WO2024058449A1 - 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화약 조성물, 쉘 연료 조성물, 단일 열압력 화약 조성물 및 이를 포함하는 탄두 - Google Patents

폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화약 조성물, 쉘 연료 조성물, 단일 열압력 화약 조성물 및 이를 포함하는 탄두 Download PDF

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WO2024058449A1
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polysiloxane
binder
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solid
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최윤정
김지훈
임예슬
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국방과학연구소
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Definitions

  • the present invention relates to a warhead comprising a polysiloxane binder-based castable high-energy composition, a polysiloxane binder-based core explosive composition, a polysiloxane binder-based shell fuel composition, a polysiloxane binder-based single heat pressure explosive composition, and a polysiloxane binder-based castable high-energy composition.
  • the polysiloxane binder-based castable high-energy composition can be filled with the inner core powder and outer shell fuel of a dual-structured thermobaric warhead charge with improved power, or with a single thermobaric explosive composition of a typical warhead.
  • the warhead with improved power is a type of thermobaric warhead.
  • the inner core gunpowder is surrounded by a high-density metal fuel composition in the form of a shell, and a thick metal wall (heavy-wall) made of reactive metal or reactive material is formed. It consists of a double structured warhead charge enclosed within a thick metal case.
  • the viscosity and flowability of the mixture must be in a state that facilitates filling even when the proportion of liquid in the composition is lowered. To this end, it is necessary to make it easy to mix solid particles and liquid. A process improver is needed.
  • the surface of the solid particle must be treated with a special functional group that can bind to the bonding agent, which can make the process complicated. Therefore, it is very important to apply an appropriate surfactant according to the characteristics of the solid composition and liquid composition.
  • the properties of the mixed composition are affected by the thermal and chemical properties of the polymer binder. Recently, there has been research on the manufacture of compositions with improved sensitivity using silicone polymers, but due to the high viscosity of silicone polymers, the proportion of solid compositions used in the mixture is low, and the compositions are extruded rather than casted, which can be used for warheads of various sizes and shapes. There are limitations to its application.
  • the purpose of the present invention is to develop the fuel composition of the inner core gunpowder and the outer shell of the dual-structured warhead charge of SFAE (Solid Fuel-Air Explosive) or MAC (Metal-Augmented Charge) type warheads to increase power.
  • the purpose is to manufacture body-type heat pressure gunpowder compositions at a higher density using cast-type composite materials for easy handling and filling regardless of shape and size.
  • the present invention has a solid composition of 80% to 90% by weight; and 10% to 20% by weight of a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the additive includes at least one of a plasticizer and a surfactant. It provides a polysiloxane binder-based castable high-energy composition.
  • the solid composition may include any one or more of solid fuel, solid molecular gunpowder, and oxidizing agent.
  • the solid fuel may be included in an amount of 35% to 90% by weight.
  • the solid molecular gunpowder may be included in an amount of 35% by weight to 90% by weight.
  • the solid fuel is aluminum (Al), magnesium (Mg), boron (B), titanium (Ti), zirconium (Zr), bismuth (Bi), tungsten (W), and silicon ( Si) a metal containing any one or more of; An alloy of two or more metals; and a metal coated with a fluorine-containing organic polymer or an inorganic metal. It may include at least one type of metal powder selected from the group consisting of.
  • the metal powder may be a metal powder having two or more types of multimodal particle size distributions with different particle size ranges.
  • the metal powder may include a first metal powder having an average particle size of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m and a second metal powder having an average particle size of 30 ⁇ m to 45 ⁇ m.
  • the polysiloxane polymer binder is a two-component liquid containing a base material and a curing agent, and the mixing viscosity may be 2000 cPs to 4600 cPs.
  • the content of the plasticizer may be 0.2 to 1.5 times the content of the main agent.
  • the plasticizer may include polysiloxane oil having a viscosity of 10 cPs to 200 cPs.
  • the content of the surfactant may be 0.2% by weight to 0.5% by weight.
  • the surfactant may include a silicone polar surfactant.
  • the silicone polar surfactant includes a polar pyrrolidone group in the polysiloxane skeleton and a functional group capable of hydrogen bonding with solid particles, and may have a viscosity of 500 cPs to 2000 cPs.
  • the liquid composition may further include 0% by weight to 0.05% by weight of an antioxidant.
  • the present invention provides a solid composition comprising 80% to 90% by weight of solid molecular gunpowder and 0% to 10% by weight of solid fuel; and a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the weight ratio of the solid composition and the liquid composition is 80:20 to 90:10, and the additive includes any one or more of a plasticizer and a surfactant.
  • a polysiloxane binder-based A core gunpowder composition is provided.
  • the present invention provides a solid composition comprising 54% to 90% by weight of solid fuel and 0% to 35% by weight of oxidizer; and a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the weight ratio of the solid composition and the liquid composition is 80:20 to 90:10, and the additive includes any one or more of a plasticizer and a surfactant.
  • a polysiloxane binder-based Shell fuel compositions are provided.
  • the present invention provides a solid composition comprising 35% to 45% by weight of solid molecular gunpowder, 35% to 45% by weight of solid fuel, and 0% to 30% by weight of oxidizer; and a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the weight ratio of the solid composition and the liquid composition is 80:20 to 90:10, and the additive includes any one or more of a plasticizer and a surfactant.
  • a polysiloxane binder-based A single heat pressure gunpowder composition is provided.
  • the present invention provides a warhead comprising a polysiloxane binder-based castable high-energy composition, including a warhead charge containing the polysiloxane binder-based castable high-energy composition according to claim 1.
  • the present invention compared to existing heat pressure explosives, MAC and SFAE, it can be charged regardless of the shape of the warhead, and high energy can be released with a composition of higher density than existing cast type composite explosives, and thus the warhead has increased power. can be implemented.
  • it since it is based on a polysiloxane binder with improved sensitivity, safety is increased and the range of application of warhead systems is wide, and it can be used not only in cases where the solid composition consists of only metal fuel, but also in energy materials that require a high proportion of metal powder.
  • the polysiloxane binder-based castable high-energy composition can also be applied to a solid thermal pressure explosive composition containing molecular explosives such as RDX and HMX, metals such as Al and Mg, and oxidizing agent powders such as ammonium perchlorate.
  • molecular explosives such as RDX and HMX
  • metals such as Al and Mg
  • oxidizing agent powders such as ammonium perchlorate.
  • a thick bullet case made of a separate specific reactive metal or reactive material is not required to increase power.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing the shape of a warhead including core gunpowder and a shell surrounding it, in one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the pressure distribution according to distance as a result of performing an explosion test after charging the fuel amount to 10 kg in one embodiment of the present invention.
  • a core gunpowder composition was prepared with the composition shown in Table 1 below. Specifically, the liquid composition excluding the hardener was mixed in a mixer, and the solid composition was added three times starting from the largest particles and mixed so that it was sufficiently wetted with the liquid.
