Nghiên cứu tổng hợp hợp chất Trans-1,4,5,8- tetranitroso-1,4,5,8- tetraazadecalin (Ц-2) ứng dụng làm phụ gia năng lượng cho thuốc phóng AПЦ-235П của đạn 125 mm trên xe tăng T90S

Bộ thiết bị phản ứng của hãng IKA gồm một bình phản ứng hai vỏ bằng thép không gỉ SUS316, nối với hệ thống gia nhiệt và làm mát để điều chỉnh nhiệt độ. Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu tổng hợp hợp chất Trans-1,4,5,8- tetranitroso-1,4,5,8- tetraazadecalin (Ц-2) để sử dụng làm phụ gia năng lượng trong thuốc phóng.

Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỢP CHẤT TRANS-1,4,5,8 TETRANITROSO-1,4,5,8-TETRAAZA DECALIN (Ц-2) ỨNG DỤNG LÀM PHỤ GIA NĂNG LƯỢNG CHO THUỐC PHÓNG AПЦ-235П CỦA ĐẠN 125 mm TRÊN XE TĂNG T90S Trần Văn Phương*, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Minh Tuấn Nguyễn Ngọc Hải, Phạm Kim Đạo, Bùi Anh Thức Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết nghiên cứu tổng hợp hợp chất Trans-1,4,5,8tetranitroso-1,4,5,8- tetraazadecalin (Ц-2) để sử dụng làm phụ gia lượng thuốc phóng Kết nghiên cứu cho thấy, sử dụng thành phần với tỷ lệ khối lượng glyoxal/etylen diamin/natri nitrit/axit axetic/axit nitric 145/ 205/ 310/4,5/ 1890, phản ứng thực theo hai giai đoạn, nhiệt độ tiến hành phản ứng giai đoạn thứ cố định 55±2 oC, giai đoạn thứ hai thực 10÷ 14 oC, thời gian tiến hành phản ứng giai đoạn đầu giờ, nồng độ axit nitric= 30% cho hiệu suất thu lên đến 71,18% sản phẩm sau tổng hợp, tinh chế đạt yêu cầu để sử dụng chế tạo thuốc phóng AПЦ-235П cho đạn 125 mm Từ khóa: Ц-2; Trans-TAD; TNAD; EDA ĐẶT VẤN ĐỀ Ц-2 dùng làm phụ gia lượng, sử dụng liều phóng pháo binh AПЦ-235П với hàm lượng đến 27% [1] dùng đạn pháo cỡ nòng 125 mm xuyên vượt tốc bắn xe tăng T90S Nó có ưu điểm dễ tạo cỡ hạt nhỏ cỡ µm thuận tiện cho q trình đồng hóa thuốc phóng Ngồi ra, khơng tan nitroglyxerin dung mơi hóa dẻo dùng thuốc phóng, vậy, đảm bảo độ ổn định lưu biến thuốc phóng Có nhiều cách tổng hợp cách khơng tách Trans-TAD cho thấy đảm bảo hiệu suất tổng hợp cao, điều kiện phản ứng thuận tiện, dễ dàng thực quy mô pilot quy mô công nghiệp [2] ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hợp chất Ц-2 điều kiện tổng hợp để đạt hiệu suất cao 2.2 Thiết bị, dụng cụ Bộ thiết bị phản ứng hãng IKA gồm bình phản ứng hai vỏ thép không gỉ SUS316, nối với hệ thống gia nhiệt làm mát để điều chỉnh nhiệt độ Hình Bộ thiết bị phản ứng IKA dùng tổng hợp hợp chất Ц-2 2.3 Hóa chất chủ yếu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 59 Hóa học & Mơi trường Các hóa chất sử dụng nghiên cứu gồm: Glyoxal dung dịch 40% nước; Etylen diamin 99%; natri nitrit 99%, axit axetic 99,5%; axit nitric 65% 2.4 