KR20180035207A - 주조된 폭발성 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폭발성 물질, 중합성 결합제, 마이크로캡슐화된 가교 시약을 포함하는, 주조된 폭발성 조성물, 특히 주조 가능한 폭발성 프리큐어(precure) 조성물에 관한 것이고, 상기 마이크로캡슐화된 가교 시약은 마이크로캡슐 내에 캡슐화된 가교제를 포함한다.
Description
본 발명은 주조된 폭발성 조성물, 그의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 폴리머-결합형 폭발성 조성물에 관한 것이다.
폭발성 조성물은 일반적으로, 의도한 목적에 따라 요구되는 형상으로 성형된다. 성형은 캐스팅, 프레싱, 압출 또는 몰딩에 의해 수행될 수 있는데, 캐스팅과 프레싱이 가장 보편적인 성형 기술이다. 그러나, 프레싱보다는 캐스팅이 더 많은 설계상의 융통성을 제공하기 때문에 폭발성 조성물을 캐스팅하는 것이 일반적으로 바람직하다.
폴리머-결합형 폭발성 물질(플라스틱-결합형 폭발성 물질 및 PBX로도 알려져 있음)은 전형적으로 폴리머 매트릭스 내에 결합된 폭발성 분말이다. 매트릭스의 존재는 폭발성 물질의 물리적, 화학적 성질을 변형시키며, 종종 용융점이 높은 폭발성 물질의 캐스팅과 경화를 촉진시킨다. 그러한 폭발성 물질은 멜트-캐스팅 기술을 이용해서만 캐스팅될 수 있다. 멜트-캐스팅 기술은 일반적으로 용융 가능한 결합제를 포함하므로, 높은 가공 온도를 필요로 할 수 있다. 이 결합제의 용융점이 높을수록, 잠재적 위험성은 더 커진다. 또한, 상기 매트릭스는 마찰, 충격 및 열에 대해 덜 민감한 폴리머-결합형 폭발성 물질의 제조에 사용될 수 있는데, 예를 들면, 탄성 매트릭스가 이러한 성질을 제공할 수 있다.
상기 매트릭스는 또한 충격, 쇼크, 열뿐 아니라 그 밖의 위험한 자극에 대한 응답 측면에서 덜 취약한 폭발성 장입물(charge)의 제조를 용이하게 한다. 대안적으로, 경성(rigid) 폴리머 매트릭스는 얻어지는 폴리머-결합형 폭발성 물질이 예를 들면 선반을 이용한 가공에 의한 성형을 가능하게 하고, 필요할 경우에 복잡한 형상을 가진 폭발성 물질의 제조를 가능하게 한다.
통상적인 캐스팅 기술은 충전 단계 동안 중합 단계가 실시될 것을 필요로 하며, 이는 종종 재료의 혼합시 도입된 기포를 보유하는 응고된 조성물, 불균질한 가교, 및 소정의 경우 모든 탄약(munition) 또는 몰드가 충전되기 전에 폭발성 물질의 "팟(pot)"의 응고를 초래한다. 이러한 공극(void), 불균질한 가교는 단위 부피 당 존재하는 폭발성 물질이 상대적으로 적기 때문에 조성물의 성능을 감소시킬 수 있다. 또한, 이들 결함은 조성물의 충격 감도에 영향을 줄 수 있어서, 충격파로 인한 충격이나 점화에 대해 조성물의 안정성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 목적은, 조성물의 안정성이 향상된 주조된 폭발성 조성물을 제공하는 것이다. 이러한 조성물은 안정성을 향상시킬 뿐 아니라, 마찰, 충격 및 열과 같은 인자에 대한 감수성을 감소시킨다. 따라서, 부주의로 인해 폭발성 물질이 점화 개시될 위험성이 배제된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폭발성 물질, 중합성 결합제, 마이크로캡슐화된 가교 시약을 포함하는 주조 가능한 폭발성 프리큐어(precure) 조성물이 제공되며, 상기 가교 시약은 마이크로캡슐 내에 캡슐화된 가교 시약을 포함한다.
복합물 고무 물질의 제조에 사용되는 현재의 공정들은 하이드록시-종결화된 지방족 폴리머를 가교 시약과 혼합하는 단계를 수반한다. 첨가 시, 즉각적인 중합 반응이 발생하여, 불균질의 가교된 고무 매트릭스의 형성을 초래한다. 불균질 매트릭스의 형성은 거부될 물질을 초래하거나, 또는 모든 탄약 또는 몰드가 충전되기 이전에 혼합물의 완전한 중합을 초래한다. 이로 인해, 거부된 물질은 폐기되어야 하고, 이러한 폐기 공정은 비용 및 연관된 유해성을 둘 다 갖는다.
가교 시약을 마이크로캡슐 내에 가두는 것은, 마이크로캡슐에 캡슐화된 가교 시약을 프리큐어 조성물 내에 균일하게 분포시켜, 경화 반응이 개시될 수 있는 시점을 조절할 수 있다. 자극제의 적용 시, 마이크로캡슐 내용물이 방출되어, 요망되는 경우, 균일한 폴리머 매트릭스가 형성될 수 있다.
가교 반응의 개선된 조절은, 종래의 경화 기술에서 반응 용기 내에서의 상당히 많은 양의 물질의 응고를 초래하게 될 공정 장비의 고장 시, 프리큐어 조성물의 회수를 가능하게 한다. 나아가, 경화 반응의 지연은 반응이 시작되기 이전에 생성물의 품질을 확인할 수 있게 함으로써, 불량한 품질의 조성물은 몰드 또는 탄약 내에 충전되지 않게 된다. 가교 시약을 마이크로캡슐 내에 가두는 것은 유해 가교 시약을 취급하는 사람의 노출을 감소시킬 수 있다.
폴리머-결합형 폭발성 물질은 내부에서 매트릭스 결합 폭발성 입자를 형성하는 폴리머계 중합성 결합제를 포함한다. 따라서, 중합성 결합제는 폭발성 물질이 사용될 응용 분야에 따라, 폭넓은 범위의 폴리머로부터 선택될 수 있다. 그러나, 일반적으로 중합성 결합제의 적어도 일부는, 가교 시약을 이용하여 가교 시, 폴리우레탄, 셀룰로스 아세테이트와 같은 셀룰로스계 물질, 폴리에스테르, 폴리부타다이엔, 폴리에틸렌, 폴리이소부틸렌, PVA, 염화 고무, 에폭시 수지, 2-팩(pack) 폴리우레탄 시스템, 알키드/멜라닌, 비닐 수지, 알키드류, 부타다이엔-스티렌 블록 코폴리머와 같은 열가소성 엘라스토머 및 블렌드, 이것들의 코폴리머 및/또는 조합을 형성하는 것들로부터 선택될 것이다.
활동적인 폴리머가 단독으로 또는 조합을 이루어 사용될 수 있고, 그러한 것으로는 폴리NIMMO(폴리(3-니트레이토메틸-3-메틸옥세탄)), 폴리(GLYN(폴리글리시딜 니트레이트) 및 GAP(글리시딜 아자이드 폴리머)가 포함된다. 결합제 성분은 전부 전술한 결합제의 리스트로부터 단독으로 또는 조합을 이루어 선택되는 것이 바람직하다.
