본 연구에서는 Hydroxyl Terminated Polyether(HTPE) 추진제 원료 및 HTPE 둔감 추진제 조성 2종에 대하여 Differential ScanningCalorimetry(DSC)와 Thermal Gravimetric Analysis(TGA)를 사용하여 열분해 특성을 고찰하였고, EIDS 완속가열 시험을 수행하였다. AN이 포함된 HTPE 002는 약 $125^{\circ}C$에서 AN의 상전이과정(II$\rightarrow$I)을 거친 후, 약 $200^{\circ}C$범위까지 BuNENA와 AN이 함께 발열특성을 가지고 분해됨을 알 수 있었다. EIDS 완속가열 시험을 수행한 결과 HTPE 001은 $250^{\circ}C$, HTPE 002는 $152^{\circ}C$ 부근에서 반응이 있어났으며, 두 추진제 모두 $115^{\circ}C$부근에서 급격한 온도 상승이 일어났다. 추진제 HTPE 001과 HTPE 002의 열폭발에 대한 임계온도, Tc,를 Semenov의 열폭발 이론과 몇 가지 가열속도에서 측정된 비등온 곡선으로부터 계산되었고, 임계온도 계산에 사용된 열분해에 대한 활성화에너지는 Kissinger 방법으로 측정하였다.
본 연구에서는 Hydroxyl Terminated Polyether(HTPE) 추진제 원료 및 HTPE 둔감 추진제 조성 2종에 대하여 Differential Scanning Calorimetry(DSC)와 Thermal Gravimetric Analysis(TGA)를 사용하여 열분해 특성을 고찰하였고, EIDS 완속가열 시험을 수행하였다. AN이 포함된 HTPE 002는 약 $125^{\circ}C$에서 AN의 상전이과정(II$\rightarrow$I)을 거친 후, 약 $200^{\circ}C$범위까지 BuNENA와 AN이 함께 발열특성을 가지고 분해됨을 알 수 있었다. EIDS 완속가열 시험을 수행한 결과 HTPE 001은 $250^{\circ}C$, HTPE 002는 $152^{\circ}C$ 부근에서 반응이 있어났으며, 두 추진제 모두 $115^{\circ}C$부근에서 급격한 온도 상승이 일어났다. 추진제 HTPE 001과 HTPE 002의 열폭발에 대한 임계온도, Tc,를 Semenov의 열폭발 이론과 몇 가지 가열속도에서 측정된 비등온 곡선으로부터 계산되었고, 임계온도 계산에 사용된 열분해에 대한 활성화에너지는 Kissinger 방법으로 측정하였다.
This study was carried out to investigate the thermal decomposition and execute EIDS slow cook-off test for the propellant ingredients and 2 kinds of HTPE propellants. The thermal analysis of the propellant ingredients used in this study showed that the thermal stability of these materials decreases...
This study was carried out to investigate the thermal decomposition and execute EIDS slow cook-off test for the propellant ingredients and 2 kinds of HTPE propellants. The thermal analysis of the propellant ingredients used in this study showed that the thermal stability of these materials decreases in the following order : AP > HTPE > AN > BuNENA. In addition, propellant HTPE 002 containing AN showed that an endothermic process at around $125^{\circ}C$ corresponding to the solid phase change(II$\rightarrow$I) of AN was followed by the exothermic process of BuNENA/AN mixture up to $200^{\circ}C$. In EIDS slow cook-off tests, HTPE 001 and HTPE 002 reacted at around $250^{\circ}C$ and $152^{\circ}C$ respectively, and both of them showed sudden temperature increase curves at $115^{\circ}C$. The critical temperatures, $T_c$, of thermal explosion for the propellants HTPE 001 and HTPE 002, were obtained from both the non-isothermal curves at various heating rates and Semenov's thermal explosion theory. Kissinger's method that was used to calculate $T_c$ was also employed to obtain the activation energies for thermal decompositions.
This study was carried out to investigate the thermal decomposition and execute EIDS slow cook-off test for the propellant ingredients and 2 kinds of HTPE propellants. The thermal analysis of the propellant ingredients used in this study showed that the thermal stability of these materials decreases in the following order : AP > HTPE > AN > BuNENA. In addition, propellant HTPE 002 containing AN showed that an endothermic process at around $125^{\circ}C$ corresponding to the solid phase change(II$\rightarrow$I) of AN was followed by the exothermic process of BuNENA/AN mixture up to $200^{\circ}C$. In EIDS slow cook-off tests, HTPE 001 and HTPE 002 reacted at around $250^{\circ}C$ and $152^{\circ}C$ respectively, and both of them showed sudden temperature increase curves at $115^{\circ}C$. The critical temperatures, $T_c$, of thermal explosion for the propellants HTPE 001 and HTPE 002, were obtained from both the non-isothermal curves at various heating rates and Semenov's thermal explosion theory. Kissinger's method that was used to calculate $T_c$ was also employed to obtain the activation energies for thermal decompositions.