  • Plasticizer XIAMETER TM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
  • a shell fuel composition was prepared with the composition shown in Table 2 below. Specifically, the liquid composition excluding the hardener was mixed in a mixer, and the solid composition was added three times starting from the largest particles and mixed so that it was sufficiently wetted with the liquid.
  • Metal Powder Al Oxidizing Agent: Potassium Perchloarate
  • Binder Sylgard 184
  • Plasticizer XIAMETER TM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
  • the solid composition is 80% to 90% by weight; and 10% to 20% by weight of a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the additive includes at least one of a plasticizer and a surfactant. It provides a polysiloxane binder-based castable high-energy composition.
  • the polysiloxane binder-based castable high-energy composition includes a solid composition and a liquid composition, and the weight ratio of the solid composition and the liquid composition may be 80:20 to 90:10.
  • the viscosity and flowability of the mixture must be in a state that facilitates filling even when the proportion of liquid in the composition is lowered. To this end, it is necessary to make it easy to mix solid particles and liquid. A bonding agent is required.
  • the surface of the solid particle In order to apply a binder, the surface of the solid particle must be treated with a special functional group that can bind to the binder, which complicates the process. Therefore, it is very important to apply an appropriate surfactant according to the characteristics of the solid composition and liquid composition.
  • the inner core of a dual-structured warhead with improved power is charged with gunpowder, the outer shell of the charge is filled with fuel, or a main warhead can be applied to a general warhead.
  • the object is to provide a formative high-density, high-energy polysiloxane polymer binder-based composition.
  • the solid composition may include any one or more of solid fuel, solid molecular gunpowder, and oxidizing agent.
  • the solid fuel contains one or more of aluminum (Al), magnesium (Mg), boron (B), titanium (Ti), zirconium (Zr), bismuth (Bi), tungsten (W), and silicon (Si). metal; An alloy of two or more metals; and a metal coated with a fluorine-containing organic polymer or an inorganic metal. It may include at least one type of metal powder selected from the group consisting of. As a specific example, the solid fuel may be aluminum metal powder.
  • the metal powder may be a metal powder having a multimodal particle size distribution of two or more types, two to four types, or two to three types with different particle size ranges.
  • the metal powder may include a first metal powder having an average particle size of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m and a second metal powder having an average particle size of 30 ⁇ m to 45 ⁇ m.
  • the combustion efficiency of the metal powder for example, Al powder, which is a solid fuel applied to the outer shell, is very important.
  • the Al powder is designed to have a multimodal particle size of two or more types. The combustion efficiency of the entire powder can be increased by securing the heating time and combustion speed in a wider range.
  • the content of the metal powder may be 35% to 90% by weight, 54% to 90% by weight, or 80% to 90% by weight based on the total content of the composition including the solid composition and the liquid composition.
  • the solid molecular gunpowder is 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazacyclohexane (RDX), 1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetraazacyclooctane (HMX), 2,4 ,6,8,10,12-Hexanitro-2,4,6,8,10,12-Hexaazatetracyclododecane(HNIW), 7-Amino-4,6-Dinitrobenzofuroxan(ADNBF), 1,1,-Diamino-2, Any of 2,-dinitroethene (FOX-7), 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one (NTO) and 2,4,6,8,10,12-hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) It may include more. As a specific example, the molecular gunpowder may be any one or more of RDX and HMX.
  • the content of the solid molecular gunpowder may be 35% to 90% by weight, 54% to 90% by weight, or 80% to 90% by weight based on the total content of the composition including the solid composition and the liquid composition.
  • the oxidizing agent is ammonium perchlorate, potassium perchlorate, potassium chlorate, sodium chlorate, potassium nitrate, sodium nitrate, ammonium nitrate, cyclotrimethylene trinitramine, cyclotetramethylene tetranitramine, 2,4, 6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazisourzitane (2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8 ,10,12-hexaazaisowurzitane), ammonium dinitramide, 1,1-diamino-2,2-dinitroethylene and 2,2', It may include one or more of 4,4',6,6'-hexanitrostilbene (2,2',4,4',6,6'-hexanitrostilbene).
  • the oxidizing agent may be ammonium perchlorate.
  • the content of the oxidizing agent may be 0% to 35% by weight based on the total content of the composition including the solid composition and the liquid composition.
  • the liquid composition may include a polysiloxane polymer binder as well as one or more additives selected from the group consisting of a plasticizer, a surfactant, and an antioxidant.
  • the polysiloxane polymer binder may be a two-component liquid consisting of a base material and a curing agent.
  • the mixing viscosity of the polysiloxane polymer binder may be 2000 cPs to 4600 cPs or 2500 cPs to 4600 cPs.
  • the polysiloxane polymer binder is a mixture of a polysiloxane oil-based base material and a liquid silicone rubber (LSR) curing agent having a viscosity of 3000 cPs to 6000 cPs.
  • LSR liquid silicone rubber
  • the mixed viscosity of the polysiloxane polymer binder is 2000. It can be set to be between cPs and 4600 cPs. Through this, the thermal and chemical stability of the high-energy composition can be increased.
  • the mixing viscosity of the polysiloxane polymer binder is less than 2000 cPs, the problem of brittleness may occur due to insufficient hardness in the final cured state after mixing with the plasticizer and solid composition, and if it exceeds 4600 cPs, after mixing with the plasticizer and solid composition. As the final viscosity increases and flowability deteriorates, problems may occur that make it impossible to charge the warhead.
  • the content of the binder may be 3% to 15% by weight or 5% to 10% by weight based on the total content of the composition including the solid composition and the liquid composition.
  • the plasticizer may be mixed to improve viscosity.
  • the plasticizer may be of the same polysiloxane oil series as the subject matter and has a low volatility and a viscosity of 10 cPs to 200 cPs.
  • using the same polysiloxane oil series as the plasticizer has the effect of ensuring compatibility of the liquid composition and reducing inhibition of the physical properties of the final cured product, and when the viscosity of the plasticizer is less than 10 cPs, the volatility of the liquid composition increases. may occur, and if it exceeds 200 cPs, a problem may occur in which viscosity improvement through the addition of plasticizer is not effectively implemented.
  • the content of the plasticizer may be 0.2 to 1.5 times the main content. Specifically, the content of the plasticizer may be 0.2 to 1.5 times the content of the main agent being 1. If the content of the plasticizer is less than 0.2 times the main content, the main viscosity is not improved, making it impossible to fill the warhead of the final admixture, and if it is included in an amount exceeding 1.5 times the main content, the final admixture hardens. There are problems with poor physical properties such as deterioration of hardness and brittleness.
  • the surfactant may include a silicone polar surfactant that acts as an emollient to improve the viscosity and flowability of the composition.
