KR20190125017A - 연료 조성물 및 이를 포함하는 시동기 연료 - Google Patents

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Abstract

바인더 프리폴리머, 글라이옥심계 화합물, 옥사마이드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 냉각제, 고리형 아민계 화합물을 포함하는 산화제 및 탄소계 무기물을 포함하는 점도 조절제를 포함하는 연료 조성물 및 이를 포함하는 시동기 연료에 관한 것이다.

Description

연료 조성물 및 이를 포함하는 시동기 연료 {FUEL COMPOSITION AND FUEL FOR STARTER HAVING THEREOF}
본 기재는 연료 조성물 및 이를 포함하는 시동기 연료에 관한 것이다.
액체 추진 기관 중 터보 펌프를 이용하여 추진제를 공급하는 터보 펌프식 엔진은 시동기를 통하여 초기 터빈을 구동하는데, 이와 같은 시동기의 역할을 하는 것이 파이로 시동기이다. 파이로 시동기 추진제는 한국형 발사체의 요구 조건인 연소 온도 1500K 이하 및 터빈 재질의 파손을 방지하기 위하여 산성 성분이 발생하지 않는 조건을 만족시켜야 한다.
기존의 파이로 시동기 추진제는 산성 성분이 발생하지는 않으나 점도가 약 10Kp 내지 20Kp로 높은 편이기 때문에, 대량 혼화가 어렵고 제작 공정성이 떨어지는 문제점이 있어 왔다.
또한, 연소 속도 조절을 위해 산화제의 비율을 조절하게 되면, 연소 온도가 함께 증가되는 문제점이 추가로 발생될 수 있다.
이와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 미세 금속 분말 첨가제를 이용하였으나, 미세 금속 분말 첨가제는 금속 터빈에 손상을 줄 수 있기 때문에, 파이로 시동기 추진제로는 적용하기에 어려움이 있다.
이에 관련된 기술로는 한국 공개특허 제2001-0033307호가 있다.
본 기재는, 점도 및 연소 속도가 개선된 연료 조성물 및 이를 포함하는 시동기 연료를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물은, 하기 화학식 1로 표시되는 바인더 프리폴리머, 글라이옥심계 화합물, 옥사마이드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 냉각제, 고리형 아민계 화합물을 포함하는 산화제 및 탄소계 무기물을 포함하는 점도 조절제를 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
R1은 C1 내지 C30 알킬, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 모이어티, 또는 이들의 조합이며,
n은 1 내지 100의 정수이고,
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서,
R2 및 R3은 각각 독립적으로, C1 내지 C10 알킬이며,
a 는 0 또는 1이고,
*는 연결지점이다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 시동기 연료는, 전술한 연료 조성물을 포함한다.
본 기재에 의하면 점도 및 연소 속도가 개선된 연료 조성물 및 이를 포함하는 시동기 연료를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물의 점도를 측정한 그래프이다.
도 2는 도 1의 그래프에서 초기 점도 변화를 확대하여 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물의 연소 속도를 측정한 그래프이다.
도 4는 도 3의 그래프에서 초기 연소 속도 변화를 확대하여 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물의 물성을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물은 바인더 프리폴리머, 냉각제, 산화제 및 점도 조절제를 포함한다.
이하에서는 각 구성에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
바인더 프리폴리머
일 구현예에 따른 바인더 프리폴리머는 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 화학식 1에서,
R1은 C1 내지 C30 알킬, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 모이어티, 또는 이들의 조합이며,
n은 1 내지 100의 정수이고,
[화학식 2]
Figure pat00004
상기 화학식 2에서,
R2 및 R3은 각각 독립적으로, C1 내지 C10 알킬이며,
a 는 0 또는 1이고,
*는 연결지점이다.
상기 바인더 프리폴리머는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 3 중량% 내지 20 중량%으로 포함될 수 있다. 바인더 프리폴리머가 상기 함량으로 포함되는 경우, 고체 입자와의 혼합이 가능하면서도 충분한 경화 반응에 의해 추진제 제조 공정이 원활하게 이루어질 수 있다.
