Formulation, preparation and rheological characterization of eco-friendly gelled bipropellant system

Abstract

고에너지 액체 로켓 추진제 연구의 최신 경향은 친환경 젤화/금속화 시스템의 개발과 이를 실제 로켓 엔진에 사용할 수 있는지를 알아보는 것이다. 이와 관련된 연구는 통상적으로 사용되는 액체 추진제를 젤화 할 수 있다는 사실에서부터 시작되었으며, 금속화할 경우에는 성능과 비추력 밀도를 상당히 높일 수 있는 가능성이 있다. 젤 추진제는 기존의 액체 추진 시스템의 물리적 성질을 적절한 젤화제의 첨가로 변화시킨 것이며 이에 따라 물리적, 화학적 거동은 매우 달라진다. 젤은 비뉴턴 유체이며 유변학적 성질은 생산과 추후의 효과적인 활용 및 품질 관리에 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 젤 시스템을 이해하기 위해 유변학적 특성 분석은 필수적인 과정이며 다양한 목적을 위해 수행된다. 이번 연구에서는 쉽게 구할 수 있으면서도, 경제적이며 친환경적인 에탄올아민 (99.5%), 에탄올 (99.8%)을 연료로 선택했으며 산화제로는 과산화수소 (90%)를 사용했다. 에탄올아민 젤: 본 연구에서는 순수한 아가로스(agarose)와 몇몇 젤화제의 조합(agarose+PVP, aga-rose+SiO2 and PVP+SiO2)으로 에탄올아민 젤을 합성하였으며, 전단속도 1-20, 1-1000 s-1의 범위에서 점탄성을 나타냄과 동시에 항복응력과 칙소성을 보였다. 실험결과 합성한 에탄올아민 젤은 항복응력과 함께 칙소성을 보였다. 겉보기 점도는 온도가 높아질수록 낮아졌으며 활성화 에너지는 에탄올아민-(PVP+SiO2)의 젤이 가장 낮았다. 젤화제의 종류와 조합하는 젤화제의 선택 및 조성비, 그리고 적용된 주파수와 변형 모두는 에탄올아민 젤 시스템의 점탄성에 큰 영향을 미친다는 것을 동적 유변학 연구를 통해 알 수 있었다. 주파수 변화 실험에서 아가로스, 아가로스+PVP, 아가로스+SiO2을 젤화제로 사용한 에탄올아민 젤은 주파수에 따라 선형적인 변화를 나타내는 점탄성 유체였으며 PVP+SiO2를 젤화제로 사용한 젤은 주파수에 독립적인 점탄성 고체였다. 해당 젤 추진제들의 주파수에 따른 손실 계수 변화 역시 논하였다. 에탄올 젤: 메틸셀룰로오스(methylcellulose)를 젤화제로 사용한 금속화 및 비금속화 에탄올 젤과 유변학적 성질(유동 및 동적 변화 연구)을 알아보았다. 유변학적 연구를 통해 전단속도 범위 1-12 s-1에서 항복응력을 보이며, 전단속도 범위 1-12, 1-1000 s-1에서 전단속도가 증가하면 겉보기 점도가 감소하는 사실을 알 수 있었다. 모든 에탄올 젤들은 칙소성을 보였다. 동적 변화 연구에서 모든 젤의 선형 점탄성 구간은 변형%(1-10)에 독립적인 모습을 보였다. 저장탄성계수는 주파수에 따라 변화하였으며 손실탄성계수의 값을 상회했는데, 이것으로 고도로 결합된 젤 물질임이 확인되었다. 손실계수의 값은 모든 에탄올 젤들이 탄성을 가지면서 수많은 가교로 결합된 물리적으로 약한 젤임을 말해준다. 따라서 해당 젤들은 물리적으로 약한 젤로 분류된다. 과산화수소 젤: 과산화수소에 흄드 실리카(SiO2)를 젤화제로 하여 젤을 합성하였으며 유변학적 특성분석을 283.15, 293.15, 303.15 K에 대하여 수행하였다. 과산화수소 젤은 칙소성을 나타내었다. 전단속도 1-20 s-1의 범위에서 항복응력이 있었으며 겉보기 점도의 값은 전단속도에 따라 가파르게 낮아졌다. 특히 이 범위에서 겉보기 점도와 항복응력의 값은 온도가 높아질수록 더욱 급하게 감소하였다. 전단속도 범위 1-1000 s-1의 경우 겉보기 점도의 값이 온도에 따른 큰 차이를 보이지 않았다. 전단속도가 낮을 때나 높을 때나 온도에 따른 칙소성 지수의 변화는 크지 않았다. 동적 변화 연구에서 온도 298.15K의 젤은 변형에 독립적인 것으로 나타났다. 저장탄성계수의 값은 주파수의 변화에 따라 바뀌었으며 손실탄성계수의 값보다 컸는데 이는 고도로 결합된 젤에 가까움을 의미한다. 과산화수소 젤의 손실계수의 값은 수많은 가교로 결합되었음을 보여주며, 따라서 물리적으로 약한 젤로 구분할 수 있다. 자동점화성 이원 젤 추진시스템의 연구에서 총 세 종류의 촉매(Manganese (II) acetylacetonate, Copper (II) chloride and Manganese (II, III) oxide)를 사용했는데, 더 나은 결과를 위해 이들의 조합도 사용하였다. 이 혼합물들은 90%의 과산화수소 산화제와 빠르게 반응하였다. 에탄올, 에탄올아민(금속화 및 비금속화)과 manganese(II)aetylacetonate, copper(II) chloride를 조합하여 촉매로 사용한 경우(에탄올아민에서는 촉매 1%, 에탄올에서는 촉매 5%)에서만 90%의 과산화수소 추진제와 만나 빠르게 발화했다. 금속입자를 첨가했을 때 추진제의 자동점화성이 강화되었다. 순수한 에탄올 젤과 copper(II)chloride의 혼합물에서는 연기가 빠르고 강하게 발생했으나 연소는 일어나지 않았다. 저장성을 확인하기 위한 연구도 모든 젤에 대해서 수행되었으며 물리적으로 안정했다.