본 연구의 목적은 열안정성을 향상시키는 첨가제 (열안정제)를 이용하여 exo-tetrahydrodicyclopentadiene (exo-THDCP, $C_{10}H_{16}$)의 열안정성을 향상시키는 것이다. 실험 중 실시간으로 추출한 시료를 gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)를 이용해 성분 분석하여 첨가제 성능-exo-THDCP의 열분해성-을 확인하고, 반응시간에 따른 exo-THDCP의 분해생성물의 성분 및 조성 변화를 통해 첨가제의 작용 메커니즘을 규명하였다. 열안정제로써 수소공여체를 사용하여 실험한 결과 1,2,3,4-tetrahydroquinoline (THQ), benzyl alcohol (BnOH) 등을 첨가하였을 때 exo-THDCP의 열안정성이 향상되었다. 이러한 수소공여체 물질들은 개시반응이 진행된 exo-THDCP 라디칼에 수소원자(hydrogen radical)를 제공함으로 라디칼의 반응성을 완화시켜 1차 생성물의 활성을 감소시키어 2차생성물질인 $C_{11}$이상 생성물의 발생을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
본 연구의 목적은 열안정성을 향상시키는 첨가제 (열안정제)를 이용하여 exo-tetrahydrodicyclopentadiene (exo-THDCP, $C_{10}H_{16}$)의 열안정성을 향상시키는 것이다. 실험 중 실시간으로 추출한 시료를 gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)를 이용해 성분 분석하여 첨가제 성능-exo-THDCP의 열분해성-을 확인하고, 반응시간에 따른 exo-THDCP의 분해생성물의 성분 및 조성 변화를 통해 첨가제의 작용 메커니즘을 규명하였다. 열안정제로써 수소공여체를 사용하여 실험한 결과 1,2,3,4-tetrahydroquinoline (THQ), benzyl alcohol (BnOH) 등을 첨가하였을 때 exo-THDCP의 열안정성이 향상되었다. 이러한 수소공여체 물질들은 개시반응이 진행된 exo-THDCP 라디칼에 수소원자(hydrogen radical)를 제공함으로 라디칼의 반응성을 완화시켜 1차 생성물의 활성을 감소시키어 2차생성물질인 $C_{11}$이상 생성물의 발생을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
We investigated thermal stability improvement of exo-tetrahydrodicyclopentadiene (exo-THDCP) with thermal stabilizers (additives). The reaction products were sample during the reactions. The compositions of products were determined by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) to measure thermal d...
We investigated thermal stability improvement of exo-tetrahydrodicyclopentadiene (exo-THDCP) with thermal stabilizers (additives). The reaction products were sample during the reactions. The compositions of products were determined by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) to measure thermal decomposition products of exo-THDCP and to specify mechanism for thermal stabilizers. Hydrogen donors (thermal stabilizers) such as 1,2,3,4-tetrahydroquinoline (THQ), benzyl alcohol (BnOH) increased thermal stability of exo-THDCP. These materials donated hydrogen to radical of exo-THDCP produced after initiation of exo-THDCP. We found that stabilization of exo-THDCP radicals decreased activity of primary products of exo-THDCP and lowered formation of secondary products (above-$C_{11}$ products).
We investigated thermal stability improvement of exo-tetrahydrodicyclopentadiene (exo-THDCP) with thermal stabilizers (additives). The reaction products were sample during the reactions. The compositions of products were determined by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) to measure thermal decomposition products of exo-THDCP and to specify mechanism for thermal stabilizers. Hydrogen donors (thermal stabilizers) such as 1,2,3,4-tetrahydroquinoline (THQ), benzyl alcohol (BnOH) increased thermal stability of exo-THDCP. These materials donated hydrogen to radical of exo-THDCP produced after initiation of exo-THDCP. We found that stabilization of exo-THDCP radicals decreased activity of primary products of exo-THDCP and lowered formation of secondary products (above-$C_{11}$ products).