상기 바인더 프리폴리머는, 하이드록시 관능기를 2개 포함하는 다이올 중합체 및 하이드록시 관능기를 3개 포함하는 트리올 중합체의 혼합물일 수 있다. 상기 다이올 중합체와 상기 트리올 중합체는 1:1 내지 1:10 중량비로 포함될 수 있다. 일 예로, 1:2 내지 1:9, 1:3 내지 1:7, 1:3 내지 1:5일 수 있다. 바인더의 경우, 분자량이 매우 다양하며, 이에 따라 폴리머의 성질이 상이해지게 되어 연료 조성물의 물성에도 큰 영향을 미치기 때문에, 관능기 개수에 따른 첨가비가 중요하다. 따라서 다이올 화합물과 트리올 화합물이 상기 범위로 포함되어야만, 원활하게 가교 결합이 형성되어 충분한 응력을 만족시킬 수 있으며, 충분한 신율, 경도 등이 발생될 수 있다.
상기 바인더 프리폴리머는 일 예로, 폴리글라이콜라이드(Polyglycolide, PGA), 폴리카프롤락톤(Polycaprolactone,PCP), 폴리에틸렌 글라이콜(Polyethylene Glycol, PEG), 또는 이들의 조합일 수 있다.
냉각제
일 구현예에 따른 상기 냉각제는 글라이옥심계 화합물, 옥사마이드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상기 냉각제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 15 중량% 내지 70 중량%으로 포함될 수 있다. 냉각제가 상기 함량으로 포함되는 경우, 연소 속도가 급격히 상승되지 않도록 연소 온도를 원활하게 제어할 수 있으면서도, 연료 조성물의 비추력, 압력, 질유량 및 점화성을 유지할 수 있다.
상기 냉각제는 하이드록시 관능기를 2 이상 포함할 수 있다. 다시 말해, 다이하이드록시 관능기를 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 냉각제는 하기 화학식 3 또는 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00005
상기 화학식 3에서,
R3 및 R4는 각각 독립적으로, 수소, 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 알킬아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C30 헤테로알킬기, C3 내지 C30 헤테로알킬아릴기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C30 사이클로알키닐기, C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기(-OH), 티올기(-SH), 또는 이들의 조합이며,
[화학식 4]
Figure pat00006
상기 화학식 4에서,
R5 및 R6는 각각 독립적으로, 수소, 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 알킬아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C30 헤테로알킬기, C3 내지 C30 헤테로알킬아릴기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C30 사이클로알키닐기, C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기(-OH), 티올기(-SH), 또는 이들의 조합이다.
상기 냉각제는 일 예로, 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime), 다이메틸 글라이옥심(Dimethyl glyoxime), 다이에틸 글라이옥심(Diethyl glyoxime), 다이프로필 글라이옥심(Dipropyl glyoxime), 다이부틸 글라이옥심(Dibutyl glyoxime), 다이페닐 글라이옥심(Diphenyl glyooxime), 옥사마이드(oxamide), 또는 이들의 조합일 수 있다.
연소 조성물에 첨가되는 냉각제는 일반적으로 생성 에너지가 낮고, 물질 자체가 가지고 있는 산소 함유율이 낮은 특징을 가져야 한다. 산소 함유율(Oxygen Balance, %)은 물질이 완전 연소되기 위하여 필요한 산소량을 기준으로, 물질이 함유한 산소의 과잉분이나 부족분을 물질 분자량에 대해 백분율로 나타낸 것을 의미한다.
상기 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime), 다이메틸 글라이옥심(Dimethyl glyoxime), 다이에틸 글라이옥심(Diethyl glyoxime), 다이프로필 글라이옥심(Dipropyl glyoxime), 다이부틸 글라이옥심(Dibutyl glyoxime), 다이페닐 글라이옥심(Diphenyl glyooxime), 옥사마이드(oxamide), 또는 이들의 조합과 같은 물질은 산소 함유율이 낮아 유리하며, 점화성이 높은 특성을 가진다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 유사한 물리적 특징을 가진 물질이라면 냉각제로 사용될 수 있다.
산화제
일 구현예에 따른 고리형 아민계 화합물을 포함한다. 상기 산화제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 20 중량%으로 포함될 수 있다. 산화제가 상기 함량으로 포함되는 경우, 상기 연료 조성물이 적절한 온도에서 적절한 속도로 연소될 수 있다.
상기 산화제는 일 예로, 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX), 사이클로 테트라메틸렌 테트라나이트라민(Cyclotetramethylene tetranitramine, HMX), 또는 이들의 조합일 수 있다.
