KR102370841B1

KR102370841B1 - 고반응성 고에너지 복합재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102370841B1
Application number: KR1020210094703A
Authority: KR
Inventors: 최윤정; 임예슬
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2022-03-07

Abstract

본 발명은 금속과 산화제의 혼합물인 써마이트에 결정화 방법을 적용한 고분자 코팅으로 고분자가 균일하게 코팅된 써마이트 결합체를 형성하고, 상기 써마이트 결합체를 베이스 금속과 균일하게 혼합하여 형성된 고반응성 고에너지 복합재 및 이의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 고반응성 고에너지 복합재 및 이의 제조방법은 향상된 반응효율을 가지고 취급 안정성이 증가된다.

Description

고반응성 고에너지 복합재 및 이의 제조방법{HIGHLY REACTIVE HIGH ENERGY COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 금속과 산화제의 혼합물인 써마이트에 결정화 방법을 적용한 고분자 코팅으로 고분자가 균일하게 코팅된 써마이트 결합체를 형성하고, 상기 써마이트 결합체를 베이스 금속과 균일하게 혼합하여 형성된 고반응성 고에너지 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄두에 적용되는 화약, 반응성 연료나 유도탄 및 로켓탄에 적용되는 추진제의 통칭인 고반응성 고에너지 물질은 순간적인 화학 반응으로 생성되는 기체와 같은 반응 생성물에 의한 압력 및 열 등이 탄두의 폭발 성능으로 나타나거나 고체추진제의 추력 성능으로 나타나게 된다.

따라서, 고반응성 고에너지 물질의 화학조성 내 반응성이 좋고, 단위 부피당 우수한 에너지 밀도의 연료를 적용하는 것이 단위 부피당 생성되는 에너지가 크고 성능면에서도 장점을 가지게 된다.

금속분말은 단위 부피당 매우 우수한 에너지 밀도를 가지므로 고반응성 고에너지 물질의 조성으로 활용되고 있으며, 특히 알루미늄 분말은 에너지적인 측면뿐만 아니라 독성이 없으며 경제적인 측면에서도 강점을 가지고 있어서 널리 쓰인다.

그러나, 자연적으로 생성되어 알루미늄 분말 표면에 형성되는 산화막인 알루미나 층으로 인해 알루미늄과 산소와의 직접적인 접촉이 어려워 점화온도가 매우 높은 2000 ℃ 이상으로 높아지면 반응성과 반응효율이 낮아지는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 나노크기 내지는 수 마이크로 이내의 작은 크기의 알루미늄을 사용하거나 직접적으로 산화제를 조성 내에 투입하여 반응성과 반응효율을 높이고자 하는 방법들이 있다.

이러한 방법 중 연료가 되는 금속 입자와 산화제인 금속산화물이 혼합된 물질은 서로간의 반응을 통해 열을 방출하므로 써마이트(Thermite)라고 흔히 불리는 고에너지 물질로, 써마이트계 고에너지 물질의 방출 에너지 효율을 증대시키기 위한 다양한 연구가 진행되었다.

그 중, 나노 크기의 금속 입자와 금속산화물을 결합하여 나노 써마이트 혹은 슈퍼 써마이트가 가장 대표적인 방법이다.

이는 나노구조를 통한 표면적 증가로 인해 물질의 반응성이 향상되는 나노효과 및 나노크기의 연료 및 산화제의 반응확률이 증대되는 효과를 이용하기 위함이다.

그러나, 이러한 써마이트계 고에너지 물질의 분말형태는 높은 반응성으로 인해 건조상태의 분말 취급시 정전기 및 마찰 등으로 인한 폭발 및 화재 위험성 및 안전문제로 이를 활용하기 위한 대량 제조에 한계가 있다.

따라서, 본 출원인은 상당한 기간 동안 각고의 연구를 통하여 금속과 산화제가 균일하게 분포된 써마이트에 결정화 방법을 적용한 고분자 코팅방법으로고분자가 균일하게 코팅된 써마이트 결합체를 개발한 후, 상기 써마이트 결합체와 베이스 금속이 균일하게 혼합하여 형성된 고반응성 및 고에너지 복합재를 개발하였고, 상기 고반응성 및 고에너지 복합재는 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되게 되어 본원발명을 완성하게 되었다.