몇몇 구현예에서, 중합성 결합제는 적어도 부분적으로 폴리우레탄을 포함하고, 종종 중합성 결합제는 50 내지 100중량%, 경우에 따라서는 80 내지 100중량%의 폴리우레탄을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 중합성 결합제는 폴리우레탄으로 구성될 것이다.
가교 시약은 여러 가지 보편적으로 공지된 가교 시약들로부터 선택될 수 있으며, 이러한 가교 시약의 선택은 중합성 결합제의 기능성에 따라 다르다.
폴리우레탄은 PBX 형성용의 고도로 바람직한 중합성 결합제이다. 폴리우레탄은 전형적으로, 폴리올 및 폴리이소시아네이트를 반응시킴으로써 제조될 수 있다. 바람직한 배열에서, 모노머 다이올 또는 폴리머 다이올은 다이이소시아네이트와 같은 가교 시약을 이용하여 가교될 수 있다. 다이이소시아네이트는 예컨대, MDI(메틸렌 디페닐 디이소시아네이트), TDI(톨루엔 디이소시아네이트) 및 IPDI(이소포론 디이소시아네이트)일 수 있다. IPDI는 액체이므로 분배가 용이하기 때문에 일반적으로 선호되는데, 이것은 비교적 느리게 반응하여 반응중에 긴 보존 수명 및 느린 온도 변화를 제공하며; 대부분의 다른 이소시아네이트에 비해서 상대적으로 낮은 독성을 가진다. 또한, 중합성 결합제가 폴리우레탄을 포함하는 경우에는, 폴리우레탄 중합성 결합제가 하이드록시말단형 폴리부타다이엔을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리이소시아네이트는 최소 분취물의 용매 내에서 용해될 수 있다.
가교 시약은 관능성 보호기를 이용하여 보호될 수 있어서, 캡슐화 동안 가교 시약은 반응하거나 또는 분해되지 않는다. 블로킹된 가교 시약은 출원인의 공동 출원된 출원 GB1511869.8에 정의된 바와 같은 가교 시약일 수 있으며, 상기 출원은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
폴리머-결합형 폭발성 물질의 폭발성 성분은, 특정한 구현예에서, 하나 이상의 헤테로지환식 니트라민 화합물을 포함할 수 있다. 니트라민 화합물은 하나 이상의 N-NO2 기를 함유하는 것이다. 헤테로지환식 니트라민은 N-NO2 기를 함유하는 환을 가진다. 그러한 환(들)은 예를 들면 2 내지 10개의 탄소 원자 및 2 내지 10개의 환상 질소 원자를 함유할 수 있다. 바람직한 헤테로지환식 니트라민의 예는 RDX(사이클로-1,2,3-트리메틸렌-2,4,6-트리니트라민, 헥소겐), HMX(사이클로-1,3,5,7-테트라메틸렌-2,4,6,8-테트라니트라민, 옥토겐) 및 이것들의 혼합물이다. 상기 폭발성 성분은 추가로 또는 대안적으로 TATND(테트라니트로-테트라미노데칼린), HNS(헥사니트로스틸벤), TATB(트리아미노트리니트로벤젠), NTO(3-니트로-1,2,4-트리아졸-5-온), HNW(2,4,6,8,10,12-헥사니트로헥사아자이소부르치탄), GUDN(구아니딜우레아 다이니트라이드), FOX-7(1,1-다이아미노-2,2-다이니트로에탄) 및 이것의 조합으로부터 선택될 수 있다.
다른 고도로 활성적인 물질을 앞에 열거한 화합물 대신에 또는 추가적으로 사용할 수 있다. 다른 적합한 공지의 고도로 활성적인 물질의 예는, 피크라이트(니트로구아니딘), 테트릴, 에틸렌 다이니트라민과 같은 방향족 니트라민, 니트로글리세린(글리세롤 트리니트레이트)와 같은 니트레이트 에스테르, 부탄 트리올 트리니트레이트 또는 펜타에리트리톨 테트라니트레이트, DNAN(다이니트로아니솔), 트리니트로톨루엔(TNT), 암모늄염과 같은 무기 산화제, 예를 들면, 암모늄 니트레이트, 암모늄 디니트라미드(ADN), 또는 암모늄 퍼클로레이트, 및 활성 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 염을 포함한다.
마이크로캡슐은 하나 이상의 가교 시약 또는 둘 이상의 독립적으로 선택된 가교 시약을 포함할 수 있다. 마이크로캡슐은 용매 또는 다른 가공 보조제를 포함할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 마이크로캡슐은 가교 시약만 함유하고, 실질적으로 용매는 함유하지 않는다.
마이크로캡슐의 벽 두께는 0.5 미크론 내지 5 미크론, 보다 바람직하게는 0.9 미크론 내지 4.5 미크론, 바람직하게는 2 미크론 내지 4 미크론의 범위일 수 있다.
마이크로캡슐의 직경은 1 미크론 내지 1000 미크론, 바람직하게는 20 미크론 내지 500 미크론의 범위일 수 있다.
마이크로캡슐은 폴리우레탄, 셀룰로스 물질, 예컨대 셀룰로스 아세테이트, 폴리에스테르, 폴리부타다이엔, 폴리에틸렌, 폴리이소부틸렌, PVA, 염화 고무, 에폭시 수지, 2-팩 폴리우레탄 시스템, 알키드/멜라닌, 비닐 수지, 알키드류, 부타다이엔-스티렌 블록 코폴리머, 폴리NIMMO, 폴리GLYN, GAP 및 이들의 블렌드, 코폴리머 및/또는 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 포탄 벽 폴리머(shell wall polymer)를 포함할 수 있다.
마이크로캡슐 벽 폴리머는 바람직하게는 니트로기를 포함하여, 증가된 발열 에너지를 폭발성 조성물에 제공할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 마이크로캡슐 벽 폴리머 및 중합성 결합제(폴리머 결합형 폭발성 물질의 형성에 사용됨)는 실질적으로 동일한 폴리머 부류로부터 선택될 수 있으며, 따라서 상기 폴리머 및 상기 결합제는 둘 다 폴리우레탄 또는 폴리에스테르 등일 수 있다. 이는 폭발성 물질과의 비상용성의 경향을 감소시켰다.
마이크로캡슐의 중합성 결합제 및 벽 폴리머에 대한 폴리머 백본(반복 단위)은 독립적으로 선택될 수 있다.
마이크로캡슐을 형성하는 마이크로캡슐 포탄 벽 폴리머는 하나 이상의 취약성 연결기를 포함할 수 있다. 취약성 연결기는, 하나 이상의 화학적 자극 및/또는 물리적 자극이 적용되는 경우, 마이크로캡슐이 보다 용이하게 파열되도록 할 수 있다. 그런 다음, 파열된 마이크로캡슐은 특정 자극에 노출 시, 캡슐화된 내용물을 방출시킬 수 있다.
