 크랙 발생을 방지할 수 있다.
기타 첨가제
한편, 상기 고체 추진제 조성물은 전술한 바인더, 경화제, 산화제, 가소제, 결합제 및 소포제 이외에도, 연소촉매 또는 경화촉매와 같은 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 이들에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
연소촉매
연소촉매는 고체 추진제 조성물의 원활한 연소를 보조하기 위하여 첨가될 수 있다. 상기 연소촉매는 일 예로, 산화철(Fe2O3), 산화크롬(Cr2O3) 일 수 있다.
상기 연소촉매는 고체 추진제 조성물의 총 중량 100%에 대하여 0.01 중량% 내지 1.0 중량% 포함될 수 있다. 연소촉매가 상기 범위로 포함되는 경우, 고체 추진제 조성물이 적절한 속도로 연소될 수 있다.
경화촉매
경화촉매는 고체 추진제 조성물의 반응 시간을 조절하기 위하여 첨가될 수 있다. 상기 경화 촉매는 일 예로, 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB), 다이나이트로 살리실산(Dinitrosalicylic acid, DNSA), 말레인 무수물(Maleic anhydride) 및 산화 마그네슘(magnesium oxide) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 경화 촉매는 고체 추진제 조성물의 총 중량 100%에 대하여 0.01 중량% 내지 1.0 중량% 포함될 수 있다. 경화 촉매가 상기 범위로 포함되는 경우, 고체 추진제 조성물을 충전하는 공정 중에 경화가 느리게 진행되어 고체 추진제 조성물의 충전이 원활하게 진행될 수 있으며, 충전이 완료된 이후에는 적절한 속도로 경화가 완료되어 고체 추진제 조성물의 제조가 완료될 수 있다.
금속 연료
금속 연료는 고체 추진제 조성물의 연소열, 추진체 밀도, 연소 온도와 같은 특성을 향상시키기 위해 첨가될 수 있다. 상기 금속 연료는 알루미늄, 붕소과 같은 금속일 수 있으며, 일 예로 알루미늄일 수 있다.
한편, 상기 금속 연료는 5 ㎛ 내지 60㎛의 직경을 가지는 고체 입자이다.
상기 금속 연료는 고체 추진제 조성물 100 중량부 대비 10 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 금속 연료의 함량이 고체 추진제 조성물 100 중량부 대비 10 중량부보다 적게 포함되었을 경우 비추력과 같은 고체 추진제의 성능이 저하될 수 있다. 또한, 금속 연료의 함량이 고체 추진제 조성물 100 중량부 대비 20 중량부보다 많이 포함되었을 경우 추진제 제조 시 점도 상승 등 공정성에 문제가 발생될 수 있으며, 강도, 신율 등 추진제 기계적 특성이 저하될 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예 및 비교예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
비교예 및 실시예
본 발명에 따른 비교예 및 실시예들에 포함된 구성을 하기 표 1에 기재하였다. 표 1에 기재된 것과 같이, 본 실시예에 따른 비교예의 경우 어떠한 소포제도 포함하지 않은 것이며, 실시예 1은 비실리콘계 소포제를 포함한 실시예에 해당하고, 실시예 2는 실리콘계 소포제를 포함한 실시예에 해당한다.
Role 비교예 실시예 1 실시예 2
바인더 HTPB HTPB HTPB
경화제 IPDI IPDI IPDI
가소제 HX-752 HX-752 HX-752
결합제 DOA DOA DOA
산화제 AP AP AP
연소촉매 Fe2O3 Fe2O3 Fe2O3
경화촉매 TPB TPB TPB
소포제 - BYK-A-535 BYK-1797
표 1에 기재된 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 구체적인 성분은 하기에 기재한 것과 같다. 비교예 - 소포제를 포함하지 않음
당량비 0.750, 암모늄 과염소산염(Ammonium Perchlorate, AP, 산화제) 69.0wt%, Al 40μm (금속 연료) 18.0wt%, 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyl terminated polybutadiene, HTPB, 바인더)/아이소포론 다이이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI, 경화제) 10.0wt%, 다이옥틸아디페이트(dioctyl adipate, DOA, 가소제) 2.0wt%, 비스이노프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine, HX-752, 결합제) 0.3wt%, 산화철(Fe2O3, 연소촉매) 0.6wt%, 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB, 경화촉매) 0.1wt% 인 조성의 추진제를 제조하였다.
실시예 1 - 비실리콘계 소포제 포함
당량비 0.750, 암모늄 과염소산염(Ammonium Perchlorate, AP, 산화제) 69.0wt%, Al 40μm (금속 연료) 18.0wt%, 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyl terminated polybutadiene, HTPB, 바인더)/아이소포론 다이이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI, 경화제) 10.0wt%, 다이옥틸아디페이트(dioctyl adipate, DOA, 가소제) 2.0wt%, 비스이노프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine, HX-752, 결합제) 0.3wt%, 산화철(Fe2O3, 연소촉매) 0.6wt%, 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB, 경화촉매) 0.1wt%, 비실리콘계 소포제(BYK-A-535) 0.5% 인 조성의 추진제를 제조하였다.