미국 등록특허 제10,882,799호 (특허등록일: 2021년 01월 05일)

따라서, 본 발명은 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되고, 높은 경제성을 가지고, 대량생산이 용이한 고반응성 및 고에너지 복합재를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되고, 높은 경제성을 가지고, 대량생산이 용이한 고반응성 및 고에너지 복합재 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 고반응성 고에너지 복합재를 사용한 추진제, 화약, 또는 에너지 장치인 물품을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면,

금속과 산화제가 균일하게 분포된 형상의 써마이트를 고분자로 코팅한 후 베이스 금속과 균일하게 혼합한 복합재로서,

상기 써마이트가 용매와 반용매의 용해도 차이인 결정화를 통해 상기 반용매에 용해되어 있는 고분자로 균일하게 코팅된 써마이트 결합체; 및

베이스 금속;을 포함하는

고반응성 고에너지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속은

알루미늄, 구리, 붕소, 철, 마그네슘, 니켈, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화제는

산화구리, 산화크롬, 산화납, 산화망간, 산화철, 산화몰리브덴, 및 산화티타늄으로 이루어진 금속산화물 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 써마이트의

상기 금속과 상기 산화제의 중량비는 2 : 8 내지 5 : 5 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속의 입자 크기는 2 ㎛ ~ 20 ㎛ 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화제의 입자 크기는 50 nm ~ 10 ㎛ 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 써마이트 결합체 형성용 상기 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자는

Viton A, Viton B, Viton F, Viton GF, Viton GLT, 및 Viton ETP로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택된 불소 고분자일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 써마이트 결합체의 써마이트와 고분자의 중량비는 90 : 10 ~ 99 : 1 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 써마이트 결합체 형성용 상기 반용매는

아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 아세트산에틸, 및 아세트산부틸로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 비수용성 용매일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이스 금속은

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이스 금속의 입자 크기는 2 ㎛ ~ 20 ㎛ 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합재의 써마이트 결합체와 베이스 금속의 중량비는 2 : 8 ~ 5 : 5 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합재는 침강 방지제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 침강 방지제는 흄드 실리카, MMT, Bentonite, Nanomer, Cloisite, 및 Delite로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 분말일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합재는 써마이트 결합체와 베이스 금속의 균일 혼합을 용이하게 하는 복합제 안정화용 용매를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합제 안정화용 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합재 100 중량%에 대하여 상기 복합제 안정화용 용매의 함량은 10 ~ 30 중량%일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면,

고분자가 용해된 반용매를 준비하는 단계;

반응기에 용매를 넣고 온도를 30 ~ 80 ℃로 유지하는 단계;

상기 반응기에 산화제를 투입하여 균일하게 분산시키는 단계;

상기 산화제가 균일하게 분산된 반응기에 금속을 투입하여 산화제와 균일하게 분산하여 써마이트를 제조하는 단계;

상기 써마이트에 상기 고분자가 용해된 반용매를 투입하여 용해도 차이에 따라 고분자를 균일하게 코팅하여 써마이트 결합체를 제조하는 단계; 및

상기 써마이트 결합체에 베이스 금속을 균일하게 혼합하여 복합재를 제조하는 단계;를 포함하는

고반응성 고에너지 복합재 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속은

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화제는

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자는

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이스 금속은

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면,

상기 고반응성 고에너지 복합재를 사용한 물품을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 물품은 추진제, 화약, 또는 에너지 장치인 물품일 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존 복합재보다 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되고, 높은 경제성을 가지고, 대량생산이 용이한 고반응성 및 고에너지 복합재를 제공하므로, 고온 내구성과 고온 강도의 기계적 특성이 향상되고 이를 장기간 유지할 수 있다.

또한, 본 발명은 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되고, 높은 경제성을 가지고, 대량생산이 용이한 고반응성 및 고에너지 복합재 제조방법을 제공하므로, 제조되는 동안 안정성을 확보할 수 있고 대량생산이 용이하다.

또한, 본 발명은 고반응성 고에너지 복합재를 사용한 추진제, 화약, 또는 에너지 장치인 물품을 제공하므로, 여러 용도에 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 제조방법을 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 도 1에 따라 제조된 Al-CuO 써마이트 결합체의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 도 1에 따라 제조된 Al-CuO 써마이트 결합체의 에너지 분산형 분광 분석법(EDS Mapping) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 도 1에 따라 제조된 복합재의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 폭풍형 탄두 적용에 따른 1차 기폭에 의해 분산되는 장면을 나타낸 사진이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예인 폭풍형 탄두 적용에 따른 2차 기폭에 의해 폭발하는 장면을 나타낸 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

고반응성 고에너지 복합재

본 발명은 기존 복합재보다 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되고, 높은 경제성을 가지고, 대량생산이 용이한 고반응성 및 고에너지 복합재를 제공하므로, 고온 내구성과 고온 강도의 기계적 특성이 향상되고 이를 장기간 유지할 수 있다.