상기 자극은 예를 들어, 압력, 열, 초음파, UV 방사선, 촉매 또는 전단력 중 하나 이상일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 취약성 연결기는 승온 처리 시 파열되는 열적 취약성 연결기이다. 이러한 연결기는 아세탈, 블로킹된 이소시아네이트, 디일스 알더(diels alder) 연결기로부터 선택될 수 있다.
PBX 제형에 있어서, 마이크로캡슐 포탄 벽 폴리머에서 취약성 연결기로서의 블로킹된 이소시아네이트의 선택은 강력한 마이크로캡슐을 제공하며, 이러한 마이크로캡슐은 폭발성 조성물의 제조 동안 혼합, 가공 및 취급을 견딜 수 있는 것으로 확인되었다. 더욱이, 블로킹된 이소시아네이트는, 디블로킹, 및 따라서 높은 폭발성 물질의 개시 온도보다 낮은 온도에서 발생하는 파열 온도, 및 프리큐어 시약들의 혼합 동안 발생되는 온도보다 높은 디블로킹 온도를 제공하도록 선택될 수 있다.
이에, 마이크로캡슐 벽의 파열을 유발하고 이로써 캡슐화된 가교 시약을 방출시켜, PBX의 제형이 실현될 수 있기 위해서는, 프리큐어 물질에 적용되어야 하는 특정 열 자극이 존재한다.
블로킹된 이소시아네이트 취약성 연결기는 방향족 헤테로사이클, 2차 아민, 치환된 페놀, 옥심 및 아미드로부터 선택될 수 있다.
B는 블로킹 기이며, 바람직하게는 방향족 헤테로사이클, 입체적으로 방해된(sterically hindered) 2차 아민, 치환된 페놀, 옥심 및 아미드로부터 선택되는 블로킹 기이다. 바람직하게는, 블로킹 기 B는 하나 이상의 니트로기, 보다 바람직하게는 둘 이상의 니트로기를 포함하여, 증가된 발열 에너지를 폭발성 조성물에 제공한다.
바람직한 구현예에서, R 및 R1은 마이크로캡슐 벽의 백본, 즉 포탄 벽 폴리머를 형성하는 포탄 벽(모노머 또는 폴리머) 전구체의 말단 기이다.
R2 내지 R6은 할로, 니트로, 저급 사슬 C1-6 알킬, 및 아릴로부터 선택될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 치환된 페놀은 둘 이상의 니트로기를 포함한다.
R2, R3 및 R9 내지 R13은 니트로, 저급 사슬 C1-6 알킬, C1-6 알케닐, 분지쇄 C1-8 알킬, 알케닐, 바람직하게는 이소프로필 또는 tert-부틸로부터 선택될 수 있다.
블로킹 기 B에 대해, 상기 기의 입체적 방해의 증가는 디블로킹 온도를 감소시키며, 즉 유리 이소시아네이트로의 역반응을 감소시키는 것으로 확인되었다.
B는
I.
NHR2R3,
II.
R11NC(O)R12,
III.
OR15, O-N=CR9R10
일 수 있으며, 여기서,
R2 및 R3은 알킬, 알케닐, 분지쇄 알킬; 아릴, 페닐이거나, 또는 함께 헤테로사이클을 형성하며,
R11 및 R12는 알킬, 알케닐, 분지쇄 알킬; 아릴, 페닐이거나, 또는 함께 락탐을 형성하며,
R15는 아릴, 페닐, 벤질, 바람직하게는, 고리 상의 둘 이상의 니트로기이고,
R9 및 R10은 독립적으로 알킬, 알케닐, 분지쇄 알킬, 아릴, 페닐로부터 선택되되, 바람직하게는 단, R9 또는 R10 하나 이상은 분지쇄 알킬 또는 아릴, 또는 페닐이다.
마이크로캡슐 벽 폴리머의 형성 동안, R1-BH 및 R-NCO는 반응하여, 블로킹된 이소시아네이트기를 형성할 수 있으며, 따라서 상기 반응은 열적 취약성 연결기를 형성하고, 이로써 마이크로캡슐의 벽 폴리머의 일부를 형성한다. 마이크로캡슐 벽의 완전한 형성 시, 이는 가교 시약을 캡슐화할 수 있다.
고도로 바람직한 구현예에서, 마이크로캡슐의 열적 방출은 50℃ 내지 150℃, 보다 바람직하게는 80℃ 내지 120℃ 범위일 수 있으며, 따라서, 상기 방출은 현재의 가공 온도보다는 높고 폭발성 물질의 점화 온도보다는 꽤 낮은 온도에서 발생한다.
마이크로캡슐은 실질적으로 취약성 연결기를 갖고 있지 않는 벽 폴리머, 및 하나 이상의 취약성 연결기를 갖는 벽 폴리머를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 측면에 따르면, 탄약에 균질한 가교된 폴리머 결합형 폭발성 조성물을 충전하는 방법이 제공되며, 상기 충전 방법은
i)
주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물의 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 조성물이 폭발성 물질, 중합성 결합제, 및 마이크로캡슐 내에 캡슐화된 가교 시약을 포함하는 마이크로캡슐화된 가교 시약을 포함하는 단계,
ii)
탄약을 충전시키는 단계,
iii)
마이크로캡슐로부터 상기 가교 시약을 방출시키는 단계, 선택적으로
iv)
상기 중합성 결합제를 경화시켜, 폴리머 결합형 주조된 폭발성 조성물을 형성하는 단계
를 포함한다.
대안적인 구현예에서, 상기 충전 방법은
iii) 마이크로캡슐로부터 상기 가교 시약을 방출시키는 단계가, 포탄 충전 단계 직전에 유발될 수 있는 단계
를 포함한다.
중합성 결합제의 가교 개시의 지연은, 가교 반응 이전에 광범위한 혼합이 다성되도록 보장하며, 이러한 광범위한 혼합은 균질한 혼합물을 제공하는 데 필요하다. 종래의 방법에서는 가교 시약이 없으며, 따라서 혼합 온도에서, 폴리머와의 가교 반응이 이미 진행중이다. 본원에 정의된 방법에서는, 마이크로캡슐이 파열되고 가교 시약과 중합성 결합제의 동시적인 반응이 발생하기 이전에, 광범위한 혼합이 수행될 수 있다.
본 발명의 추가의 측면에 따르면, 탄약에 균질한 가교된 폴리머 결합형 폭발성 조성물을 충전하는 방법이 제공되며, 상기 충전 방법은
i)
주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물의 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 조성물이 폭발성 물질, 중합성 결합제, 및 마이크로캡슐 내에 캡슐화된 가교 시약을 포함하는 마이크로캡슐화된 가교 시약을 포함하는 단계,
ii)
마이크로캡슐로부터 상기 가교 시약을 방출시키는 단계,
iii)
상기 중합성 결합제를 경화시켜, 폴리머 결합형 주조된 폭발성 조성물을 형성하는 단계
를 포함한다.
가교 시약이 마이크로캡슐로부터 방출된 후, 경화 반응을 시작시키기 위해, 추가의 시약 또는 추가의 자극이 조성물에 첨가될 수 있다. 고도로 바람직한 구현예에서, 경화 반응은, 마이크로캡슐이 상기 가교 시약을 방출시킨 결과로서 직접적으로 시작될 것이다.
