나노 및 마이크로 크기의 알루미늄(Al) 분진은 매우 높은 연소열을 가지고 있어서 로켓 추진체와 폭발물 등을 제조하는 원료로 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 크기의 입자경 (70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$)을 가진 알루미늄 분진을 사용하여 열분해 위험성을 실험적으로 검토하였다. 이를 위해 열중량분석장치(TGA)를 사용하여 승온속도의 변화에 따른 열분해특성을 조사하고 입경이 다른 나노 및 마이크로 크기의 Al에서의 중량개시온도(Temperature of weight gain)로부터 발화온도를 추정하였다. 승온속도가 동일한 조건에서 Al분진의 중량개시온도는 입경이 증가할수록 또한 공기중 승온속도가 증가할수록 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 실험결과로부터 Al분진의 열분해 위험성은 분진 입자경의 증가와 함께 감소할 것으로 추정되었다.
나노 및 마이크로 크기의 알루미늄(Al) 분진은 매우 높은 연소열을 가지고 있어서 로켓 추진체와 폭발물 등을 제조하는 원료로 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 크기의 입자경 (70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$)을 가진 알루미늄 분진을 사용하여 열분해 위험성을 실험적으로 검토하였다. 이를 위해 열중량분석장치(TGA)를 사용하여 승온속도의 변화에 따른 열분해특성을 조사하고 입경이 다른 나노 및 마이크로 크기의 Al에서의 중량개시온도(Temperature of weight gain)로부터 발화온도를 추정하였다. 승온속도가 동일한 조건에서 Al분진의 중량개시온도는 입경이 증가할수록 또한 공기중 승온속도가 증가할수록 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 실험결과로부터 Al분진의 열분해 위험성은 분진 입자경의 증가와 함께 감소할 것으로 추정되었다.
Aluminum dusts, from micro to nano-scale, are widely used in various applications such as propulsion and pyrotechnic compounds because of high burning rate. In this study, the pyrolysis hazard of aluminum dusts with different median size (sized by 70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$...
Aluminum dusts, from micro to nano-scale, are widely used in various applications such as propulsion and pyrotechnic compounds because of high burning rate. In this study, the pyrolysis hazard of aluminum dusts with different median size (sized by 70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$) were investigated experimentally. The thermal decomposition characteristics of aluminum dusts with the variation of heating rate were investigated using TGA (Thermo gravimetric analysis) and was estimated the minimum ignition temperature from temperature of weight gain in nano and micro-sized aluminum dusts with different diameter. In the same condition of heating rate, the temperature of weight gain in aluminum dust layers increased with increasing of particle size and increased with increasing of heating rates in air. From the results, it was estimated that the pyrolysis hazard of aluminum dusts decrease with increasing of mean diameter.
Aluminum dusts, from micro to nano-scale, are widely used in various applications such as propulsion and pyrotechnic compounds because of high burning rate. In this study, the pyrolysis hazard of aluminum dusts with different median size (sized by 70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$) were investigated experimentally. The thermal decomposition characteristics of aluminum dusts with the variation of heating rate were investigated using TGA (Thermo gravimetric analysis) and was estimated the minimum ignition temperature from temperature of weight gain in nano and micro-sized aluminum dusts with different diameter. In the same condition of heating rate, the temperature of weight gain in aluminum dust layers increased with increasing of particle size and increased with increasing of heating rates in air. From the results, it was estimated that the pyrolysis hazard of aluminum dusts decrease with increasing of mean diameter.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 화재폭발사고 위험성이 높은 Al분진이 고온 분위기에 존재하는 경우의 발화위험성에 대해서 분진입경에 따른 영향을 실험적으로 검토하였다. 이를 위해 나노 및 마이크로 크기의 Al분진을 대상으로 열중량분석장치(TGA)를 사용하여 열분해 특성을 조사, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 화재폭발사고의 발생 빈도가 높은 Al분진을 사용하여 입경이 마이크로 크기에서 나노 입자 크기로 감소하는 경우에 열분해 위험성이 어떻게 변하는지를 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 입자경이 서로 다른 나노 및 마이크로 크기의 Al분진을 대상으로 열중량분석장치(TGA ; Thermo gravimetric analysis)를 사용하여 열적 분해특성을 분석하고 결과를 고찰하였다.