본 발명의 상기 고반응성 고에너지 복합재는

베이스 금속;을 포함한다.

여기서, 상기 써마이트는 연료가 되는 금속 입자와 산화제인 금속산화물이 혼합된 물질로서 서로간의 반응을 통해 열을 방출하는 고에너지 물질이다.

이러한 써마이트계 고에너지 물질의 방출 에너지 효율을 증대시키기 위하여, 결정화 방법을 적용한 고분자 코팅을 기반으로 하여 써마이트를 제조한다.

상기 고반응성 고에너지 복합재를 제조하는 동안 써마이트를 건조한 상태가 아닌 충분히 젖은 혹은 용매에 분산된 상태로 수행하여 취급 안정성을 높인다.

또한, 고반응성 써마이트 결합체를 제조한 후, 상기 고반응성 써마이트 결합체를 알루미늄 분말과 같은 베이스 금속 연료에 추가적으로 균일 혼합하여, 구하고자 하는 조성 비율을 가지는 고반응성 고에너지 복합재를 안정적으로 제조한다.

그리고, 반응효율을 높일 수 있는 써마이트 결합체에 대한 고분자 코팅은 결정화 방법을 적용하여 제조할 수 있다.

결정화란 액체나 기체와 같은 유동성 매질로부터 결정성 고체를 석출하는 현상으로 운동에너지의 최소화를 통해 원자 혹은 분자가 정의된 결정 격자구조로 정렬하는 공정이다.

결정화 공정은 경제적이고 대량생산이 용이해서 제약, 정밀화학 등 유-무기 화합물에 산업적으로 널리 사용되고 있다. 결정화에 영향을 미치는 다양한 요소가 존재하나 주로 냉각, 반용매 첨가, 증발과 같이 용해도를 변화시킨다.

용해도 차이에 의해 결정핵 생성-결정성-응집-분쇄 등과 같은 단계로 이어지며, 기타 여러 요인들을 통해 결정입자들의 분포와 형상, 수율 등이 상호보완적으로 작용한다.

또한, 본 발명은 반용매 첨가를 이용한 고분자 코팅 최적화를 기반으로 일례로 금속물질로는 알루미늄(Al) 입자와 산화제인 금속산화물은 산화구리(CuO) 나노입자로 이루어진 써마이트 결합체를 먼저 제조하고, 이를 원하는 비율로 알루미늄(Al) 베이스 금속 분말과 균일 혼합하여 취급안정성이 확보될 수 있다.

즉, 상기 결정화 방법을 적용한 고분자 코팅 최적화로 균일하게 고분자가 코팅된 써마이트 결합체를 제조하고, 이를 알루미늄 베이스 금속 분말과 균일하게 혼합하여 향상된 반응효율을 가지고 취급 안정성이 증가된 고반응성 고에너지 복합재를 제조할 수 있다.

여기서, 상기 금속은

이때, 상기 금속은 분말 또는 파쇄물의 형상일 수 있다.

또한, 상기 산화제는

이때, 상기 산화제는 분말 또는 파쇄물의 형상일 수 있다.

또한, 상기 써마이트의

여기서, 상기 금속과 상기 산화제의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우 산화제과잉 혹은 연료과잉 조성으로 인해 반응에너지가 감소하고, 이로 인하여 추가적인 베이스 금속의 반응을 촉진시키지 못하여 반응성과 반응효율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 범위 이내인 경우 빠르게 많은 반응에너지를 생성하고, 이로 인하여 추가적인 베이스 금속의 반응을 촉진시켜 반응성과 반응효율을 높이는 장점이 있다.

그리고, 일례로, 본 발명은 반용매 첨가를 이용한 고분자 코팅 최적화를 기반으로 금속물질로는 알루미늄(Al) 입자와 산화제인 금속산화물로는 산화구리(CuO) 나노입자로 이루어진 써마이트 결합체를 먼저 제조하고, 이를 원하는 비율로 알루미늄(Al) 베이스 금속 분말과 균일 혼합하여 취급안정성이 확보된 방법으로 고반응성 고에너지 복합재를 제조할 수 있다.