마이크로캡슐이 상기 가교 시약을 방출시키는 단계는 하나 이상의 화학적 자극 및/또는 물리적 자극을 적용하여, 마이크로캡슐 벽의 파열을 유발함으로써 제공될 수 있다. 상기 자극은 열, 초음파, UV 방사선, 촉매 및 전단력 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 추가의 측면에 따르면, 폴리머 결합형 폭발성 조성물 및 파열된 마이크로캡슐을 포함하는 경화된 폭발성 생성물이 제공되며, 바람직하게는 경화된 폴리머 결합형 폭발성 조성물 및 파열된 마이크로캡슐을 포함하는 탄약이 제공된다.
폴리머-결합형 폭발성 물질의 폭발성 성분은 연료로서 기능할 수 있거나, 특정한 말단 효과를 얻기 위해 포함될 수 있는 금속 분말과 혼합물 상태로 되어 있을 수 있다. 금속 분말은 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐, 이들 금속의 합금 및 조합을 포함하는 넓은 범위의 금속으로부터 선택될 수 있다. 종종, 연료는 알루미늄 또는 그의 합금이고; 종종 연료는 알루미늄 분말이다.
몇몇 구현예에서, 폴리머-결합형 폭발성 물질은 RDX를 포함한다. 폴리머-결합형 폭발성 물질은 유일한 폭발성 성분으로서, 또는 HMX와 같은 2차 폭발성 성분과 조합하여 RDX를 포함할 수 있다. 바람직하게는, RDX는 50 내지 100중량%의 폭발성 성분을 포함한다.
많은 경우에, 중합성 결합제는 폴리머-결합형 폭발성 물질의 약 5 내지 20중량% 범위, 종종 약 5 내지 15중량%, 또는 약 8 내지 12중량%의 범위로 존재한다. 상기 폴리머-결합형 폭발성 물질은 약 88중량%의 RDX 및 약 12중량%의 폴리우레탄 결합제를 포함할 수 있다. 그러나, 폴리우레탄 결합제에 대한 RDX의 상대적 레벨은 약 75 내지 95중량%의 RDX 및 5 내지 25중량%의 폴리우레탄 결합제의 범위일 수 있다. 이 조성물의 폴리머-결합형 폭발성 물질은, 예를 들면 Rowanex 1100TM과 같이, 상업적으로 입수가능하다.
많은 소포제가 공지되어 있고, 일반적으로 폭발성 물질과 화학적으로 반응하지 않는 임의의 소포제 또는 그것들의 조합을 사용할 수 있다. 그러나, 종종, 소포제는 폴리실록산이다. 많은 구현예에서, 폴리실록산은 폴리알킬 실록산, 폴리알킬아릴 실록산, 폴리에테르 실록산 코폴리머, 및 이것의 조합으로부터 선택된다. 종종 폴리실록산이 폴리알킬실록산인 것이 바람직하고; 폴리디메틸실록산이 전형적으로 사용될 수 있다. 대안적으로, 소포제는 실리콘 불포함 표면 활성 폴리머들의 조합, 또는 이것들과 폴리실록산의 조합일 수 있다. 그러한 실리콘 불포함 폴리머는 알콕시화 알코올, 트리이소부틸 포스페이트 및 흄드 실리카(fumed silica)를 포함한다. 사용할 수 있는 상업적으로 입수가능한 제조물은, Altana사의 하부 사업부인 BYK Additives and Instruments로부터 입수가능한 BYK 088, BYK A500, BYK 066N 및 BYK A535; Evonik사로부터 입수가능한 TEGO MR2132; 및 BASF사로부터 입수가능한 BASF SD23 및 SD40을 포함한다. 이것들 중에서, 5 및 TEGO MR2132는 양호한 공극 감소 성질을 가진 무용매 제품이기 때문에 흔히 사용된다.
종종, 상기 소포제는 약 0.01 내지 2 중량%, 경우에 따라서는 약 0.03 내지 1.5 중량%, 종종 약 0.05 내지 1 중량%, 많은 경우에는 약 0.25 또는 0.5 내지 1중량%의 범위로 존재한다. 이보다 낮은 레벨(즉, 0.01 중량% 미만)에서, 조성물 중의 소포제가 폴리머-결합형 폭발성 물질의 성질을 유의적으로 변경시키기에 불충분하게 존재하는 반면, 이보다 높은 레벨(즉, 약 2 중량%)에서, 캐스트 용액의 점도가 매우 낮아서, 혼합물 내에서 침강 및 분리 공정의 결과로서 조성물이 불균일해진다.
폭발성 조성물은 용매를 포함할 수 있고, 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 성분이 용해될 수 있고, 최종 생성물의 안전에 악영향을 주지 않는 임의의 용매가 사용될 수 있다. 그러나, 전술한 이유에서, 몇몇 구현예에서는 용매가 존재하지 않는 것이 바람직하다.
용매가 존재할 경우, 용매는 조성물의 구성성분용 담체로서 첨가될 수 있다. 용매는 전형적으로 캐스팅 공정중에 폭발성 조성물로부터 제거되지만, 가공 기술의 불완전성 때문에, 또는 조성물로부터 잔류 용매를 제거하는 것이 비경제적이 될 경우에, 용매 잔류물이 일부 잔존할 수 있다. 종종, 용매는 다이이소부틸케톤, 폴리프로필렌 글리콜, 이소파라핀, 프로필렌 글리콜, 사이클로헥사논, 부틸 글리콜, 에틸헥산올, 화이트 스피릿, 자일렌, 메톡시프로필아세테이트, 부틸아세테이트, 나프텐, 글리콜산 부틸 에스테르, 알킬 벤젠 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 경우에 따라서, 용매는 다이이소부틸케톤, 폴리프로필렌 글리콜, 이소파라핀, 프로필렌 글리콜 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
상기 조성물은 또한 폭발 조성물에서 통상적으로 사용되는 소량의 다른 첨가제를 함유할 수도 있다. 그러한 첨가제의 예로는 미세결정질 왁스, 활동성 가소제, 비활동성 가소제, 산화방지제, 촉매, 경화제, 금속성 연료, 커플링제, 계면활성제, 염료 및 이것의 조합이 포함된다. 활동성 가소제는 알킬니트로벤젠(예: 다이니트로에틸벤젠 및 트리니트로에틸벤젠)의 공융 혼합물(eutectic mixture), 직쇄형 니트라민의 알킬 유도체(예: 부틸-NEMA와 같은 N-알킬 니트레이토에틸니트라민), 및 글리시딜 아자이드 올리고머로부터 선택될 수 있다.
