Nghiên cứu ảnh hưởng của y-polyoxymethylene đến độ bền cơ học của thuốc phóng trên nền nitroxenlulo và nitroglyxerin

Bài báo đưa ra kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của γ-polyoxymetylen (y- POM) tới độ bền cơ học của thuốc phóng trên nền nitroxelulo và nitroglyxerin. Kết quả nghiên cứu cho thấy, để đảm bảo độ bền cơ học của thuốc phóng hàm lượng y- POM không nên vượt quá 12% tổng khối lượng các thành phần.

Hóa học Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA -POLYOXYMETHYLENE ĐẾN ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA THUỐC PHÓNG TRÊN NỀN NITROXENLULO VÀ NITROGLYXERIN Dương Ngọc Cơ1*, Phạm Văn Toại1, Phạm Kim Đạo1, Nguyễn Mạnh Tường2 Tóm tắt: Bài báo đưa kết nghiên cứu ảnh hưởng γ-polyoxymetylen (POM) tới độ bền học thuốc phóng nitroxelulo nitroglyxerin Kết nghiên cứu cho thấy, để đảm bảo độ bền học thuốc phóng hàm lượng POM khơng nên vượt q 12% tổng khối lượng thành phần Kết nghiên cứu sở khoa học việc thiết kế chế tạo loại thuốc phóng Từ khóa: Thuốc phóng; Độ bền học; γ-polyoxymetylen MỞ ĐẦU Thuốc phóng (TP) nhiên liệu tên lửa hỗn hợp rắn (NLTLHHR) khác chất tính chất chúng chứa polyme có cao phân tử khác [1] Nền thuốc phóng pirocxilin nitroxenlulo khơng hóa dẻo nên chúng thuộc loại polyme mạch thẳng cứng giịn Đối với thuốc phóng balistic, chúng nitroxenlulo hóa dẻo, cịn NLTLHHR, bản, chất dẻo mạng khơng gian [2] Cho nên, tính chất lý thuốc phóng nhiên liệu xác định cấu trúc hóa học, trạng thái pha trạng thái vật lý polyme Thực tế, trình gia cơng, chế tạo thuốc phóng nhiên liệu tên lửa rắn bỏ qua điều kiện nhiệt độ thủy tinh hóa tính chất lý như: độ bền kéo đứt nén, tính đàn hồi cao, độ đàn hồi cưỡng bức, độ nhớt, độ giịn, [1, 3] Thêm vào đó, tính chất nêu chịu ảnh hưởng yếu tố khác như: nhiệt độ, thành phần chất, áp suất ép, thời gian gia công, hàm ẩm, chất độn, Trong đó, thành phần chất đóng vai trị quan trọng Đối với thuốc phóng nitroxenlulo nitroglyxerin thường sử dụng polyoxymethylen (-POM) làm chất ức chế cháy [2, 4], có độ bền nhiệt cao (Tnc 160ºC-180ºC) hấp thụ nhiệt trình thuốc phóng cháy [5] Việc đưa -POM vào thành phần thuốc phóng ảnh hưởng đến đặc tính lượng, xạ thuật tính chất lý thuốc phóng Trong đó, ảnh hưởng -POM đến tính chất lý thuốc phóng chưa nghiên cứu cơng bố cơng trình khoa học Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu để làm rõ ảnh hưởng -POM đến độ bền học thuốc phóng nitroxenlulo nitroglyxerin cần thiết Đây mục tiêu nghiên cứu báo ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất Để tiến hành nghiên cứu cơng trình có sử dụng chất sau: Nitroxenlulo số (NC số 3) (N - 11,94 %, Việt Nam), Nitroglyxerin (NG) chế tạo phịng thí nghiệm, Xentralit số (Cent 2) Dibutyl phtalat (Trung Quốc), Vazơlin (Trung Quốc) Bột -POM với công thức phân tử CH3-O-(CH2O)n-CH3 (Tnc 166oC), tổng hợp polyme hóa trioxan tetraclometan phịng thí nghiệm [6] 2.2 Phương pháp tạo mẫu Xuất phát từ vật liệu mang lượng có thành phần theo khối lượng: Nitroxenlulo (N – 11,94%): 58,2%; Nitroglyxerin: 36,4%; Xetralit số 2: 1,8%; Dibutyl phtalat: 2,4%; Vazơlin: 1,2% -POM thêm vào mẫu với hàm lượng 100% khối lượng 112 D N Cơ, …, N M Tường, “Nghiên cứu ảnh hưởng … nitroxenlulo nitroglyxerin.