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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.
- 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 연구에서는 등온 DSC 실험을 수행하였다. 등온 DSC 실험의 결과를 Fig.
제안 방법
- 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.
- 두 가지 형태의DSC 실험이 수행되었는데 첫째로 통상적으로 화약의 화학반응식 도출에 사용되는 가열률 DSC 실험이 수행되었으며, 두번째로 상변화현상에 의한 문제점을 해결하기 위한 등온 DSC 실험이 수행되었다. 가열 DSC 실험은 0.5, 1.0, 2.0 그리고 4.0℃/min에서 수행되었으며 30~450℃의 온도 범위에서 실험이 수행되었다. 사용된 샘플의 질량은 2.
- 도출된 알루미늄 고함유 화약의 반응속도식을 이용하여 DSC 실험과 동일한 조건하에서 화학 반응률 그리고 화학반응에 따른 생성물 질량 분율에 대한 전산모사를 수행하였다. 전산모사에 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
- 본 실험에 사용된 DSC 장비는 Mettler Toledo 사의 DSC821e 가 사용되었다. 두 가지 형태의DSC 실험이 수행되었는데 첫째로 통상적으로 화약의 화학반응식 도출에 사용되는 가열률 DSC 실험이 수행되었으며, 두번째로 상변화현상에 의한 문제점을 해결하기 위한 등온 DSC 실험이 수행되었다. 가열 DSC 실험은 0.
- 55 mg 범위이다. 등온 DSC실험은 165, 170, 175℃ 에 대해서 수행되었다. 실험에 사용된 샘플의 질량은 3.
- 새로 수행된 등온 DSC 실험의 경우 204℃ 바로 아래의 온도의 경우 실험 초기부터 높은 온도로 인해 대상 화약의 높은 화학반응이 발생하여 측정이 불가하다. 따라서 본 실험에서는 175, 170, 165℃의 세 가지 경우에 대해 실험이 수행되었다. 반응속도식 추출을 위해 다양한 형태의 열하중이 적용된 DSC 실험이 사용될 경우 다양한 열 하중 형태를 반영한 반응속도식 이라는 점에서 반응속도식의 신뢰성과 정확도가 향상된다고 보고된 바 있다[7].
- 또한 도출된 DSC 반응속도식을 활용하여 완속가열 전산모사를 수행함으로써 DSC 반응속도 식의 전산모사에의 적용가능성을 확인하였다.
- 반응속도식 추출을 위해 다양한 형태의 열하중이 적용된 DSC 실험이 사용될 경우 다양한 열 하중 형태를 반영한 반응속도식 이라는 점에서 반응속도식의 신뢰성과 정확도가 향상된다고 보고된 바 있다[7]. 이러한 측면에서 본 연구에서는 가열률에 의한 열 하중(0.5℃/min) 그리고 등온 가열에 의한 열 하중(175, 170, 165℃)을 모두 반영한 반응속도식을 제안하였다.
- 추출된 고에너지 물질의 반응속도식을 적용하여 완속가열실험(Slow Cook Off – SCO)을 분석하여 제안된 반응식의 정확도를 평가 검증 하고자 한다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 DSC 장비는 Mettler Toledo 사의 DSC821e 가 사용되었다. 두 가지 형태의DSC 실험이 수행되었는데 첫째로 통상적으로 화약의 화학반응식 도출에 사용되는 가열률 DSC 실험이 수행되었으며, 두번째로 상변화현상에 의한 문제점을 해결하기 위한 등온 DSC 실험이 수행되었다.
- 등온 DSC실험은 165, 170, 175℃ 에 대해서 수행되었다. 실험에 사용된 샘플의 질량은 3.03~3.07 mg 이다.
데이터처리
- DSC 반응속도식의 전산모사 문제에의 적용가능성을 확인하기 위해 완속가열 전산모사를 수행하고 실험값과 비교하였다. 완속가열 전산모사를 위해 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
- DSC를 이용하여 측정된 고에너지 물질의 신호를 Friedman 등전환법 원리를 적용하여 분석하였다. 또한 추출된 반응속도식을 이용하여 화학반응률 그리고 생성물질량분율에 대한 전산모사를 수행하였으며 실제 실험결과와 비교하였다.