  • the silicone polar surfactant may include a polar pyrrolidone group in the polysiloxane skeleton and a functional group capable of hydrogen bonding with solid particles.
  • the functional group capable of hydrogen bonding with the solid particle may include a carboxyl group.
  • the silicone polar surfactant may be a pyrrolidone-based polysiloxane polymer that has a strong interaction with solid components and is a liquid.
  • the silicone polar surfactant may have a functional group capable of hydrogen bonding, such as a carboxyl group, additionally bonded to the pyrrolidone group. By using such a surfactant, it is possible to achieve high density even though it is a cast type.
  • the surfactant When the surfactant is included, the surfactant may be included in an amount of 0.2% to 0.5% by weight based on the total content of the composition. If the content of the surfactant is less than 0.2% by weight, there is a problem in that the viscosity and flowability of the composition are not improved, and if the content of the surfactant is more than 0.5% by weight, the curing time of the composition becomes longer and the hardness of the final cured product decreases. There is a problem of poor physical properties.
  • the viscosity of the surfactant may be 500 cPs to 2000 cPs. If the viscosity of the surfactant is less than 500 cPs, problems with volatility, viscosity, and poor flow of the composition may occur, and if it exceeds 2000 cPs, problems with viscosity, poor flow, and poor curing of the composition may occur.
  • the type of the antioxidant is not particularly limited and common antioxidants can be used. When antioxidants are mixed, they can be included in an amount of 0% by weight to 0.05% by weight.
  • the polysiloxane binder-based castable high-energy composition of the present invention is manufactured at a higher density than existing castable high-energy materials and can be applied to warheads with improved power regardless of size and shape, thereby emitting greater energy and improving blast performance. It can be applied to warheads with increased power, and by using a polysiloxane binder, it has high thermal and chemical stability and is excellent in handling.
  • the polysiloxane binder-based castable high-density high-energy castable composite composition is applied to a dual-structured warhead (warhead with increased power) and includes a core gunpowder composition containing molecular gunpowder and a core gunpowder composition that does not contain molecular gunpowder. It can be divided into shell fuel compositions and single heat pressure gunpowder compositions applied to general warheads.
  • a solid composition comprising 80% to 90% by weight of molecular gunpowder and 0% to 10% by weight of metal powder; and a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the weight ratio of the solid composition and the liquid composition is 80:20 to 90:10, and the additive includes any one or more of a plasticizer and a surfactant.
  • a polysiloxane binder-based A core gunpowder composition is provided.
  • the metal powder includes two or more types of metal powder having a multimodal particle size distribution with different particle size ranges, and the particle size of the smallest metal powder may be 2 ⁇ m or more.
  • the solid composition may include a first metal powder having an average particle size of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m and a second metal powder having an average particle size of 30 ⁇ m to 45 ⁇ m.
  • the core gunpowder it is possible to use a composition based on the widely used HTPB binder or a compressed composition rather than a polysiloxane binder.
  • a solid composition comprising 54% to 90% by weight of metal powder and 0% to 35% by weight of an oxidizing agent; and a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the weight ratio of the solid composition and the liquid composition is 80:20 to 90:10, and the additive includes any one or more of a plasticizer and a surfactant.
  • a polysiloxane binder-based Shell fuel compositions are provided.
  • the metal powder may include a first metal powder having an average particle size of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m and a second metal powder having an average particle size of 30 ⁇ m to 45 ⁇ m. In this way, by forming the metal powder to have a multimodal particle size distribution, it is possible to combust small powders that are detonated by the explosion of gunpowder and powders of different sizes through the heat and energy generated by combustion of these small powders.
  • a solid composition comprising 35% to 45% by weight of molecular gunpowder, 35% to 45% by weight of metal powder, and 0% to 30% by weight of oxidizing agent; and a liquid composition including a polysiloxane polymer binder and an additive, wherein the weight ratio of the solid composition and the liquid composition is 80:20 to 90:10, and the additive includes any one or more of a plasticizer and a surfactant.
  • a polysiloxane binder-based A single heat pressure gunpowder composition is provided.
  • the metal powder includes two or more types of metal powder having a multimodal particle size distribution with different particle size ranges, and the particle size of the smallest metal powder may be 2 ⁇ m or more.
  • the solid composition may include a first metal powder having an average particle size of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m and a second metal powder having an average particle size of 30 ⁇ m to 45 ⁇ m.
  • Preparation of the core explosive composition, shell fuel composition and single thermal pressure explosive composition may be the same as that of a typical casting PBX.
  • a warhead comprising a polysiloxane binder-based castable high-energy composition
  • a warhead charge comprising the polysiloxane binder-based castable high-energy composition according to the present invention.
  • the warhead may include warheads of various structures, such as a warhead of a general structure as well as a warhead of a dual structure with improved power.
  • the warhead includes a warhead charge in a structure in which a shell surrounds the core gunpowder inside, and a polysiloxane binder-based cast high energy according to the present invention is added to any one or more of the core gunpowder and the shell fuel.
  • the composition can be filled.
  • a polysiloxane binder-based binder and a surfactant are used to form the core and outer shell of a dual structured warhead charge of a thermobaric warhead with improved power, or a thermobaric gunpowder composition as a single main agent is charged. It can be manufactured at high density with an easy casting type.
  • the warhead includes a warhead charge in a structure in which a shell surrounds the core gunpowder inside the warhead.
  • the core gunpowder according to the present invention described above may be used, and the shell may include the core gunpowder described above. As long as the shell fuel according to the present invention can be charged.
  • a hybrid detonation or DDT (Deflagration to Detonation) process in which the powder of the largest particle size, which is ultimately dispersed over a relatively wide radius, reacts in the reaction area immediately behind the initial explosion wave and immediately follows or merges with the initial explosion wave. It becomes an explosion in which detonation occurs. Accordingly, the warhead with increased power having a polysiloxane binder-based cast high-density high-energy composite composition shows an increase in pressure and impulse of more than 1.7 times compared to the existing high-explosive warhead.
  • the core gunpowder and shell fuel are charged separately inside the double-structured warhead, then hardened and assembled together, or the shell fuel is first charged and hardened inside a single warhead divided by a partition, and then the core gunpowder is charged. It can also be hardened.
  • the ratio of core gunpowder to shell fuel can be adjusted to 1.5 to 1.0 by volume ratio.
  • a core gunpowder composition was prepared with the composition shown in Table 1 below. Specifically, the liquid composition excluding the hardener was mixed in a mixer, and the solid composition was added three times starting from the largest particles and mixed so that it was sufficiently wetted with the liquid.
  • Example 1 Solid composition (% by weight) molecular gunpowder 87 Liquid composition (% by weight) bookbinder 7.53 plasticizer 4.97 Surfactants 0.5
  • Plasticizer XIAMETER TM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
  • a shell fuel composition was prepared with the composition shown in Table 2 below. Specifically, the liquid composition excluding the hardener was mixed in a mixer, and the solid composition was added three times starting from the largest particles and mixed so that it was sufficiently wetted with the liquid.