실시예 2 - 실리콘계 소포제 포함
당량비 0.750, 암모늄 과염소산염(Ammonium Perchlorate, AP, 산화제) 69.0wt%, Al 40μm (금속 연료) 18.0wt%, 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyl terminated polybutadiene, HTPB, 바인더)/아이소포론 다이이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI, 경화제) 10.0wt%, 다이옥틸아디페이트(dioctyl adipate, DOA, 가소제) 2.0wt%, 비스이노프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine, HX-752, 결합제) 0.3wt%, 산화철(Fe2O3, 연소촉매) 0.6wt%, 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB, 경화촉매) 0.1wt%, 실리콘계 소포제(BYK-1797) 0.5% 인 조성의 추진제를 제조하였다.
비교예 및 실시예들의 TGA 평가
표 2는 상용성 시험 중 TGA 결과를 나타낸 표이다. TGA는 STANAG No. 4147의 Test 3를 활용하여 실험을 계획하였다. STANAG는 STANDARDIZATION AGREEMENT의 약자로, NORTH ATLANTIC TREATY ORGANIZATION(NATO) 규격으로 그 중 No. 4147 규격은 CHEMICAL COMPATIBILITY OF AMMUNITION COMPONENTS WITH EXPLOSIVES 시험에 대한 규격이다.
승온 속도는 2℃/min이고, 25℃부터 350℃까지 승온하였다. 소포제와 AP을 1:1로 혼합하였고, 혼합물 Sample의 양은 1mg이다. 50cm3/min의 질소 분위기로 실험 세팅을 하였다. 200℃에서의 질량 감소(weight loss)를 분석하여 상용성 여부를 판단하였다.
Contents % observed
weight loss		 % calculated
weight loss		 Difference
(% observed - calculated)		 Judgement
A Mixture
(AP and BYK-A-535)		 7.151 10.193 3.042 Compatible
B Mixture(AP and BYK-1797) 5.967 6.593 0.616 Compatible
C AP 0.036 - - -
D BYK-A-535 20.35 - - -
E BYK-1797 13.13 - - -
(AP: 암모늄 과염소산염 -> 산화제, BYK-A-535: 비실리콘계 소포제, BYK-1797: 실리콘계 소포제)표 2에 기재된 것과 같이, 200℃에서의 질량 감소(weight loss)를 확인할 결과, % observed weight loss 값은 산화제(암모늄 과염소산염, Ammonium Perchloride, 이하 AP) 0.036%, 비실리콘 계열 소포제(BYK-A-535)는 20.35%, 실리콘 계열 소포제(BYK-1797)는 13.13%, mixture(AP and BYK-A-535)는 7.15% 그리고 mixture(AP and BYK-1797)는 5.97%이다. 반면 mixture(AP and BYK-A-535)의 % calculated weight loss 값은 10.193% 이며, mixture(AP and BYK-1797)는 5.967%이다.
STANAG No. 4147을 참고하여 차이값(% observed weight loss - % calculated weight loss)을 계산하면, mixture (AP and BYK-A-535) 는 3.042%, mixture (AP and BYK-1797) 는 0.616%이다. 모두 질량 변화가 4% 이하로 상용성이 존재한다고 판정되었다.
비교예 및 실시예들의 wet 상태에서의 민감도 평가
표 3은 소포제 2종을 적용한 추진제의 wet 상태에서의 민감도를 비교한 결과이다.
Sensitivity test Impact Sensitivity
(J)		 Friction Sensitivity
(kgf)
Wet Wet
비교예 17.78 10.41
실시예 1 48.97 8.60
실시예 2 47.86 11.28
wet 추진제의 충격감도는 기본 추진제 대비 소포제를 적용한 실시예 1 및 실시예 2 모두가 충격감도가 증가된 결과를 나타내었으며, 특히 비실리콘계 소포제를 적용한 실시예 1의 경우, 비교예 대비 충격감도의 증가량이 약 175%인 것을 알 수 있었다. 실리콘계 소포제를 적용한 실시예 2 경우도 충격감도의 증가량이 약 169%인 것을 확인할 수 있다. 충격감도가 증가했다는 의미는 상대적으로 둔감해졌다는 뜻이다. 반면 마찰감도는 비교예, 실시예 1 및 실시예 2에 해당하는 각각의 추진제의 경우 큰 차이는 없었다.
비교예 및 실시예들의 시간에 따른 점도 변화 평가
도 1은 비교예, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 추진제에 경화제 투입 후 시간에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 비교예의 경우 초기 점도가 4.8 kps를 나타내었으며, 추진제에 비실리콘계열 소포제(BYK-A-535)를 적용한 실시예 1의 경우 초기 점도가 4.2 kps로 약 13% 감소하였다. 소포제의 기포제거 효과로 인해 추진제의 공극률이 감소하고 이로 인해 점도가 낮아진 것으로 판단된다.
