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문제 정의
- 본 연구에서는 고에너지 물질의 반응속도식을 추출하기 위한 새로운 방법으로서 DSC 실험을 제안하였다. DSC 실험의 경우 ODTX에 비해 실험장비가 매우 간단하고 소형이며 사용되는 폭약의 시료의 양 또한 적다.
제안 방법
- DSC 반응속도식의 전산모사 문제에의 적용가능성을 확인하기 위해 참고문헌[5]의 반응속도식값을 이용하여 완속가열 전산모사를 수행하고 실험값과 비교하였다. 대상으로 삼은 고에너지 물질은 붕소 질산칼륨(B/KNO3) 으로서 점화제로 주로 사용되는 물질이다.
- DSC실험과 Friedman 등전환법을 이용한 고에너지 물질의 반응속도식 추출 방법에 대해 제안하였고 반응속도식 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 고에너지 물질의 화학반응 과정을 몇 단계로 가정하는 방법이 아닌 전체적인 반응 과정을 질량분율에 따라 기술한다는 점에 있어 정확성이 높다는 장점을 갖는다.
- 도출된 알루미늄 고함유 화약의 반응속도식을 이용하여 DSC 실험과 동일한 조건하에서 화학 반응률 그리고 화학반응에 따른 생성물 질량분율에 대한 전산모사를 수행하였다. 전산모사에 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
- 또한 붕소 질산칼륨에 대해 도출된 DSC 반응속도식을 활용하여 완속가열 전산모사를 수행함으로써 DSC 반응속도식의 전산모사에의 적용가능성을 확인하였다.
- 추출된 고에너지 물질의 반응속도식을 적용하여 완속가열실험(Slow Cook Off – SCO)을 분석하여 제안된 반응식의 정확도를 평가 검증 하고자 한다.
데이터처리
- DSC를 이용하여 측정된 고에너지 물질의 신호를 Friedman 등전환법 원리가 적용된 AKTS 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. 또한 추출된 반응속도식을 이용하여 화학반응률 그리고 생성물 질량분율에 대한 전산모사를 수행하였으며 실제실험결과와 비교하였다.
이론/모형
- 또한 ODTX 실험의 경우 실제 실험 데이터에 또 한번의 수치적 접합과정을 거쳐 반응속도식을 추출하지만 DSC 실험을 활용할 경우 인위적인 접합과정 없이 이론적인 방법만을 통해 반응속도식을 추출해낼수 있다는 장점이 있다[4]. DSC를 이용하여 측정된 고에너지 물질의 신호를 Friedman 등전환법 원리가 적용된 AKTS 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. 또한 추출된 반응속도식을 이용하여 화학반응률 그리고 생성물 질량분율에 대한 전산모사를 수행하였으며 실제실험결과와 비교하였다.
- 특정 온도 상승률에서 한번의 DSC 실험을 수행할 경우 결과로서 dα/dt-T, α -T 또는 dα/dt-t, α -t관계도가 도출되고 다른 온도 상승률에서 수행된 여러 번의 DSC 실험결과가 존재할 경우 Friedman 등전환법을 이용하여 화학 반응 변수를 도출할 수 있다[4].
성능/효과
- 203℃에서의 전산모사 결과와 실험결과의 약간의 불일치에 대해 생각해보자면 만약 반응속도식으로서 본 연구를 통해 도출된 바와 같은 전체 반응과정을 통해 지속적으로 변하는 반응속도변수를 사용하지 않는 몇 단계의 주요과정만을 가정하는 기존의 반응속도식을 사용할 경우 203℃에서의 기울기 불연속 현상은 물론 유사한 경향성 조차 전산모사를 통해 나타낼 수 없을 것이라고 생각할 수 있다. 왜냐하면 예를들어 반응속도식을 1, 2단계 혹은 3단계로 나타낸다면 복잡하게 변하는 기울기 불연속 현상을 나타내기 위한 반응속도식 변수의 부족이 명확하기 때문이다.
- 생성물 질량 분율의 경우 역시 203℃지점을 제외 하면 전산모사값과 실험값이 매우 유사함을 확인하였다. 3장에서 도출된 반응속도식을 사용하여 수행된 전산모사결과가 실제실험값과 매우 유사한 결과를 나타낸다는 것은 본 연구를 통해 결정된 반응속도식이 연구대상 물질인 알루미늄 고함유 화약의 화학반응과정을 반응시작부터 반응종료 지점까지 잘 기술하고 있음을 의미한다.
- 5의 형태로 표면적으로는 반응물과 생성물이 A->B 인 일 단계 화학반응식으로 보이지만 Fig. 4와 같이 생성물의 질량분율에 따라 지속적으로 변하는 활성화 에너지 값과 빈도인자 값을 갖는 매우 정밀한 반응속도식 그리고 화학반응 모델을 나타냄을 확인할 수 있다.