Phương pháp nghiên cứu 2.4.1 Phương pháp tổng hợp Ц-2 Phản ứng tổng hợp Ц-2 [4, 3]: Giai đoạn 1: Điều chế trans-TAD NH2 CH2 CH2 NH2 H O NH2 O H Glyoxal NH2 C CH2 CH2 C CH2 -2H2O CH NH H NH C CH2 C CH2 NH H NH Trans-TAD Giai đoạn 2: Nitroso hóa trans-TAD tạo Ц-2 H H2C H2C N N H H H H N N H CH2 CH2 H+ NO NO H N N H2C CH2 +4NaNO2 H2C N CH2 N H NO NO Các bước thực hiện: Giai đoạn 1: Bước 1: Hòa tan muối natri nitrit nước tạo dung dịch NaNO2 25% nước bình phản ứng; Bước 2: Chuẩn bị EDA 98% cấp vào bình phản ứng; Bước 3: Khuấy trộn hai loại bình khoảng 10 phút; Bước 4: Cấp dung dịch glyoxal 40% nước (đã cho vào axit axetic tạo mơi trường); Bước 5: Đưa nhiệt độ bình phản ứng lên 55 oC trì Giai đoạn 2: Bước 6: Làm nguội hỗn hợp phản ứng đến 10 °C; Bước 7: Chuẩn bị axit nitric 30 đến 40%; Bước 8: Cấp axit nitric trì nhiệt độ phản ứng 10-15 °C Sau cấp hết axit cắt ổn nhiệt, trì phút sau cấp 2.4.2 Phương pháp tinh chế Ц-2 Nguyên tắc: Sản phẩm thu sau phản ứng qua cơng đoạn lọc chân khơng cịn chứa lượng nhỏ axit chất không bền (dễ phân hủy tan nước nóng) Việc loại bỏ axit chất khơng bền thực nước nóng 95 oC Phương pháp tiến hành: Cho sản phẩm thu sau tổng hợp vào nước cất hai lần, tiến hành khuấy gia nhiệt , trì nhiệt độ 95 oC phút, sau đó, tiến hành lọc chân không lại tiến hành lặp lại bước lần KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng lượng etylen diamin đến hiệu suất tổng hợp Etylen diamin (EDA) chất tham gia vào phản ứng tạo Ц-2 Kết phụ thuộc hiệu suất Ц-2 vào tỷ lệ mol EDA mol glyoxal (145 g dung dịch) sử dụng số mol axit axetic 0,075/ mol glyoxal, tổng số mol axit nitric mol, nồng độ axit nitric sử dụng 30% (tổng khối lượng axit nitric 1890 g) trình bày bảng Bảng Sự phụ thuộc hiệu suất Ц-2 vào tỷ lệ mol EDA/ glyoxal Tỷ lệ mol EDA/ glyoxal 2,5 2,7 2,9 3,1 3,2 3,4 Hiệu suất, % 58,7 64,3 67,81 70,7 71,18 71,20 60 T V Phương, …, B A Thức, “Nghiên cứu tổng hợp hợp … đạn 125 mm xe tăng T90S.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hiệu suất Ц-2, % Từ bảng cho thấy, tăng dần số mol EDA từ 2,5 trở lên, hiệu suất thu Ц-2 tăng dần, số mol tăng 3,25 hiệu suất phản ứng khơng tăng tỷ lệ với tăng số mol EDA mà gần đạt tối đa không thay đổi, đó, lượng glyoxal tham gia tạo trans-TAD mức tối đa Điều giải thích sau: theo phương trình phản ứng tỷ lệ mol hợp thức EDA Glyoxal 2:1 phản ứng mong muốn, ngồi phản ứng phản ứng phụ khác tạo thành sản phẩm phụ ngưng tụ phân tử glyoxal với 1, phân tử EDA, cịn phản ứng đihydrat hóa glyoxal mơi trường chứa nước tính hoạt động mạnh glyoxal cấu tạo có ảnh hưởng qua lại hai nhóm cacbonyl vị trí 1,2 [5] Do đó, EDA vừa tham gia phản ứng tạo Tran-TAD đồng