폭발성 조성물의 캐스팅은 프레싱 기술로 얻을 수 있는 것보다 더 큰 공정 설계의 융통성을 제공한다. 이것은, 하나의 캐스팅 몰드를 다른 하나의 몰드로 간단히 치환할 수 있으므로 상이한 형상을 용이하게 캐스팅할 수 있기 때문이다. 즉, 캐스팅 공정이 이전의 가공 장치와 역방향-상용성이다. 반대로, 프레싱 기술을 이용하여 생성물 형상의 변화가 필요한 경우에는, 전형적으로 몰드 또는 충전할 탄약과의 상용성을 위해 제조 장치의 상당 부분을 재설계해야 하므로, 시간과 비용의 부담을 초래한다. 또한, 캐스팅 기술은, 컴팩션(compaction)을 일으키도록 몰딩 분말을 통해 압력의 전달에 의존하는 프레싱 기술보다 크기 측면에서 덜 제약을 받는다. 이 압력은 거리가 증가되면 급격히 저하되어, 길이 대 직경의 비가 큰 균일한 장입물(예를 들면, 많은 포탄 충전물)의 제조를 더 어렵게 만든다.
또한, 본 발명의 캐스팅 공정은 캐스팅에 의해 요구되는 형상과는 관계없이 신뢰성 있게 균일한 충전(fill)을 성형 생성물(전술한 주조된 폭발성 조성물)에 제공한다. 이것은 부분적으로 지연된 경화 기술의 사용에 기인할 수 있다. 캐스팅은 충전될 하우징(예를 들면 포탄)이 몰드로서 작용하여 원위치에서 이루어질 수 있고; 또는 별도의 단계에서 조성물이 성형되어 하우징 내로 전달될 수 있다. 종종 캐스팅은 원위치에서 일어난다.
또한, 폴리머-결합형 폭발성 물질 및 특히 하이드록시말단화 폴리부타다이엔 결합제를 포함하는 조성물은 프레싱될 때보다 캐스팅될 때 더 탄성적이다. 이에 따라 상기 조성물은 우발적인 자극에 노출되었을 때 폭연 내지 폭발(deflagration-to-detonation)을 일으킬 가능성이 적어진다. 그 대신에, 그러한 시스템은 폭발을 일으키지 않고 연소되므로, 프레싱된 시스템보다 더 안전하게 사용될 수 있다.
또한, 프레싱 공정이 신뢰성 있게 적용될 수 있는 형상은 더 제한된다. 예를 들면, 프레싱 기술을 이용하여 원뿔 형상을 완전히 충전시키는 것이 문제가 되는 경우가 많은데, 원뿔의 선단에서 또는 그 방향으로 공기가 갇혀있기 때문이다. 캐스팅 공정은 본질적으로 "유체" 공정이기 때문에 이러한 방식으로 제한되지 않는다.
경우에 따라서, 폭발성 성분은 예비혼합물의 형성 이전에 물에 의해 민감성이 제거되는데, 이러한 공정은 습윤(wetting) 또는 둔감화(phlegmatization)로 알려져 있다. 그러나, 프리큐어 물질 내의 물의 보유는 일반적으로 바람직하지 않기 때문에, 예를 들면 폭발성 성분과 가소제를 혼합하는 동안 가열에 의해, 추가 가공되기 전에 예비혼합물로부터 물이 제거되는 것이 전형적이다.
경우에 따라서, 가소제는 존재하지 않지만, 전형적으로는 가소제가 가소제와 폭발성 성분 예비혼합물의 0 내지 10중량%, 종종 0.01 내지 8중량%, 간혹 0.5 내지 7중량% 또는 4 내지 6중량%의 범위로 존재한다. 가소제는 종종 비활동성 가소제이고, 많은 것이 해당 기술 분야에 알려져 있지만, 경우에 따라서는 활동성 가소제가 사용될 수도 있다. 본 발명의 주조된 폭발성 조성물은 폭발성 제조물 중의 주된 장입물 또는 부스터 장입물(booster charge)로서 활용된다. 종종 상기 조성물은 주된 장입물이다. 본 발명의 조성물은 임의의 "활동적" 적용 분야에서 사용될 수 있으며, 이러한 용도로는 앞에 언급된 바와 같이 박격포탄 및 대포의 포탄이 포함된다. 또한, 본 발명의 조성물은 총포 발사 용도의 폭발성 물질, 포탄 및 탄두용 폭발성 충전재, 복합 장약, 베이스 블리드(base bleed) 조성물, 총포 장약 및 가스 발생기를 포함하는 장약의 제조에 사용될 수 있다.
실시예 또는 다른 명시적으로 표시된 경우를 제외하고, 물질의 양이나 반응 조건, 물질의 물리적 성질 및/또는 용도를 나타내는 본 명세서에서의 모든 수는 "약"이라는 단어로 수식되는 것을 이해해야 한다. 모든 양은 달리 명시되지 않는 한 최종 조성물의 중량 기준이다. 또한, 주조된 폭발성 조성물은, 달리 구체적으로 표시된 경우를 제외하고는 이상과 같은 설명 및 특허청구 범위에 기재된 성분들의 임의의 가능한 조합을 포함하거나, 그러한 조합으로 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다.
본 발명의 추가의 측면에 따르면, 유기 페이로드(payload) 시약을 캡슐화하는 데 적합한 유기 마이크로캡슐 포탄이 제공되며, 여기서, 상기 마이크로캡슐 포탄은 포탄 벽 폴리머 및 하나 이상의 열적 취약성 연결기를 포함하고, 상기 열적 취약성 연결기는 블로킹된 이소시아네이트를 포함하며:
여기서, R 및 R1은 마이크로캡슐 벽의 백본을 형성하는 모노머 또는 폴리머의 말단 기이고,
B는 아미드 또는 페놀로부터 선택되는 가역적인 블로킹 기이다.
유기 페이로드 시약은 마이크로캡슐로부터 방출되는 모이어티이고, 유기 용매에서 용해성인 임의의 유기 분자일 수 있다. 페이로드 시약은 예를 들어, 염료, 촉매, 약제학적 물질, 농업화학적 물질, 가교 시약(경화제) 및 아로마 화합물일 수 있다.
포탄 벽 폴리머 유형은 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리아미드 또는 폴리에스테르로부터 선택될 수 있다.
이하의 비제한적 실시예는 본 발명을 예시한다.
실시예
마이크로캡슐의 포탄 벽 폴리머는 전형적으로 포탄 벽 전구체와 사슬 연장제 사이의 반응에 의해 형성된다. 2개의 단위들은 포탄 벽 폴리머를 형성하고, 이들이 완전한 마이크로캡슐을 형성하도록 선택되며, 상기 마이크로캡슐은 추가의 시약을 캡슐화할 수 있다.
캡슐화된 IPDI를 이용한 마이크로캡슐의 일반적인 합성 절차
검 아라빅(에멀젼의 형성을 돕기 위해 오일 점적액을 안정화시키기 위한 계면활성제)을 탈이온화된 H2O(60 mL)에 용해시키고, 기계적 교반을 이용하여 교반하였다. 포탄 벽 전구체를 1,2-다이클로로벤젠 및 이소포론 다이이소시아네이트(캡슐화된 가교 시약)에 용해시켰다. 그런 다음, 이 용액을 수용액에 점적하였으며, 혼합물을 50℃의 온도까지 1000 rpm의 속도에서 교반하면서 가열하였으며, 그런 다음 사슬 연장제(예컨대 1,4-부탄다이올)를 첨가하고, 상기 혼합물을 70℃의 온도까지 가열하였으며, 150 rpm에서 2시간 45분 동안 교반하였다. 따라서, 마이크로캡슐은 포탄 벽 전구체와 사슬 연장제 사이의 반응에 의해 생성되며, 여과되고, 물로 세척된 다음, 공기 건조되었다.