- 보통 한쌍의 활성화 에너지와 빈도인자가 한 단계의 화학반응과정을 나타낸다고 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 전체화학반응과정을 매우 세밀하게 기술해내는 속도식임을 알 수 있다. ODTX를 통해 추출되는 화학반응속도식이 전체 화학반응 과정을 몇 가지 단계로 간략하게 가정하고 추가적으로 인위적인 접합과정을 통해 얻어지는 반응속도식임을 생각해 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도 식은 이론적 그리고 정확성 측면에서 상당한 장점을 갖고 있다고 판단된다.
- 4에 의해 알루미늄 고함유 화약의 발열량이 측정되었다. 각 가열률에 대해 4개의 발열량이 도출되는데 이 도출된 값의 평균값을 사용하며 편차값이 10% 이하일 경우 본 연구에 사용된 AKTS-thermokinetics 소프트웨어 에서는 발열량 값이 신뢰성을 갖는다고 제시한다. 본 연구에서는 이러한 신뢰성 기준을 만족하는 발열량과 반응속도식 값을 도출하였으며 측정된 발열량값은 Q = 1024.
- 또한 추출된 반응속도식 변수를 활용하여 화학반응률 그리고 생성물 질량분율에 대한 전산모사를 수행하였으며 전산모사 결과 DSC 실험 결과를 매우 유사하게 재현함을 확인하여 반응속도식을 검증하였다. 또한 1단계 반응속도식으로는 실제 고에너지 물질의 복잡한 화학반응과정을 제대로 재현해낼 수 없음을 확인하였다.
- 또한 추출된 반응속도식 변수를 활용하여 화학반응률 그리고 생성물 질량분율에 대한 전산모사를 수행하였으며 전산모사 결과 DSC 실험 결과를 매우 유사하게 재현함을 확인하여 반응속도식을 검증하였다. 또한 1단계 반응속도식으로는 실제 고에너지 물질의 복잡한 화학반응과정을 제대로 재현해낼 수 없음을 확인하였다.
- 4와 같이 생성물의 질량분율에 따라 지속적으로 변하는 활성화 에너지 값과 빈도인자 값을 갖는 매우 정밀한 반응속도식 그리고 화학반응 모델을 나타냄을 확인할 수 있다. 보통 한쌍의 활성화 에너지와 빈도인자가 한 단계의 화학반응과정을 나타낸다고 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 전체화학반응과정을 매우 세밀하게 기술해내는 속도식임을 알 수 있다. ODTX를 통해 추출되는 화학반응속도식이 전체 화학반응 과정을 몇 가지 단계로 간략하게 가정하고 추가적으로 인위적인 접합과정을 통해 얻어지는 반응속도식임을 생각해 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도 식은 이론적 그리고 정확성 측면에서 상당한 장점을 갖고 있다고 판단된다.
- DSC실험과 Friedman 등전환법을 이용한 고에너지 물질의 반응속도식 추출 방법에 대해 제안하였고 반응속도식 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 고에너지 물질의 화학반응 과정을 몇 단계로 가정하는 방법이 아닌 전체적인 반응 과정을 질량분율에 따라 기술한다는 점에 있어 정확성이 높다는 장점을 갖는다.
- 0℃/min의 가열률에서 기울기의 불연속지점이 발생하는 203℃ 지점을 제외하면 전체적으로 전산모사값과 실험을 통해 측정된 값이 유사함을 확인할 수 있다. 생성물 질량 분율의 경우 역시 203℃지점을 제외 하면 전산모사값과 실험값이 매우 유사함을 확인하였다. 3장에서 도출된 반응속도식을 사용하여 수행된 전산모사결과가 실제실험값과 매우 유사한 결과를 나타낸다는 것은 본 연구를 통해 결정된 반응속도식이 연구대상 물질인 알루미늄 고함유 화약의 화학반응과정을 반응시작부터 반응종료 지점까지 잘 기술하고 있음을 의미한다.
- 폭발 시간과 폭발 온도에 대한 결과를 Table 1에 정리하였다. 실제 실험결과와 DSC 반응속도식을 이용한 전산모사 결과가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있고, 1단계 반응속도식보다 정확한 결과를 나타냄을 확인하였다.
- 7과 같이 단순한 종 모양을 나타낸다. 이는 1단계 반응속도식을 사용할 경우 피할 수 없는 결과로서 실제 실험의 불연속적인 경향성을 재현할 수 없음을 확인하였다. 반면 본 연구를 통해 제시된 반응속도식 (Aα,Eα)을 사용할 경우 실제 실험결과를 비슷한 경향성을 가지며 재현해 냄을 확인할 수 있다.
- 2에 나타내었다. 측정된 결과를 보면 온도 상승률이 높을수록 화학반응이 시작되는 온도와 화학반응이 종료되는 온도가 높아짐을 알 수 있다. 또한 DSC 실험 결과로부터 다음식을 통해 고에너지 물질의 발열량을 구할 수 있다.
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