제안 방법
산화알루미늄 재질의 시료 용기에 Al 분진을 10 ∼25 ㎎을 투입하고, 시료와 기준 물질을 각각 저울에 올려놓은 후 승온속도를 5, 10, 20, 30 ℃/min로 일정하게 하고, 공기 분위기(유량 50∼60 ㎖/min)의 각각의 조건으로 30∼900 ℃ 온도범위에서 측정하였다.
본 연구에서는 화재폭발사고 위험성이 높은 Al분진이 고온 분위기에 존재하는 경우의 발화위험성에 대해서 분진입경에 따른 영향을 실험적으로 검토하였다. 이를 위해 나노 및 마이크로 크기의 Al분진을 대상으로 열중량분석장치(TGA)를 사용하여 열분해 특성을 조사, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 화재폭발사고의 발생 빈도가 높은 Al분진을 사용하여 입경이 마이크로 크기에서 나노 입자 크기로 감소하는 경우에 열분해 위험성이 어떻게 변하는지를 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 입자경이 서로 다른 나노 및 마이크로 크기의 Al분진을 대상으로 열중량분석장치(TGA ; Thermo gravimetric analysis)를 사용하여 열적 분해특성을 분석하고 결과를 고찰하였다.
대상 데이터
Al분진의 열분해 위험성을 조사하기 위하여 Fig. 2의 TGA/DSC1 (METTLER TOLEDO, Swiss)을 사용하였다. TGA시험장치는 크게 시료의 무게를 측정하는 부분, 온도와 시료의 환경을 조절하기 위한 가열로, 전기/기계 구성품 등을 감싸는 캐비넷으로 구성되어 있다.
9 %)의 입도특성을 입도분석시험 장치(ZetaSizer Nano-ZS90, Malvern Instruments Limited, England)를 사용하여 조사한 결과를 Table 1에 나타냈다. 실험에 사용한 Al 분진은 나노 크기의 2종 및 마이크로 크기의 2종 등 총 4종류의 시료를 사용하였다. 특히 2종의 나노 Al분진 시료는 평균입경이 각각 70 및 100 nm가 되도록 제조된 것을 구매(Greenre Source 제품, 99.
실험에 사용한 Al 분진은 나노 크기의 2종 및 마이크로 크기의 2종 등 총 4종류의 시료를 사용하였다. 특히 2종의 나노 Al분진 시료는 평균입경이 각각 70 및 100 nm가 되도록 제조된 것을 구매(Greenre Source 제품, 99.9 %)하여 사용하였다. 그러나 입도분석에 의한 실험 결과에서는 Table 1과같이 평균입경이 각각 183 nm, 233 nm가 얻어져 실제 입경보다 큰 값으로 조사되었다.
데이터처리
이러한 원인으로 인해 측정값(Average diameter, Dp)이 실제 입경보다 크게 측정된 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 각 시료의 명칭은 Table 1의 평균값(Mark in Figures)을 사용하여 구분하였다.
성능/효과
(1) 나노 Al분진(70 nm, 100 nm)은 고온 분위기에서 초기에 중량이 감소하다가 발열 피크 발생과 동시에 급격한 중량 증가가 발생하였다. 그러나 마이크로 스케일의 Al분진(6, 15 μm)에서는 산화로 추정되는 발열과 용융에 의한 흡열이 동시에 발생하면서 중량이 증가하는 경향을 나타냈다.
(2) 동일 조건의 승온속도(5 ℃/min)에서 Al분진의 입경(70 nm, 100 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 중량 개시온도(Temperature of weight gain)는 각각 380, 450, 540, 560 ℃로서 승온속도가 일정한 조건에서 입경의 증가는 중량개시온도의 증가로 나타났다.
(3) 공기 중 승온속도를 5, 10, 20, 30 ℃/min으로 변화시키는 조건에서의 나노 Al분진의 중량개시온도를 조사한 결과, 입경 70 nm에서는 각각 380, 400, 410, 430 ℃로 나타났으며, 100 nm에서는 각각 450, 470, 480, 500 ℃가 얻어졌다. 승온속도의 증가에 따라 발화위험성은 낮아지는 경향을 나타냈다.
(4) Al분진 입경이 감소할수록 중량증가개시온도가 감소하는데 이러한 경향은 승온속도(5, 10, 20, 30 ℃/min)에 관계없이 나타났다. 이러한 결과로부터 입경의 감소가 산화반응속도에 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.