연료 조성물의 연소 시 발생하는 연소 가스에 염화 수소 가스가 포함되어 있는 경우, 연소 가스와 접촉하는 구조물이 파손될 수 있으며, 환경 오염에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 일 구현예에서는 연소 가스에 염화 수소 가스가 포함되지 않도록 염소 성분을 포함하지 않는 나이트라민계 산화제를 사용할 수 있다.
점도 조절제
일 구현예에 따른 상기 점도 조절제는 탄소계 무기물을 포함한다. 탄소계 무기물은 일 예로, 카본 블랙(Carbon Black, CB)일 수 있다.
상기 점도 조절제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 2 중량%으로 포함될 수 있다. 점도 조절제가 상기 범위로 포함되면, 연료 조성물의 점도가 낮아질 수 있으며, 연소 속도가 향상될 수 있다. 이에 대해서는 이후 도 1 및 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
기타 첨가제
상기 연료 조성물은 전술한 바인더 프리폴리머, 냉각제, 산화제 및 점도 조절제 이외에도, 가소제, 경화제, 안정제, 결합제, 경화 촉매 등과 같은 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 기타 첨가제들에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
(a) 가소제
가소제는 추진제 혼화 시 점도를 낮추고 추진제 충전까지의 가용시간을 늘려주며 추진제의 연신율을 증가시키는 역할을 한다.
상기 나이트레이트(nitrate, -ONO2) 관능기를 2 이상 포함하는 물질일 수 있다. 나이트레이트 관능기는 일반 가소제와 달리 에너지를 갖는 물질로써 추진제 연소 시 추력 및 연소속도를 증가시키는 역할을 한다.
일 예로, 상기 가소제는 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN), 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN), 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 가소제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 2 중량% 내지 40 중량% 포함될 수 있다. 가소제가 상기 범위로 포함되는 경우, 추진제의 점도 및 물성을 유지하면서, 추진제의 연소속도 및 추력을 만족시킬 수 있다.
(b) 경화제
경화제는 바인더 프리폴리머의 중합이 완료되어 바인더 중합체가 될 때, 바인더 중합체에 경화성을 부여하기 위해 첨가될 수 있다.
상기 경화제는 이소시아네이트(isocyanate)계 경화제를 포함할 수 있다. 일 예로, 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI), 뷰렛트리이소시아네이트(BiuretTriIsocyanate, Desmodur N-100 또는 N-3200(품명))또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 경화제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 10 중량% 포함될 수 있다. 경화제가 상기 범위로 포함되는 경우, 연료 조성물의 연소 성능 및 물성에 영향을 미치지 않으면서, 필요한 경화성을 부여할 수 있다.
(c) 안정제
안정제는 연료 조성물에 포함된 성분들이 서로 분리되지 않고, 원활하게 혼합되도록 안정성을 부여하여, 연료 조성물의 장기 저장에 따른 노화를 방지하기 위해 첨가될 수 있다. 구체적으로, 가소제에 포함된 나이트레이트기가 분해되어 발생된 기체와 반응하여 비휘발성 화합물로 변환되는 물질을 사용하여야 한다.
상기 아민계 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 안정제는 2-나이트로다이페닐 아민(2-nitrodiphenyl amine, 2-NPDPA)과 같은 아민계 화합물을 포함할 수 있다,
또한, 상기 안정제는 나딕 메틸 무수물(Nadic methyl anhydride, NMA)을 더 포함할 수 있다.
상기 아민계 화합물 및 상기 나딕 메틸 무수물은 안정제 총 중량 대비 0:100 내지 100:0 범위로 포함될 수 있다.
상기 안정제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 2 중량% 포함될 수 있다. 이때, 상기 안정제의 함량은 아민계 화합물 및 나딕 메틸 무수물의 총 중량을 기준으로 한다. 안정제가 상기 범위로 포함되는 경우, 연료 조성물의 연소 성능에 영향을 미치지 않으면서, 연료 조성물의 각 성분들이 원활하게 혼합될 수 있다.
(d) 결합제
결합제는 연료 조성물에 포함된 성분들이 프리폴리머와 서로 분리되지 않도록 결합시키기 위해 첨가될 수 있다.
상기 결합제는 일 예로, 중성 고분자형 결합제(neutral polymeric bonding agents, NPBA), 셀룰로스 부탄산 아세트산(Cellulose Acetate Butanoate, CAB), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 결합제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 2 중량% 포함될 수 있다. 결합제가 상기 범위로 포함되는 경우, 연료 조성물의 연소 성능에 영향을 미치지 않으면서, 연료 조성물의 각 성분들이 원활하게 결합될 수 있다.
