화약 기반 소자 (PMD)에서 장기간 보관을 하게 되면 소자 안에 있는 화약이 노화되어 폭발력에 변화가 생기기 때문에, 일정 기간이 지나면 폐기 처분을 하게 된다. 그렇기 때문에 PMD 안에 사용하는 화약은 자발적 혹은 외부적 요인에 대하여 화학적 및 물리적으로 안정해야 한다. 기존에 사용되는 화약으로서 $BKNO_3$과 THPP를 대표적으로 이용하기 때문에, 이 화약들을 기반으로 하여 열역학적 및 속도론적 분석을 실시하였다. Differential scanning calorimeter (DSC)를 이용하여 발열량과 반응속도를 분석하였는데, 그 결과 THPP에서는 열량 차이 및 반응속도에 큰 변화가 보이지 않았다. 추가적으로, 노화에 직접적으로 연관되는 산화막 형성을 확인하기 위하여 XPS 및 TEM-EDS 분석하였는데, 열적 분석 결과와 상응하는 결과로서 산화막이 관측 되지 않았다. 이는 THPP가 장기 안정성 측면에서 가장 유명한 화약이라고 판단 할 수 있다.
화약 기반 소자 (PMD)에서 장기간 보관을 하게 되면 소자 안에 있는 화약이 노화되어 폭발력에 변화가 생기기 때문에, 일정 기간이 지나면 폐기 처분을 하게 된다. 그렇기 때문에 PMD 안에 사용하는 화약은 자발적 혹은 외부적 요인에 대하여 화학적 및 물리적으로 안정해야 한다. 기존에 사용되는 화약으로서 $BKNO_3$과 THPP를 대표적으로 이용하기 때문에, 이 화약들을 기반으로 하여 열역학적 및 속도론적 분석을 실시하였다. Differential scanning calorimeter (DSC)를 이용하여 발열량과 반응속도를 분석하였는데, 그 결과 THPP에서는 열량 차이 및 반응속도에 큰 변화가 보이지 않았다. 추가적으로, 노화에 직접적으로 연관되는 산화막 형성을 확인하기 위하여 XPS 및 TEM-EDS 분석하였는데, 열적 분석 결과와 상응하는 결과로서 산화막이 관측 되지 않았다. 이는 THPP가 장기 안정성 측면에서 가장 유명한 화약이라고 판단 할 수 있다.
When stored for long periods in a powder-based device (PMD), the explosive power in the device is aged and the explosive power is changed. Thus, The gunpowder used in the PMD must be chemically and physically stable for both internal and external factors. Since $BKNO_3$ and THPP are used ...
When stored for long periods in a powder-based device (PMD), the explosive power in the device is aged and the explosive power is changed. Thus, The gunpowder used in the PMD must be chemically and physically stable for both internal and external factors. Since $BKNO_3$ and THPP are used as representative gunpowder, thermodynamic and kinetic analyzes were performed based on these gunpowders. Differential scanning calorimeter (DSC) was used to analyze the calorific value and reaction rate. As a result, there was no significant change in caloric value and reaction rate in THPP. In addition, XPS and TEM-EDS analyzes were performed to confirm the formation of oxide films directly related to aging, and no oxide films were observed as a result of thermal analysis. In addition, XPS and TEM-EDS analyzes were performed to confirm the formation of oxide films directly related to aging. As a results, no oxide films were observed. It can be concluded that THPP is the most famous gunpowder in terms of long-term stability.
When stored for long periods in a powder-based device (PMD), the explosive power in the device is aged and the explosive power is changed. Thus, The gunpowder used in the PMD must be chemically and physically stable for both internal and external factors. Since $BKNO_3$ and THPP are used as representative gunpowder, thermodynamic and kinetic analyzes were performed based on these gunpowders. Differential scanning calorimeter (DSC) was used to analyze the calorific value and reaction rate. As a result, there was no significant change in caloric value and reaction rate in THPP. In addition, XPS and TEM-EDS analyzes were performed to confirm the formation of oxide films directly related to aging, and no oxide films were observed as a result of thermal analysis. In addition, XPS and TEM-EDS analyzes were performed to confirm the formation of oxide films directly related to aging. As a results, no oxide films were observed. It can be concluded that THPP is the most famous gunpowder in terms of long-term stability.
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제안 방법
DSC분석을 통하여 2가지 화약에 대해 정확한 열량 변화를 확인하기 위해서는 정확한 양의 화약 분석이 불가능하기 때문에 500°C 부근의 발열량 (빨간 상자)을 330 °C 부근의 KNO3의 녹는점에 해당하는 흡열량 (파란상자)으로 나눠 화약의 양에 상관없는 상대적 발열량 변화를 확인할 수가 있었다.