또한, 금속과 산화제의 일종인 금속산화물이 혼합된 물질인 나노구조 결합체는 써마이트라 불리며 식 (1)과 같은 반응식에 의해 발열산화환원(exothermic reduction oxidation) 반응이 발생하여 열을 방출한다.

식 (1)

식 (1)에서 M은 금속이나 합금, A는 금속/비금속 산화물을 의미하며 해당 반응을 통해

만큼 에너지를 방출한다.

그러나, 반응이 크다는 것은 작은 자극에도 반응하기 쉽기 때문에 물질을 이동하거나 직접 다루는데 폭발의 위험성이 크다. 따라서 고분자 코팅을 이용해 취급 안전성을 높이고 반응 효율을 증가시키기 위한 고반응성 고에너지 복합재를 제조한다.

그리고, 상기 금속의 입자 크기는 2 ㎛ ~ 20 ㎛ 일 수 있다.

또한, 상기 산화제의 입자 크기는 50 nm ~ 10 ㎛ 일 수 있다.

그리고, 상기 고분자는

또한, 써마이트 결합체 형성용 상기 반용매는

그리고, 써마이트 결합체 형성용 상기 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매일 수 있다.

또한, 상기 써마이트 결합체의 써마이트와 고분자의 중량비는 90 : 10 ~ 99 : 1 일 수 있다.

여기서, 상기 써마이트 결합체의 써마이트와 고분자의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우 과코팅된 고분자로 인해 반응성 및 반응효율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 범위 이내인 경우 취급안정성 및 반응효율을 동시에 만족시키는 장점이 있다.

또한, 상기 베이스 금속은

이때, 상기 베이스 금속은 분말 또는 파쇄물의 형상일 수 있다.

여기서, 상기 베이스 금속의 입자 크기는 2 ㎛ ~ 20 ㎛ 일 수 있다.

그리고, 상기 복합재의 써마이트 결합체와 상기 베이스 금속의 중량비는 2 : 8 ~ 5 : 5 일 수 있다.

여기서, 상기 복합재의 써마이트 결합체와 상기 베이스 금속의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우 베이스 금속 부족으로 방출되는 반응에너지가 감소하거나 써마이트 결합체 부족으로 인해 반응속도와 반응효율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 범위 이내인 경우 써마이트 결합체가 베이스 금속의 반응범위를 증대시켜 반응효율과 성능을 극대화 한 장점이 있다.

또한, 상기 복합재는 써마이트 결합체와 베이스 금속의 균일 혼합을 용이하게 하는 복합제 안정화용 용매를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 복합제 안정화용 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매일 수 있다.

또한, 상기 복합재 100 중량%에 대하여 상기 복합제 안정화용 용매의 함량은 10 ~ 30 중량%일 수 있다.

여기서, 상기 복합재 100 중량%에 대하여 상기 복합제 안정화용 용매의 함량이 10 중량% 미만인 경우 복합재 분말을 충분히 적시지 못해 취급안정성에 문제점이 있고, 상기 복합제 안정화용 용매의 함량이 30 중량%를 초과하는 경우 반응할 수 있는 복합재 분말의 함량 감소로 인한 성능저하 문제점이 있다.

그리고, 상기 복합재는 침강 방지제를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 침강 방지제는 흄드 실리카, MMT, Bentonite, Nanomer, Cloisite, 및 Delite로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 분말일 수 있다.

여기서, 상기 침강 방지제는 흄드 실리카, MMT, 및 Bentonite와 같은 점토광물을 유기화시킨 유기점토, Nanomer, Cloisite, 및 Delite와 같은 상업용 유기점토제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 분말일 수 있다.

고반응성 고에너지 복합재 제조방법

본 발명은 매우 향상된 반응 효율을 가지고 있고 취급 안정성이 크게 증가되고, 높은 경제성을 가지고, 대량생산이 용이한 고반응성 및 고에너지 복합재 제조방법을 제공하므로, 제조되는 동안 안정성을 확보할 수 있고 대량생산이 용이하다.

본 발명의 상기 고반응성 고에너지 복합재 제조방법은

고분자가 용해된 반용매를 준비하는 단계;

반응기에 용매를 넣고 온도를 30 ~ 80 ℃로 유지하는 단계;

상기 써마이트 결합체에 베이스 금속을 균일하게 혼합하여 복합재를 제조하는 단계;를 포함한다.

여기서, 써마이트계 고에너지 물질의 방출 에너지 효율을 증대시키기 위하여, 결정화 방법을 적용한 고분자 코팅을 기반으로 하여 써마이트를 제조한다.

