실체가 없던 물질을 실용화하다
ReSEAT 전문연구위원
전용구
합재료에 적용한 가소제(plasticizer)는 제조과정에서 고체분 자 간의 마찰을 줄이는 윤활제 역할로 혼화공정의 점도를 낮추고, 부드러움을 증진시키는 첨가제이다. 고성능 둔감화약, 총 포추진제 및 로켓추진제 등 복합재료에 첨가되는 에너지 가소제는 혼화공정에서 점도는 낮추면서 각종 감도는 둔하게 한다. 산소를 많 이 함유한 에너지 가소제는 복합재료의 혼화공정을 쉽게 하고, 기폭 연소반응에서 에너지 증대와 연기 생성을 극소화 시킨다. 그리고 무기체계에 적용하는 가소제는 화약 또는 산화제에 부족한 에너지 와 산소를 함유하면서 열적으로 안전해야 한다. 출발물질을 정하는
문제부터 산소와 에너지를 많이 함유하면서 열적으로 안전한 가소 제의 분자구조에 대한 부분까지, 어떻게 이런 물질을 개발해내야 하는지 고민이 시작되었다.
특히 복합화약, 로켓추진제는 조성 내의 산소에 의해서 빠른 완전 연소반응으로 최대의 압력과 발열에너지를 내도록 설계해야 한다. 복합 화약, 로켓추진제의 제조 공정에서 첨가되는 가소제는 윤활제 역할에 의해 고체 연료를 최대한 첨가할 수 있도록 점도는 낮추고, 많은 산소와 에너지를 함유해야 한다.
현재 군에서 사용하는 대표적인 가소제로는 Nitroglycerine(NG)이 있다. 이 가소제는 고성능 복합화약과 로켓추진제 내의 완전 연소를 위하여 부족한 산소를 증가시키고 풍부한 에너지를 가졌다. 하지만 열에 아주 취약하고, 낮은 온도에서 쉽게 분해되기 때문에 아주 위험한 물질 이다. 이 NG 가소제는 총포추진제 조성에 적용하여 추진제로 활용하였 지만, 열에 취약하여 무기체계의 악작용으로 많은 문제점이 도출되고 있다.
산소와 에너지 함유 가소제인 NG의 분자구조는 nitrato(-O-NO2) 기를 함유한 구조로 열적으로 불안전한 분자구조이다. 에너지 함유 가소제는 formal(-CHO-) 형태 또는 ether(-C-O-C-) 형태의 구조로 설계하여 열적으로 안전한 가소제 개발에 착수하였고, 새로운 가소제는 분자구조 내에 –C-O-NO2 구조를 –C-NO2로 변환하여 열적으로 안전한 분자구조의 가소제 개발에 착수 하였다.
이를 개선하기 위한 산소와 nitrate(C-NO2)기를 함유한 가소제는 그림1/2와 같은 Bis(2,2-dinitropropyl)formal (BDNPF)/Bis(2,2- dinitropropyl) acetal (BDNPA) 등이 있다. 이 BDNPF/BDNPA(1:1) 혼합물 가소제는 열적으로 안전하고 에너지도 충족한다. 또한 복합화약
▶▶ 그림2. bis-(2,2-dinitropropyl)acetal(BDNPA)의 합성공정
본 BDNPF/BDNPA(1:1) 가소제 개발의 어려움은 출발 물질인 단량체 2,2-Dinitropropanol(DNP-OH) 합성 기법과 높은 수율 증대에 어려움이 있었다. 특히, 그림2의 DNP-OH에서 BDNPA의 합성 기법에도 많은 어려움이 뒤따랐다. 실험실적 합성 공정에서 니트로
(NO2)기를 포함하고 있는 에너지 함유 치환기를 도입한 DNP-OH을 합성 방법과 생성물 수율을 증대시키는 개발이었다. 단량체인 DNP-OH의 합성은 산화 니트로(Oxidative nitration) 반응 단계에서 사용되는 두 가지 산화제 K3Fe(CN)6 또는 AgNO3 사용에 따라 순도와 수율에서 문제점이 있었다.
지금까지 AgNO3 산화제의 사용한 합성은 수율 90% 및 순도 95%
이상의 DNP-OH를 합성할 수 있는 방법이다. 그러나 AgNO3가 매우 고가이며, 반응 후 회수한 은(Ag)을 재생하는 공정이 복잡하다는 단점이 있었다. 반면, K3Fe(CN)6를 사용해 합성한 DNP-OH은 BDNPA 합성공정에서 불순물의 생성을 억제할 수 있었고 제품의 열적 안정성을 향상시킬 수 있었다. 상기의 합성한 DNP-OH를 사용하여 제조한 BDNPF 및 BDNPA를 같은 비율로 혼화하면 용융점도 낮추는 효과가 있었으며, 이화학적 특성 및 열적 안정성이 아주 우수하였다.
본 연구를 통하여 개발한 합성방법으로 BDNPF 및 BDNPA를 제조 하여 국제적으로 경쟁력 있는 저렴한 가격의 가소제 BDNPF/A 생산이 가능해졌다. 개발한 BDNPF/A의 가소제는 유리 전이 온도도 적절 하였으며, 열적으로 200℃까지 안전하면서 산소와 에너지를 충분히 함유한 가소재로 확인되었다. 그리하여 고성능 둔감화약, 고성능 총포 추진제 및 로켓추진제 적용되었고, 기폭 연소 과정에서 높은 에너지와 무연 추진제가 될 수 있었다. 또한 무기체계의 저장, 운영 및 수명 연장 에도 큰 효과를 보이고 있다. 산업체에서도 복합체 반응물로 사용되며 친환경 완전 연소 반응을 통해 많은 양의 가스와 최대 에너지를 필요로
하는 각종 부품에 적용이 가능한 물질이다.
새로 구상한 에너지 물질을 현실화하기까지 실험실에서 많은 실패를 거듭하며, 개선된 반복 시험으로 많은 시련과 어려움이 있었다. 그러나 지금까지 존재하지 않았던 개발 물질을 실험실에서 손으로 직접 만져 보고 느끼는 기쁨은 무엇으로 표현할 수 없다. 그래서 과학자는 항상 혼자서 생각하고, 실험실의 개발과정의 어려움을 극복하여 얻은 결과에 만족한다. 특히 이번 신물질 연구를 통해 실체가 없던 물질을 실용화 하는데 성공을 거두며 큰 성취감을 느낄 수 있었다.