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 4%, 8%, 12%, 16%, 20% (đặt tên mẫu M1, M2, M3, M4, M5, tương ứng) Các mẫu chế tạo cách phối trộn theo tỷ lệ môi trường nước 55oC, thời gian khuấy trộn 2,5 giờ, tỷ lệ nước/mẫu 6/1 Sau đó, cán keo hóa máy cán nhiệt độ 90÷95oC để tạo bán thành phẩm Thuốc phóng keo hóa gia công tạo mẫu đo độ bền học: bền kéo, bền nén hình 1: Hình Mẫu thí nghiệm nén kéo 2.3 Thiết bị, dụng cụ - Thiết bị đo độ bền kéo, nén: Độ bền kéo độ bền nén thực thiết bị đo M350-10CT (tải trọng kéo lớn 10kN, độ xác ±0,5%, dải tốc độ 0,001 đến 10000 mm/phút, nhiệt độ làm việc từ -10oC đến 40oC) - Thiết bị đo DSC: Labsys DSC131, Setaram, Pháp Điều kiện: nhiệt độ phòng đến 400 o C, tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút, chén nhơm 30 microlit, khí argon với lưu lượng 2.5 lít/h 2.4 Phương pháp đo đạc Phương pháp đo độ bền kéo nén tiến hành theo Tiêu chuẩn Quân 31 TQSB 264:2008, Nhiên liệu tên lửa rắn – phương pháp đo độ bền kéo, nén Cụ thể sau: Mẫu vật liệu tạo thành thỏi, có tiết diện, chiều dài phù hợp lắp vào thiết bị đo Dưới tác dụng lực mẫu bị kéo dãn đến đứt nén đến biến dạng vỡ Kết đo xác định sở số liệu thu bao gồm lực kéo (hoặc lực nén), độ dãn dài (hoặc độ co) Phương pháp DSC: Cho mẫu kiểm tra vào cốc kín, đưa vào buồng kín chứa khí trơ thiết bị Labsys DSC131, thời gian tăng dần nhiệt độ buồng mẫu từ nhiệt độ phòng tới nhiệt độ 500oC với tốc độ 2-10oC/ phút Kết đưa 01 giản đồ nhiệt mẫu, biến đổi nhiệt Việc đo đạc tiến hành với chất với hỗn hợp 02 chất để so sánh [7] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khi gia cơng, chế tạo thuốc phóng cần ý tới nhiệt độ thủy tinh hóa (T g) tính chất lý vật liệu Thuốc phóng pirocxilin thuốc phóng balistic có nhiệt độ thủy tinh hóa khoảng 215÷230ºC 55÷90ºC, tương ứng [1], cho nên, điều kiện thường chúng ln trạng thái thủy tinh hóa xuất tính chất đàn hồi cững chịu tác dụng lực Chính vậy, tính chất lý thuốc phóng, giống polyme thủy tinh hóa, có đặc tính sau: - kéo (hoặc nén) với tốc độ xác định, sau đạt tới ứng suất biến dạng giới hạn đó, xuất khơng phải đàn hồi đơn thuần, mà đàn hồi cưỡng bức, nghĩa vật liệu không trở lại trạng thái ban đầu; - giới hạn đàn hồi cưỡng thuốc phóng phụ thuộc nhiều vào tốc độ biến dạng tương đối; - tính chất lý thuốc phóng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, tăng nhiệt độ vùng đàn hồi cưỡng 10ºC, làm giảm độ bền kéo đứt xuống 1.2÷1.5 lần Vì vậy, cần thận trọng tiến hành đo đạc tính chất lý thuốc phóng Trên hình thể đường cong ứng suất-biến dạng đo độ bền nén độ bền kéo Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 113 Hóa học Kỹ thuật mơi trường mẫu thuốc phóng Đối với mẫu thuốc phóng đo độ bền nén (hình 2a, 2b), ứng suất tăng nhanh tức thời độ biến dạng không lớn, sau đạt giá trị cực đại thứ (giới hạn đàn hồi cưỡng 1), đường cong có xu hướng xuống, sau ứng suất tiếp tục tăng theo độ biến dạng tới điểm giá trị cực đại thứ hai mẫu thuốc phóng bị phá hủy (a) (b) (c) (d) Hình Đường cong ứng suất – biến dạng thuốc phóng: Độ bền nén mẫu M0 (a) M5 (b); Độ bền kéo mẫu M0 (c) M5 (d) Đối với mẫu thuốc phóng đo độ bền kéo (hình 2c, 2d) có giá trị cực đại, nghĩa ứng suất đạt giới hạn đàn hồi cưỡng bị đứt Đường cong đặc trưng cho chuyển đổi từ giai đoạn đàn hồi sang đàn hồi cưỡng bức, phù hợp với đường cong biến dạng kéo thuốc phóng balistic [1] Ngồi ra, cho hàm lượng -POM khác vào thuốc phóng, độ bền học khác nhau, nhiên giữ đặc trưng đường cong ứng suất - biến dạng Bảng Sự thay đổi độ bền nén thuốc phóng theo hàm lượng -POM Độ lệch, mm Độ bền nén, Hàm lượng Đường kính, Chiều Mẫu N/mm2 POM , % mm cao, mm 6,22 M0 7,01 10,82 0,37 5,79 M1 7,24 10,11 0,37 5,25 M2 7,18 10,64 0,36 4,77 M3 12 7,17 10,23 0,32 4,66 M4 16 7,04 10,40 0,29 3,76 M5 20 7,15 10,22 0,27 Quan sát kết đo độ bền nén mẫu trình bày bảng 1, thấy rằng, tăng 114 D N Cơ, …, N M Tường, “Nghiên cứu ảnh hưởng … nitroxenlulo nitroglyxerin.