또한, 본 발명은 반용매 첨가를 이용한 고분자 코팅 최적화를 기반으로 일례로 금속물질로는 알루미늄(Al) 입자와 산화제인 금속산화물로는 산화구리(CuO) 나노입자로 이루어진 써마이트 결합체를 먼저 제조하고, 이를 원하는 비율로 알루미늄(Al) 베이스 금속 분말과 균일 혼합하여 취급안정성이 확보될 수 있다.

그리고, 상기 금속은

여기서, 상기 산화제는

그리고, 상기 고분자는

여기서, 써마이트 결합체 형성용 상기 반용매는

또한, 상기 베이스 금속은

그리고, 상기 복합재는 써마이트 결합체와 베이스 금속의 균일 혼합을 용이하게 하는 복합제 안정화용 용매를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 복합제 안정화용 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매일 수 있다.

그리고, 상기 복합재 100 중량%에 대하여 상기 복합제 안정화용 용매의 함량은 10 ~ 30 중량%일 수 있다.

그리고, 상기 복합재는 침강 방지제를 더 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제조방법을 도식화한 도면이다.

도 1을 참조하면, S1 단계에서 써마이트 결합체 형성용 반용매에 고분자를 용해시켜 준비한다. 고분자인 Viton B를 최소 24 시간에서 48 시간 동안 아세톤에 충분히 용해시켜 준비한다. 상기 반용매에 고분자가 용해된 물질을 반용매라 명칭한다.

그런 다음, S2 단계에서 써마이트 결합체 형성용 용매를 준비한다. 여기서, 제조하고자 하는 2 배 크기의 반응기를 준비하고 용해도 차이가 큰 써마이트 결합체 형성용 용매인 헥산을 투입하며, 투입량은 준비한 반용매의 최소 2 배 이상이 필요하다. 이때, 용매와 반용매의 용해도 차이를 주기 위해 반응기의 온도를 40 ℃로 유지하며, 교반을 통해 투입한 용매의 온도 역시 40 ℃로 유지됨을 확인한다.

그 후, S3 단계에서 산화제 분말을 투입한다. 반응기에 산화제인 산화구리 입자를 일정한 속도로 분할하면서 손실율 없이 천천히 투입한다. 분말 투입시 분진 및 정전기에 유의하며, 일정한 교반속도를 유지한다. 전량 투입 후 반응기 내에 분말들이 균일한 분산 상태를 확인한다.

그런 다음, S4 단계에서 금속 분말을 투입한다. 산화제가 균일하게 분포되어 교반 중인 반응기에 금속 분말인 알루미늄 입자를 일정한 속도로 분할하면서 손실율 없이 천천히 투입한다. S3 단계와 마찬가지로 투입시 분진 및 정전기에 유의하며, 일정한 교반속도를 유지한다. 전량 투입 후 반응기 내에 분말들이 균일한 분산 상태인지를 확인한다.

그 후, S5 단계에서 반용매를 투입한다. 반응기 내에 용매와 분말 입자들이 충분히 균일하게 분포된 상태라면, Viton B가 용해된 반용매 투입을 준비한다. 투입하는 방법 및 속도에 따라 결정핵의 크기가 변화하며, 본 발명에서는 정량펌프를 적용해 2 ~ 50 ml/min의 속도로 설정한다. 균일한 재결정화를 위해 용매와 반용매는 모두 일정한 온도 및 교반속도가 유지해야 한다. 반용매 투입량이 증가할수록 반응기 내 용매량이 증가하기 때문에 지속적인 모니터링이 필요하다.

그런 다음, S6 단계에서 상등액을 분리한다. 반용매 투입이 완료되면, 교반상태를 중지하고 5 분 내지 30 분 동안 대기한다. 시간이 지남에 따라 상등액과 복합재로 층분리가 이루어지며, 상부의 상등액은 최대한 분리하여 폐액 처리한다.

그 후, S7 단계에서 베이스 금속 분말을 투입한다. 상등액이 분리된 반응기 내에 복합제 안정화용 용매인 헥산을 투입한 후 함량비에 따른 베이스 금속 분말을 투입한다. 헥산은 복합재와 베이스 금속인 알루미늄(Al)과 교반을 통한 혼합을 원활하기 위해 투입한다. 또한, 습식상태를 통해 마찰 및 정전기로부터 취급 안정성을 확보할 수 있다. 베이스 금속 투입 역시 분진 및 정전기에 유의하고 투입 후 충분한 교반을 통해 균일한 분산 상태를 확인한다.

