KR102541324B1 - 뇌관용 무독성 지연제 조성물 및 이를 포함하는 지연식 뇌관 - Google Patents

뇌관용 무독성 지연제 조성물 및 이를 포함하는 지연식 뇌관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Si, CuO 및 MnO2를 35~55:38~52:7~25의 중량비로 포함하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물 및 이를 포함하는 지연식 뇌관 제조기술을 제공한다.

Description

뇌관용 무독성 지연제 조성물 및 이를 포함하는 지연식 뇌관{Non-toxic retarder composition for detonator and delayed detonator comprising the same}
본 발명은 뇌관용 무독성 지연제 조성물 및 이를 포함하는 지연식 뇌관에 관한 것이다.
지연화약은 전기 뇌관 또는 비전기 뇌관으로부터의 개시신호에서부터 기폭약의 기폭 같은 주반응의 유발 또는 화약의 발파를 유발하기까지의 시간을 지연시키기 위해 군사용 화약 및 산업용 발파 특히 채석발파, 탄광, 토목공사를 비롯한 많은 분야에서 사용된다.
지연화약에 대한 주요 요건은 극미한 시간차를 갖는 잘 규정되고 안정한 연소속도로 연소되어야한다는 점이다. 또한, 연소속도는 주위조건 또는 노화에 의해 크게 영향을 받지 않아야 한다. 이 때문에, 가스발생이 적고 안정한 특성을 갖는 초기물질, 중간체 및 최종 생성물을 생성할 수 있는 연소가 필요하다.
또한, 지연화약은 점화가 용이해야 하고 다른 물질로의 점화 전달이 양호해야하지만 흔들림, 진동, 마찰, 충격 또는 정전기에 대하여 과도하게 예민해서는 안된다. 또한 지연화약 조성물은 용이하고 안전하게 제조, 사용 및 압착 충전될 수 있어야 한다.
지연화약은 원칙적으로 연료 및 산화제로 구성된 것으로 볼 수 있고 따라서 많은 물질이 사용될 수 있어야 하지만, 상술한 요건은 적합한 초기물질의 선택을 현저히 제한한다.
종래의 뇌관에는 지연제로서 pyrotechnic 물질인 이산화납, 아지드화납, 크롬산납, 크롬산바륨 등 납을 포함한 화합물들이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 납은 유독물질에 해당하며, 특히 크롬산납과 크롬산바륨은 독성 및 폭발성 등 유해위험성이 높기 때문에 취급에 각별한 주의가 요구된다.
최근 화약 분야에서 사람과 환경에 영향을 미치는 유해 위험성에 대한 관심이 높아짐에 따라 독성 물질을 함유하지 않아야 한다는 요청이 점점 증대되고 있다. 이는 제조/취급상의 안전 문제를 피하고, 방출문제를 감소시키며 또한 최종 사용지점에서 노출문제를 감소시키기 위한 것이다.
그러나, 아직까지 상기 요구 사항을 충족시키면서, 독성 측면에서도 만족스러운 지연화약은 충분히 개발되어 있지 않은 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0272865호
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서,
종래의 납 및 6가 크롬을 대체한 무독성(Non-toxic) 지연제 조성물로서, 보다 넓은 범위의 연소속도를 제공하며, 설계의도에 따라 지연 시간을 자유롭게 조절하는 것이 가능하며, 향상된 초시정밀성 및 기폭신뢰성를 제공하며, 우수한 열안정성을 제공할 수 있는 뇌관용 무독성 지연제 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 지연제 조성물을 포함하는 지연식 뇌관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은
Si, CuO 및 MnO2를 35~55:38~52:7~25의 중량비로 포함하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은
관체, 관체의 맨 윗부분에 위치하는 점화수단, 관체의 끝단부에 위치하는 기폭약과 첨장약 및 관체의 중간부에 위치하는 본 발명의 뇌관용 무독성 지연제 조성물을 포함하는 지연식 뇌관을 제공한다.
본 발명의 뇌관용 무독성 지연제 조성물은 종래의 납이 포함된 지연제 조성물보다 넓은 범위의 연소속도를 제공하며, 설계의도에 따라 지연 시간을 자유롭게 조절하는 것이 가능하며, 향상된 초시정밀성 및 기폭신뢰성를 제공한다. 또한, 장기적인 저장 안정성도 제공한다.
이하에서 본 발명을 자세하게 설명한다.