나노 크기의 입자에서는 서로 상이한 경향을 보였는데, 평균입경 Al-70 nm는 가열속도가 증가할수록 중량변화율과 발열량이 감소하였으나, 평균입경 Al-100 nm은 반대로 가열속도가 증가할수록 중량변화율과 발열량이 증가하였다. 가장 변화가 큰 경우는 Al-70 nm로서 각각 59 %의 중량증가와 10,370 J/g의 발열량을 보였다.
9 %)하여 사용하였다. 그러나 입도분석에 의한 실험 결과에서는 Table 1과같이 평균입경이 각각 183 nm, 233 nm가 얻어져 실제 입경보다 큰 값으로 조사되었다. 투과형전자현미경(TEM ; Transmission Electron Microscopy ; Hitachi H-7100FA)을 사용하여 70 nm의 Al입자를 3000배율로 확대하여 관찰한 모습을 Fig.
마이크로 크기의 입자가 커질수록 중량변화율은 증가하였으며, 승온속도가 증가할수록 중량변화율은 감소하였다. 나노 크기의 입자에서는 서로 상이한 경향을 보였는데, 평균입경 Al-70 nm는 가열속도가 증가할수록 중량변화율과 발열량이 감소하였으나, 평균입경 Al-100 nm은 반대로 가열속도가 증가할수록 중량변화율과 발열량이 증가하였다. 가장 변화가 큰 경우는 Al-70 nm로서 각각 59 %의 중량증가와 10,370 J/g의 발열량을 보였다.
동일 조건의 승온속도(5 ℃/min)에서 Al 분진의 평균 입경(70 nm, 100 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 중량개시온도는 Fig. 10에서와 같이 각각 380, 450, 540, 560 ℃로서 승온속도가 일정한 조건에서 입경이 증가하면 중량개시온도는 증가하였다.
7과 같이 마이크로 크기 입자는 산화에 의한 발열과 용융에 의한 흡열이 동시에 관측되었다. 마이크로 크기의 입자가 커질수록 중량변화율은 증가하였으며, 승온속도가 증가할수록 중량변화율은 감소하였다. 나노 크기의 입자에서는 서로 상이한 경향을 보였는데, 평균입경 Al-70 nm는 가열속도가 증가할수록 중량변화율과 발열량이 감소하였으나, 평균입경 Al-100 nm은 반대로 가열속도가 증가할수록 중량변화율과 발열량이 증가하였다.
산화알루미늄의 융점은 2054 °C로 알려져 있는데 [7], 연소를 위해서는 산화알루미늄 입자를 융점 이상의 온도로 올리기 위한 에너지가 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 10에서와 같이 알루미늄 나노 분진에 서는 발화온도로 추정되는 중량개시온도가 마이크로 입자경의 경우보다 감소하는 결과가 얻어졌다. Al이 가열되면 열팽창으로 인해 기존에 형성되어 있던 산화 피막이 녹으며 미 산화된 Al의 산화반응으로 발화가 일어난다.
27%의 중량증가를 보였다. 승온속도가 증가할수록 산화 반응에 참여하는 연소입자는 증가할 것으로 예상할 수 있는데, 나노 및 마이크로의 모든 Al시료에서 입자크기와 가열속도에 상관없이 최종 중량은 증가하고 있지만, 산화반응의 경향성은 마이크로 크기와 나노크기에서 서로 다르게 나타났다. Fig.
나노 Al분진(70 nm, 100 nm)에 있어서 승온속도(5, 10, 20, 30 ℃/min)에 따른 중량개시온도는 입경 70 nm에서는 각각 380, 400, 410, 430 ℃로 나타났으며, 100 nm에서는 각각 450, 470, 480, 500 ℃가 얻어졌다. 승온속도의 증가에 따라 중량개시온도는 증가하는 경향을 나타냈으며 이러한 결과는 승온속도가 증가할수록 발화위험성이 감소함을 나타내고 있다. 동일 조건의 승온속도(5 ℃/min)에서 Al 분진의 평균 입경(70 nm, 100 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 중량개시온도는 Fig.
(2) 동일 조건의 승온속도(5 ℃/min)에서 Al분진의 입경(70 nm, 100 nm, 6 μm, 15 μm)에 따른 중량 개시온도(Temperature of weight gain)는 각각 380, 450, 540, 560 ℃로서 승온속도가 일정한 조건에서 입경의 증가는 중량개시온도의 증가로 나타났다. 이러한 결과로부터 나노 및 마이크로 크기의 Al분진에 있어서 입경감소는 발화위험성을 증가하는 요인이 됨을 알 수 있었다.