  • Example 2 Solid composition (% by weight) metal powder 78 oxidizing agent 10 Liquid composition (% by weight) bookbinder 6.7 plasticizer 5.25 Surfactants 0.5
  • Metal Powder Al Oxidizing Agent: Potassium Perchloarate
  • Binder Sylgard 184
  • Plasticizer XIAMETER TM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
  • a warhead was manufactured by charging core gunpowder according to Example 1 and shell fuel according to Example 2. At this time, the warhead was charged with 10 kg of fuel, and an explosion experiment was performed using this, and the results of the experiment are shown in Figure 2 below.
  • the present invention relates to a polysiloxane binder-based castable high-energy composition, a core chemical composition, a shell fuel composition, a single heat pressure chemical composition, and a warhead containing the same. More specifically, the polysiloxane binder-based castable high-energy composition has improved power.
  • a polysiloxane binder-based castable high-energy composition, core chemical composition, shell fuel composition, single which can be charged with the inner core powder and outer shell fuel of a dual structured thermobaric warhead charge, or with a single thermobaric explosive composition of a conventional warhead. It relates to a thermobaric chemical composition and a warhead containing the same.
  • the polysiloxane binder-based castable high-energy composition, core chemical composition, shell fuel composition, single heat pressure chemical composition, and warhead containing the same according to the present invention are easy to handle and charge regardless of the shape and size of the warhead, and have increased power. It can be used in the defense industry, explosives handling field, and hazardous materials handling field.

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Abstract

본 발명은 고체 조성 80 중량% 내지 90 중량%; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성 10 중량% 내지 20 중량%;를 포함하고, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화약 조성물, 쉘 연료 조성물 및 이를 포함하는 탄두를 제공한다.

Description

폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화약 조성물, 쉘 연료 조성물, 단일 열압력 화약 조성물 및 이를 포함하는 탄두
본 발명은 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 폴리실록산 바인더 기반 코어 화약 조성물, 폴리실록산 바인더 기반 쉘 연료 조성물, 폴리실록산 바인더 기반 단일 열압력 화약 조성물 및 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 포함하는 탄두에 관한 것으로, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물은 위력이 향상된 이중 구조화된 열압력 탄두 충전물의 안쪽 코어 화약과 바깥쪽 쉘 연료로 충전하거나 일반적인 탄두의 단일 열압력 화약 조성물로 충전할 수 있다.
위력이 향상된 탄두는 열압력 탄두의 일종으로 성능을 증대시키기 위해 내부의 코어 화약을 고밀도의 금속 연료 조성물이 쉘 형태로 둘러싸고 있고, 이를 반응성 금속 혹은 반응성 물질로 이루어진 두꺼운 금속벽(heavy-wall)이 둘러싸서 두꺼운 금속 케이스 내에 이중 구조화된 탄두 충전물 구조로 되어 있다.
바깥 쉘에 충전되는 고밀도의 금속 연료 조성물로써, 기존에는 불소 기반 고분자와 Al 금속을 혼합하여 분말을 코팅한 후 이를 압축하여 사용하고 있다. 그러나, 이러한 압축형 조성물은 압축을 위한 별도의 기구가 필요하여 탄두의 형상, 크기 및 적용에 제한이 따른다.
일반적으로 압축형 조성물이 아닌 고분자 바인더를 사용한 주조형 조성물을 사용하는 경우에는, 조성 내 액체의 비율이 압축형 조성물 보다 높아지게 되므로, 조성 내 고에너지 물질 및 고체 연료의 비율이 낮아져 조성물의 밀도가 낮아지게 되고, 이에 따라 결과적으로 에너지 방출량이 줄어드는 단점이 있다.
따라서, 주조형 조성물을 탄두 충전물로 적용하기 위해서는 조성 내 액체의 비율을 보다 낮추었을 때도 혼합물의 점도 및 흐름성이 충전에 용이한 상태가 되어야 하는데, 이를 위해서는 고체 입자와 액체의 혼합을 용이하게 하는 공정 개선제가 필요하다.
공정 개선제로 일반적인 결합제(bonding agent)를 적용하기 위해서는 고체 입자의 표면을 결합제(bonding agent)와 결합할 수 있는 특별한 기능기로 처리하여야 하므로 공정이 복잡해 질 수 있다. 따라서 고체 조성과 액체 조성의 특성에 맞춰 적절한 계면 활성제를 적용하는 것이 매우 중요하다.
또한, 고분자 바인더의 열적, 화학적 특성에 따라 혼합 조성물의 특성이 영향을 받게 된다. 최근 실리콘 고분자를 사용한 민감도가 개선된 조성물 제조에 관한 연구가 있으나 실리콘 고분자의 높은 점도로 인해 혼합물에 사용되는 고체 조성의 비율이 낮고, 주조형이 아닌 압출형 조성물로서 이를 다양한 크기 및 형상의 탄두에 적용하기에는 한계점이 있다.
따라서, 탄두의 형상 및 크기에 상관없이 취급성과 충전이 용이하고, 위력 증대를 위한 고밀도의 주조형 고에너지 조성물에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 위력의 증대를 위한 SFAE(Solid Fuel-Air Explosive) 혹은 MAC(Metal-Augmented Charge)형 탄두의 이중 구조화된 탄두 충전물의 안쪽 코어 화약과 바깥쪽 쉘의 연료 조성물 조성으로, 고체형 열압력 화약 조성을 형상 및 크기에 상관없이 취급성과 충전이 용이하도록 주조형 복합재로 보다 높은 고밀도로 제조하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체 조성 80 중량% 내지 90 중량%; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성 10 중량% 내지 20 중량%;를 포함하고, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 조성은 고체 연료, 고체 분자 화약 및 산화제 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 연료는 35 중량% 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 분자 화약은 35 중량% 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 연료는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 비스무트(Bi), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속; 2종 이상의 금속의 합금; 및 불소 함유 유기 고분자 또는 무기 금속으로 코팅된 금속;으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 분말을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 분말은 입도 범위가 상이한 2 종 이상의 다봉 입도 분포를 가지는 금속 분말일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 분말은 평균 입도가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 제1 금속 분말 및 평균 입도가 30 ㎛ 내지 45 ㎛인 제2 금속 분말을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리실록산 고분자 바인더는 주제와 경화제를 포함하는 2성분 액체이고, 혼합 점도가 2000 cPs 내지 4600 cPs일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가소제의 함량은 상기 주제의 함량의 0.2 내지 1.5배 비율일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가소제는 점도가 10 cPs 내지 200 cPs인 폴리실록산 오일을 포함할 수 있다.