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 비행체의 연료로 사용되는 exo-tetrahydrodicyclopentadiene (이하 exo-THDCP로 표기)의 열안정성 분석 및 열안정 제를 이용하여 exo-THDCP의 열안정성을 향상시키는 것이다.
제안 방법
연료가 실제 비행체에서 액체 상태인 것을 실험에 반영하기 위해 압력은 45 bar으로 유지하였다. exo-THDCP의 반응물과 생성물의 성분 및 조성은 GC-MS(Agilent 5975C, column: HP-5ms)를 이용하여 분석하였다. 성분 분석시 질량검출기(Mass Detector)에 나타난 해당성분의 스펙트럼 피크가 질량검출기 라이브러리의 주 피크와 두 개 이상 상응하지 않는 것은 성분 규명이 불분명하므로 잔여성분으로 간주하였다.
exo-THDCP의 열분해 실험 및 열안정제를 이용한 열안정성 향상 실험을 수행하였다. 실험은 반응 진행 중 미량의 시료 추출이 가능한 회분식 반응기에서 수행되었다.
exo-THDCP의 열안정성 측정실험은 회분식반응기를 사용하여 수행되었다. 가용압력 200 bar의 스테인리스 스틸 316 재질의 반응기 (160 ml)를 사용하였고, 반응기 재질에 의한 영향을 배제하기 위해 반응기 내부에 석영 재질의 플라스크를 장착한 뒤 exo-THDCP 100 ml를 주입하였다.
exo-THDCP의 반응물과 생성물의 성분 및 조성은 GC-MS(Agilent 5975C, column: HP-5ms)를 이용하여 분석하였다. 성분 분석시 질량검출기(Mass Detector)에 나타난 해당성분의 스펙트럼 피크가 질량검출기 라이브러리의 주 피크와 두 개 이상 상응하지 않는 것은 성분 규명이 불분명하므로 잔여성분으로 간주하였다.
exo-THDCP의 열분해 실험 및 열안정제를 이용한 열안정성 향상 실험을 수행하였다. 실험은 반응 진행 중 미량의 시료 추출이 가능한 회분식 반응기에서 수행되었다. 실험결과 THQ, BnOH를 첨가하였을 때 exo-THDCP의 열안정성이 향상되었다.
열분해 측정 반응실험은 N2를 사용하여 가압한 상태에서 단계적으로 온도를 증가시키면서 진행하였으며 반응 진행 중 1 ml의 연료를 추출하여 성분을 분석하였다. 실험온도는 연료의 열 분해가 일어나기 시작하는 온도인 400 ℃의 온도로 설정하였다.
열에 의한 exo-THDCP 분해를 감소시킬 목적으로 사용된 열안정제의 성능을 파악하기 위해, 390 ℃에서 열안정제를 0.5 wt%를 첨가하여 실험을 수행하여 반응시간에 따른 exo-THDCP의 분해율을 Fig. 3에 나타내었다.
대상 데이터
가용압력 200 bar의 스테인리스 스틸 316 재질의 반응기 (160 ml)를 사용하였고, 반응기 재질에 의한 영향을 배제하기 위해 반응기 내부에 석영 재질의 플라스크를 장착한 뒤 exo-THDCP 100 ml를 주입하였다. 열안정제로 사용된 물질들은 순도 99% 이상의 시약을 TCI Korea에서 구입하여 사용하였으며각 물질에 대한 정보는 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
실험결과 THQ, BnOH를 첨가하였을 때 exo-THDCP의 열안정성이 향상되었다. THQ와 BnOH는 수소원자를 제공하여 열에 의해 생성된 exo-THDCP와 1차 생성물들의 라디칼을 안정화하여 열분해를 완화시키는 것을 확인하였다.
6%로 열안정 효과가 감소한다. 반면에 첨가량을 1.0 wt%로 증가시켜도 연료의 분해도는 7.4%까지 밖에 감소하지 않는 것으로 나타났다. THQ첨가량에 따른 연료의 색깔 변화는 Fig.