그런 다음, S8 단계에서 세척한다. 충분히 혼합이 이루어진 복합재를 필터지 적용한 필터링 장비로 손실율 없이 이동한다. 반응기 내외부로부터 부유물 혹은 오염물질이 남아있는 것을 방지하기 위해 내부 혼합용매를 모두 제거하고 헥산을 이용해 2-3 회 세척을 수행한다.

그 후, S9 단계에서 포장한다. 필터링이 끝난 복합재를 목적에 맞게 포장한다.

고반응성 고에너지 복합재를 사용한 물품

본 발명은 고반응성 고에너지 복합재를 사용한 추진제, 화약, 또는 에너지 장치인 물품을 제공하므로, 용도에 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명은 상기 고반응성 고에너지 복합재를 사용한 물품을 제공할 수 있다.

여기서, 상기 물품은 추진제, 화약, 또는 에너지 장치인 물품일 수 있다.

이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.

<실시예> 고반응성 고에너지 복합재 제조 및 폭발성 평가

결정화 방법을 적용한 고분자 코팅을 기반으로 하여 하기와 같이 고반응성 써마이트 결합체를 먼저 제조한 후, 상기 고반응성 써마이트 결합체를 알루미늄 분말의 베이스 금속 연료와 추가적으로 균일 혼합하여, 고반응성 고에너지 복합재를 안정적으로 제조하였다.

먼저, 금속 분말과 산화제를 균일하게 용매 내에 분포시킨 뒤 고분자가 녹아 있는 반용매를 투입함으로써 용해도 차이인 결정화를 통해 써마이트 결합체를 제조하였다. 써마이트 결합체 제조를 위한 적용되는 금속 분말과 산화제로는 각각 2 ㎛의 알루미늄 입자와 100 ㎚의 산화구리 입자를 사용하였으며, 이때 반응기 내에서 충분한 혼합이 이루어지도록 교반 속도 및 시간을 설정하였다.

고분자가 녹아 있는 반용매는 최소 24 시간에서 48 시간 동안 충분한 용해 시간이 필요하며, 고분자는 Viton B, 용매는 아세톤을 사용하였다.

용매와 반용매은 2 ~ 3 배의 용매량 차이가 있어야 결정화가 상대적으로 균일하게 일어난다. 고분자가 녹아있는 반용매를 용매로 투입하는 투입 속도 및 용매 내 교반 속도가 일정함에 따라 결정화가 발생하고, 균일하게 고분자 코팅된 써마이트를 형성할 수 있었다.

써마이트 결합체 형성 뒤 베이스 금속으로 5 ㎛의 알루미늄 입자를 사용하였으며, 베이스 금속과 써마이트 결합체 중량비율이 6:4 또는 7.5:2.5가 되도록 복합재를 제작하였고, 상기 복합재가 고에너지 및 고반응성의 특징을 나타냄을 확인하였다.

도 1은 실시예의 제조방법을 도식화한 도면이다.

도 1을 참조하면, S1 단계에서 써마이트 결합체 형성용 반용매에 고분자를 용해시켜 준비하였다. 고분자인 Viton B를 최소 24 시간에서 48 시간 동안 반용매인 아세톤에 충분히 용해시켜 준비하였다. 상기 반용매에 고분자가 용해된 물질을 반용매라 명칭한다.

그런 다음, S2 단계에서 써마이트 결합체 형성용 용매를 준비하였다. 여기서, 제조하고자 하는 2 배 크기의 반응기를 준비하고 용해도 차이가 큰 써마이트 결합체 형성용 용매인 헥산을 투입하며, 투입량은 준비한 반용매의 최소 2 배 이상이 필요하다. 이때, 용매와 반용매의 용해도 차이를 주기 위해 반응기의 온도를 40 ℃로 유지하며, 교반을 통해 투입한 용매의 온도 역시 40 ℃로 유지됨을 확인하였다.

그 후, S3 단계에서 산화제 분말을 투입하였다. 반응기에 산화제인 산화구리 입자를 일정한 속도로 분할하면서 손실율 없이 천천히 투입하였다. 분말 투입시 분진 및 정전기에 유의하며, 일정한 교반속도를 유지하였다. 전량 투입 후 반응기 내에 분말들이 균일한 분산 상태를 확인하였다.