*본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면활성제의 함량은 0.2 중량% 내지 0.5 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면활성제는 실리콘 극성 계면활성제를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 극성 계면활성제는 폴리실록산 골격에 극성을 가지는 피롤리돈기 및 고체 입자와 수소 결합이 가능한 기능기를 포함하고, 점도는 500 cPs 내지 2000 cPs일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액체 조성은 산화방지제 0 중량% 내지 0.05 중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체 분자 화약 80 중량% 내지 90 중량% 및 고체 연료 0 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 고체 조성; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10이며, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 코어 화약 조성물을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체 연료 54 중량% 내지 90 중량% 및 산화제 0 중량% 내지 35 중량%를 포함하는 고체 조성; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10이며, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 쉘 연료 조성물을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체 분자 화약 35 중량% 내지 45 중량%, 고체 연료 35 중량% 내지 45 중량% 및 산화제 0 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 고체 조성; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10이며, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 단일 열압력 화약 조성물을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1항에 따른 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 포함하는 탄두 충전물을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 포함하는 탄두를 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존의 열압력 화약, MAC 및 SFAE와 비교해 탄두 형상에 상관없이 충전할 수 있고, 기존 주조형 복합 화약보다 고밀도의 조성으로 고에너지 방출이 가능하며, 이에 따라 위력이 증대된 탄두를 구현할 수 있다. 또한, 민감도가 개선된 폴리실록산 바인더를 기반으로 하므로 안전도가 증대되어 탄두 체계 적용 범위가 넓으며, 고체 조성이 금속 연료만으로 이루진 경우뿐만 아니라 높은 비율로 금속 분말이 필요한 에너지 소재에도 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물은 RDX, HMX와 같은 분자 화약, Al, Mg 등의 금속, 과염소산암모늄과 같은 산화제 분말을 포함한 고체형 열압력 화약 조성에도 적용이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 위력 증대를 위해 별도의 특정한 반응성 금속이나 반응성 물질로 이루어진 두꺼운 탄체 케이스가 필요하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서, 코어 화약과 이를 둘러싼 쉘을 포함하는 탄두의 형태를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서, 연료량을 10 kg급으로 충전한 후 폭발 시험을 수행한 결과 거리에 따른 압력 분포를 나타낸 것이다.
실시예 1
하기 표 1과 같은 조성으로 코어 화약 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 경화제를 제외한 액체 조성을 혼합기에 넣어 혼합시키고, 고체 조성을 큰 입자부터 3번에 걸쳐 나누어 첨가하여 액체에 충분히 적셔지도록 혼화하였다.
그런 다음, 고체 성분이 충분히 적셔지고 나면 마지막으로 경화제를 첨가하여 충분히 혼화시킨 후 이를 탄두의 코어 화약으로 충전하여 경화시켰다.
분자 화약: RDX바인더: Sylgard 184
가소제: XIAMETERTM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
계면활성제: SensasilTM PCA
실시예 2
하기 표 2와 같은 조성으로 쉘 연료 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 경화제를 제외한 액체 조성을 혼합기에 넣어 혼합시키고, 고체 조성을 큰 입자부터 3번에 걸쳐 나누어 첨가하여 액체에 충분히 적셔지도록 혼화하였다.
그런 다음, 고체 성분이 충분히 적셔지고 나면 마지막으로 경화제를 첨가하여 충분히 혼화시킨 후 이를 탄두의 쉘 연료로 충전하여 경화시켰다.
금속 분말: Al산화제: Potassium Perchloarate
바인더: Sylgard 184
가소제: XIAMETERTM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
계면활성제: SensasilTM PCA
본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 고체 조성 80 중량% 내지 90 중량%; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성 10 중량% 내지 20 중량%;를 포함하고, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물은 고체 조성과 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10일 수 있다.
일반적으로 압축형 조성물이 아닌 고분자 바인더를 사용한 주조형 조성물을 사용하는 경우에는, 조성 내 액체의 비율이 압축형 조성물 보다 높아지게 되므로, 조성 내 고에너지 물질 및 고체 연료의 비율이 낮아져 조성물의 밀도가 낮아지게 되고, 이에 따라 결과적으로 에너지 방출량이 줄어드는 단점이 있다.
따라서, 주조형 조성물을 탄두 충전물로 적용하기 위해서는 조성 내 액체의 비율을 보다 낮추었을 때도 혼합물의 점도 및 흐름성이 충전에 용이한 상태가 되어야 하는데, 이를 위해서는 고체 입자와 액체의 혼합을 용이하게 하는 결합제(Bonding Agent)가 필요하다.
결합제를 적용하기 위해서는 고체 입자의 표면을 결합제와 결합할 수 있는 특별한 기능기로 처리하여야 하므로 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 따라서 고체 조성과 액체 조성의 특성에 맞춰 적절한 계면 활성제를 적용하는 것이 매우 중요하다.
이에 대해, 본 발명에서는 조성물의 조성과 함께 바인더와 계면 활성제를 제어함으로써 위력이 향상된 이중 구조화된 탄두의 안쪽 코어 화약으로 충전하거나, 충전물의 바깥쪽 쉘 연료로 충전하거나 일반적인 탄두에 적용할 수 있는 주조형 고밀도 고에너지 폴리실록산 고분자 바인더 기반 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고체 조성은, 고체 연료, 고체 분자 화약 및 산화제 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 고체 연료는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 비스무트(Bi), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속; 2종 이상의 금속의 합금; 및 불소 함유 유기 고분자 또는 무기 금속으로 코팅된 금속;으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 분말을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 고체 연료는 알루미늄 금속 분말일 수 있다.
상기 금속 분말은 입도 범위가 상이한 2 종 이상, 2 종 내지 4 종 또는 2 종 내지 3 종의 다봉 입도 분포를 가지는 금속 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 분말은 평균 입도가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 제1 금속 분말 및 평균 입도가 30 ㎛ 내지 45 ㎛인 제2 금속 분말을 포함할 수 있다.
탄두의 위력을 증대시키기 위해서는 바깥쪽 쉘에 적용되는 고체 연료인 금속 분말, 예를 들어, Al 분말의 연소 효율이 매우 중요한데 이를 위해서 Al 분말의 입도를 2 종류 이상으로 다봉 입도를 갖도록 설계함으로써 Al 분말의 연소(heating) 시간 및 연소 속도를 보다 넓은 범위에 확보하여 전체 분말의 연소 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 금속 분말의 함량은 고체 조성과 액체 조성을 합한 조성물 전체 함량에 대하여 35 중량% 내지 90 중량%, 54 중량% 내지 90 중량% 또는 80 중량% 내지 90 중량%일 수 있다.