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hàm lượng -POM độ bền nén giảm không đáng kể, đặc biệt gần không đổi với hàm lượng -POM không 12% Điểm ý độ lệch giảm dần tăng dần hàm lượng POM vào thuốc phóng, điều chứng tỏ, -POM làm tăng độ giịn thuốc phóng, thuốc phóng dễ bị phá hủy nén Kết thực nghiệm cho thấy, độ bền kéo đứt độ giãn dài tương đối thuốc phóng balistic giảm dần tăng hàm lượng -POM (bảng 2) Theo tài liệu [1], độ bền kéo đứt thuốc phóng balistic 6÷12 N/mm2, cịn độ giãn dài tương đối 6÷20% Từ đó, mẫu từ M0 đến M3 đạt yêu cầu, nghĩa hàm lượng -POM cho vào thuốc phóng khơng nên vượt q 12% Ngồi ra, tính chất lý giảm đáng kể so sánh mẫu có chứa -POM với mẫu M0, điều chứng tỏ -POM khơng tạo liên kết hóa học với hợp chất mang lượng thuốc phóng, mà đóng vai trị chất độn trơ (chất ức chế cháy) tồn dạng hạt Sự khác biệt cho -POM vào thuốc phóng dễ dàng nhận qua mầu sắc bề mặt mẫu (hình 3) Bảng Sự thay đổi độ bền kéo độ dãn dài thuốc phóng theo hàm lượng -POM Mẫu M0 M1 M2 M3 M4 M5 Hàm lượng POM, % 12 16 20 Chiều rộng, mm 5,95 5,94 5,97 5,86 5,79 5,63 Hình Hình ảnh mẫu sau đo độ bền kéo đứt Độ dày, mm 4,13 4,30 4,12 4,15 4,17 4,12 Độ bền kéo đứt, N/mm2 9,20 8,12 7,47 7,40 7,39 7,37 Độ dãn dài, % 13,49 7,65 7,91 6,33 5,55 3,79 Hình Hình ảnh SEM -POM Trong cơng nghệ chế tạo thuốc phóng balistic người ta cho -POM vào thuốc phóng với vai trị chất ức chế cháy, nghĩa làm giảm tốc độ cháy nhiệt lượng cháy thuốc phóng [4] Theo kết cấu trúc hình thái (SEM), -POM có dạng hạt sau tổng hợp phịng thí nghiệm (hình 4) Ngồi ra, có nhiệt độ nóng chảy khoảng nhiệt độ 160-180 ºC [5], cho nên, nguyên tắc, sau gia cơng chế tạo thuốc phóng khoảng nhiệt độ 90-95 ºC -POM trạng thái ban đầu nitroxenlulo nitroglyxerin, dẫn đến độ bền lý thuốc phóng giảm tăng hàm lượng -POM Để làm sáng tỏ luận giải trên, nhóm tác giả nghiên cứu tương tác -POM Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 115 Hóa học Kỹ thuật mơi trường nitroxenlulo phương pháp DSC Trên hình trình bày kết đo DSC -POM, nitroxenlulo hỗn hợp chúng Kết hình cho thấy, -POM nóng chảy hấp thụ nhiệt nhiệt độ 175 ºC (đường cong 1), nitroxenlulo bị phân hủy tỏa nhiệt nhiệt độ 203 ºC (đường cong 2) Tuy nhiên, đường cong DSC hỗn hợp -POM nitroxenlulo tạo hai peak riêng biệt hai nhiệt độ (đường cong 3), chứng tỏ khơng tồn tương tác hóa học chúng Ngoài ra, peak thứ hai nhiệt độ 203 ºC có hướng xuống (hấp thụ nhiệt, entanpi = 1,06 J), điều chứng tỏ rằng, có mặt -POM hỗn hợp làm cho nitroxenlulo chuyển từ trạng thái tỏa nhiệt thành hấp thụ nhiệt nhiệt độ 203 ºC Hay nói cách khác, -POM làm cho giảm nhiệt lượng cháy chất mang lượng nitroxenlulo thuốc phóng Hình Đường cong DSC: – -POM; – Nitroxenlulo; – Hỗn hợp -POM nitroxenlulo Ngoài ra, tác giả tiến hành đo tính xạ thuật, lượng mẫu, đó, mẫu (12% -POM ) có nhiệt lượng cháy 840,0 kcal/kg, thể tích khí cháy 974,3 ml/g tốc độ cháy 5,57 mm/s Kết đo đạc cho thấy mẫu đáp ứng yêu