성능이 가장 좋게 나타난 THQ의 첨가량에 따른 열안정성 효과는 Fig. 4에 보이는 바와 같이 첨가량이 0.5 wt%였을 때 연료의 분해율이 10%였던 것에 반해 0.1 wt% 첨가시에는 연료 분해율이 16.5%, 0.05 wt% 첨가시에는 17.6%로 열안정 효과가 감소한다. 반면에 첨가량을 1.
실험은 반응 진행 중 미량의 시료 추출이 가능한 회분식 반응기에서 수행되었다. 실험결과 THQ, BnOH를 첨가하였을 때 exo-THDCP의 열안정성이 향상되었다. THQ와 BnOH는 수소원자를 제공하여 열에 의해 생성된 exo-THDCP와 1차 생성물들의 라디칼을 안정화하여 열분해를 완화시키는 것을 확인하였다.
실험결과 열안정제 무첨가시 exo-THDCP는 반응 11.2 h 후 19.5% 분해되는 반면 THQ 첨가시 10%, BnOH 첨가시 13%만 분해되는 개선 효과가 나타났다.
이러한 결과로부터 연료에 첨가되는 첨가제량은 0.5 wt%정도가 첨가량 대비 성능 효율이 가장 높은 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료의 열 안정성을 향상시키는 THQ의 작용 메커니즘에 관해 설명하시오.
이렇게 연료의 열안정성을 향상시키는 THQ의 작용 메커니즘은 다음과 같다. 탄화수소연료가 열에 의해 분해할 때 생성되는 라디칼 (radical) 에 THQ는 수소원자를 제공하여 라디칼을 안정시켜 생성된 라디칼의 2차 분해 및 재결합 반응를 저지하고 THQ 자체는 수소원자가 빠진 Quinoline으로 안정화된다(Fig. 6) [5].
항공기 및 비행체의 속도가 초음속으로 증가함에 따라 발생하는 열적부하로 인해 어떤 문제가 발생할 수 있는가?
항공기 및 비행체의 속도가 초음속으로 증가함에 따라, 공력가열과 비행체 내부에서의 온도 증가가 문제로 대두되고 있다. 이러한 열적부하는 연소기, 노즐, 연료탱크 등에 집중되어 연료 분해에 의한 침적물 발생으로 연료의 흐름에 영향을 끼쳐 시스템제어에 영향을 주며 연료공급 시스템 오작동까지 일으키는 심각한 문제를 야기할 수 있다[1].
항공기와 비행체의 열적부하를 해결하기 위해 단열재를 사용하여 온도를 제어하려는 시도의 한계점은 무엇인가?
온도제어를 위해 단열재를 사용하는 방법이 있으나 많은 열적부하를 해결하기에는 부족하며 추진기관의 무게를 증가시키는 단점이 있다. 따라서 최근엔 연료를 냉각제로 활용하는 방법이 효과적인 대책으로 연구되고 있다[2].
참고문헌 (5)
D. Petley, "Thermal Management for a Mach 5 Cruise Aircraft Using Endothermic Fuel," AIAA 90-3284, 1990
H. Huang, et al., "Endothermic heat-sink of hydrocarbon fuels for scramjet cooling," AIAA 2002-3871, 2002
B. Stiegemeier, et al., "A thermal stability and heat transfer investigation of five hydrocarbon fuels," AIAA 2002-3873, 2002
S. H. Park et al., "Thermal Stability and Isomerization Mechanism of exo-Tetrahydrodicyclopentadiene: Experimental Study and Molecular Modeling," Ind. Eng. Chem. Res., 2010, Vol. 49, No. 18, pp.8319-8324
Emily M. Yoon et al, "High-Temperature Stabilizers for Jet Fuels and Similar Hydrocarbon Mixtures. 1. Comparative Studies of Hydrogen Donors," Energy & Fuels 1996, Vol. 10, No. 3, pp.806-811
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.