그렇기 때문에 우리는 내부 요인에 의한 반응을 알아보기위해 THPP와 BKNO3를 Differential scanning calorimetry (DSC)을 이용하여, 외부요인에 의한 반응을 알기 위해 상대습도 50% 조건 및 70 °C에서 가속노화를 시켜 기간별로 열역학적 및 속도론적 노화를 DSC와 AKTS 그리고 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 와 transmission electron microscope - energy dispersive spectroscopy (TEM-EDS) 를 통한 성분분석을 통하여 두 화약의 안정성을 확인해 보았다.
금속이 수분에 의하여 산화가 될 때 산화가 화약 내에서 어떻게 진행되는지 그리고 기존 분석으로 분석이 되지 않아 더 정확한 분석을 하기 위하여 TEM이미지 및 EDS를 측정하였다 (Fig. 3). 여기서 TEM이미지를 통하여 화약의 표면에 붙은 각각의 금속 입자를 관측하였다.
3). 여기서 TEM이미지를 통하여 화약의 표면에 붙은 각각의 금속 입자를 관측하였다. TEM-EDS profile을 확인한 결과 BKNO3의 경우 수분노화가 진행됨에 따라 표면에 산소 발견 확률이 높은 영역이 생기고 더욱 두꺼워 지는 것을 알 수 있다.
여기서 우리는 THPP와 BKNO3에 대하여 노화반응 분석을 하였다. THPP의 경우는 Titanium hydride, potassium perchlorate , 그리고 viton으로 이뤄져 있다.
이는 열역학 적으로 THPP가 더욱 안정하다는 것을 알 수 있다. 열역학적인 노화 뿐 만 아니라 속도록적인 노화를 알기 위해서 상업적 프로그램 ATKS를 이용하여 반응속도를 도출 하였다. 하지만 반응속도는 두 화약 모두 ms의 변화 폭을 가지고 있기 때문에, 크게 변화가 없다고 말할 수 없다.
앞선 결과에서 열역학적 노화 및 속도론적 노화의 주 원인은 수분에 의한 금속의 산화라고 할 수 있다. 이런 금속의 산화를 확인하기 위하여 XPS 분석을 진행하였다. 이는 Fig.
추가적으로, 수분에 의한 영향인지 확인하기 위해 단순 열 71 °C 조건에서 6개월 12개월 노화된 시료에 대해서도 XPS분석을 진행을 하였다.
성능/효과
여기서 TEM이미지를 통하여 화약의 표면에 붙은 각각의 금속 입자를 관측하였다. TEM-EDS profile을 확인한 결과 BKNO3의 경우 수분노화가 진행됨에 따라 표면에 산소 발견 확률이 높은 영역이 생기고 더욱 두꺼워 지는 것을 알 수 있다. 즉, boron은 산화막이 형성된다.
일반적으로 산화물이 형성되면 TEM 이미지가 더 밝아지는 것을 알 수가 있다. 그리고 EDS 이미지 측정를 통하여 발견 원자별 Mapping을 보면 더욱 확연하게 볼 수 있는데, EDS 이미지를 보면, Boron 표면에서 높은 농도의 산소를 확인할 수 있었다. 즉, BKNO3는 수분에 의해 노화가 일어나게 되는데 수분이 Boron과 만나면서 연쇄적인 산화피막을 형성하고 이런 산화피막은 열역학적 및 속도론적으로 열량과 반응속도를 감소시켜 화약의 정밀성을 감소시킨다고 말할 수 있다.
추가적으로, 수분에 의한 영향인지 확인하기 위해 단순 열 71 °C 조건에서 6개월 12개월 노화된 시료에 대해서도 XPS분석을 진행을 하였다. 실험 결과로서 단순 열 노화 조건에서는 12개월이 지나도 B-O 1s에 관련된 peak이 존재하지 않았다. 즉, BKNO3의 노화는 자체적 산화제와의 산화반응이 아닌 외부에서 온 수분에 의한 Boron의 산화가 원인이라는 것을 시사한다.
반면에 THPP의 경우는 수분노화가 진행이 되어도 전에 분석한 결과와 마찬 가지로 변화가 없는 것을 확인 할 수 있었다. 추가적으로, TEM이미지를 보면 산화막이 형성된 Boron에 대해서 수분노화를 시키지 않은 화약에 비해 수분노화를 시킨화약 표면에 좀 더 밝은 이미지가 형성되는 것을 확인 할 수가 있다. 수분노화가 16주에 걸쳐진행될수록 더 두꺼워지는 것을 관측할 수 있다.
순수한 Boron같은 경우는 189 eV(B 1s)의 바인딩에너지에서 신호가 나오게 된다. 하지만 수분노화가 진행되어 Boron이 산화가 되면 더 높은 바인딩 에너지 (193 eV (B-O 1s)에서 peak이 형성되는 것을 확인 할 수 있고 수분노화 기간이 길어질수록 더욱 두드러지는 것을 확인 할 수가 있다. 하지만 THPP의 경우는 Boron과 같은 높은 바인딩 에너지는 관측 되지 않고 표면으로 바인더 및 산화제가 드러나 Intensity가 전체적으로 감소만 하는 것을 확인 할 수가 있었다.
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