이상에서는 상기 연료 조성물에 추가로 포함될 수 있는 기타 첨가제에 대해 설명하였다. 다만, 이는 일 예에 불과하며, 필요에 따라 전술한 첨가제 이외의 다른 첨가제가 추가로 포함될 수 있다.
(e) 경화 촉매
경화 촉매는 연료 조성물의 경화 반응 시간을 조절하기 위하여 첨가될 수 있다.
상기 경화 촉매는 일 예로, 유기금속착물일 수 있으며, 상기 유기금속착물은 일 예로, 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB)일 수 있다.
상기 경화 촉매는 연료 조성물의 총 중량 100%에 대하여 0.01 중량% 내지 1.2 중량% 포함될 수 있다. 경화 촉매가 상기 범위로 포함되는 경우, 연료 조성물을 충전하는 공정 중에 경화가 느리게 진행되어 연료 조성물의 충전이 원활하게 진행될 수 있으며, 충전이 완료된 이후에는 적절한 속도로 경화가 완료되어 연료 조성물의 제조가 완료될 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 연료 조성물은 탄소계 무기물을 포함하는 점도 조절제를 포함하여, 기존에 사용되는 연료 조성물에 비해 낮은 점도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 연료 조성물은 3Kp 내지 10Kp의 점도를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물의 점도를 측정한 그래프이며, 도 2는 도 1의 그래프에서 초기 점도 변화를 확대하여 도시한 그래프이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 탄소계 무기물 점도 조절제를 극소량만 첨가하여도 연료 조성물의 점도가 급격히 감소됨을 확인할 수 있다.
상기 연료 조성물은, 연료 조성물의 점도 및 연소 속도를 조절하기 위해 기존에 사용되던 미세 금속 분말 첨가제를 포함하지 않으면서, 이와 비교하여 더 낮은 점도를 가지는 연료 조성물을 제공할 수 있다. 따라서, 미세 금속 분말 첨가제에 의해 금속 터빈에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 대량 혼화가 용이하고, 제작 공정성이 우수한 연료 조성물을 제공할 수 있다.
상기 연료 조성물은 연소 속도가 개선되어, 1500K 이하의 연소 온도 및 2000psi의 연소 압력에서 6mm/s 내지 8mm/s의 연소 속도를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물의 연소 속도를 측정한 그래프이고, 도 4는 도 3의 그래프에서 초기 연소 속도 변화를 확대하여 도시한 그래프이다. 도 3 및 도 4를 참고하면, 상기 연료 조성물의 연소 속도 역시 탄소계 무기물 점도 조절제의 함량이 증가될수록 함께 증가됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물의 물성을 측정한 그래프이다. 도 5를 참고하면, 상기 연료 조성물에 첨가되는 탄소계 무기물 점도 조절제의 함량이 증가될수록 신율(Em)은 감소하고, 인장강도(Sm) 및 경도가 증가됨을 확인할 수 있다.
Sm: 인장강도, Em: 신율, Er: 파단신율, E: 모듈러스, Hs: 경도
이상에서는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 다른 구현예에 따른 시동기 연료에 대해 설명하고자 한다.
시동기 연료는 전술한 것과 연료 조성물을 포함한다. 일 예로, 상기 시동기 연료는 파이로 시동기 추진제일 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하며, 액체 추진 기관 중 터보 펌프를 이용하여 추진제를 공급하는 터보 펌프식 엔진의 시동기에 사용되기 위한 연료라면 본 발명의 실시 범위에 포함될 수 있다.