이론/모형
- 또한 ODTX 실험의 경우 실제 실험 데이터에 또 한번의 수치적 접합과정을 거쳐 반응속도식을 추출하지만 DSC실험을 활용할 경우 인위적인 접합과정 없이 이론적인 방법만을 통해 반응속도식을 추출해낼 수 있다는 장점이 있다[4]. DSC를 이용하여 측정된 고에너지 물질의 신호를 Friedman 등전환법 원리를 적용하여 분석하였다. 또한 추출된 반응속도식을 이용하여 화학반응률 그리고 생성물질량분율에 대한 전산모사를 수행하였으며 실제 실험결과와 비교하였다.
성능/효과
- 보통 한쌍의 활성화 에너지와 빈도인자가 한 단계의 화학반응과정을 나타낸다고 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 전체화학반응과정을 매우 세밀하게 기술해내는 속 도식임을 알 수 있다. 기존의 전산모사 목적으로 사용되던 화학반응속도식이 전체 화학반응 과정을 몇 가지 단계로 간략하게 가정하고 추가적으로 인위적인 접합과정을 통해 얻어지는 반응속도식임을 생각해 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 이론적 그리고 정확성 측면에서 상당한 장점을 갖고 있다고 판단된다.
- 화학반응률과 생성물 질량 분율 전산모사의 경우 전체적으로 전산모사 값과 실험을 통해 측정된 값이 유사함을 확인할 수 있다. 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.
- 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.
- 5와 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 속 도식임을 알 수 있다. 기존의 전산모사 목적으로 사용되던 화학반응속도식이 전체 화학반응 과정을 몇 가지 단계로 간략하게 가정하고 추가적으로 인위적인 접합과정을 통해 얻어지는 반응속도식임을 생각해 볼 때 본 연구를 통해 추출된 반응속도식은 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.
- 본 연구에서는 5%의 편차를 갖는 기준을 만족시키는 발열량과 반응속도 식 값을 도출하였으며 측정된 발열량값은 Q =1029.1 J/g (발열) 이다.
- 폭발시간과 폭발온도를 실험과 매우 유사하게 재현해냄을 확인할 수 있으며 Table 1에서 정량적인 폭발 시간과 폭발 온도를 확인할 수 있다. 실제 실험결과와 DSC 반응속도 식을 이용한 전산모사 결과가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있다.
- 11에 나타내었다. 실험 결과와 비교할 때, 전산모사를 통해 매우 정밀하게 완속가열에 의한 폭발현상을 재현해내고 있음을 확인할 수 있다. 또 Fig.
- 8과 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. 측정된 실험결과에서 확인할 수 있듯이 가장 높은 가열률의 DSC 실험 결과에서 상변화로 인한 흡열 반응이 발생함을 볼 수 있다.
- 측정된 결과를 보면 온도 상승률이 높을수록 화학반응이 시작되는 온도와 화학반응이 종료되는 온도가 높아짐을 알 수 있다. 측정된 실험결과에서 확인할 수 있듯이 가장 높은 가열률의 DSC 실험 결과에서 상변화로 인한 흡열 반응이 발생함을 볼 수 있다. 이 흡열 반응은 고체에서 액체로의 상변화를 나타내는데, 즉 흡열 시그널 이후의 발열 시그널은 고체 상태에서의 폭약의 화학반응이 아닌 액체 상태에서의 화학반응을 의미한다.
후속연구
- 반면 본 연구에서 제안된 반응속도식은 실제 화학반응에 의해 생성되는 중간 생성물들의 질량은 고려하지 않기 때문에 확산에 의한 반응률이 고려되어야 하는 문제에 적합하지 않다는 한계점을 갖고 있다. 따라서 화학반응에 의한 반응률이 지배적인 문제들에 적용되어야 할 것이다.
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