thời tham gia tạo mơi trường để phản ứng thuận lợi Từ số liệu bảng ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối liên hệ hiệu suất Ц-2 vào số mol etylendiamin hình 75 70 65 60 55 2,4 2,8 3,2 3,6 Tỷ lệ mol EDA/ 1mol glyoxal Hiệu suất Ц-2, % Hình Sự phụ thuộc hiệu suất Ц-2 vào số mol etylengdiamin Như vậy, lượng etylen diamin sử dụng cho mẻ mol glyoxal 3,25 mol tối ưu 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ axit nitric đến hiệu suất tổng hợp Ц-2 Kết phụ thuộc hiệu suất thu Ц-2 vào nồng độ axit nitric sử dụng số mol axit axetic 0,075/ 1mol glyoxal, tổng số mol axit nitric mol thể bảng biểu diễn đồ thị hình Bảng Sự phụ thuộc hiệu suất tổng hợp Ц-2 vào nồng độ axit nitric Nồng độ axit, % 28 30 35 40 45 Hiệu suất, % 70,22 71,18 70,72 69,16 67,24 73 71 69 67 27 32 37 42 47 Nồng độ axit nitric, % Hình Sự phụ thuộc hiệu suất Ц-2 vào nồng độ axit nitric Ta thấy hiệu suất cao đạt 71,18 nồng độ axit nitric 30% Khi giảm nồng độ 30%, tăng nồng độ 30% hiệu suất giảm xuống dần, điều hợp lý axit nitric tham gia vào phản ứng nitroso hóa (theo chế electrophin) giai đoạn với vai trị tạo mơi trường pH phù hợp để hình thành tác nhân phản ứng ion nitrozoni NO+ theo phản ứng [5] NaNO2 → Na+ + NO2NO2- + H+ ↔ HNO2 HNO2 + H+ ↔ H2O + NO+ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 61 Hóa học & Mơi trường Hiệu suất Ц-2, % Khi tăng nồng độ axit nitric từ 28% đến 30%, lượng tác nhân NO+ hình thành tăng, thuận lợi cho phản ứng hình thành Ц-2, tăng nồng độ axit nitric 30% đến 45%, lượng tác nhân tăng, lượng Ц-2 tăng Ц-2 bền môi trường axit nitric dư nồng độ cao, dễ bị oxi hóa axit nitric dư nên hiệu suất phản ứng tổng thể giảm rõ rệt Vì vậy, nồng độ axit nitric 30% phù hợp với điều kiện thực tế thí nghiệm, cho hiệu suất thu Ц-2 cao 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng lượng axit axetic đến hiệu suất tổng hợp Ц-2 Axit axetic có tác dụng xúc tác cho phản ứng ngưng tụ glyoxal với etylendiamin, tạo môi trường pH phù hợp để glyoxal phân li thành phân tử hoạt hóa độ electrophin glyoxal Kết phụ thuộc hiệu suất thu Ц-2 vào lượng axit axetic trình bày bảng Đồ thị biểu diễn mối liên hệ hiệu suất Ц-2 vào lượng axit axetic hình Bảng Sự phụ thuộc hiệu suất thu Ц-2 vào lượng axit axetic Lượng axit axetic, mol (g) 0,05 (3) 0,06 (3,6) 0,075 (4,5) 0,09 (5,4) 0,1 (6) 0,12 (7,2) Hiệu suất, % 67,7 69,3 71,18 70,7 68,5 65,7 73 71 69 67 65 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Lượng axit axetic, mol Hình Sự phụ thuộc hiệu suất Ц-2 vào lượng axit axetic Từ số liệu bảng đồ thị hình ta nhận thấy: Khi tăng lượng axit axetic lên cao 0,09 mol, mơi trường phản ứng tăng tính axit (pH