상기 시동기 연료는 한국형 발사체의 요구 조건인 연소 조건이 1500K 이하를 만족시킬 수 있으며, 1500K 이하에서도 원활한 연소 속도를 발휘할 수 있다. 또한, 미세 금속 분말 첨가제를 포함하지 않으며, 산성 성분이 발생하지 않아 금속 터빈의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 일 구현예에 따르면, 낮은 점도를 가져 대량 혼화가 용이하고 제작 공정성이 우수한 시동기 연료를 제공할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 측면들을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
합성예 1
바인더 프리폴리머 중 다이올 중합체로 다이올-폴리글라이콜라이드(Polyglycolide-diol, PGA) 3 중량%, 바인더 프리폴리머 중 트리올 중합체로 트리올-폴리글라이콜라이드(Polyglycolide-triol, PGA) 10 중량%, 냉각제로 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime, DHG) 54.8 중량%, 산화제로 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX) 3.5 중량%, 점도 조절제로 카본블랙(Carbon Black, CB) 0.05 중량%, 경화 촉매로 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB) 0.05 중량%, 가소제로 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN) 18 중량% 및 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN) 6 중량%, 경화제로 N-100(정확한 물질명 기재 부탁드립니다.) 2.7 중량% 및 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI) 0.2 중량%, 안정제로 2-나이트로다이페닐 아민(2-nitrodiphenyl amine, 2-NPDPA) 0.7 중량% 및 나딕 메틸 무수물(Nadic methyl anhydride, NMA) 0.5 중량%, 결합제로 셀룰로스 부탄산 아세트산(Cellulose Acetate Butanoate, CAB) 0.5 중량%를 포함하는 연료 조성물을 제조하였다.
합성예 2
바인더 프리폴리머 중 다이올 중합체로 다이올-폴리글라이콜라이드(Polyglycolide-diol, PGA) 2.15 중량%, 바인더 프리폴리머 중 트리올 중합체로 트리올-폴리글라이콜라이드(Polyglycolide-triol, PGA) 8.93 중량%, 냉각제로 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime, DHG) 55.94 중량%, 산화제로 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX) 4 중량%, 점도 조절제로 카본블랙(Carbon Black, CB) 0.03 중량%, 경화 촉매로 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB) 0.05 중량%, 가소제로 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN) 19 중량% 및 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN) 6 중량%, 경화제로 N-100(정확한 물질명 기재 부탁드립니다.) 2.35 중량% 및 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI) 0.25 중량%, 안정제로 2-나이트로다이페닐 아민(2-nitrodiphenyl amine, 2-NDPA) 0.5 중량% 및 나딕 메틸 무수물(Nadic methyl anhydride, NMA) 0.5 중량%, 결합제로 중성 고분자형 결합제(neutral polymeric bonding agents, NPBA) 0.3 중량%를 포함하는 연료 조성물을 제조하였다.
합성예 3
바인더 프리폴리머로 폴리카프롤락톤(Polycaprolactone,PCP) 12.57 중량%, 냉각제로 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime, DHG) 55.93 중량%, 산화제로 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX) 3 중량%, 점도 조절제로 카본블랙(Carbon Black, CB) 0.05 중량%, 경화 촉매로 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB) 0.05 중량%, 가소제로 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN) 18 중량% 및 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN) 7 중량%, 경화제로 뷰렛트리이소시아네이트(BiuretTriIsocyanate, Desmodur N-100) 1.15 중량%, (Desmodur N-3200) 1.1 중량% 및 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI) 0.25 중량%, 결합제로 셀룰로스 부탄산 아세트산(Cellulose Acetate Butanoate, CAB) 0.1 중량% 및 중성 고분자형 결합제(Neutral Polymeric Bonding Agents, NPBA) 0.3 중량%를 포함하는 연료 조성물을 제조하였다.
합성예 4
바인더 프리폴리머로 폴리에틸렌 글라이콜(Polyethylene Glycol, PEG) 12.57 중량%, 냉각제로 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime, DHG) 55.93 중량%, 산화제로 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX) 3 중량%, 점도 조절제로 카본블랙(Carbon Black, CB) 0.05 중량%, 경화 촉매로 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB) 0.05 중량%, 가소제로 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN) 18 중량% 및 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN) 7 중량%, 경화제로 뷰렛트리이소시아네이트(BiuretTriIsocyanate, Desmodur N-100) 1.15 중량%, (Desmodur N-3200) 1.1 중량% 및 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI) 0.25 중량%, 안정제로 2-나이트로다이페닐 아민(2-nitrodiphenyl amine, 2-NPDPA) 0.2 중량%, 결합제로 셀룰로스 부탄산 아세트산(Cellulose Acetate Butanoate, CAB)0.1 중량% 및 중성 고분자형 결합제(Neutral Polymeric Bonding Agents, NPBA) 0.3 중량%를 포함하는 연료 조성물을 제조하였다.
