THT cho phỏo sỏng hồng ngoại là những hỗn hợp khi chỏy tạo ra một lượng đỏng kể bức xạ hồng ngoại nhưng cú ớt bức xạ nhỡn thấy. Những hỗn hợp này cần cú tốc độ chỏy nhất định, khụng bị vỡ vụn trong quỏ trỡnh hoạt động, cú tuổi thọ sử dụng cao và nhiệt lượng riờng lớn. Những cấu tử cơ bản của THT dạng này gồm chất oxi hoỏ, chất chỏy và chất kết dớnh, chất kết dớnh cũng tỏc dụng như là chất chỏy. THT phỏt xạ hồng ngoại cú thể được chế tạo ở dạng đỳc hoặc dạng nộn [22, 29, 36].
a. THT phỏt xạ hồng ngoại cú khả năng đỳc được
Theo Daniel B. Nielson, cú thể tạo ra một loại THT phỏt xạ nhiều hồng ngoại khi được đốt chỏy, cú tốc độ chỏy cao và tạo ra ớt ỏnh sỏng nhỡn thấy. THT này khụng bị vỡ vụn, bền khi hoạt động ở nhiệt độ cao và đặc biệt là cú thể đỳc được [26].
THT phỏt xạ hồng ngoại dạng đỳc bao gồm chất kết dớnh, chất oxi hoỏ và chất chỏy. Với cỏc cụng thức THT hồng ngoại đỳc được, chất kết dớnh cú thể cú tỏc dụng như là chất chỏy. Ngoài ra cú thể chọn thờm cỏc xỳc tỏc chỏy và phụ gia năng lượng.
+ Chất chỏy- kết dớnh: Để giảm phỏt sinh ỏnh sỏng nhỡn thấy cần phải lựa chọn cẩn thận chất chỏy-kết dớnh. Sử dụng cỏc chất chỏy - kết dớnh dạng hiđro cacbon chỏy hoàn toàn và tạo ra cỏc hạt sản phẩm chỏy khụng phỏt sỏng, cú thể chỏy trong mụi trường khụng khớ bao quanh thành chựm để tăng
nhiệt thoỏt ra và tăng kớch thước của bề mặt phỏt xạ. Cỏc chất chỏy-kết dớnh này phải tạo cho hỗn hợp cú được khả năng đỳc được, khụng vỡ vụn và phự hợp với chất oxi hoỏ.
Cỏc chất chỏy-kết dớnh cao phõn tử cú khả năng ớt sinh muội bao gồm polyeste, polyete, polyamit, polyamin… Đú là cỏc hợp chất cao phõn tử với chuỗi mạch cacbon ngắn, xen kẽ với cỏc nguyờn tử oxi hoặc nitơ. Cỏc hợp chất cao phõn tử cấu tạo từ mạch cacbon ngắn (1-6 nguyờn tử cacbon nối tiếp) thường được sử dụng làm chất chỏy - kết dớnh trong THT phỏt xạ hồng ngoại dạng này. Cỏc phõn tử núi chung khụng tạo thành muội khi chỏy. Hơn nữa cú thể đạt được cỏc đặc trưng thiết kế khi sử dụng cỏc nguyờn liệu này [10].
+ Chất oxi hoỏ: Cỏc chất oxi hoỏ thường dựng gồm những chất tạo ra nhiều phỏt xạ hồng ngoại khi chỏy như kali nitrat, xezi nitrat, rubidi nitrat và hỗn hợp của cỏc chất này. Đõy là những chất chứa cỏc kim loại cú bước súng bức xạ đặc trưng trong vựng hồng ngoại gần (0.7 đến 0,9 àm). Tỷ lệ giữa cỏc loại muối trờn cần phải lựa chọn thớch hợp để đảm bảo giỏ thành, đỏp ứng tốc độ chỏy và nõng cao hiệu quả phỏt xạ hồng ngoại [76]. Tốt nhất là sử dụng hỗn hợp kali nitrat với xezi nitrat trong đú tỷ lệ trọng lượng xezi nitrat khoảng 25% đến 90%.
+ Xỳc tỏc chỏy và phụ gia năng lượng: Sử dụng bo và silic với hàm lượng nhỏ, cú tỏc dụng như nguồn sinh nhiệt và là xỳc tỏc chỏy.
Một số THT dạng đỳc dó được nghiờn cứu và thủ nghiệm được trỡnh bày trong bảng 1.7 [26].
