Nghiên cứu sử dụng chất kết dính cao phân tử để chế tạo hỗn hợp hoả thuật phát hồng ngoại 3 -14um

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN MINH CÔNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH

CAO PHÂN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO HỖN HỢP

HOẢ THUẬT PHÁT HỒNG NGOẠI 3 -14µm

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

Hà Nội, 2011

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN MINH CÔNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH

CAO PHÂN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO HỖN HỢP

HOẢ THUẬT PHÁT HỒNG NGOẠI 3 -14µm

Chuyên ngành: Hoá hữu cơ

Mã số: 62 44 27 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS Lê Trọng Thiếp

2. TS Phạm Quang Định

Hà Nội, 2011

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Tác giả

Trần Minh Công

iv

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/Bộ

Quốc phòng.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự tận tình chỉ bảo,

hướng dẫn và giúp đỡ về mọi mặt của các thầy giáo hướng dẫn:

PGS TS Lê Trọng Thiếp

TS Phạm Quang Định

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Vật

lý kỹ thuật, Phòng Tham mưu - Kế hoạch và Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và

Công nghệ quân sự, Viện Thuốc phòng - Thuốc nổ/Tổng cục CNQP, đã tạo

mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Hà Nội, tháng năm 2011

Tác giả

Trần Minh Công

i

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................ v

Danh mục các bảng .............................................................................................. vi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh ................................................................... viii

MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1

Chương 1: TỔNG QUAN .................................................................................. 4

1.1. Thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại ......................................................... 4

1.1.1. Thuốc hoả thuật .......................................................................................... 4

1.1.1.1. Thành phần của THT ........................................................................ 4

1.1.1.2. Phản ứng toả nhiệt và điều kiện xảy ra phản ứng cháy THT ........... 8

1.1.1.3. Đặc trưng kỹ thuật của THT và các yếu tố ảnh hưởng...............................11

1.1.1.4. Công nghệ chế tạo THT ...................................................................19

1.1.2. THT phát xạ hồng ngoại ............................................................................21

1.1.2.1. Các nguồn phát hồng ngoại .............................................................21

1.1.2.2. THT sử dụng trong pháo sáng hồng ngoại ......................................24

1.1.2.3. THT phát xạ hồng ngoại cho phương tiện hoả thuật sử dụng

làm mục tiêu giả ...................................................................................................30

1.2. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính

trong THT phát xạ hồng ngoại ........................................................................38

1.2.1. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính

trong THT ...........................................................................................................38

1.2.2. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính

trong THT phát xạ hồng ngoại ............................................................................47

ii

1.2.2.1. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính

trong THT phát xạ hồng ngoại dạng nén được ...................................................48

1.2.2.2. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính

trong THT phát xạ hồng ngoại dạng đúc được ...................................................49

Chương 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................53

2.1. Hóa chất, vật tư, thiết bị, dụng cụ .............................................................53

2.1.1. Hoá chất, vật tư ..................................................................................53

2.1.2. Thiết bị, dụng cụ ................................................................................55

2.2. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................56

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................64

3.1. Tính toán hệ thuốc hỏa thuật ......................................................................64

3.1.1. Xác định thành phần và yêu cầu kỹ thuật của hệ THT .......................64

3.1.2 Tính cân bằng ôxy của hệ thuốc ........................................................65

3.I.3 Tính toán hiệu ứng nhiệt ......................................................................68

3.2. Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính polime cho thuốc hỏa thuật

phát xạ hồng ngoại ..............................................................................................70

3.1.1. Khảo sát về đặc trưng năng lượng .....................................................70

3.1.2. Khảo sát độ bền hoá lý ......................................................................76

3.1.3. Khảo sát sự phát xạ hồng ngoại ........................................................82

3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất kết dính polime .......................87

3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính đến kết cấu các viên

(hay hạt) phôi THT ..............................................................................................87

iii

3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính polime đến các

đặc trưng hoá- lý .................................................................................................88

3.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính PVC

đến phổ phát xạ hồng ngoại .................................................................................91