본 발명은 Si, CuO 및 MnO2를 35~55:38~52:7~25의 중량비로 포함하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물에 관한 것이다. Si, CuO 및 MnO2가 상술한 중량비로 포함되는 경우 넓은 범위의 연소속도가 얻어지며, 설계의도에 따라 지연 시간을 자유롭게 조절하는 것이 가능하며, 향상된 초시정밀성 및 기폭신뢰성를 얻을 수 있으며, 저장 안정성도 제공된다.
본 발명의 지연제 조성물에서 MnO2는 다른 금속산화물에 비해 약 500℃로 낮은 분해온도를 갖기 때문에 반응성이 좋고 착화성이 우수하며, 반응속도에 유리한 촉매의 성질이 있어 지연제 연소 신뢰성에 기여하는 산화제로서 사용된다.
본 발명의 지연제 조성물은 연소속도를 조절하기 위한 물질로 분해온도, 열전도율, 인체 유해성 등을 고려하여 산화제의 종류를 선정하여 사용하였다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 지연제 조성물은 Si, CuO 및 MnO2 합산 100 중량부를 기준으로 1~10의 중량부의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제로는 Clay(점토), 규조토, 탄산칼슘, 탄산마그네슘 및 중탄산마그네슘 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있으며, 특히, 규조토(Diatomaceous earth)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 규조토는 불활성 물질로 연소속도를 지연시키는 목적으로 쓰이며 열을 흡수하고 반응성 물질들을 격리시켜 반응을 느리게 한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 지연제 조성물은 Si, CuO 및 MnO2 합산 100 중량부를 기준으로 0.05~1.0의 중량부의 결합제를 더 포함할 수 있다.
상기 결합제로는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 및 VAAR 등에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 Si, CuO 및 MnO2는 평균입도가 1㎛ ~10㎛일 수 있으며, 바람직하게는 2㎛ ~ 6㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 뇌관용 무독성 지연제 조성물은 단위초시가 30 내지 100 ms/mm일 수 있으며, 40 내지 60 ms/mm일 수 있다.
본 발명의 지연제 조성물은 분말 성분의 혼합물로 충전 및 압착을 용이하게 하기 위해 유기용매 또는 물에 녹인 결합제를 첨가하여 과립 상태로 제조한다. 상기 과립은 이 분야에 공지된 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 지연제 조성물은 뇌관용 금속 관체안에 직접 충전되거나 또는 내부 금속관에 충전되어 전기뇌관의 점화장치 또는 비전기뇌관의 쇼크튜브에 의하여 점화되어 미리 지정된 지연시간동안 연소된후 기폭약(primary charge)을 기폭시키고 그 다음에 첨장약(2ndary charge)이 전폭되어서 뇌관이 폭발하는 점화/기폭 train 특성을 갖고 있다.
본 발명의 지연제 조성물은 통상적으로 압착 성형될 수 있다. 압착 성형 압력은 화약의 길이, 요소의 형태에 따라 다양하며, 예를 들어, 2000~3000 kgf/㎠의 범위의 충전압력으로 충전되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은,
관체, 관체의 맨 윗부분에 위치하는 점화수단, 관체의 끝단부에 위치하는 기폭약과 첨장약 및 관체의 중간부에 위치하는 본 발명의 뇌관용 무독성 지연제 조성물을 포함하는 지연식 뇌관에 관한 것이다.
상기 지연식 뇌관 구성에서 뇌관용 무독성 지연제 조성물을 제외한 구성으로는 이 분야에 공지된 구성이 제한 없이 채용될 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 1 내지 7: 지연제 조성물의 제조 및 성능 평가
(1) 지연제 조성물 제조
하기 표 1의 성분들을 해당 비율로 계량하여 60mesh 표준체에 6회 통과시켜 건상 혼합하였다. 상기 건상 혼합물 100 중량부를 기준으로 결합제로서 메틸 셀룰로오스를 0.25 중량부로 첨가하여 습상 상태로 혼합 및 건조하고 30mesh 표준체에 통과시켜 과립 형태로 제조하였다.
(2) 지연제 조성물의 성능 시험
상기에서 제조된 시료는 마찰감도, 낙추감도, 정전기감도 및 발화점 시험을 통해 조성의 안전성을 확인하였다. 지연제 조성물을 금속관 안에 충전과 압착을 반복하여 약고 10mm의 지연관을 만들었고, 기폭약과 첨장약이 충전된 관체에 상기의 지연관을 삽입하고 비전기식 뇌관을 제조한다.
