발간 현황

추진제 원료의 기본 구성은 바인더 프리폴리머로 HTPB(Hydroxy-terminated polybutadiene)를 사용하였다. 경화제로는 IPDI(Isophorone diisocyanate)를 투입해 당량비는 0.750으로 제조하였다. 산화제로는 AP(Ammonium Perchlorate)를 투입했고, 금속연료는 Al(Aluminum)을 사용하였다. Table 1에 해당 추진제 조성을 표로 나타내었다.

추진제의 기계적 물성 측정은 규격서 ASTM D 412를 토대로 수행하였다. Table 2와 같이 인장 시험은 경화가 완료된 추진제로 JANNAF 시편을 만들어 크로스헤드의 속도 50 mm/min으로 시험을 수행하였다. 실험실 온도는 20℃, 습도는 38% (RH)를 유지하였다. 추진제의 최대 인장강도는 최대 인장강도는 Sm (stress at maximum load, bar)이며, 최대 인장강도에서의 연신율은 Em (strain at maximum load, %)로 나타내었다.

후경화(Post-cure) 시험을 위해 경화가 완료된 추진제 시편을 JANNAF 형상으로 제작하였다. 외부 영향을 최소화하기 위해 알루미늄 파우치에 시편을 넣고, 20℃ 온도 챔버에 8주간 보관하였다. 본 연구에서는 경화 조건별 4개 이상의 시편 시험을 수행하여 그 평균값을 사용하였다.

경화가 완료된 추진제를 5x5x5(mm) 크기로 시편을 절단한 후, TMA 기기로 –60℃∼ +60℃온도 범위에서 추진제 시편의 치수 변화를 측정한다. 사용한 TMA 기기는 TA Instrument의 TMA 2940 이다.

가속노화 시험을 위해 경화가 완료된 추진제 시편을 JANNAF 형상으로 제작하였다. 외부 영향을 최소화하기 위해 알루미늄 파우치에 추진제 시편을 넣고, 20℃, 50℃, 60℃ 온도 챔버에 12주간 보관하였다. 본 연구에서는 경화 조건별 4개 이상의 시편 시험을 수행하여 그 평균값을 사용하였다. 주기적으로 물성 측정을 통해 가속 노화 특성을 관찰하였다.

Step 경화 조건을 설정하기 위해 아래의 표와 같이 5가지의 경화 조건을 설정하였다. HTPB/AP계열 추진제 3BT를 혼화하여 Table 3. 에서 보이는 바와 같이 5가지 조건으로 경화하여 인장시험을 통해 추진제의 기계적 물성을 비교하였다.

Table 4에서 보이는 바와 같이 1BT에서는 1번 경화 조건의 Sm 결과가 8.78이며 3번 경화 조건일 때는 8.73으로 나타났다. Em 결과는 1번 조건 45.40 대비 3번 경화 조건에서는 46.87로 나타났다. 2BT에서는 1번 경화 조건의 Sm 결과가 9.32이며 3번 경화 조건일 때는 9.31로 나타났다. Em 결과는 1번 조건 43.75 대비 3번 경화 조건에서는 43.91로 나타났다. 3BT에서는 1번 경화 조건의 Sm 결과가 8.50이며 3번 경화 조건일 때는 8.54로 나타났다. Em 결과는 1번 조건 44.62 대비 3번 경화 조건에서는 45.70로 나타났다.

1BT∼3BT에서 원료 Lot 변화에 따라 약간 차이는 있으나 정상 경화 조건인 Reference 1번과 비교했을 때 3번 경화 조건(60℃ 1일/65℃ 3일)이 가장 유사한 기계적 물성을 나타내는 것을 알 수 있다.

Step 경화 후 추진제의 후경화(Post-cure) 현상을 분석하여 정상 경화 대비 Step 경화로 인한 물성 영향을 확인하고자 하였다. 동일 배치의 추진제 시편을 받은 후 1번(ref. 60℃ 5일) 및 3번 조건(60℃ 1일/65℃ 3일)으로 경화 시켰다. 경화 완료된 추진제 시편을 20℃ 온도 챔버에 8주간 보관하여 후경화 시험을 진행하였다. 경화 조건당 4개 이상의 시편 시험을 수행하여 그 평균값을 사용하였다. 또한, 추진제의 열팽창 계수를 측정하여 Step 경화를 했을 때, 추진제 후경화 특성을 분석하였다. 기존 후경화 반응 시험은 20℃에서 최대 25주 동안 저장하면서 주기적으로 물성 측정을 하는 것이 일반적이다[7]. 하지만, Fig. 1∼2에 보이는 바와 같이 약 4주 이후부터 Sm 및 Em 변화 값이 감소하고 있어 후경화가 안정화 되는 시점으로 파악했으며, 양산 적용 및 생산성 향상을 위해 후경화 시험을 8주로 진행하였다.