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문제 정의
본 연구에서는 바인더로 HTPE/BuNENA를 적용하고 산화제로는 AP와 AN를 사용한 HTPE 둔감 추진제 2종을 대상으로 DSC와 TGA를 사용하여 추진제 원료 및 추진제의 열분해 특성을 고찰하였으며, UN Test Series 7(f)에 규정된 EIDS 완속 가열 시험 방법을 이용하여 HTPE 추진제 2종의 둔감 특성을 살펴보았다[3].
제안 방법
HTPE 둔감추진제의 원료 및 추진제 2종에 대하여 DSC와 TGA를 사용하여 열분해 특성을 고찰하였고, EIDS UN Test Series 7(f)의 완속가열 시험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
오븐 모서리에는 250 W의 밴드히터를 전력조정기와 연결된 온도조절기(EC 5600S)를 사용하여 온도를 조절하였다. K형 온도 센서를 사용하여 오븐 내부의 온도와 추진제가 충전된 파이프 표면과 추진제 내부의 온도를 계측시스템에서 10초당 1개씩 측정하였다. 추진제 시편은 내경이 45 ㎜, 높이가 200 ㎜인 무용접 스틸 파이프에 충전하고 스틸 마개와 파이프 양쪽을 204 Nm의 토크로 조여 주었다.
3℃ /hr의 승온 속도로 오븐 온도가 정상적으로 조절되었다. 약 25시간 경과 후에 추진제 내부온 도가 오븐 온도를 초과하여 진행되다가 27시간 이후에 120℃ 부근에서 급격히 온도가 상승하면서 HTPE 001 추진제의 자연발화온도인 250℃ 부근에서 격렬한 반응을 하였다.
추진제 제조에 사용된 주요 원료들과 제조된 추진제의 열분해 특성을 고찰하기 위하여 TA Instruments사의 DSC(모델: DSC 2910)와 TGA (모델: SDT 2960)를 사용하여 60 ㎖/min의 질소 분위기와 몇 가지 가열 조건하에서 열분해 특성을 분석하였다. 분석에 사용된 시료의 무게는 AP, AN, 추진제는 약 3 ㎎이었으며, BuNENA 와 HTPE는 약 10 ㎎이었다.
대상 데이터
추진제 제조에 사용된 주요 원료들과 제조된 추진제의 열분해 특성을 고찰하기 위하여 TA Instruments사의 DSC(모델: DSC 2910)와 TGA (모델: SDT 2960)를 사용하여 60 ㎖/min의 질소 분위기와 몇 가지 가열 조건하에서 열분해 특성을 분석하였다. 분석에 사용된 시료의 무게는 AP, AN, 추진제는 약 3 ㎎이었으며, BuNENA 와 HTPE는 약 10 ㎎이었다.
K형 온도 센서를 사용하여 오븐 내부의 온도와 추진제가 충전된 파이프 표면과 추진제 내부의 온도를 계측시스템에서 10초당 1개씩 측정하였다. 추진제 시편은 내경이 45 ㎜, 높이가 200 ㎜인 무용접 스틸 파이프에 충전하고 스틸 마개와 파이프 양쪽을 204 Nm의 토크로 조여 주었다. 이 때 추진제 중심부의 온도를 측정하기 위하여 추진제 충전 전에 K형 열전대를 심어주었다.
이론/모형
는 가열 속도가 0에서의 점화온도이다. 임계온도 계산에 필요한 활성화에너지는 최대 피크 온도 Tm을 적용하는 Kissinger 방법[7]을 사용하여 Eq. 3으로 계산하였다.
성능/효과
1. 상온에서 액상인 BuNENA와 HTPE는 각각 약 100℃와 180℃에서 TGA상의 onset특성을 가지고 있으며 발열 특성으로 분해됨을 나타내었고 BuNENA와 AN, 그리고 HPTE, AP의 순으로 분해됨을 알 수 있었다.
2. HTPE 002는 시험된 온도범위에서 AN이 약 125℃에서 상전이과정을 거친 후, BuNENA와 AN이 함께 약 200℃범위까지 HPTE 001의 약 2배(약 20%)로 발열특성을 갖고 분해됨을 알 수 있었다.