상온에서 지연 시간을 측정하여 초시정밀성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
또한 악조건 기폭신뢰성을 평가하기 위해 기폭약과 첨장약이 충전되지 않은 비활성 뇌관을 제조하여 영하 20도 3시간 동안 각 20발씩 저온처리한 후 기폭 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
　 조성 (중량비 %) 악조건
착화시험		 초시시험
Si CuO MnO2 규조토 평균 (ms) 표준편차 Cv 시료수
실시예 1 35 52 13 4 완폭 695.0 5.8 0.83 20
실시예 2 37 48 15 5 완폭 654.6 7.3 1.12 20
실시예 3 40 40 20 5 완폭 611.5 7.9 1.29 10
실시예 4 42 43 15 7 완폭 684.5 19.6 2.86 20
실시예 5 45 45 10 4 완폭 554.8 16.1 2.90 20
실시예 6 45 40 15 6 완폭 673.7 10.2 1.51 20
실시예 7 47 38 15 4 완폭 640.8 9.2 1.44 20
주) Cv: (Coefficient of variation)
Si의 평균입도는 3.5㎛
CuO의 평균입도는 5.7㎛
MnO2의 평균입도는 4.3㎛
규조토의 평균입도는 36.7㎛
상기 실험으로부터 본 발명의 지연제 조성물은 기폭신뢰성과 지연시간의 정밀성(초시정밀성)을 충족하는 것으로 확인되었다.
(3) Scale-up test
상기 실시예들 중 실시예 5번의 조성물을 선택하여 미국 SIMPSON Technlogies의 muller mixer로 혼합 및 제조하고, 자동계량압착기(지연제 충전설비)를 사용하여 금속관(지연관) 내에 충전하고 3,000 kgf/㎠의의 압력으로 압착하였다. 기폭약과 첨장약이 충전된 관체에 상기의 지연관을 삽입하고 비전기식 뇌관을 제조하여 상온에서 지연 시간을 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
시험 구분 약고 (mm) 평균초시 (ms) 표준편차 Cv 시료수 (발)
1차 7.30 374.3 8.9 2.38 20
15.0 811.7 7.7 0.95 20
2차 7.40 368.2 7.6 2.07 20
15.10 779.0 9.7 1.25 20
18.40 952.9 7.3 0.77 20
3차 7.60 406.7 9.9 2.42 20
18.0 956.8 7.6 0.79 20
하기 표 3와 4에 나타난 바와 같이 Thermal shock test와 장기저장시험을 통해 Stability(저장 안전성)를 확인하였다.
주기 초시시험결과 (약고 18.0mm), 각 40발) 악조건 착화시험
(각 100발)
평균초시 (ms) 표준편차
Test 전 956.8 7.58 완폭
Test 후 959.2 8.40 완폭
주기 장기저장시험 초시시험결과 (약고 7.4mm, 각 20발))
제조직후 1개월 6개월 12개월 24개월
평균초시 (ms) 368.2 364.2 372.3 366.9 369.7
상기 실험결과에 의하면, 본 발명의 지연제 조성물은 종래의 납이 포함된 지연제 조성물보다 넓은 범위의 연소속도를 제공하며, 설계의도에 따라 지연 시간을 자유롭게 조절하는 것이 가능하며, 향상된 초시정밀성 및 기폭신뢰성도 제공하는 것을 확인할 수 있다. 또한, Stability(저장 안정성)도 우수한 것을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. Si, CuO 및 MnO2를 35~55:38~52:7~25의 중량비로 포함하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지연제 조성물은 Si, CuO 및 MnO2 합산 100 중량부를 기준으로 1~10의 중량부의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 첨가제는 Clay(점토), 규조토, 탄산칼슘, 탄산마그네슘 및 중탄산마그네슘 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지연제 조성물은 Si, CuO 및 MnO2 합산 100 중량부를 기준으로 0.05~1.0의 중량부의 결합제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 결합제는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 및 VAAR 등에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 Si, CuO 및 MnO2는 평균입도가 1㎛ ~10㎛인 것을 특징으로 하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    단위초시가 30 내지 100 ms/mm인 것을 특징으로 하는 뇌관용 무독성 지연제 조성물.
  8. 관체, 상기 관체의 맨 윗부분에 위치하는 점화수단, 상기 관체의 끝단부에 위치하는 기폭약과 첨장약 및 상기 관체의 중간부에 위치하는 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항의 뇌관용 무독성 지연제 조성물을 포함하는 지연식 뇌관.

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