cầu tính xạ thuật, lượng đặt thuốc phóng dùng cho bình tích áp tên lửa phịng khơng tầm thấp Tóm lại, -POM, với vai trò chất ức chế cháy thuốc phóng balistic, làm giảm tính lý thuốc phóng Chính vậy, hàm lượng -POM cho vào thuốc phóng khơng nên vượt q 12% KẾT LUẬN Bài báo đưa kết nghiên cứu ảnh hưởng -POM đến tính chất học thuốc phóng nitroxenlulo nitroglyxerin Kết nghiên cứu cho thấy, POM khơng tạo liên kết hóa học với chất mang lượng đóng vai trị chất độn trơ thuốc phóng Hàm lượng -POM nên lựa chọn không lớn 12% tổng khối lượng thành phần, đó, thuốc phóng đảm bảo lượng, xạ thuật theo yêu cầu, bảo đảm độ bền nén 0,36 N/mm2; độ bền kéo đứt độ giãn dài đạt 7,4 N/mm2 %, tương ứng 116 D N Cơ, …, N M Tường, “Nghiên cứu ảnh hưởng … nitroxenlulo nitroglyxerin.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Рогов Н.Г., Груздев Ю.А, Физико-химические свойства порохов и твердых ракетных топлив: учебное пособие СПб, 2005, 200 с [2] Фиошина М.А., Русин Д.Л, Основы химии и технологии порохов и твердых ракетных топлив, Москва, 2001 [3] Косточко А.В., Кабан Б.М, Пороха, ракетные топлива и их свойства Физикохимические свойства порохов и ракетных твердых топлив: Учеб Пособие, – М.: ИНФРА-М, 2014, 400 с [4] Ляпин Н.М и др, Ингибиторы горения (флегматизаторы) нитроцеллюлозных порохов // Химия и компьютерное моделирование Бутлеровские сообщения, 2003, № 1, С 37-40 [5] Walker J F, Formaldehyde, Reinhold P.C, New York, 1944 408pp [6] Берлин Ал и др, Полиоксиметилены, Mосква, Наука, 2008, 286 с [7] STANAG 4147 (Edition 2) – Chemical comatibility of ammunition coponents with explosives (non – nuclear applications), North Atlantic Treaty Organization (NATO), 2001, pp D31-D35, D47-D50 ABSTRACT RESEARCHING ON THE EFFECT OF GAMA POLYOXYMETHYLENE ON MECHANICAL PROPERTIES OF PROPELLANT BASED ON NITROCELLULOSES AND NITROGLYXERIN The effect of gama polyoxymehtylen on mechanical properties of propellant based on nitrocelluloes and nitroglycerin was studied The researched result shows that to ensure the mechanical properties of the propellant, optimal content of POM should not exceed 12% of total weight of the components The findings act as an important foundation for designing and manufacturing of propellants Keywords: Propellant; Mechanical properties; Gama polyoxymethylene Nhận ngày 14 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 11 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Thuốc phóng Thuốc nổ, 192 Đức Giang, Long Biên, Hà Nội, Việt Nam; Viện Hóa học Vật liệu, 17 Hồng Sâm, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam * Email: Duongngocco@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 117 ... kết đo độ bền nén mẫu trình bày bảng 1, thấy rằng, tăng 114 D N Cơ, …, N M Tường, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng … nitroxenlulo nitroglyxerin. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ hàm lượng -POM độ bền nén... cháy thuốc phóng balistic, làm giảm tính lý thuốc phóng Chính vậy, hàm lượng -POM cho vào thuốc phóng không nên vượt 12% KẾT LUẬN Bài báo đưa kết nghiên cứu ảnh hưởng -POM đến tính chất học thuốc. .. đó, thuốc phóng đảm bảo lượng, xạ thuật theo yêu cầu, bảo đảm độ bền nén 0,36 N/mm2; độ bền kéo đứt độ giãn dài đạt 7,4 N/mm2 %, tương ứng 116 D N Cơ, …, N M Tường, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng … nitroxenlulo