강력한 마이크로캡슐을 제공하기 위해, 마이크로캡슐 벽에 하나 이상의 비-취약성 포탄 벽 폴리머 및 하나 이상의 취약성 포탄 벽 폴리머를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
비-취약성 포탄 벽 전구체의 합성
톨루엔-2,4-다이이소시아네이트(6.07 g, 35 mmol)를 사이클로헥사논(19 mL)에 용해시켰다. 1,4-부탄다이올(9.15 g, 10 mmol)을 첨가하고, 용액을 80℃에서 아르곤 하에 18시간 동안 교반하여, 포탄 벽 전구체 XII을 형성하였다. 그런 다음, 사이클로헥사논 및 과량의 톨루엔-2,4-다이이소시아네이트를 4시간에 걸쳐 진공 증류(100℃, 1 mmHg)에 의해 제거하여, 점성 황색 오일(7)(4.24 g, 97 %)을 남겼다.
IPDI를 함유하는 비-취약성 마이크로캡슐의 합성
검 아라빅(9 g)을 탈이온화된 H2O(60 mL)에 용해시키고, 1000 rpm에서 교반하였다. 포탄 벽 전구체 XII(0.350 g, 0.8 mmol)를 클로로벤젠(0.9 mL) 및 이소포론 다이이소시아네이트(1.0 g, 4.5 mmol)(가교 시약)에 용해시켰다. 그런 다음, 이 용액을 수용액에 점적하였으며, 혼합물을 50℃의 온도까지 1000 rpm의 속도에서 교반하면서 가열하였으며, 그런 다음 1,4-부탄다이올(5.2 g, 57.8 mmol)을 첨가하고, 상기 혼합물을 70℃의 온도까지 가열하였으며, 150 rpm에서 2시간 45분 동안 교반하였다. 따라서, 생성된 마이크로캡슐 XXIV를 여과하고, 물로 세척하여, 공기 건조하였다.
캡슐화된 조성물은 1H NMR 분광학 및 열무게 분석에 의해 확인된 바와 같이, 48 중량% IPDI, 24 중량%이었다.
폴리머 포탄 전구체에 대한 열적 취약성 연결기의 예
하기 예들은 열적 취약성 연결기의 연구를 허용하기 위해 합성된 연결기의 예들이고, 이는 마이크로캡슐 내에 혼입 시 열적 취약성 연결기를 제공한다. 종결 이소시아네이트가 반응하여, 폴리우레탄 마이크로캡슐 포탄 벽 전구체를 형성할 수 있고, 상기 열거된 바와 같이 마이크로캡슐로 변환될 수 있다.
IX
특히 바람직한 구현예에서, 사슬 연장제는, 열적 취약성 연결기가 방출될 때, IPDI가 폴리머 절단의 생성물로서 방출될 수 있도록 블로킹된 IPDI 모이어티(예컨대 화합물 VIII에 나타난 바와 같음)로서 선택될 수 있다.
취약성 연결기를 이용한 마이크로캡슐의 합성
I
취약성 연결기 포탄 벽 전구체 I를, 다이올과 톨루엔-2,4-다이이소시아네이트의 반응에 의해 비-취약성 전구체와 동일한 조건 하에 제조하였다.
검 아라빅(9 g)을 탈이온화된 H2O(60 mL)에 용해시키고, 1000 rpm에서 교반하였다. 포탄 벽 전구체 I(취약성 연결기를 함유함)(0.900 g, 1.1 mmol)를 1,2-다이클로로벤젠(0.8 mL) 및 IPDI(0.800 g, 3.6 mmol)에 용해시켰다. 그런 다음, 이 용액을 수용액에 점적하였으며, 혼합물을 50℃의 온도까지 1000 rpm의 속도에서 교반하면서 가열하였으며, 그런 다음 1,4-부탄다이올(5.2 g, 57.8 mmol)을 사슬 연장제로서 첨가하고, 상기 혼합물을 70℃의 온도까지 가열하였으며, 150 rpm에서 2시간 45분 동안 교반하였다. 따라서, 생성된 마이크로캡슐을 여과하고, 물로 세척하여, 공기 건조하였다.
취약성 연결 마이크로캡슐에서, 포탄 벽 전구체, 예를 들어 I 내지 VIII을 바람직하게 제조하고, 단리한 다음, 사슬 연장제를 첨가하여, 중합된 마이크로캡슐 생성물을 제공한다.
마이크로캡슐 조건의 형성의 표
포탄 벽 전구체
I
사슬 연장제 1,4-부탄다이올
출원인은 상기 표 1에서, 마이크로캡슐 내 가교 시약의 바람직한 부피% 농도가 5% 내지 80% 보다 바람직하게는 40% 내지 65% 범위임을 보여주었다. 도 4에서, 80 부피%보다 높은 농도가 약하고 조기에 파열되는 경향이 있음을 보여주었다. 명백하게는, 10 부피%보다 낮은 농도가 강력하긴 하지만, 고정된 부피의 가교 시약을 전달하기 위해서는 많은 부피의 마이크로캡슐이 사용될 필요가 있을 것이다.
계면활성제 농도
교반 속도 및 계면활성제 농도의 증가는 더 작고 보다 균일한 크기의 마이크로캡슐을 제공한 것으로 추가로 확인되었다. 포탄 벽 전구체 및 사슬 연장제 농도의 증가는 더 강한 마이크로캡슐을 제공하였다. 나아가, 반응 시간 및 온도의 증가도 마이크로캡슐의 포탄 벽 폴리머의 두께를 증가시켜, 더 강한 마이크로캡슐을 제공하였다.
마이크로캡슐 합성에서 계면활성제의 역할은, 오일-물 계면에서 표면 장력을 감소시킴으로써 안정한 에멀젼의 형성에 일조하는 것이다.
마이크로캡슐을 5, 10, 15, 20 및 25 중량%의 서로 다른 농도 범위의 검 아라빅을 H2O에서, 1000 rpm의 일정한 교반 속도를 유지하면서 사용하여 합성하였다. 생성된 마이크로캡슐을 광학 현미경을 사용하여 측정하였으며, 예상된 바와 같이, 계면활성제 농도의 증가는 더 작고 보다 균일한 마이크로캡슐을 생성하였다(도 3.14). 단지 소량의 계면활성제 농도가 안정한 에멀젼의 형성에 필요하더라도(< 1 중량%), 계면활성제 농도를 5 중량%보다 낮게 감소시키는 것은 마이크로캡슐의 형성을 초래하지 못하였다.