Fig. 1 
Tensile Test result_Sm (bar).

Fig. 2 
Tensile Test result_Em (%).

Fig. 1에서 보이는 바와 같이 경화 조건에 무관하게 Sm(bar) 결과가 유사한 것을 알 수 있다. Fig. 2에서는 3번 경화 조건으로 Step 경화를 진행했을 때 후경화 기간이 경과할수록 후경화 기울기가 감소되는 경향을 알 수 있다. Fig. 3에서 보이는 바와 같이 Modulus 의 경우 그래프의 기울기는 유사하지만 Step 경화 시 정상 경화 대비 그래프가 shift-down 된 것을 알 수 있다. 이는 동일한 하중 적용 시 Step 경화 시의 추진제의 변형률이 낮다는 것을 의미한다. Fig. 4와 같이 열팽창 계수를 측정한 결과 경향성이 떨어지지만, 전반적으로 Step 경화 시 열팽창 계수가 정상 경화 대비 낮은 것을 알 수 있다. 열팽창 계수가 낮다는 것은 온도 변화에 의한 그레인 수축/이완 거동이 작다는 것을 의미한다. 이는 구조해석 시 최대 변형율이 감소하게 된다[8]. 이를 통해 정상 경화 대비 Step 경화 시 추진제의 후경화(Post-cure) 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 이를 통해 경화 기간 단축의 가능성을 확인하였고, 추후 양산에 적용하여 여러 배치의 경향성을 분석하고자 한다.

Fig. 3 
Tensile Test result_Eo (modulus).

Fig. 4 
Thermal expansion factors (e).

Step 경화 후 추진제의 가속 노화 시험을 통해 정상 경화 대비 Step 경화로 인한 물성 영향을 확인하고자 하였다. 동일 추진제의 시편을 확보한 후 3번 조건 (60℃ 1일/65℃ 3일)으로 경화하였다.

경화 완료된 추진제 시편을 20℃, 50℃, 60℃ 온도 챔버에 12주간 보관하여 가속 노화 시험을 진행하였다. 0주, 1주, 2주, 4주, 8주, 12주에 추진제의 기계적 물성을 측정하였다. 대략 8주차부터 Sm, Em, Eo의 기계적 물성 변화율이 감소하며, 양산 적용 및 생산성 향상을 위해 가속 노화 시험을 12주로 진행하였다.

Table 5∼7 에 보이는 바와 같이 가속노화 모든 온도 조건인 20℃, 50℃, 60℃에서 12주차 시간이 지남에 따라 Sm, Eo는 증가하고, Em는 감소한다. 추진제의 노화가 진행될수록 추진제가 경화되는 특성을 보인다. 이는 Step 경화로 충분한 우레탄 결합이 이루어지기 전에 get-time 도달이 빨라 미반응 반응기가 추가 경화 반응을 일으키는 것으로 판단된다. 이러한 추가 경화 반응은 모타 충전 시 추진제의 취성화를 가져와 균열 발생 가능성을 높이고, 접착성 저하와 같은 문제를 야기시킬 수 있다[9,10]. 이번 연구를 통해 노화 특성을 파악한 후 추후 양산 적용을 통해 그레인에 대한 영향성 분석이 필요한 부분이다.

60℃ 가속노화 시 Sm은 초기 8.18에서 12주차 이후 10.34로, Eo은 초기 34.32에서 45.09로 증가하였다. Em은 초기 46.40에서 12주차 이후 42.35로 감소했다. 이는 추진제의 노화에 따라 기계적 물성 저하를 의미한다. 하지만, 가속 노화 결과 모든 온도에서 12주차 경과 Sm은 8 bar 이상, Em은 40%이상의 요구되는 기계적 물성을 나타내는 것을 알 수 있다.

Fig. 5∼7는 정상 경화와 Step 경화 시의 가속 노화 결과를 비교한 그래프이다. 각각의 가속 노화 온도 20℃, 50℃, 60℃에서 정상 경화 후의 가속 노화 물성과 비교했을 때 Em 값의 경우 20℃, 50℃에서는 특별한 차이점이 나타나지 않았다. 60℃에서의 Em 값은 감소 기울기가 비슷한 경향인 것을 알 수 있다. Sm 값의 경우, 모든 가속노화 온도에서 Step 경화일 때 정상 경화 대비 빠르게 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 5 
Accelerated Aging Test at 20℃compared to normal curing.

Fig. 6 
Accelerated Aging Test at 50℃compared to normal curing.

Fig. 7 
Accelerated Aging Test 60℃ compared to normal curing.