발간 현황

본 연구에 사용된 HNIW의 동질이성결정체는 β, ε형 2종의 결정체를 사용하였으며, 하기와 같은 분석법을 활용하여 결정 및 입도 특성을 분석하였다.

추진제 원료의 기본 구성은 고체 입자인 산화제로 HNIW 1종, 입도가 다른 RDX 2종 등 총 3종을 사용하였다. 3종의 산화제 총 함량은 58.8%로 고정을 하였다. 본 연구의 핵심인자인 2종의 HNIW의 투입량은 각 30.0%로 고정을 하고 평균 입도 약 41.3 ㎛의 RDX를 15.0%, 평균 입도 약 6.2 ㎛의 RDX를 13.8%를 사용하였으며, 연소 안정제, 연소보조제 및 연소촉매를 4.0% 적용하였다. 나머지 PEG(Polyethylene Glycol) 프리폴리머에 가소제로 TMETN(Trimethylolethane trinitrate) 및 BTTN(1,2,4-Butanetriol Trinitrate), 경화제로 IPDI(Isophorone Diisocyanate) 및 경화 촉매류를 포함하여 총 37.2%를 사용하였다. 추진제의 경화 당량비는 1.10로 제조하였으며, 경화 시 열수축을 최소화하기 위해 50 ℃, 10일 간 경화를 진행하였다.

2종의 결정상을 가진 HNIW를 제외한 나머지 원료들은 동일 함량 및 동일 Spec으로 투입하였으며, 동일한 원료 투입 순서에 맞춰 추진제 혼화를 진행하였다. 1G/L 수직형 혼화기로 1회에 3.0 kg의 추진제를 제작하였으며, 미경화 추진제 및 경화 추진제의 물성 분석을 진행하였다.

추진제의 점도는 혼화 공정이 완료된 직후에 50 ^oC 온도에서 Brookfield 점도계로 1시간 간격으로 경시적 변화를 측정하였다. 또한 경화가 완료된 추진제는 JANNAF 시편으로 제조하여 Universal Tensile Tester로 인장시험에 의해 얻어진 신율-응력 곡선을 해석하여 인장 강도를 획득하였다. 인장 시험 조건은 50 mm/min, 20 ℃에서 시험하였다. 경화된 추진제의 경도는 일반 고무 및 고체 추진제의 경도 측정에 사용되고 있는 Shore A형 경도계로 20 ℃에서 측정하였다. 추진제 연소 속도는 Strand Burner를 사용하여 500 psia 간격으로 1,000 ~ 2,000 psia 범위에서 측정하였다.

HNIW는 4가지 결정상을 가지고 있으며, 각각의 결정에 따라 밀도 및 열적 특성이 다른 것으로 알려져 있다[4]. 본 연구에 사용된 β, ε 결정의 HNIW의 밀도 및 열적 특성은 table 2.와 같이 측정이 되며, 각 시료의 결정상은 Fig. 1에 도시하였다. β, ε 형의 결정상을 가지는 HNIW를 확인하였으며, 각 결정에 따른 화학 구조적 특성은 적외선 분광 분석을 통해 확인하였다.

Fig. 1 
X-ray Diffraction Pattern of HNIWs.

Fig. 2 
Chemical Scheme of Different Crystal Phases of HNIWs. (a) HNIW β-form, b) HNIW ε-form).

적외선 분광 분석 결과 기본적인 화학구조는 유사한 것으로 확인이 되나, N-NO₂ 관능기가 대칭형으로 존재하는 β형 HNIW에 비해 비대칭형인 ε형 HNIW의 N-NO₂ 관능기의 Broad Stretching Vibration peak가 형성되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 3). 이는 N-NO₂ 관능기의 회전에 따른 간섭에 의해 대칭형 인 구조 대비 간섭에 따른 Vibration이 나타나는 것으로 유추된다.

Fig. 3 
FT-IR Spectrum of Different Crystal Phases of HNIWs. (a) Large Scale, b) Small Scale)

HNIW는 약 100 ㎛ 정도로 초기 합성이 되며, 이를 추진제 적용에 적정한 입도로 수직형 볼밀 분쇄 공정을 통해 제작을 한다. 주사 전자 현미경과 레이저 입도 분석을 통해 입도 분포 및 형상을 확인하였다. 분석 결과 분쇄 공정으로 인해 2종의 HNIW 모두 각진 형상이며, 대체적으로 대칭형 입도 분포를 가지는 것으로 확인하였다. 또한 동등 수준의 평균 입도를 가지는 것으로 확인되며, 결정상의 변화에 따른 형상적인 측면은 차이가 없음을 확인하였다.

결정상의 차이에 따라 밀도, 열특성 및 화학적 특성의 차이만 확인되며, 물리적인 특성인 입도 및 형상은 차이가 없는 것으로 확인되었다.

Fig. 4 
SEM Images of Different Crystal Phase of HNIWs. (a) HNIW β-form, b) HNIW ε-form)

2종의 HNIW의 결정상에 따른 분석 결과를 바탕으로 Table 3.에 나타낸 추진제를 혼화하여 특성 분석을 실시하였다.

Fig. 5 
Size Distribution of Different Crystal Phases of HNIWs.

3.2.3 경화 추진제의 연소 속도

각 조건 별 경화 추진제의 연소 속도는 500 psia 간격으로 1,000 ~ 2000 psia, 20 ℃ 조건에서 연소 속도를 측정하였으며, 결과는 Fig. 7에 명기하였다.

Fig. 6 
Viscosity of Propellants with Difference Mixing Crystal Phase of HNIWs.

Fig. 7 
Burnig Rate of Propellants with Difference Pressure.(@1,000 ~ 2,000 psia, 20 ℃)

HNIW의 결정상에 따라 연소 속도가 차이가 나며, 압력이 높을수록 그 편차는 더 커지는 것으로 확인할 수 있었다. 이는 β형 HNIW의 낮은 열안정성에 따라 발생하는 현상으로 유추할 수 있는 부분이다[2].