포탄 벽 전구체 농도
마이크로캡슐을 포탄 벽 전구체 - 13, 23, 35, 52 및 68 중량%라는 몇몇 농도를 사용하여 합성하였다. 수득된 마이크로캡슐의 포탄 벽 두께를, 마이크로톰을 이용하여 단면을 제조한 후 SEM을 사용하여 측정하였다. 포탄 벽 전구체의 농도가 증가함에 따라, 평균 포탄 벽 두께의 증가가 관찰되었다. 포탄 벽 두께의 단지 작은 증가가 관찰되었더라도, 이 역시 마이크로캡슐의 기계적 강도를 상당히 증가시켰으며, 기계적으로 강력한 마이크로캡슐을 제공하고, 이는 결합제 및 충전제 시약, 특히 활동적인 물질과의 기계적 혼합 동안 파열을 완화시킬 수 있다.
캡슐화제 농도의 증가는 마이크로캡슐 코어에서 캡슐화제의 조성물의 증가를 초래하는 것으로 확인되었다.
사슬 연장제 농도
IPDI를 함유하는 마이크로캡슐의 긴 저장 수명이 바람직하며, 따라서, 4주 후 코어 조성물을 측정하고 상기 코어로부터 IPDI의 침출을 관찰함으로써 마이크로캡슐의 수명을 조사하였다. 이 기간 이내에 14 중량%의 IPDI 손실이 관찰된 것이 확인되었다. 마이크로캡슐을, 0.06, 0.28, 0.65, 0.94 및 1.14 mol dm-3의 광범위한 농도의 1,4-부탄다이올을 사용하여 합성하였다. 수득된 마이크로캡슐 모두의 표면 모양을 SEM을 사용하여 분석하였으며, 그 결과 매끄러운 비-다공성 외부 포탄을 가진 마이크로캡슐이 형성되었음이 드러났다. 20℃에서 4주의 기간 후 이들 마이크로캡슐로부터 IPDI의 침출을, 이 기간 후에 코어 조성물을 1H NMR 분광학을 이용하여 측정함으로써 조사하였다. 마이크로캡슐로부터의 IPDI의 손실은, 1,4 부탄다이올의 농도가 증가할 때 상당히 감소되었으며, 이는 보다 조밀한 폴리우레탄 포탄 벽의 형성에 기인할 수 있다.
취약성 연결기 및 비-취약성 연결기 포탄 벽 전구체를 포함하는 마이크로캡슐
포탄 벽 전구체의 혼합물의 사용이 마이크로캡슐 벽의 강도를 향상시킨 것으로 확인되었다. 마이크로캡슐 벽에 대해 5% 내지 50% 범위의 열적 취약성 물질은 적합한 취약성 연결기를 초래할 수 있다.
상기 취약성 연결기는 리버스드(reversed) 디일스 알더 반응을 통해 파열된다.
마이크로캡슐의 파열
마이크로캡슐을 하이드록시-종결화된 폴리부타다이엔과 혼합하고, 현미경 슬라이드 상에 적용하였다. 현미경 슬라이드를 핫 스테이지에서 마운팅하고, 140℃까지 5℃/분의 속도로 가열하였다. 마이크로캡슐 코어의 방출을 광학 현미경을 이용하여 관찰하였다. 마이크로캡슐의 페이로드는 1 g의 마이크로캡슐 당 0.44 g(44 중량%)의 IPDI 및 0.21 g(21 중량%)의 클로로벤젠이었다. 마이크로캡슐의 파열을 도 3에서 명백하게 확인할 수 있다.
마이크로캡슐화된 가교제를 사용한 HTPB의 지연된 경화
상기 기재된 바와 같이 전구체 IV을 사용하여 합성된 마이크로캡슐의 평균 포탄 벽 두께는 2.45 미크론이었으며, 평균 직경은 68 미크론이었고, 크기 분포 직경은 22 미크론 내지 117 미크론이었다.
외부 열 자극을 사용하여 HTPB에서 IPDI의 조절된 전달을 위해 IV를 사용하여 생성된 마이크로캡슐을 조사하였다. IV를 포함하는 마이크로캡슐들은 이들의 높은 기계적 강도 때문에 이 조사에 선택되었으며, 따라서 HTPB와 혼합 시 전단력을 견딜 수 있다.
HTPB(100 mg), DBTDL(0.24 mg) 및 IV를 포함하는 마이크로캡슐(23 mg)의 제형을 조성물에서 함께 혼합하였다. 대조군 실험으로서, HTPB(100 mg), DBTDL(0.24 mg), 및 마이크로캡슐 포탄 벽 내에 열적 취약성 연결기를 갖지 않는 마이크로캡슐(18 mg)로 구성된 제2 제형을 생성하였으며, 이를 본원에서 '대조군 마이크로캡슐'이라고 지정하였다. 2개 혼합물 모두 셀룰로스 아세테이트의 2개 필름들 사이에 놓고, 150℃까지 30분 동안 가열한 다음, 60℃에서 추가로 24시간 동안 가열하였다. 가열 이전 및 이후에 인장 시험을 수행하였으며, 그 결과, 열에 노출 시, 2개 혼합물 모두의 인장 강도의 증가가 관찰되었으며, 이는, IPDI가 IV를 포함하는 마이크로캡슐 및 대조군 마이크로캡슐 둘 다로부터 방출되어, HTPB의 경화를 초래하였음을 제시한다. 이러한 특징은 마이크로캡슐 코어의 전달 방법으로서 이용될 수 있을 것이다.
본 발명의 조성물은 다양한 구현예의 형태로 구성될 수 있으며, 그 중 몇 가지만 앞에서 예시되고 설명되었음을 이해해야 할 것이다.
이제, 본 발명의 구현예가 첨부된 도면을 참조로 하여 단지 예로서 기재될 것이다:
도 1은 HE 탄약 충전 공정의 개략도를 보여준다.
도 2는 광학적으로 확대된 마이크로캡슐을 보여준다.
도 3은 취약성 연결 마이크로캡슐의 열적 파열의 진행을 보여준다.
도 4는 마이크로캡슐에서 IPDI의 농도 및 질량의 그래프를 보여준다.
도 1에는, 탄약(6)의 충전에 대한 일반적인 반응식 1이 도시되어 있다. 예비혼합 제형(2)은 폭발성 물질, HTBP 중합성 결합제 및 다른 가공 보조제, 및 선택적으로 촉매의 혼합물이다. 예비혼합 제형(2)은 예컨대 교반기(3)에 의해 교반된다. 가교 시약을 포함하는 마이크로캡슐(4)을 예비혼합물에 첨가하여, 프리큐어 제형을 형성한다. 가교 시약(도시되지 않음)은 다이이소시아네이트, 예컨대 IPDI일 수 있다. 생성된 프리큐어 혼합물(5)을 완전히 혼합하고, 탄약(6), 또는 이후에 탄약에 삽입될 몰드(도시되지 않음)로 옮긴다. 그런 다음, 탄약(6)에 프리큐어 물질(5)이 충전된 경우 상기 탄약(6)을 외부 자극, 예컨대 열에 노출시킬 수 있으며, 이로써 마이크로캡슐(4)이 파열되어, 가교 시약의 방출이 야기된다. 그런 다음, 가교 시약 및 HTPB 중합성 결합제가 중합되고, 폴리머 결합형 폭발성 물질(7)을 형성할 수 있다.