하지만 실리콘계열 소포제(BYK-1797)를 적용한 실시예 2의 경우 오히려 초기 점도가 6.8 kps로 점도가 약 42% 증가하였다. 실리콘계열 소포제는 일반적으로 Si 원소와 산소의 결합(실록산 결합: Si-O-Si)을 기본 골격으로 하여 Si 원소의 촉쇄에 유기기를 가지는 유기실리콘 수지를 일컬으며 대표적인 화합물로는 폴리디메틸실록산이다. 실리콘 소포제를 추진제에 적용하면 실리콘 소포제의 수산화기(-OH)가 경화제의 이소시아네이트기(-NCO)와 우레탄 결합을 형성한다. 따라서 초기 점도가 상승한 것으로 판단한다.
비교예 및 실시예들의 시간에 따른 점도 변화 평가
도 2 와 표 4는 각각, 소포제 적용에 따른 추진제의 기계적 특성을 나타낸 그래프 및 표이다.
Mechanical Properties Sm
(bar)		 m
(%)
비교예 7.76 46.17
실시예 1 7.90 50.64
실시예 2 5.50 42.61
비실리콘계열 소포제를 적용한 실시예 1의 경우, 비교예 대비 최대인장응력(Sm)이 약 1.8% 증가하였으며, 최대인장응력에서의 신율(Em)은 7.8% 증가하였다. 이러한 결과는 소포제가 추진제 내의 기포를 제거하여 공극률이 감소하고 이로 인해 추진제의 기계적 특성이 증가한 것으로 판단된다. 반면 실리콘계열 소포제를 적용한 실시예 2의 경우 실리콘 소포제의 수산화기(-OH)가 경화제의 이소시아네이트기(-NCO)와 결합을 형성한다. 따라서 결합을 하지 못한 바인더가 남게 되고 표 4와 같이 추진제 경도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로 기계적 특성 또한 감소하였다. 비교예 대비 실시예 2의 최대인장응력(Sm)은 약 29.1%, 최대인장응력에서의 신율(Em)은 7.7% 각각 감소하였다.
도 2 및 표 4를 통해 소포제의 기포제거 효과로 인한 기계적 특성 향상을 확인하였으며, 추진제에서는 비실리콘 계열 소포제가 더욱 적합하다고 판단한다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 고체 추진제 조성물의 전체 중량에 대하여,
    하이드록실 터미네이티드 폴리머(hydroxyl terminated polymer)를 포함하는 바인더 0.1 중량% 내지 20 중량%;
    이소시아네이트계 화합물을 포함하는 경화제 0.1 중량% 내지 15 중량%;
    과염소산염 화합물을 포함하는 산화제 0.1 중량% 내지 70 중량%;
    에스터계 화합물을 포함하는 가소제 0.1 중량% 내지 10 중량%;
    아민계 화합물, 아지리딘계 화합물, 아미드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 결합제 0.1 중량% 내지 10 중량%; 및
    실리콘 계열 소포제, 비실리콘 계열 소포제, 또는 이들의 조합을 포함하여 고체 추진제 조성물 내에 존재하는 기포를 제거하기 위한 소포제 0.1 중량 % 내지 10 중량%를 포함하며,
    상기 바인더의 하이드록시기와 상기 경화제의 이소시아네이트기의 당량비는 0.5 내지 1.2인, 고체 추진제 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 바인더는,
    하이드록실 터미네이티드 폴리에테르(hydroxyl terminated polyether), 하이드록실 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyl terminated polybutadiene), 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체 추진제 조성물.
  3. 제1항에서,
    상기 이소시아네이트계 화합물은,
    이소시아네이트 관능기를 2개 포함하는 다이이소시아네이트계 화합물인, 고체 추진제 조성물.
  4. 제1항에서,
    상기 이소시아네이트계 화합물은 다이머(dimer) 구조를 가지는, 고체 추진제 조성물.
  5. 제1항에서,
    상기 경화제는 다이머 다이이소시아네이트(dimer diisocyanate), 아이소포론 다이이소시아네이트(isophorone diisocyanate), 헥사메틸렌 다이이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체 추진제 조성물.
  6. 제1항에서,
    상기 가소제는 다이옥틸 세바케이트(dioctyl sebacate), 다이옥틸 아디페이트(dioctyl adipate), 아이소데실 펠라고네이트(isodecyl pelargonate), 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체 추진제 조성물.
  7. 제1항에서,
    상기 결합제는 비스 아이소프탈로일 메틸아지리딘(bis-isophthaloyl-1-methylaziridine), 비스이노프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine), 트리메소일 에틸 아지리딘(trimesoyl-1-(2-ethyl) aziridine), 시아노폴리아민(cyanoethylated Polyamine), 테파놀(TEPANOL) 또는 비스하이드록시에틸글리콜아미드(bis-hydroxyethyl glycol amide), 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체 추진제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 계열 소포제는 폴리실록산계열 소포제를 포함하는, 고체 추진제 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비실리콘 계열 소포제는 폴리머 소포제, 백색 미네랄 오일, 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체 추진제 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    연소촉매, 경화촉매, 금속 연료, 또는 이들의 조합을 더 포함하는, 고체 추진제 조성물.
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