그런 다음, S4 단계에서 금속 분말을 투입하였다. 산화제가 균일하게 분포되어 교반 중인 반응기에 금속인 알루미늄 입자를 일정한 속도로 분할하면서 손실율 없이 천천히 투입하였다. S3 단계와 마찬가지로 투입시 분진 및 정전기에 유의하며, 일정한 교반속도를 유지하였다. 전량 투입 후 반응기 내에 분말들이 균일한 분산 상태인지를 확인하였다.

그 후, S5 단계에서 반용매를 투입하였다. 반응기 내에 용매와 분말 입자들이 충분히 균일하게 분포된 상태라면, Viton B가 용해된 반용매 투입을 준비한다. 투입하는 방법 및 속도에 따라 결정핵의 크기가 변화하며, 본 실시예에서는 정량펌프를 적용해 2 ~ 50 ml/min의 속도로 설정하였다. 균일한 재결정화를 위해 용매와 반용매는 모두 일정한 온도 및 교반속도가 유지해야 한다. 반용매 투입량이 증가할수록 반응기 내 용매량이 증가하기 때문에 지속적인 모니터링이 필요하다.

그런 다음, S6 단계에서 상등액을 분리하였다. 반용매 투입이 완료되면, 교반상태를 중지하고 5 분 내지 30 분 동안 대기하였다. 시간이 지남에 따라 상등액과 복합재로 층분리가 이루어지며, 상부의 상등액은 최대한 분리하여 폐액 처리하였다.

그 후, S7 단계에서 베이스 금속 분말을 투입하였다. 상등액이 분리된 반응기 내에 헥산을 투입한 후 함량비에 따른 베이스 금속 분말을 투입하였다. 헥산은 복합재와 베이스 금속인 알루미늄(Al)과 교반을 통한 혼합을 원활하기 위해 투입하였다. 또한, 습식상태를 통해 마찰 및 정전기로부터 취급 안정성을 확보할 수 있었다. 베이스 금속 투입 역시 분진 및 정전기에 유의하고 투입 후 충분한 교반을 통해 균일한 분산 상태를 확인하였다.

그런 다음, S8 단계에서 세척한다. 충분히 혼합이 이루어진 복합재를 필터지 적용한 필터링 장비로 손실율 없이 이동한다. 반응기 내외부로부터 부유물 혹은 오염물질이 남아있는 것을 방지하기 위해 내부 혼합용매를 모두 제거하고 헥산을 이용해 2-3 회 세척을 수행하였다.

그 후, S9 단계에서 포장하였다. 필터링이 끝난 복합재를 목적에 맞게 포장하였다.

도 2와 도 3은 도 1의 고에너지 고반응성 복합재 제조 중 베이스 금속 투입 전 써마이트만을 샘플링하여 분석한 SEM과 EDS 결과이다.

도 2의 SEM 결과로 써마이트 형상을 확인할 수 있었으며, 금속 입자와 산화제가 균일하게 분포되어 있음을 확인하였다.

도 3은 EDS Mapping 결과로 써마이트를 구성하는 원소별 분포를 확인할 수 있었으며, 구성하는 원소인 Al, Cu, O, F가 뭉침 현상없이 균일하게 분포함을 확인할 수 있었다.

도 4는 베이스 금속과 써마이트를 중량비율인 60 wt%:40 wt%로 혼합한 복합재의 SEM 결과이다. 도 4를 참조하면, 베이스 금속인 5 ㎛의 알루미늄 입자와 2 ㎛ Al-100 ㎚ CuO-Viton B 써마이트가 균일하게 혼합되어 분포함을 확인할 수 있었다.

도 5와 도 6은 베이스 금속과 써마이트를 폭풍형 탄두의 고체연료로 적용하여 28 kg를 충전하고 분산 및 기폭시험을 통해 폭발 성능을 확인하였다.

도 5는 탄두 중앙에 위치한 분산장약의 폭발에 의해 액체 및 고체연료를 공기 중으로 분산시켜 연료와 공기 혼합물을 형성하여 폭발성 연료-공기 구름을 형성한 모습이다.

이후, 수 msec 후 별도의 기폭장치를 사용해 2차 폭발시켰으며, 이는 도 6과 같다. 도 6을 참조하면, 폭발성 연료-공기 구름이 폭발적으로 생성됨을 확인할 수 있었다.