비교합성예
바인더 프리폴리머 중 다이올 중합체로 다이올-폴리글라이콜라이드(Polyglycolide-diol, PGA) 2.18 중량%, 바인더 프리폴리머 중 트리올 중합체로 트리올-폴리글라이콜라이드(Polyglycolide-triol, PGA) 8.93 중량%, 냉각제로 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime, DHG) 55.94 중량%, 산화제로 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX) 4 중량%, 경화 촉매로 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB) 0.05 중량%, 가소제로 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN) 19 중량% 및 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN) 6 중량%, 경화제로 N-100(정확한 물질명 기재 부탁드립니다.) 2.35 중량% 및 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI) 0.25 중량%, 안정제로 2-나이트로다이페닐 아민(2-nitrodiphenyl amine, 2-NDPA) 0.5 중량% 및 나딕 메틸 무수물(Nadic methyl anhydride, NMA) 0.5 중량%, 결합제로 중성 고분자형 결합제(neutral polymeric bonding agents, NPBA) 0.3 중량%를 포함하는 연료 조성물을 제조하였다
실시예 1
상기 합성예 1에 의해 제조된 연료 조성물을 포함하는 시동기 연료를 제조하였다.
실시예 2
상기 합성예 2에 의해 제조된 연료 조성물을 포함하는 시동기 연료를 제조하였다.
실시예 3
상기 합성예 3에 의해 제조된 연료 조성물을 포함하는 시동기 연료를 제조하였다.
실시예 4
상기 합성예 4에 의해 제조된 연료 조성물을 포함하는 시동기 연료를 제조하였다.
비교예 1
상기 비교 합성예 1에 의해 제조된 연료 조성물을 포함하는 시동기 연료를 제조하였다.
평가예 1: 점도
혼합된 시동기 연료 시료를 200g 정도 소분하여 BROOKFIELD 점도측정계를 이용하여 점도를 측정하였다.
평가예 2: 연소 속도
제조한 추진제 조성물 시료를 직경 6mm, 길이 140mm로 만들어 원통형 벽면을 Lucite로 처리 후 STRAND BURNER에서 연소된 길이를 연소시간으로 나누어 연소속도를 측정하였다.
상기 실시예 1 내지 4에 제조한 추진제 조성물의 연소가스 온도와 생성 가스는 CEA 프로그램을 이용하여 예측하였다.
점도 (Kp) 연소 온도 (K) 연소 압력 (psi) 연소 속도 (mm/x)
실시예 1 5.6 1367.63 2000 7.13
실시예 2 6.2 1352.72 2000 6.89
실시예 3 5.3 1355.42 2000 6.78
실시예 4 5.2 1361.51 2000 6.72
비교예 1 12.6 1362.12 2000 6.21
상기 표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 시동기 연료는 비교예에 따른 시동기 연료와 비교하여 점도가 낮으며, 더 낮은 연소 온도에서 더 높은 연소 속도를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (27)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 바인더 프리폴리머;
    글라이옥심계 화합물, 옥사마이드계 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 냉각제;
    고리형 아민계 화합물을 포함하는 산화제; 및
    탄소계 무기물을 포함하는 점도 조절제를 포함하는, 연료 조성물:
    [화학식 1]
    Figure pat00007

    상기 화학식 1에서,
    R1은 C1 내지 C30의 사슬형 또는 분지형 알킬, 하기 화학식 2로 표시되는 모이어티, 또는 이들의 조합이며,
    n은 1 내지 100의 정수이고,
    [화학식 2]
    Figure pat00008

    상기 화학식 2에서,
    R2 및 R3은 각각 독립적으로, C1 내지 C10 알킬이며,
    a 는 0 또는 1이고,
    *는 연결지점이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 프리폴리머는 폴리글라이콜라이드(Polyglycolide, PGA), 폴리카프롤락톤(Polycaprolactone,PCP), 폴리에틸렌 글라이콜(Polyethylene Glycol, PEG), 또는 이들의 조합인, 연료 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 프리폴리머는,
    하이드록시 관능기를 2개 포함하는 다이올 중합체; 및
    하이드록시 관능기를 3개 포함하는 트리올 중합체의 혼합물이며,
    상기 다이올 화합물과 상기 트리올 화합물은 1:1 내지 1:10 중량비로 포함되는, 연료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제는 하이드록시 관능기를 2 이상 포함하는, 연료 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제는 하기 화학식 3 또는 하기 화학식 4로 표시되는, 연료 조성물:
    [화학식 3]
    Figure pat00009

    상기 화학식 3에서,
    R3 및 R4는 각각 독립적으로, 수소, 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 알킬아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C30 헤테로알킬기, C3 내지 C30 헤테로알킬아릴기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C30 사이클로알키닐기, C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기(-OH), 티올기(-SH), 또는 이들의 조합이며,
    [화학식 4]
    Figure pat00010

    상기 화학식 4에서,