도 2에서, 가교 시약을 포함하는 마이크로캡슐(15)이 제공된다. 상기 마이크로캡슐의 크기는 교반 수단의 선택에 의해 쉽게 조절될 수 있다. 교반 속도는 직경 크기를 조절할 수 있다.
도 3에서, 4개의 온도에서 촬영된 사진이 제공된다. 마이크로캡슐은 포탄 벽 전구체 I을 포함하였다. 그런 다음, 마이크로캡슐을 가열된 현미경 스테이지 상에 놓고, 온도 증가에 따라 관찰하였다. 25℃ 내지 100℃에서, 마이크로캡슐(25)은 실질적으로 온전한 것이 분명하다. 이들 온도에서의 안정성은, 상기 주지된 바와 같이 프리큐어 물질의 혼합 동안 상기 프리큐어 물질이 가열될 수 있음을 의미하거나, 또는 프리큐어 물질(폭발성 물질, HTPB 및 마이크로캡슐)의 혼합 동안 가열을 경험하는 경우 마이크로캡슐이 온전하게 유지될 것이고 가교 시약의 파열 또는 방출이 실질적으로 존재하지 않을 것임을 의미하기 때문에, 매우 바람직하다. 온도가 130℃ 내지 160℃까지 증가함에 따라, 파열된 마이크로캡슐(26)이 관찰될 수 있으며, 이는 가교 시약 페이로드의 방출을 허용한다. 160℃ 또는 160℃ 부근에서의 파열은, 대부분의 폭발성 물질에 대해 폭발이 발생할 수 있는 온도의 +200℃보다 상당히 낮다.
도 4에 있어서, IPDI 농도 부피% vs 중량%를 보여주는 그래프가 존재하며, 이는 최대 달성 가능한 중량%가 60 중량%임을 보여준다. 마이크로캡슐의 상대 강도를 평가하였으며, 바람직한 포함 부피%는 80 부피% 미만, 보다 바람직하게는 40 부피% 내지 65 부피%인 것으로 확인되었으며, 매우 높은 부피%에서, 포탄 벽 폴리머는 너무 약했다.
Claims (15)
- 폭발성 물질, 중합성 결합제 및 마이크로캡슐화된 가교 시약을 포함하는 주조 가능한 폭발성 프리큐어(precure) 조성물로서,
상기 마이크로캡슐화된 가교 시약은 마이크로캡슐 내에 캡슐화된 가교 시약을 포함하는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 중합성 결합제는, 가교 시약과의 가교 결합 시, 폴리우레탄, 셀룰로스 아세테이트와 같은 셀룰로스계 물질, 폴리에스테르, 폴리부타다이엔, 폴리에틸렌, 폴리이소부틸렌, PVA, 염화 고무, 에폭시 수지, 2-팩(pack) 폴리우레탄 시스템, 알키드/멜라닌, 비닐 수지, 알키드류, 부타다이엔-스티렌 블록 코폴리머, 폴리NIMMO, 폴리GLYN, GAP, 및 블렌드, 코폴리머 및/또는 이것의 조합을 형성하도록 선택되는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폭발성 물질이, RDX, HMX, FOX-7, TATND, HNS, TATB, NTO, HNIW, GUDN, 피크라이트, 테트릴, 에틸렌 다이니트라민과 같은 방향족 니트라민, 니트로글리세린, 부탄 트리올 트리니트레이트, 펜타에리트리톨 테트라니트레이트, DNAN, 트리니트로톨루엔, 암모늄 니트레이트, ADN 또는 암모늄 퍼클로레이트와 같은 무기 산화제, 활성 알칼리 금속 염, 활성 알칼리 토금속 염 및 이것의 조합으로부터 선택되는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로캡슐이 폴리우레탄, 셀룰로스 아세테이트와 같은 셀룰로스계 물질, 폴리에스테르, 폴리부타다이엔, 폴리에틸렌, 폴리이소부틸렌, PVA, 염화 고무, 에폭시 수지, 2-팩 폴리우레탄 시스템, 알키드/멜라닌, 비닐 수지, 알키드류, 부타다이엔-스티렌 블록 코폴리머, 폴리NIMMO, 폴리GLYN, GAP 및 이들의 블렌드, 코폴리머 및/또는 조합으로부터 선택되는 포탄 벽 폴리머(shell wall polymer)를 포함하는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 마이크로캡슐의 포탄 벽 폴리머 및 중합성 결합제가 실질적으로 동일한 폴리머로부터 선택되는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 마이크로캡슐의 포탄 벽 폴리머가 하나 이상의 취약성 연결기를 포함하는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제6항에 있어서,
하나 이상의 상기 취약성 연결기가 열적 취약성 연결기인, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 취약성 연결기가 아세탈, 블로킹된 이소시아네이트, 디일스 알더 연결기로부터 선택되는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 제8항에 있어서,
상기 블로킹된 이소시아네이트가 방향족 헤테로사이클, 2차 아민, 치환된 페놀, 옥심 및 아미드로부터 선택되는, 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물. - 유기 페이로드(payload) 시약을 캡슐화하는 데 적합한 유기 마이크로캡슐 포탄으로서,
상기 마이크로캡슐 포탄은 포탄 벽 폴리머를 포함하며,
상기 포탄 벽 폴리머는 하나 이상의 열적 취약성 연결기를 포함하며,
상기 열적 취약성 연결기는 식 X의 블로킹된 이소시아네이트를 포함하고:
상기 식 X에서,
R 및 R1은 마이크로캡슐 벽의 백본을 형성하는 모노머 또는 폴리머의 말단 기를 포함하고,
B는 아미드 또는 페놀로부터 선택되는 가역성 블로킹 기인, 유기 마이크로캡슐 포탄. - 탄약에 균질한 가교된 폴리머 결합형 폭발성 조성물을 충전하는 방법으로서,
상기 충전 방법은
i) 주조 가능한 폭발성 프리큐어 조성물의 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 조성물이 폭발성 물질, 중합성 결합제, 및 마이크로캡슐 내에 캡슐화된 가교 시약을 포함하는 마이크로캡슐화된 가교 시약을 포함하는 단계;
ii) 탄약을 충전시키는 단계; 및
iii) 마이크로캡슐로부터 상기 가교 시약을 방출시키는 단계
를 포함하는, 충전 방법. - 제11항에 있어서,
상기 중합성 결합제를 경화시켜, 폴리머 결합형 주조된 폭발성 조성물을 형성하는 단계를 포함하는, 충전 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 마이크로캡슐 포탄이 포탄 벽 폴리머를 포함하고,
상기 포탄 벽 폴리머가 하나 이상의 열적 취약성 연결기를 포함하는, 충전 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 마이크로캡슐로부터 상기 가교 시약을 방출시키는 단계가, 하나 이상의 화학적 자극 및/또는 물리적 자극의 적용에 의해 제공되는, 충전 방법. - 경화된 폴리머 결합형 폭발성 조성물 및 파열된 마이크로캡슐을 포함하는 탄약.
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