아지드화 나트륨과 폴리머의 열 안정성에 관한 연구

김종목, 강동완  양영학 박근호

창원대학교 공업화학과

A Study On the Thermal Stability of Sodium Azide and Polymers

Jong- Mook Kim, Dong-wang kang, Young-Hark Yang, Keun-Ho Park

Dept. of Chem. Tech., Changwon National University

Ⅰ.서론

산소가 없는 상태에서 비교적 낮은 온도에서의 열 , 충격 등에 의해 용이하게 발화, 연소하는 불안정한 물질에 의한 사고는 이전부터 많이 알려져 있다. 최근에는 fine camical 분야의 발전에 따라 그 위험성이 인식되지 않은 채 제조되는 불안정 물질이 늘고 있다. 본 연구에는 불안정한 물질인 아지드화 나트륨을 열안정성을 검토하였다. 이 물질은 상당히 안정하고, 각종 화학약품의 원료로서 크게 사용되고 있다.

최근에는 자동차의 에어백을 팽창시키는 폭약으로서의 용도로서도 사용된적이 있다. 하지만 이 물질의 안정성에 관해서는 충분히 검토 된 것이 아니기 때문에 취급 부주의에 의한 사고도 보고된 바 있다. 실험은 먼저 아지드화 나트륨의 열분해에 관해서 시차주사 열량계 발열개시온도와 발열량 변화를 측정하고 그 결과에 관해서 고찰을 첨가했다.

폴리머와의 상호 작용에 관해서도 시차주사열량계를 사용해서 양자를 혼합하고 측정을 행하였으며 새로운 발열반응이 일어나는지 어떤지를 폴리머 단독의 DSC 곡선과의 비교하였다.

Ⅱ.이론

아지드화 나트륨은 가열에 의해 이하의 반응식으로 나타나는 반응으로서 금속나트륨과 질소로 분해한다.

2NaN3 →  2Na + 3N2            (1)

이 반응의 분해 온도는 300℃로 알려져 있지만 오래전에 측정된 것이다. 그 이후에는 아지드화 나트륨의 열 안정성에 관해서는 발열개시 온도와 발열량에 대한 연구는 거의 없고, 또한 단열 조건하에서의 시험은 거의 없었다.

또한 아지드화 나트륨은 이하의 반응식으로 나타내는 반응으로서 활성한 유기 할로겐 화합물과 반응에서 유기 아지드 화합물을 생산한다.

RCl + NaN3 → RN3 + NaCl         (2)

그러나 폴리 염화비닐과 같이 할로겐 함유 폴리머의 상호작용의 유무에 관해서는 알려져 있지 않다. 여기서 본 연구서에서 시차 주사 열량계에서의 열 해석으로서 아지드화 나트륨의 열 안정성의 평가, 즉 구체적으로는 아지드화 나트륨의 열분해 및 아지드화 나트륨과 폴리머와의  반응을 행하였다.

Ⅲ.실험방법

본 연구에서 열분해 특성실험을 하기 위하여 열유속형 DSC를 사용하였다. 이 열량계는 단위시간당의 열량측정이 가능한 것이다.

아지드화 나트륨의 열분해는 아지드화 나트륨 시판물을 전처리 하지않고 실험에 사용하였다. 또한 분위기를 질소로 할 때에는 질소에 의해서 소정의 압력을 가한후 대기압으로 돌아오는 조작을 3에서 4회하고 장치내부의 잔류공기를 충분히 치환한후 측정하였다. 각각의 폴리머를 아지드화 나트륨과 무게 비율로 1:1, 1:2, 1:3으로 증가시켜 실험을 행하였다. 전체 시료 무게는 약5.0mg이 되도록 하였다.

시차주사열량계에 의한 실험조건은 다음과 같다.

(a) 수증기 공기 또는 질소 1기압

(b) 시료량 10mg이하

(c) 승온속도 10℃/분

(d) 시료용기 평행용기 알루미늄제

아지드화 나트륨과 폴리머의 반응에 있어서는 아지드화 나트륨과 폴리머는 시판품 그대로 실험에 사용했다. 아지드화 나트륨과 각 폴리머에 혼합은 아지드화 나트륨을 기준으로 1:1,1:2,1:3으로 폴리머를 증가시켰다. 시차조사 열량계에 의해 폴리머의 열분해 DSC곡선을 측정하고 폴리머혼합물과 비교하였다. 또 고온에서 아지드화 나트륨 공조하에서의 폴리머의 변질을 보기위하여 아지드화 나트륨과 혼합한 폴리머를 일정온도로 유지하고 발열유무를 조사했다.

Ⅳ.결과 및 고찰

Fig.1은 질소분위기하에서 측정한 아지드화 나트륨의 발열 개시온도 및 발열량을 나타낸것이며, Fig.2와 Fig.3은 S.A,PVC 및 PMMA에 관한 DSC곡선을 나타낸 것이다.

그림에서 보는 바와 같이 아지드화 나트륨의 발열개시온도는 약 400℃정도임을 알수 있으며, 폴리머 혼합물은 400∼450℃이하에서 분해됨을 알 수 있다. 또한 Fig.4와 Fig.5의 DSC곡선을 ABS 및 PVA와 S.A의 혼합물에 대한 것을 각각 나타내었다. 그림에서 나타낸 분해반응은 질소 분위기하에서 행하였으며, 아지드화 나트륨과 폴리머 혼합물을 측정한 것 이다.

PMMA,PVA,PVC 및 ABS 4종에 있어 단독으로의 열분해와 아지드화 나트륨과 혼합했을때의 열분해의 모습을 비교하면 폴리머분말 단독 및 혼합한 폴리머의 발열개시 온도에 관해서 4종은 명백한 차이를 보이지 않는다. 또한 저온축에 새로운 발열 피크도 관측되지 않았으며,식(2)에 나타나는 것과 같은 할로겐화물과

같은 할로겐화물과의 유기 아지드 화합물의 생성등은 없다고 생각되어진다.

Ⅴ.결론

아지드화 나트륨 및 폴리머 혼합물의 열 안정성을 DSC측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 아지드화 나트륨이 단독으로 존재시의 발열개시온도는 약 400℃범위임을 알      수 있다.

(2) 아지드화 나트륨이 혼합되었을 때 400℃이전에는 폴리머의 반응을 나타내        며,400℃가까이는 아지드화 나트륨의 반응이 나타남을 알 수 있다.

(3) PVC혼합에서 아지드화 나트륨의 발열반응은 현저히 둔하되었음을 볼수 있었     다.

(4) ABS,PVA, 및 PMMA는 혼합비가 증가할수록 아지드화 나트륨의 발열량이      혼합비에 비례하게 현저히 감소 하였다.

Ⅵ.참고문헌

1. H.Nakamura, k. Sakumoto and Y. Hara,,J.of Hazardous Materials,.38,pp.1,      1994

2. S.morisaki,K.Komamiya and M. Naito, Special Research Report of The Research Institute of Industrial Safety, SRR-83-1,Japan,1983

3. J.O.Wear,J.of Chem. Educ., 52(1),A, 23, 1975

4. P. Gray,T.C. Waddington, Proc. Roy. Soc.(London), A 235,106, 1956

5. Y. Fujimoto, T. Ando and S. Morisaki, Research Report of the Research Institute of Industrial Safety, RS-RR-88, Japan, 1980.