3.4. Nghiên cứu lựa chọn khối lượng phân tử của chất kết dính PVC phù

hợp với chế độ công nghệ ..................................................................................92

3.4.1. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PVC đến độ nhớt,

thời gian hoà tan và độ xuyên kim của hỗn hợp ..................................................92

3.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chất kết dính PVC

đến kết cấu các viên (hay hạt) phôi thuốc hoả thuật ........................................ 94

3.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PVC đến đến độ hút ẩm

và độ bền nén của THT....................................................................................... 96

3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại ................. 99

3.5.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại

đến vùng phổ 3÷5µm và 8÷12µm ..................................................................... 99

3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy hợp kim Al-Mg

đến cường độ phát xạ hồng ngoại trong vùng sóng 1÷5µm ........................... 103

3.5.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần đến đặc trưng hoá lý

và công nghệ chế tạo ........................................................................................ 105

3.6. Nghiên cứu công nghệ chế tạo hoả cụ trên cơ sở THT phát xạ

hồng ngoại dải sóng 3÷5µm và 8÷12µm ....................................................... 110

3.6.1. Ảnh hưởng của áp lực nén ép thuốc vào hoả cụ ............................. 110

3.6.2 Nghiên cứu thiết lập tiến trình công nghệ chế tạo hoả cụ phát xạ

hồng ngoại ....................................................................................................... 112

iv

3.7. Nghiên cứu ứng dụng hoả cụ phát xạ hồng ngoại ................................ 114

3.7.1. Đo đạc, thử nghiệm các chỉ tiêu hóa lý của hỏa cụ PXHN ............. 114

3.7.2. Đo đạc phổ phát xạ hồng ngoại ...................................................... 114

3.7.3. Thử nghiệm khả năng chịu ẩm của hoả cụ ..................................... 117

3.7.4. Thử nghiệm độ bền rung xóc của hoả cụ ....................................... 118

3.7.5. Thử nghiệm khả năng bắt cháy và thời gian cháy,

nhiệt độ cháy và cường độ phát xạ hồng ngoại của hoả cụ ............................ 118

3.7.6. Nghiên cứu ứng dụng hỏa cụ phát xạ hồng ngoại với các cự ly

phát xạ khác nhau ............................................................................................. 120

KẾT LUẬN ...................................................................................................... 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................. 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 127

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABS

CTFE

HTPB

Acrylonitrin butadien

Polyclotrifloetylen

Cao su butadien có nhóm OH cuối mạch

KLPT Khối lượng phân tử

MTV

NBR

Magie-Teflon-Viton

Cao su polibutadien – nitryl

NC Nitroxenlulo

PKL Phần khối lượng

PTFE Politetrafloetylen

PVA Polivinylancol

PVAc Polivinylaxetat

PVC Polivinylclorua

THT Thuốc hoả thuật

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

I.

II. Bảng 1.1: Tính chất của một số chất oxi hoá ....................................6

III. Bảng 1.2: Tính chất của một số chất cháy .........................................7

Bảng 1.3: Nhiệt lượng cháy của một số THT ........................................................ 13

Bảng 1.4: Thể tích sản phẩm phản ứng cháy trung bình của một số THT ............. 14

Bảng 1.5: Quan hệ giữa nhiệt độ cháy với nhiệt lượng cháy của THT .................. 15

Bảng 1.6: Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính lên độ bền của THT .............. 19

Bảng 1.7: Một số THT dạng đúc ............................................................................. 26

Bảng 1.8: Một số THT hồng ngoại dạng nén .......................................................... 28

Bảng 1.9: Tính chất hoá lý của một số chất cháy - kết dính hữu cơ ....................... 46

Bảng 3.1: Thông số nhiệt động của các chất trong phản ứng ................................. 69

Bảng 3.2: Đặc trưng năng lượng của một số mẫu THT với các chất kết

dính – polime khác nhau ........................................................................................ 72

Bảng 3.3: Nhiệt độ xảy ra phản ứng cháy của hỗn hợp THT xác định theo

phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TG ........................................ 73