상기 고체 분자 화약은 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazacyclohexane(RDX), 1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetraazacyclooctane(HMX), 2,4,6,8,10,12-Hexanitro-2,4,6,8,10,12-Hexaazatetracyclododecane(HNIW), 7-Amino-4,6-Dinitrobenzofuroxan(ADNBF), 1,1,-Diamino-2,2,-dinitroethene(FOX-7), 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one(NTO) 및 2,4,6,8,10,12-hexanitrohexaazaisowurtzitane(CL-20) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 분자 화약은 RDX 및 HMX 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 고체 분자 화약의 함량은 고체 조성과 액체 조성을 합한 조성물 전체 함량에 대하여 35 중량% 내지 90 중량%, 54 중량% 내지 90 중량% 또는 80 중량% 내지 90 중량%일 수 있다.
상기 산화제는 과염소산암모늄, 과염소산칼륨, 염소산칼륨, 염소산나트륨, 질산칼륨, 질산나트륨, 질산암모늄, 사이클로트리메틸렌 트리니트라민(cyclotrimethylene trinitramine), 사이클로테트라메틸렌 테트라니트라민(cyclotetramethylene tetranitramine), 2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소우르지탄(2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurzitane), 암모늄 디니트라마이드(ammonium dinitramide), 1,1-디아미노- 2,2-디니트로에틸렌(1,1-diamino- 2,2-dinitroethylene) 및 2,2',4,4',6,6'-헥사니트로스틸벤(2,2',4,4',6,6'-hexanitrostilbene) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 산화제는 과염소산암모늄일 수 있다.
상기 산화제의 함량은 고체 조성과 액체 조성을 합한 조성물 전체 함량에 대하여 0 중량% 내지 35%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 액체 조성은 폴리실록산 고분자 바인더와 더불어 가소제, 계면활성제 및 산화방지제 중 어느 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 폴리실록산 고분자 바인더는 주제와 경화제로 구성된 2성분 액체일 수 있다.
상기 폴리실록산 고분자 바인더의 혼합 점도는 2000 cPs 내지 4600 cPs 또는 2500 cPs 내지 4600 cPs일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리실록산 고분자 바인더는 3000 cPs 내지 6000 cPs의 점도를 가지는 폴리실록산 오일 계열의 주제와 액체 실리콘 고무(LSR) 경화제의 혼합물로서, 주제와 경화제의 혼합하였을 때 폴리실록산 고분자 바인더의 혼합 점도가 2000 cPs 내지 4600 cPs가 되도록 할 수 있다. 이를 통해 고에너지 조성물의 열적 및 화학적 안정성을 증대시킬 수 있다. 상기 폴리실록산 고분자 바인더의 혼합 점도가 2000 cPs 미만인 경우 가소제 및 고체 조성과 혼합 후 최종 경화된 상태의 경도가 부족하여 잘 부스러지는 문제가 발생할 수 있고, 4600 cPs 초과인 경우 가소제 및 고체 조성과 혼합한 후 최종 점도가 높아지고 흐름성이 나빠져 탄두에 충전이 불가능한 문제가 발생할 수 있다.
상기 바인더의 함량은 상기 고체 조성과 액체 조성을 합한 조성물 전체 함량에 대하여 3 중량% 내지 15 중량부 또는 5 중량% 내지 10 중량%일 수 있다.
상기 가소제는 점도 개선을 위해 혼합될 수 있다. 상기 가소제는 주제와 동일한 폴리실록산 오일 계열로 휘발성이 적은 10 cPs 내지 200 cPs의 점도를 가지는 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 가소제를 주제와 동일한 폴리실록산 오일 계열을 사용함으로써 액체 조성의 양립성을 확보하고 최종 경화물의 물성 저해를 감소시키는 효과가 있고, 상기 가소제의 점도가 10 cPs 미만인 경우 액체 조성의 휘발성이 커지는 문제가 발생할 수 있고, 200 cPs 초과인 경우 가소제 첨가를 통한 점도 개선이 효과적으로 구현되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
상기 가소제가 포함되는 경우, 상기 가소제의 함량은 상기 주제 함량의 0.2 내지 1.5배 비율로 포함될 수 있다. 구체적으로, 가소제의 함량은 상기 주제의 함량이 1일 때 0.2 내지 1.5배로 포함될 수 있다. 상기 가소제의 함량이 주제 함량의 0.2배 비율 미만으로 포함되는 경우 주제 점도가 개선되지 않아 최종 혼화물의 탄두 충전이 불가능한 문제가 있고, 주제 함량의 1.5배 비율 초과로 포함되는 경우 최종 혼화물의 경화 후 경도가 나빠져 부서지는 등의 물성 불량 문제가 있다.
상기 계면활성제는 조성물의 점도와 흐름성을 개선하기 위해서 에몰리전트(emollient) 역할을 하는 실리콘 극성 계면활성제를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 극성 계면활성제는 폴리실록산 골격에 극성을 가지는 피롤리돈기 및 고체 입자와 수소 결합이 가능한 기능기를 포함할 수 있다. 상기 고체 입자와 수소 결합이 가능한 기능기는 카르복실기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 실리콘 극성 계면활성제를 사용함으로써 고체 성분의 전처리 없이 단순 혼합을 통해 원하는 조성물의 점도와 흐름성을 개선할 수 있다. 상기 실리콘 극성 계면활성제는 고체 성분과 상호 작용이 강한 극성을 이루는 피롤리돈 기반의 폴리실록산 고분자일 수 있으며, 액체이다. 또한, 실리콘 극성 계면활성제는 피롤리돈기에 카르복실기와 같은 수소 결합이 가능한 기능기가 추가로 결합하여 있을 수 있다. 이와 같은 계면활성제 사용으로 주조형이지만 높은 밀도를 달성할 수 있다.
상기 계면활성제가 포함되는 경우, 상기 계면활성제는 상기 조성물 전체 함량에 대하여 0.2 중량% 내지 0.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 계면활성제의 함량이 0.2 중량% 미만으로 포함되는 경우 조성물의 점도 및 흐름성 개선이 이루어지지 않는 문제가 있고, 0.5 중량% 초과로 포함되는 경우 조성물의 경화 시간이 길어지고 최종 경화물의 경도가 낮아져서 물성 불량이 되는 문제가 있다.
상기 계면활성제의 점도는 500 cPs 내지 2000 cPs일 수 있다. 상기 계면활성제의 점도가 500 cPs 미만인 경우 조성물의 휘발성 문제 및 점도, 흐름성 불량 문제가 발생할 수 있고, 2000 cPs 초과인 경우 조성물의 점도, 흐름성 불량 및 경화 불량의 문제가 발생할 수 있다.
이와 같이 계면활성제를 소량 사용함으로써 별도의 전처리 없이 액체 바인더와 고에너지 고체 연료 및 분자 화약 중 어느 하나 이상의 고체 분말의 혼합을 용이하게 함으로써 보다 높은 밀도의 혼합물 제조를 가능하게 하며, 동시에 혼합물의 점도와 흐름성을 개선하여 탄두 형상 및 크기에 구애 받지 않고 주조(casting) 충전하여 경화할 수 있다.