3. 60℃ 이하에서는 BuNENA의 분해가 거의 일어나지 않음을 확인하였고 HTPE 001은 250℃, HTPE 002는 152℃에서 반응이 있어났으며, 두 추진제 모두 115℃부근에서 급격한 온도 상승이 일어났다.
HTPE 001과 HTPE 002의 압력 지수는 각각 0.38과 0.53, 연소속도는 각각 12.3 mm/s와 9.8 mm/로 AN이 10% 들어간 HTPE 002의 경우가 HTPE 001에 비해 압력 지수는 높고 연소속도는 20% 정도 낮게 나타났다. 기계적 특성은 Table 2에서 볼 수 있는 바와 같이 두 추진제 모두 양호한 값을 나타냈다.
상온에서 액상인 BuNENA와 HTPE는 각각 약 100℃와 180℃에서 TGA상의 onset특성을 가지고 있으며 발열 특성으로 분해됨을 나타내고 있다. 이와 같이 본 연구에서 시험된 추진제의 주요 원료들은 BuNENA와 AN, 그리고 HPTE, AP의 순으로 분해됨을 보이고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
급속 및 완속 가열을 구분하는 지표는?
가열 특성(cook-off)은 본래 총포의 총열이 뜨거워져서 실탄이 점화되는 상황을 나타내는 용어였으나, 탄약 또는 무기가 화염에 직접 노출 되거나 자발적인 가열상태와 같은 열적 자극에 어떻게 반응하는 지를 나타내는 용어로 의미가 확장되었다. 온도 구배(dT/dx)와 가열 속도(dT/dt)가 급속 및 완속 가열을 구분하는 지표로 사용되며, 온도 구배가 수 백 ℃/m 단위로 크고 가열 속도가 수백 ℃/min 단위로 클 경우를 급속 가열로 규정하고, 상대적으로 매우 낮은 온도 구배와 낮은 가열 속도(미국의 표준 가열속도 3.3 ℃/hr)를 갖는 경우를 완속 가열이라 규정한다[2].
United Nations Organization에서는 위험물질을 몇 등급으로 분류하는가?
현재 국제적으로 위험한 물품의 위험등급분류 에는 United Nations Organization(UNO)에 의해서 고안된 위험 등급 분류 코드를 사용하고 있다. UNO의 분류체계는 위험물질을 9등급(class)으로 분류하며, 등급 1은 위험물이 반응시 나타내는 위험 수준과 성질에 따라 6 구분(division)으로 나뉘어 진다[3]. 이 중 UN Test Series 7에 규정된 7개 항목의 물질 시험과 4개항목의 물품시험을 통과한 시험 물품을 1.
가열 특성의 의미는 어떻게 확장되었는가?
가열 특성(cook-off)은 본래 총포의 총열이 뜨거워져서 실탄이 점화되는 상황을 나타내는 용어였으나, 탄약 또는 무기가 화염에 직접 노출 되거나 자발적인 가열상태와 같은 열적 자극에 어떻게 반응하는 지를 나타내는 용어로 의미가 확장되었다. 온도 구배(dT/dx)와 가열 속도(dT/dt)가 급속 및 완속 가열을 구분하는 지표로 사용되며, 온도 구배가 수 백 ℃/m 단위로 크고 가열 속도가 수백 ℃/min 단위로 클 경우를 급속 가열로 규정하고, 상대적으로 매우 낮은 온도 구배와 낮은 가열 속도(미국의 표준 가열속도 3.
참고문헌 (7)
G. E. Jensen and D. W. Netzer, "Taxtical Missile Propulsion", Vol 170, Progress in Astronautics and Aeronautics
"Hazard Studies for Solid Propellant Rocket Motors", Advisory Group for Aerospace Research & Development, AGARD-AG-316, NATO, September
Michael M, Swisdak, Jr, Hazard Class/Division 1.6 : Articles Containing Extremely Insensitive Detonating Substances(EIDS), NSWC TR 89-356
R. I. Caro, " Hydroxy-Terminated Polyether Binders for Composite Rocket Propellants", Defence College of Management and Technology Department of Environmental and Ordinance Systems, PhD Thesis, 2006
Department of Defense Acquisition Manager's Handbook for Insensitive Munitions, 2004
Wang T., et al., "DSC Research on Critical Temperature in Thermal Explosion Synthesis Reaction $Ti+3Al{\rightarrow}TiAl_3$ ", J. Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 67, 2002, pp.605-611
Kissinger H. E.,"Reaction Kinetics in Differential Thermal Analysis", Analytical Chemistry, Vol. 29, No. 11, Nov., 1957, pp.1702-1706
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