Bảng 1.7: Một số THT dạng đỳc
Thành phần THT Kết quả thử nghiệm TT
Mẫu Tờn cấu tử % Tốc độ chỏy (cm/s) IR trung bỡnh (mV) VIS trung bỡnh (mV) IR/nhỡn thấy (mV) CsNO3 70 Silic 10 1 Kết dớnh Witco 20 0,167 1.393 121,5 11,5 CsNO3 35 KNO3 35 Silic 10 2 Kết dớnh Witco 20 0,198 1.857 155,8 11,9
Với cỏc THT cú thành phần như trờn, bức xạ hồng ngoại phỏt ra rất lớn, tỷ lệ giữa phỏt xạ hồng ngoại so với ỏnh sỏng nhỡn thấy là cao, tốc độ chỏy của THT đạt được là đủ lớn, bảo đảm được yờu cầu đối với THT phỏt xạ hồng ngoại cho phỏo sỏng hồng ngoại.
b. THT phỏt xạ hồng ngoại dạng nộn
Theo Daniel B. Nielson, THT phỏt xạ hồng ngoại dạng nộn cũng bao gồm chất kết dớnh, chất oxi hoỏ và chất chỏy. Chất chỏy cú thể sử dụng cỏc chất chứa nitơ. Cỏc chất khỏc cú thể thờm vào tuỳ theo yờu cầu đặc điểm sử dụng như chất xỳc tỏc chỏy và phụ gia năng lượng [27].
+ Chất chỏy: Thường sử dụng là cỏc chất mà phõn tử chứa chuỗi dị vũng 3 đến 6 và chứa 1 đến 4 nguyờn tử nitơ hoặc oxi trong chuỗi. Cỏc muối kim loại kiềm của cỏc chất dị vũng là những chất chỏy tốt nhất khi chỳng được nối mạch bằng cỏc amin đa vũng. Ngoài ra cỏc chất như ure, guanidin, azodicacbonamit và cỏc ankyl mạch ngắn cũng được xem xột làm chất chỏy. Tất cả cỏc chất chỏy này tạo ra rất ớt muội trong quỏ trỡnh chỏy hỗn hợp.
+ Chất kết dớnh: Cỏc chất kết dớnh hữu cơ do cú xu hướng tạo nhiều muội dẫn tới tạo ra lượng ỏnh sỏng nhỡn thấy cao. Do vậy cần phải chọn cỏc chất cú thể chỏy hoàn toàn và chỏy với khớ trong ngọn lửa để làm tăng nhiệt phỏt ra và tăng kớch thước của bề mặt phỏt xạ. Đồng thời cỏc nguyờn liệu phải tạo hỡnh cho hỗn hợp cú thể ộp được, trỏnh vỡ vụn và phự hợp với chất oxi hoỏ sử dụng. Cỏc chất kết dớnh cao phõn tử cú khả năng làm giảm muội bao gồm cỏc polyester, polyete, polyamin, polyamid.
+ Cỏc chất oxi hoỏ: thường dựng trong những THT dạng này là những chất tạo ra nhiều phỏt xạ hồng ngoại khi hỗn hợp chỏy. Cỏc chất oxi hoỏ như vậy bao gồm kali nitrat, xezi nitrat, rubidi nitrat và hỗn hợp của cỏc chất này. Đõy là những chất chứa kim loại cú đặc trưng phỏt xạ trong vựng hồng ngoại gần (0,7 – 0,9 àm).
+ Chất xỳc tỏc chỏy và phụ gia năng lượng: Trong THT phỏt xạ hồng ngoại dạng nộn cũng sử dụng cỏc chất xỳc tỏc chỏy và phụ gia năng lượng. Cỏc chất này phải phự hợp cỏc thụng số của hỗn hợp như sinh ra ớt ỏnh sỏng nhỡn thấy và khụng tạo ra cỏc đặc trưng khụng mong muốn khỏc. Hai chất thường được sử dụng là bo và silic. Bo thường được thờm vào với tỷ lệ đến 10%, silic sử dụng với tỷ lệ từ 0% đến khoảng 25%
THT phỏt xạ hồng ngoại dạng nộn cũng cần cú tốc độ chỏy lớn (trong khoảng 0,075 đến 0,375 cm/s và cao hơn), tuổi thọ cao và được tạo hỡnh theo cỏc cụng nghệ nộn ộp thụng thường.
Một số THT phỏt xạ hồng ngoại dạng nộn trỡnh bày trong bảng 1.8 [27].
Bảng 1.8: Một số THT hồng ngoại dạng nộn Thành phần THT Kết quả thử nghiệm TT mẫu Tờn cấu tử % Tốc độ chỏy (cm/s) IR trung bỡnh (mV) Nhỡn thấy trung bỡnh (mV) IR/nhỡn thấy Kali nitrat 70,0 Kali đixianoimizon 15,0 Silic 7,0 Bo 2,0 1 Hỗn hợp kết dớnh Witco 6,0 0,142 701,57 94,02 7,47 Kali nitrat 70,0 4,5- đixianoimidizon 15,0 Silic 7,0 Bo 2,0 2 Hỗn hợp kết dớnh Witco 6,0 0,100 560,20 73,03 7,67 Kali nitrat 64,0 Đixianoimidizon 15,0 Silic 15,0 3 Hỗn hợp kết dớnh Witco 6,0 0,093 467,03 64,00 7,28 Kali nitrat 50,0 Xezi nitrat 10,0 Melamin 16,0 Silic 14,0 Bo 4,0 4 Hỗn hợp kết dớnh Witco 6,0 0,143 2.352 346,1 6,79 Xezi nitrat 80,0 Silic 20,0 5 Witco 6,0 0,200 2.600 260 10.0
Theo cỏc số liệu trờn, THT dạng nộn được này đều cú tốc độ chỏy hợp lý, cú tỷ lệ phỏt xạ hồng ngoại cao so với ỏnh sỏng nhỡn thấy. Khi tăng tỷ lệ sử dụng Xezi nitrat làm chất oxi hoỏ, tỷ lệ này càng lớn, chất lượng phỏo sỏng càng cao [27, 31].