상기 산화방지제의 종류는 특별히 한정하지 않고 통상의 산화방지제를 사용할 수 있으며, 산화방지제가 혼합되는 경우에는 0 중량% 내지 0.05 중량%로 포함할 수 있다.
본 발명의 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물 조성은 기존의 주조형 고에너지 물질보다 고밀도로 제조되어 위력이 향상된 탄두에 크기 및 형상에 구애받지 않고 적용할 수 있으므로 보다 큰 에너지를 방출하여 폭풍 성능이 높아 위력증대 탄두에 적용할 수 있으며, 폴리실록산 바인더를 사용함으로써 열적 및 화학적 안정성이 높아 취급성이 우수하다.
본 발명의 일 실시예에서, 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고밀도 고에너지 주조형 복합재 조성물은 이중 구조화된 탄두(위력이 증대된 탄두)에 적용하며 분자 화약을 포함하는 코어 화약 조성물과 분자 화약을 포함하지 않는 쉘 연료 조성물 및 일반적인 탄두에 적용하는 단일 열압력 화약 조성물로 나눌 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 분자 화약 80 중량% 내지 90 중량%, 금속 분말 0 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 고체 조성; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10이며, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 코어 화약 조성물을 제공한다.
상기 금속 분말은 입도 범위가 상이한 2 종 이상의 다봉 입도 분포를 가지는 금속 분말을 포함하고, 가장 작은 금속 분말의 입도는 2 ㎛ 이상일 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 코어 화약 조성물에 있어서, 고체 조성은 평균 입도가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 제1 금속 분말 및 평균 입도가 30 ㎛ 내지 45 ㎛인 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 이를 통해 충전 밀도를 증가시키고, 폭발 온도에서 연소 시간과 속도 범위를 넓게 하여 연소 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 코어 화약의 경우 폴리실록산 바인더 기반이 아닌 통상적으로 널리 사용되는 HTPB 바인더 기반의 조성 혹은 압축형 조성도 가능하다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 금속 분말 54 중량% 내지 90 중량% 및 산화제 0 중량% 내지 35 중량%를 포함하는 고체 조성; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10이며, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 쉘 연료 조성물을 제공한다.
상기 금속 분말은 평균 입도가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 제1 금속 분말 및 평균 입도가 30 ㎛ 내지 45 ㎛인 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 이와 같이 금속 분말을 다봉 입도 분포를 갖도록 형성함으로써 화약의 폭발에 의해 기폭되는 작은 분말부터 이러한 작은 분말의 연소로 발생하는 열과 에너지로 다른 크기의 분말도 연소가 일어나도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 분자 화약 35 중량% 내지 45 중량%, 금속 분말 35 중량% 내지 45 중량% 및 산화제 0 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 고체 조성; 및 폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성을 포함하고, 상기 고체 조성과 액체 조성의 중량비는 80:20 내지 90:10이며, 상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는, 폴리실록산 바인더 기반 단일 열압력 화약 조성물을 제공한다.
상기 금속 분말은 입도 범위가 상이한 2 종 이상의 다봉 입도 분포를 가지는 금속 분말을 포함하고, 가장 작은 금속 분말의 입도는 2 ㎛ 이상일 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 코어 화약 조성물에 있어서, 고체 조성은 평균 입도가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 제1 금속 분말 및 평균 입도가 30 ㎛ 내지 45 ㎛인 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 이를 통해 충전 밀도를 증가시키고, 폭발 온도에서 연소 시간과 속도 범위를 넓게 하여 연소 효율을 증대시킬 수 있다.
코어 화약 조성물, 쉘 연료 조성물 및 단일 열압력 화약 조성물의 제조는 일반적인 주조형 복합화약(casting PBX)의 제조와 동일할 수 있다. 먼저 경화제를 제외한 액체 조성을 혼합기(mixer)에 모두 넣어 충분히 혼화한 후, 고체 조성을 큰 입자부터 2회 내지 4회에 걸쳐 나누어 첨가하여 액체에 충분히 적셔지도록 혼화한다. 그리고, 고체 조성이 충분히 적셔지고 나면 마지막으로 경화제를 첨가하여 충분히 혼화시킨 후 이를 탄두에 충전하여 경화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 포함하는 탄두 충전물을 포함하는 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 포함하는 탄두를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄두는 일반적인 구조의 탄두뿐만 아니라 위력이 향상된 이중 구조화된 탄두 등 다양한 구조의 탄두를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄두는 내부의 코어 화약을 쉘이 둘러싸는 구조의 탄두 충전물을 포함하고, 상기 코어 화약 및 쉘 연료 중 어느 하나 이상에 본 발명에 따른 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물이 충전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 폴리실록산 바인더 기반 바인더와 계면활성제를 사용하여 위력이 향상된 열압력 탄두의 이중 구조화된 탄두 충전물의 코어 및 바깥쪽 쉘을 이루는 조성이나 단일 주장약으로서의 열압력 화약 조성을 충전이 용이한 주조형으로 고밀도로 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄두는 탄두 내부에 코어 화약을 쉘이 둘러싸는 구조의 탄두 충전물을 포함하는데, 여기서, 코어 화약은 상술한 본 발명에 따른 코어 화약을 사용할 수 있고, 쉘에는 상술한 본 발명에 따른 쉘 연료가 충전될 수 있다.
하기 도 1과 같이 이중 구조화된 탄두 내부에 코어 화학과 코어 화약을 둘러싼 쉘에 연료 조성을 충전한 위력이 증대된 탄두의 코어 화약이 기폭 되면 코어 화약의 폭발 압력에 의해 바깥쪽 쉘 연료가 공기 중으로 분산된다. 이 때, 코어 화약의 폭발 에너지와 폭발 생성물 내 존재하는 산화물에 의해 쉘 연료 조성 내 작은 입도의 금속 분말이 먼저 연소하여 폭발을 일으키고, 이 폭발 에너지 및 열로 가열된 조성 내 그 다음 큰 입도의 금속 분말이 주변의 공기와 혼합되고, 공기 중 산소가 산화제로 활용되어 가열된 금속 분말이 연소하면서 연쇄적으로 이루어진다. 최종적으로 상대적으로 넓은 반경으로 분산되는 가장 큰 입도의 분말까지 초기 폭발파 바로 뒤 반응 영역에서 반응하여 초기 폭발파를 바로 뒤에서 뒤따르거나 합쳐지는 혼합폭발(hybrid detonation) 내지는 DDT(Deflagration to Detonation) 과정으로 폭굉이 일어나는 폭발 형태가 된다. 이에 따라 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고밀도 고에너지 복합재 조성물을 가지는 위력이 증대된 탄두는 기존 고폭탄두에 비해 1.7 배 이상의 압력 및 충격량 증대를 나타낸다.