    R5 및 R6는 각각 독립적으로, 수소, 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 알킬아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C30 헤테로알킬기, C3 내지 C30 헤테로알킬아릴기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C30 사이클로알키닐기, C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기(-OH), 티올기(-SH), 또는 이들의 조합이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제는 다이하이드록시 글라이옥심(Dihydroxy Glyoxime), 다이메틸 글라이옥심(Dimethyl glyoxime), 다이에틸 글라이옥심(Diethyl glyoxime), 다이프로필 글라이옥심(Dipropyl glyoxime), 다이부틸 글라이옥심(Dibutyl glyoxime), 다이페닐 글라이옥심(Diphenyl glyooxime), 옥사마이드(oxamide), 또는 이들의 조합인, 연료 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 사이클로 트리메틸렌 트리나이트라민(Cyclotrimethylene trinitramine, RDX), 사이클로 테트라메틸렌 테트라나이트라민(Cyclotetramethylene tetranitramine, HMX), 또는 이들의 조합인, 연료 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 무기물은 카본 블랙을 포함하는, 연료 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여,
    3 중량% 내지 20 중량%의 상기 바인더 프리폴리머;
    15 중량% 내지 70 중량%의 상기 냉각제;
    0 중량% 초과 20 중량%의 상기 산화제; 및
    0 중량% 초과 2 중량%의 상기 점도 조절제를 포함하는, 연료 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    나이트레이트(nitrate) 관능기를 2 이상 포함하는 가소제를 더 포함하는, 연료 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가소제는 부탄올 트리니트레이트(Butanol trinitrate, BTTN), 트리메틸올에탄 트리니트레이트(Trimethylolethane trinitrate, TMETN), 또는 이들의 조합인, 연료 조성물.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가소제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 2 중량% 내지 40 중량% 포함되는, 연료 조성물.
  13. 제1항에 있어서,
    이소시아네이트(isocyanate)계 경화제를 더 포함하는, 연료 조성물.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 경화제는 아이소포론 다이이소시아네이트(Isophorone isocyanate, IPDI), 뷰렛트리이소시아네이트(BiuretTriIsocyanate, Desmodur N-100 또는 N-3200) 또는 이들의 조합인, 연료 조성물.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 경화제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 10 중량% 포함되는, 연료 조성물.
  16. 제1항에 있어서,
    아민계 화합물을 포함하는 안정제를 더 포함하는, 연료 조성물.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 안정제는 나딕 메틸 무수물(Nadic methyl anhydride, NMA)을 더 포함하는, 연료 조성물.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 안정제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 2 중량% 포함되는, 연료 조성물.
  19. 제1항에 있어서,
    중성 고분자형 결합제(Neutral Polymeric Bonding Agents, NPBA), 셀룰로스 부탄산 아세트산(Cellulose Acetate Butanoate, CAB), EH, 또는 이들의 조합을 포함하는 결합제를 더 포함하는, 연료 조성물.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 결합제는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0 중량% 초과 2 중량% 포함되는, 연료 조성물.
  21. 제1항에 있어서,
    유기금속착물을 포함하는 경화 촉매를 더 포함하는, 연료 조성물.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 유기금속착물은 트리페닐비스무트(Triphenylbismuth, TPB)를 포함하는, 연료 조성물.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 경화 촉매는 상기 연료 조성물의 총 중량 100 중량%에 대하여 0.01 중량% 내지 1.2 중량% 포함되는, 연료 조성물.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 연료 조성물은 3Kp 내지 10Kp의 점도를 가지는, 연료 조성물.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 연료 조성물은 1500K 이하의 연소 온도 및 2000psi의 연소 압력에서 6mm/s 내지 8mm/s의 연소 속도를 가지는, 연료 조성물.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 연료 조성물의 중합체를 포함하는 시동기 연료.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 시동기 연료는 파이로 시동기용 추진제인, 시동기 연료.
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