Bảng 3.4: Độ hút ẩm của THT chứa 2% chất kết dính PVC, NC và PVAc .......... 79

Bảng 3.5: So sánh cường độ phát xạ hổng ngoại cực đại của THT sử dụng

chất kết dính PVC, PVAc và NC ở các dải phổ ...................................................... 86

Bảng 3.6: Quan hệ các thông số hóa lý THT với hàm lượng chất kết dính

PVC khác nhau ........................................................................................................ 89

Bảng 3.7: Độ nhớt, thời gian hoà tan và độ xuyên kim của các mẫu thử

dùng PVC có KLPT khác nhau ............................................................................... 93

Bảng 3.8: Độ hút ẩm và độ bền nén của các thỏi THT dùng PVC có KLPT

khác nhau 97

Bảng 3.9: Nhiệt lượng cháy và nhiệt độ cháy của THT có hàm lượng

chất oxi hoá và chất cháy kim loại khác nhau ........................................................ 99

Bảng 3.10: Cường độ phát xạ hồng ngoại của THT phát xạ hồng ngoại

vii

mẫu 3, 4 và 5 ........................................................................................................... 104

Bảng 3.11: Đặc trưng của một số THT phát xạ hồng ngoại có tỷ lệ

chất oxy hoá - chất cháy khác nhau ........................................................................... 106

Bảng 3.12: Thời gian cháy của thuốc hoả thuật hồng ngoại chứa bột hợp kim

Al-Mg có cỡ hạt khác nhau ........................................................................................ 110

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của áp lực ép đến thời gian cháy, đặc trưng của hoả cụ ......... 111

Bảng 3.14: Tỷ lệ thành phần của thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại .................. 112

Bảng 3.15: Khả năng bắt cháy và thời gian cháy của THT trong hoả cụ

qua thử nghiệm gia tốc nhiệt ẩm ............................................................................. 117

Bảng 3.16 : Thời gian cháy và nhiệt độ cháy của hoả cụ phát xạ hồng ngoại

đo ngoài thực địa ..................................................................................................... 119

Bảng 3.17: Cường độ phát xạ hồng ngoại của hoả cụ phát xạ hồng ngoại ............ 119

Bảng 3.18: So sánh cường độ phát xạ của hỏa cụ phát xạ hồng ngoại ở các

khoảng cách đo khác nhau giữa tính toán và thực tế ............................ 124

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Độ dài bước sóng bức xạ ở những nguồn nhiệt khác nhau .................. 11

Hình 1.2: Sơ đồ sản xuất THT và hoả cụ ............................................................ 21

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo nhiệt độ bùng cháy .................................. 61

Hình 3.1: Biểu đồ phân tích nhiệt TG của THT sử dụng các chất kết dính

khác nhau 73

Hình 3.2: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy của các mẫu THT sử dụng

các chất kết dính có tỷ lệ khác nhau ..................................................................... 75

Hình 3.3: Biểu đồ biến thiên thể tích sản phẩm khí của các mẫu THT sử

dụng các chất kết dính có tỷ lệ khác nhau ........................................................... 75

Hình 3.4: Ảnh SEM các hạt phôi THT phát xạ hồng ngoại chứa 2% chất

kết dính khác nhau ................................................................................................ 77

Hình 3.5: Ảnh SEM các hạt phôi THT phát xạ hồng ngoại chứa 5% chất

kết dính khác nhau ............................................................................................... 78

Hình 3.6: Sự biến thiên độ hút ẩm của THT sử dụng chất kết dính-polime

khác nhau theo chu kỳ thử ẩm ............................................................................. 80

Hình 3.7: So sánh độ bền nén của các mẫu THT sử dụng 2% các chất kết

dính khác nhau ..................................................................................................... 81

Hình 3.8: Sự biến thiên độ bền nén của THT sử dụng chất kết dính-polime

với tỷ lệ khác nhau ............................................................................................... 82

Hình 3.9: Phổ hồng ngoại của các mẫu THT sử dụng chất kết dính khác nhau .. 85

Hình 3.10: Ảnh SEM các hạt phôi THT phát xạ hồng ngoại có hàm lượng

chất kết dính PVC khác nhau ................................................................................ 88