또한 나노 크기의 Al의 녹는점은 마이크로 크기 Al의 경우보다 약 30 % 이상 낮아지고 산화피막의 곡률도 커져서 동일 온도조건에서 산화피막 자체가 받는 응력도 증가하며 산화피막 내부의 Al의 부피 팽창도 높아져 산화피막 파괴 현상이 매우 낮은 온도에서 발생하게 되어 발화가 보다 쉽게 일어나는 것으로 보고되고 있다. 이와 같이 Al분진에 있어서 마이크로 크기의 경우보다 나노 크기에서 보다 쉽게 발화가 일어나는 현상은 본 연구 결과에서도 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Al의 폭발사고 발생빈도가 다른 금속분진에 비하여 높게 나타나는 이유는?
알루미늄은 매우 높은 연소열을 가지고 있어서 로켓 추진체와 폭발물을 제조하는 원료로서 많이 사용되고 있는데 [3], 이러한 Al의 연소 위험성은 화재폭발사고 시에 높은 인적, 물적피해의 영향으로 나타나는 원인이 되고 있다. 또한 Al은 경금속으로서 입자 비중이 다른 금속에 비하여 작기 때문에 쉽게 부유하는 특징도 폭발사고 발생빈도가 다른 금속분진에 비하여 높게 나타나는 요인이라 할수 있다. 분진 입자의 연소 화학반응은 주로 물질 표면에서 일어나기 때문에 나노 크기로 작아질수록 단위 질량당의 비표면적이 크게 증가하여 화재폭발 위험성이 증가한다.
나노 및 마이크로 크기의 알루미늄(Al) 분진이 로켓 추진체와 폭발물 등을 제조하는 원료로 사용되는 이유는?
나노 및 마이크로 크기의 알루미늄(Al) 분진은 매우 높은 연소열을 가지고 있어서 로켓 추진체와 폭발물 등을 제조하는 원료로 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 크기의 입자경 (70 nm, 100 nm, $6{\mu}m$, $15{\mu}m$)을 가진 알루미늄 분진을 사용하여 열분해 위험성을 실험적으로 검토하였다.
Al분진이 화재나 폭발이 일어나기 위해서는 산화알루미늄 피막이 제거되어야 하며 이를 위해서는 충분한 크기의 온도조건이나 착화원이 존재해야 하는 이유는?
Al이 공기 중에 존재하면 산소와의 산화반응으로 인하여 Al입자의 표면에 산화알루미늄(Al2O3)이 생성이 되며 연소가 쉽게 일어나지 않는다. 그러므로 Al분진이 화재나 폭발이 일어나기 위해서는 산화알루미늄 피막이 제거되어야 하며 이를 위해서는 충분한 크기의 온도조건이나 착화원이 존재하여야 한다.
참고문헌 (8)
Database for Major industrial accidents, Korea Occupational Safety and Health Agency, (1988-2014)
Han, O.S., Fire and explosion characteristics of combustible nanoparticles, Occupational Safety & Health Research Institute, KOSHA, 2013-OSHIR- 590, 6-8, (2013)
Yetter, R.A., Risha, G.A., Son, S.F., Metal particle combustion and nanotechnology, Proc. Combust. Inst. 32, 1819-1838 (2009)
Han, O.S., Explosion Properties of Nano and Micro-sized Aluminium Particles, KIGAS, Vol.18, No.5, 20-25 (2014)
Kwok, Q., Fouchard, R., Turcotte, A., Lightfoot, P., Bowes, R., Jones, D., Characterization of aluminum nanopowder compositions, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Pyrotechnics, 27, 229-240, (2002)
Eckhoff, R.K., Dust Explosions in the Process Industries, third ed., Gulf Professional Publishing, (2003)
Trunov, M.A., Schoenitz, M., Zhu, X., Dreizin, E.L., Effect of polymorphic phase transformation in $Al_2O_3$ film on oxidation kinetics of aluminum powders, Combust. Flame, 140, 310-318, (2005)
Richard A. Yetter, Grant Risha, Steven F. Son, "Metal particle combustion and nano technology". Proceedings of the Combustion Institute, 32, 1819-1838, (2009)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.