c. THT cho phỏo sỏng hồng ngoại sử dụng amon nitrat làm chất oxi hoỏ
THT cho phỏo sỏng phỏt xạ hồng ngoại đó được nghiờn cứu phỏt triển nhưng vẫn cũn nhiều vần đề. Một trong số những vấn đề đú là sự cú mặt khụng mong muốn của ỏnh sỏng nhỡn thấy trong quỏ trỡnh chỏy. Theo Daniel B. Nielson và cộng sự, cỏc kim loại kiềm như kali, xezi và rubidi là những kim loại phỏt xạ hồng ngoại khi chỏy. Tuy nhiờn kali sinh ra cả ỏnh sỏng nhỡn thấy khi chỏy do tạo sản phẩm chỏy dễ bay hơi. Vỡ vậy cỏc tỏc giả đó thay thế kali nitrat bằng amon nitrat làm chất oxi hoỏ chớnh [28]. Cỏc cấu tử kim loại kiểm được giới hạn chỉ cũn Cs, Rb và hỗn hợp của chỳng. Việc thay thế kali nitrat bằng amon nitrat trong hỗn hợp chứa Cs hoặc Rb tạo ra những THT phỏt xạ hồng ngoại cú tỷ lệ ỏnh sỏng nhỡn thấy thấp nhất.
+ Chất oxi hoỏ: chất oxi hoỏ cơ bản của THT phỏt xạ dạng này chủ yếu là amon nitrrat, cú thờm xezi nitrat hoặc rubidi nitrat hoặc cả hai. Amon nitrat chiếm từ 45% đến 65% trọng luợng của hỗn hợp. Hàm lượng amon nitrat cao như vậy bảo đảm cho THT phỏt xạ hồng ngoại cú khả năng phúng được như trong cỏc thành phần của nhiờn liệu hỗn hợp cho tờn lửa [25]. Để tăng tốc độ chỏy cú thể thờm vào chất oxi hoỏ nitramin với tỷ lệ khoảng 5% đến 10% trọng lượng của amon nitrat. Xezi nitrat, rubidi nitrat hoặc hỗn hợp của chỳng chứa khoảng 10% đến 20%. Cỏc loại muối nitrat này chớnh là nguồn phỏt xạ hồng ngoại cú chất lượng tốt.
+ Chất chỏy: Cú thể sử dụng kim loại, phi kim hay chất hữu cơ hoặc hỗn hợp kim loại và chất hữu cơ làm chất chỏy.
Chất chỏy hữu cơ: Thường sử dụng hecxamin và melamin. Melamin ổn định hơn so với hecxamin trong quỏ trỡnh bảo quản. Cỏc hợp chất hữu cơ chứa nitơ khỏc cũng cú thể dựng làm chất chỏy như: axit uric, guanidin và adenin.
Bột kim loại: thường sử dụng cỏc bột kim loại giải phúng nhiệt vừa đủ để duy trỡ chỏy. Tỷ lệ sử dụng bột kim loại thường trong khoảng 6% đến 12%. Cỏc kim loại dạng bột được sử dụng gồm bo, zirconi hydrit, silic, wonfram hoặc hỗn hợp của chỳng. Zirconi hydrit bền hơn so với dạng zirconi kim loại. Khụng nờn sử dụng nhiều cỏc kim loại phỏt xạ nhiều ỏnh sỏng nhỡn thấy như nhụm, magie, chỉ nờn thờm chỳng vào với một lượng nhỏ để hỗ trợ tốc độ chỏy.
+ Chất kết dớnh: bao gồm cỏc polyeste, polyete, polyamin và polyamit. Chất kết dớnh thụng thường cú thể gồm keo polyeste cựng với keo epoxi lỏng hoặc keo vinyl ancol axetat. Hàm lượng và chủng loại chất kết dớnh được sử dụng sẽ phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng. Vớ dụ, cỏc hỗn hợp dạng nộn chứa tử 5% đến 8% chất kết dớnh và hỗn hợp dạng đỳc thưũng chứa từ 10% đến 15% chất kết dớnh.
+ Chất xỳc tỏc chỏy và phụ gia năng lượng: Sử dụng tương tự như THT dạng đỳc. Cú thể dựng vật liệu để điều chỉnh tốc độ chỏy là oxit sắt với hàm lượng khoàng 2%.
THT phỏt xạ hồng ngoại loại này thường gồm những cấu tử sau [28]: CsNO3 hoặc RbNO3 (Chất oxy húa phỏt xạ hồng ngoại) 10 – 20%
NH4NO3 45 – 65%
Bột kim loại 5 – 20%
Chất chỏy hữu cơ 10 – 20%
Chất kết dớnh 5 – 20%