코어화약 및 쉘 연료는 탄두의 설계에 따라 각각 이중 구조화된 탄두 내부에 따로 충전한 후 경화하여 합쳐서 조립하거나 격벽으로 나누어진 하나의 탄두 내부에 쉘 연료 먼저 충전하여 경화한 후, 코어화약을 충전하여 경화시킬 수도 있다. 쉘 연료 대비 코어화약의 비율은 부피비로 1.5~1.0로 조절할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1
하기 표 1과 같은 조성으로 코어 화약 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 경화제를 제외한 액체 조성을 혼합기에 넣어 혼합시키고, 고체 조성을 큰 입자부터 3번에 걸쳐 나누어 첨가하여 액체에 충분히 적셔지도록 혼화하였다.
그런 다음, 고체 성분이 충분히 적셔지고 나면 마지막으로 경화제를 첨가하여 충분히 혼화시킨 후 이를 탄두의 코어 화약으로 충전하여 경화시켰다.
실시예 1
고체 조성(중량%) 분자 화약 87
액체 조성(중량%) 바인더 7.53
가소제 4.97
계면활성제 0.5
분자 화약: RDX바인더: Sylgard 184
가소제: XIAMETERTM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
계면활성제: SensasilTM PCA
실시예 2
하기 표 2와 같은 조성으로 쉘 연료 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 경화제를 제외한 액체 조성을 혼합기에 넣어 혼합시키고, 고체 조성을 큰 입자부터 3번에 걸쳐 나누어 첨가하여 액체에 충분히 적셔지도록 혼화하였다.
그런 다음, 고체 성분이 충분히 적셔지고 나면 마지막으로 경화제를 첨가하여 충분히 혼화시킨 후 이를 탄두의 쉘 연료로 충전하여 경화시켰다.
실시예 2
고체 조성(중량%) 금속 분말 78
산화제 10
액체 조성(중량%) 바인더 6.7
가소제 5.25
계면활성제 0.5
금속 분말: Al산화제: Potassium Perchloarate
바인더: Sylgard 184
가소제: XIAMETERTM PMX-200 Silicone Fluid 10 cSt
계면활성제: SensasilTM PCA
<실험예>
실험예 1
상기 실시예 1에 따라 코어 화약을 충전하고, 실시예 2에 따라 쉘 연료를 충전하여 탄두를 제조하였다. 이 때, 탄두에 연료량은 10 kg 급으로 충전하였으며, 이를 이용하여 폭발 실험을 수행하였으며, 실험 결과는 하기 도 2에 나타내었다.
그 결과 거리별로 도 2와 같은 압력 분포를 나타내어 탄두 충전물은 성공적으로 폭발되었음을 확인할 수 있었고, 위력이 증대된 탄두의 형태로 적용 가능함을 확인하였다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화약 조성물, 쉘 연료 조성물 및 이를 포함하는 탄두에 관한 구체적인 실시예에 대하여 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 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
10: 코어 화약
20: 쉘 연료
본 발명은 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화학 조성물, 쉘 연료 조성물, 단일 열압력 화학조성물 및 이를 포함하는 탄두에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물은 위력이 향상된 이중 구조화된 열압력 탄두 충전물의 안쪽 코어 화약과 바깥쪽 쉘 연료로 충전하거나 일반적인 탄두의 단일 열압력 화약 조성물로 충전할 수 있는 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화학 조성물, 쉘 연료 조성물, 단일 열압력 화학조성물 및 이를 포함하는 탄두에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물, 코어 화학 조성물, 쉘 연료 조성물, 단일 열압력 화학조성물 및 이를 포함하는 탄두는 탄두의 형상 및 크기에 상관없이 취급성과 충전이 용이하고, 위력 증대되어 방위산업분야, 폭발물취급분야 및 위험물취급분야에서 이용가능하다.

Claims (18)

  1. 고체 조성물 80 중량% 내지 90 중량%; 및
    폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성물 10 중량% 내지 20 중량%;를 포함하고,
    상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체 조성물은 고체 연료, 고체 분자 화약 및 산화제 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고체 연료는 35 중량% 내지 90 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고체 분자 화약은 35 중량% 내지 90 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고체 연료는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 비스무트(Bi), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속; 2종 이상의 금속의 합금; 및 불소 함유 유기 고분자 또는 무기 금속으로 코팅된 금속;으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 분말은 입도 범위가 상이한 2 종 이상의 다봉 입도 분포를 가지는 금속 분말인 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 분말은 평균 입도가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 제1 금속 분말 및 평균 입도가 30 ㎛ 내지 45 ㎛인 제2 금속 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 폴리실록산 고분자 바인더는 주제와 경화제를 포함하는 2성분 액체이고,
    혼합 점도가 2000 cPs 내지 4600 cPs인 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가소제의 함량은 상기 주제의 함량의 0.2 내지 1.5배 비율인 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가소제는 점도가 10 cPs 내지 200 cPs인 폴리실록산 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 계면활성제의 함량은 0.2 중량% 내지 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 실리콘 극성 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 극성 계면활성제는 폴리실록산 골격에 극성을 가지는 피롤리돈기 및 고체 입자와 수소 결합이 가능한 기능기를 포함하고,
    점도는 500 cPs 내지 2000 cPs인 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 액체 조성물은 산화방지제 0 중량% 내지 0.05 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물.
  15. 고체 분자 화약 80 중량% 내지 90 중량% 및 고체 연료 0 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 고체 조성물; 및
    폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성물을 포함하고,
    상기 고체 조성물과 액체 조성물의 중량비는 80:20 내지 90:10이며,
    상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 코어 화약 조성물.
  16. 금속 분말 54 중량% 내지 90 중량% 및 산화제 0 중량% 내지 35 중량%를 포함하는 고체 조성물; 및
    폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성물을 포함하고,
    상기 고체 조성물과 액체 조성물의 중량비는 80:20 내지 90:10이며,
    상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 쉘 연료 조성물.
  17. 고체 분자 화약 35 중량% 내지 45 중량%, 고체 연료 35 중량% 내지 45 중량% 및 산화제 0 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 고체 조성물; 및
    폴리실록산 고분자 바인더 및 첨가제를 포함하는 액체 조성물을 포함하고,
    상기 고체 조성물과 액체 조성물의 중량비는 80:20 내지 90:10이며,
    상기 첨가제는 가소제 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 포함하는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 단일 열압력 화약 조성물.
  18. 내부의 코어 화약을 쉘이 둘러싸는 구조의 탄두 충전물을 포함하고,
    코어 화약 및 쉘 연료 중 어느 하나 이상으로서 제1항에 따른 폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물이 충전되는,
    폴리실록산 바인더 기반 주조형 고에너지 조성물을 포함하는 탄두.
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