지금까지 본 발명에 따른 고반응성 고에너지 복합재 및 이의 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지고, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

금속과 산화제가 균일하게 분포된 형상의 써마이트를 고분자로 코팅한 후 베이스 금속과 균일하게 혼합한 복합재로서,
상기 써마이트가 용매와 반용매의 용해도 차이인 결정화를 통해 상기 반용매에 용해되어 있는 고분자로 균일하게 코팅된 써마이트 결합체; 및
베이스 금속;을 포함하고,
상기 복합재의 써마이트 결합체와 베이스 금속의 중량비는 2 : 8 ~ 5 : 5 이며,
상기 복합재는 써마이트 결합체와 베이스 금속의 균일 혼합을 용이하게 하는 복합재 안정화용 용매를 포함하고,
상기 복합재 안정화용 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매이며,
상기 복합재는 침강 방지제를 포함하고,
상기 침강 방지제는 흄드 실리카, MMT, Bentonite, Nanomer, Cloisite, 및 Delite로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 분말인 것을 특징으로
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은
알루미늄, 구리, 붕소, 철, 마그네슘, 니켈, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 산화제는
산화구리, 산화크롬, 산화납, 산화망간, 산화철, 산화몰리브덴, 및 산화티타늄으로 이루어진 금속산화물 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 써마이트의
상기 금속과 상기 산화제의 중량비는 2 : 8 내지 5 : 5 인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 금속의 입자 크기는 2 ㎛ ~ 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 산화제의 입자 크기는 50 nm ~ 10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자는
Viton A, Viton B, Viton F, Viton GF, Viton GLT, 및 Viton ETP로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택된 불소 고분자인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 써마이트 결합체의 써마이트와 고분자의 중량비는 90 : 10 ~ 99 : 1 인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 베이스 금속은
알루미늄, 구리, 붕소, 철, 마그네슘, 니켈, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 베이스 금속의 입자 크기는 2 ㎛ ~ 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 복합재 100 중량%에 대하여 상기 복합재 안정화용 용매의 함량은 10 ~ 30 중량% 인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재.
삭제
삭제
고분자가 용해된 반용매를 준비하는 단계;
반응기에 용매를 넣고 온도를 30 ~ 80 ℃로 유지하는 단계;
상기 반응기에 산화제를 투입하여 균일하게 분산시키는 단계;
상기 산화제가 균일하게 분산된 반응기에 금속을 투입하여 산화제와 균일하게 분산하여 써마이트를 제조하는 단계;
상기 써마이트에 상기 고분자가 용해된 반용매를 투입하여 용해도 차이에 따 라 고분자를 균일하게 코팅하여 써마이트 결합체를 제조하는 단계; 및
상기 써마이트 결합체에 베이스 금속을 균일하게 혼합하여 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 복합재의 써마이트 결합체와 베이스 금속의 중량비는 2 : 8 ~ 5 : 5 이며,
상기 복합재는 써마이트 결합체와 베이스 금속의 균일 혼합을 용이하게 하는 복합재 안정화용 용매를 포함하고,
상기 복합재 안정화용 용매는 헥산, 헵탄, 헥사논, 메틸 아세틸렌, 프로파디엔, 에틸 헥실 나이트레이트, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 벤젠, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 및 이소프로판올으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 탄화수소계 용매이며,
상기 복합재는 침강 방지제를 포함하고,
상기 침강 방지제는 흄드 실리카, MMT, Bentonite, Nanomer, Cloisite, 및 Delite로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 분말인 것을 특징으로
고반응성 고에너지 복합재 제조방법.
제 17 항에 있어서,
상기 고분자는
Viton A, Viton B, Viton F, Viton GF, Viton GLT, 및 Viton ETP로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택된 불소 고분자인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재 제조방법.
제 17 항에 있어서,
상기 반용매는
아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 아세트산에틸, 및 아세트산부틸로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 비수용성 용매인 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재 제조방법.
제 17 항에 있어서,
상기 금속은
알루미늄, 구리, 붕소, 철, 마그네슘, 니켈, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재 제조방법.
제 17 항에 있어서,
상기 산화제는
산화구리, 산화크롬, 산화납, 산화망간, 산화철, 산화몰리브덴, 및 산화티타늄으로 이루어진 금속산화물 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재 제조방법.
제 17 항에 있어서,
상기 베이스 금속은
알루미늄, 구리, 붕소, 철, 마그네슘, 니켈, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는
고반응성 고에너지 복합재 제조방법.
제 1 항 내지 제 10 항, 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 고반응성 고에너지 복합재를 사용한 물품.
제 23 항에 있어서,
상기 물품은 추진제, 화약, 또는 에너지 장치인 물품.