Hình 3.11: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí, nhiệt

độ bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng PVC khác nhau .......................... 90

Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của các mẫu THT có hàm lượng PVC khác nhau .... 91

ix

Hình 3.13: Ảnh kính hiển vi điện tử quét của hạt phôi THT với chất kết

dính PVC có KLPT khác nhau ............................................................................. 95

Hình 3.14: Phổ hồng ngoại của THT có hàm lượng chất oxi hoá, chất cháy

kim loại khác nhau ............................................................................................... 102

Hình 3.15: Phổ nhiệt phát xạ hồng ngoại của các mẫu chứa hàm lượng bột

hợp kim Al-Mg khác nhau dải sóng 1,0-2,3µm ................................................... 104

Hình 3.16: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí,

nhiệt độ bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng KClO4 khác nhau ............. 107

Hình 3.17: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí, nhiệt độ

bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng bột hợp kim Al-Mg

khác nhau 107

Hình 3.18: Biểu đồ phân tích cỡ hạt hợp kim Al-Mg ........................................... 109

Hình 3.19: Sơ đồ tiến trình công nghệ chế tạo THT và hoả cụ phát xạ

hồng ngoại theo công nghệ bán ướt ...................................................................... 113

Hình 3.20: Phổ hồng ngoại của mẫu thuốc HN-07 trong vùng 3-5µm và 8-14µm . 115

Hình 3.21: Phổ hồng ngoại gần của mẫu thuốc hoả thuật HN-07

trong vùng 1-5µm ................................................................................................. 116

Hình 3.22: Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của cự ly quan sát đến cường độ

phát xạ hồng ngoại ............................................................................................... 121

1

MỞ ĐẦU

Thuốc hỏa thuật (THT) nói chung, THT phát xạ hồng ngoại nói riêng

thuộc nhóm vật liệu nổ. Chúng được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong quân

sự mà còn trong cả dân sự. THT phát xạ hồng ngoại ngoài ứng dụng làm mồi

bẫy, pháo sáng hồng ngoại trong quân sự [12,39] và được sử dụng với mục

đích cứu hộ, cứu nạn, báo cháy, ... trong dân sự [43].

THT là một hỗn hợp cơ học của chất oxi hoá, chất cháy và chất kết dính.

Trong công nghệ chế tạo THT, người ta có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ, cao

phân tử với các vai trò khác nhau nhưng quan trọng nhất là dùng làm chất cháy -

kết dính. Các hợp chất hữu cơ, cao phân tử phải đáp ứng được các yêu cầu riêng

tuỳ theo mục đích sử dụng. Việc nghiên cứu bản chất hoá học của các hợp chất

hữu cơ, cao phân tử có ý nghĩa quan trọng, xác định được khả năng đáp ứng của

từng chất khi sử dụng, phục vụ cho việc thiết kế hỗn hợp THT [74].

Trên thế giới, nghiên cứu THT phát xạ hồng ngoại đã được bắt đầu từ

những năm 50 của thế kỷ trước [15] nhưng mãi đến những năm 1990 mới

được nghiên cứu rộng rãi, có nhiều thành quả. Tuy nhiên, các công trình chủ

yếu mang tính chất quân sự, công bố hạn chế, không chi tiết về các nghiên

cứu chuyên sâu, đặc biệt là những công trình nghiên cứu sử dụng hợp chất

cao phân tử làm chất kết dính trong các THT phát xạ hồng ngoại.

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu về THT nói chung mới bắt đầu được tiến

hành tại một Viện nghiên cứu của quân đội vào những năm 80 của thế kỷ

trước. THT phát xạ hồng ngoại nói riêng mới chỉ được nghiên cứu trong vài

năm trở lại đây ở dạng đề tài nghiên cứu phát triển.

Phòng chống chiến tranh công nghệ cao và phục vụ cứu hộ, cứu nạn là

những vấn đề quan trọng. Trong đó, hoả cụ trên cơ sở THT phát xạ hồng

ngoại dải sóng 3-5µm và 8-14µm được quan tâm nhiều nhất, đặc biệt trong