Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính trong thành phần thuốc nổ nhiệt áp dùng cho đạn ĐNA-7V

Hóa học và Kỹ thuật môi trường T. Q. Phát, , H. N. Minh, “Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cho đạn ĐNA-7V.” 62 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CHẤT KẾT DÍNH TRONG THÀNH PHẦN THUỐC NỔ NHIỆT ÁP DÙNG CHO ĐẠN ĐNA-7V Trần Quang Phát1*, Ngô Văn Giao2, Ninh Đức Hà3, Hồ Ngọc Minh3 Tóm tắt: Thuốc nổ nhiệt áp dùng cho đạn ĐNA-7V gồm có các thành phần: thuốc nổ phá, chất cháy, chất oxi hóa và chất kết dính. Chất kết dính ngoài việc bảm bảo tương thích hóa học với các thành phần cần phải thỏa mãn yêu cầu về công nghệ của thuốc nổ, đó là có độ nhớt động lực phù hợp với phương pháp đúc rót có áp suất. Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu lựa chọn chất kết dính trên nền cao su polyacrylat sử dụng cho thuốc nổ nhiệt áp dùng cho đạn ĐNA-7V. Từ khóa: Đạn nhiệt áp ĐNA-7V; Thuốc nổ hỗn hợp; Thuốc nổ nhiệt áp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thành phần của thuốc nổ nhiệt áp (TBE) thường gồm có thuốc nổ phá, chất cháy, chất oxi hóa, chất kết dính và phụ gia. Thực tế, TBE là 1 loại thuốc nổ PBX (Plastic Bonded eXplosives) nhiệt rắn. Thuốc nổ này được chuẩn bị bằng công nghệ đúc trực tiếp vào các loại vũ khí, sau đó được đóng rắn ở nhiệt độ cao, chúng trở thành khối thuốc nổ dạng rắn với các đặc trưng của cao su đàn hồi [1], [2]. Tuy nhiên, các công trình này không công bố thông tin chi tiết về công nghệ cũng như thiết bị và phương pháp nhồi đúc TBE. Ở trong nước, TBE nói chung và TBE dùng cho đạn nhiệt áp ĐNA-7V mới bắt đầu được nghiên cứu, chế tạo [3, 4]. Thành phần chính của TBE dùng cho đạn ĐNA-7V gồm thuốc nổ phá là hexogen (RDX), chất cháy là bột nhôm (Al), chất oxi hóa là amonipeclorat (AP) và chất kết dính. Thuốc nổ nhiệt áp là một loại vật liệu composit mà chất kết dính là môi trường phân tán, liên kết các thành phần và tạo cho hỗn hợp có độ bền cơ học nhất định. Đạn ĐNA-7V có hình dạng vỏ đầu đạn phức tạp, 2 đầu có đường kính nhỏ hơn phần giữa (đường kính trong 2 đầu  53,5 mm và  52 mm, đường kính trong thân đạn là  96 mm) nên phương pháp nhồi đúc thuốc nổ là phù hợp nhất. Yêu cầu quan trọng nhất của trạng thái TBE đúc là khối lượng riêng cao (không nhỏ hơn 1,89 g/cm3) và hiện nay, trong nước cũng chưa có sản phẩm nào đạt được mật độ này. Một khó khăn cần giải quyết là xác định công nghệ chế tạo và nhồi đúc vào thân đạn. Qua phân tích, đánh giá, phương án công nghệ đúc có áp suất kết hợp hút chân không trong lòng thân đạn được lựa chọn để đảm bảo chất lượng khối thuốc. Trong đó, việc lựa chọn được chất kết dính đóng vai trò quan trọng nhất trong công nghệ. Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu lựa chọn chất kết dính từ 3 loại polyme: hai polyme đang được sử dụng một số sản phẩm quân sự (cao su polybutadien nitryl và epoxy ED-20) và cao su polyacrylat mới được chế tạo trong nước. 2. VẬT TƯ, HÓA CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật tư, thiết bị 2.1.1. Vật tư - Thuốc nổ hexogen (RDX), xuất xứ: Nhà máy Z195; Bột nhôm (Al), xuất xứ: Mỹ; amonipeclorat (AP), xuất xứ: Trung Quốc; cao su polyacryliat (PAC), xuất xứ: Viện Hóa học-Vật liệu; cao su polybutadien nitryl (CKH-10KTP), epoxy ED-20, xuất xứ: Nga; hỗn hợp chất hóa dẻo HD-70, xuất xứ: Viện Thuốc phóng Thuốc nổ; lecithin, xuất xứ: Việt Nam; toluen diizocianet (TDI), xuất xứ: Trung Quốc; DPA, xuất xứ: Trung Quốc. - Trạm nổ: Thuốc nổ A-IX-1 (xuất xứ: Nhà máy Z195), khối lượng 25  0,2 g; khối lượng riêng 1,60  1,62 g/cm3, chế tạo bằng phương pháp nén ép. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 63 - Ống nổ điện vỏ nhôm số 8 (xuất xứ: Nhà máy Z121); - Các mẫu TBE có kích thước: Ф55x(922) mm; khối lượng: 41010 g; khối lượng riêng: 1,89  1,91 g/cm3. 2.1.2. Thiết bị - Thiết bị Vaccum Stabil Tester (Cộng hòa Séc) xác định độ an định hóa học của chất nổ theo phương pháp ổn định nhiệt độ chân không; - Thiết bị đo độ nhớt động lực học DW-E của hãng Brookfield (Mỹ), dải đo từ 0,8 đến 104000 pa.s, độ chính xác 0,1 %; - Thiết bị đo đa kênh DEWE-3020 của hãng Dewetron - CH Áo (Số kênh: 08 theo chuẩn DAQ và PAD, có thể đo nhiều loại tín hiệu khác nhau: mV, kV, biến dạng, cặp nhiệt điện, tốc độ: 30  45 MB/s, nguồn điện: 90  260 V (AC)). - Đầu đo áp suất theo nguyên lý piezo của hãng Kistler (Thụy Sĩ) (dải đo: 250 psi, quá tải: 5000 psi, độ phân giải: 0,05 psi, độ tuyến tính: ≤ ±1% FSO, phần tử cảm biến: Quartz, thời gian đáp ứng: < 1µs, dải nhiệt độ hoạt động: -55 ÷ 125 oC, dạng cảm biến: IEPE. - Giá đặt đầu đo, mẫu thuốc, thiết bị điểm hỏa từ xa. 2.2. Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp đo phổ hồng ngoại (IR); - Phương pháp DSC; - Phương pháp đo đô nhớt động lực trên thiết bị HADV-E (Brookfield) sử dụng Spindle số 07, tốc độ quay: 2 vòng/phút. - Phương pháp ổn định nhiệt chân không (VST): Hỗn hợp được gia nhiệt ở điều kiện chân không với nhiệt độ không đổi 100 oC trong thời gian 40 giờ; Hình 1. Sơ đồ bố trí khối thuốc và đầu đo áp suất. 1. Khối thuốc nổ; 2. Đầu đo áp suất; 3. Giá đỡ. - Phương pháp và kỹ thuật đo áp suất dư lớn nhất trên bề mặt sóng xung kích (P) và xung lượng pha tích cực (Itc): Đặt đầu đo áp suất và khối thuốc nổ trên cùng một chiều cao 2m từ mặt đất. Khi khối thuốc được kích nổ, sóng xung kích truyền trong không khí. Đầu đo sẽ thu nhận được giá trị áp suất này. Phần tử cảm biến dạng IEPE kết nối với thiết bị DEWE 3020 sẽ chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện. Từ đó, thiết bị sẽ đưa ra đồ thị sự thay đổi của áp suất trên bề mặt sóng xung kích theo thời gian tại mỗi vị trí nhất định (hình 1). Căn cứ vào đồ thị sẽ xác định được P và phần mềm của thiết bị sẽ xác định được Itc. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính polyme Hóa học và Kỹ thuật môi trường T. Q. Phát, , H. N. Minh, “Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cho đạn ĐNA-7V.” 64 3.1.1. Nghiên cứu đánh giá tính tương thích hóa học của polyme với các thành phần chính theo phương pháp VST Ba polyme được lựa chọn để đánh giá là cao su PAC, CKH-10KTP và epoxy ED-20. Thể tích khí phát sinh thêm ra do có sự tương tác và tiếp xúc giữa các thành phần chính trong TBE (gồm Al, AP và RDX với tỷ lệ khối lượng 1:1:1) và chất kết dính trong hỗn hợp (VR) được xác định bởi thử nghiệm độ ổn định nhiệt chân không VST. Kết quả tính toán VR của PAC, CKH-10 KTP và Epoxy ED-20 lần lượt là 1,4 mL; 0,6 mL và 6,2 mL tương ứng. Theo tiêu chuẩn STANAG 4147 [5] nhận thấy, epoxy ED-20 hoàn toàn không tương thích với hỗn hợp ba thành phần chính. Còn lại, hai chất kết dính trên nền cao su PAC và CKH-10 KTP đều tương thích hóa học với hỗn hợp thành phần chính của TBE. Tuy nhiên, giá trị VR của hỗn hợp trên nền cao su CKH-10 KTP nhỏ hơn khá nhiều so với VR của hỗn hợp trên nền cao su PAC, điều đó cho thấy, độ tương thích của cao su CKH-10 KTP tốt hơn. 3.1.2. Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính trên cơ sở đặc tính công nghệ Tiến hành thử nghiệm đối với cao su CKH-10KTP. Chế tạo 5 mẫu TBE với thành phần trong bảng 1. Bảng 1. Các đơn thành phần TBE để thử nghiệm cao su CKH-10KTP. Thành phần Hàm lượng (%) TBE-V1 TBE-V2 TBE-V3 TBE-V4 TBE-V5 Thuốc nổ RDX 34 32 30 28 26 Bột Al 25 25 25 25 25 AP 32 34 36 38 40 CKD trên nền cao su CKH-10KTP 9 9 9 9 9 Kết quả thử nghiệm đo ΔPmax và Itc được cho trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả đo ΔPmax và Itc của các mẫu TBE. Tên mẫu Pmax, psi Itc, psi.ms Khoảng cách 3m Khoảng cách 5m Khoảng cách 3m Khoảng cách 5m TBE-V1 9,69 3,73 6,03 3,39 TBE-V2 8,35 3,64 5,43 3,41 TBE-V3 7,42 3,76 5,02 3,33 TBE-V4 8,09 3,54 5,09 3,31 TBE-V5 8,36 3,32 5,26 3,04 Căn cứ vào các chỉ tiêu Pmax và Itc của TBE (ΔPmax(3m)  8,87 psi, ΔPmax(5m)  3,89 psi và Itc(3m)  6,32 psi.ms, Itc(5m)  3,74 psi.ms), mẫu TBE-V1 đạt yêu cầu. Theo [6], căn cứ vào giá trị độ nhớt động lực () có thể xác định được trạng thái một hỗn hợp có thể được sử dụng bằng các phương pháp công nghệ khác nhau. Giá trị cụ thể được cho như sau: - Khi  từ 102  103 (đến 6.103) pa.s: Phù hợp phương pháp đúc rót tự do; - Khi  từ 103  105 pa.s: Phù hợp phương pháp đúc rót có áp suất; - Khi  từ 106  1011 pa.s Phù hợp phương pháp nén ép. Đo độ nhớt động lực của mẫu TBE-V1 sau khi trộn. Thực hiện trên thiết bị HADV-E (Brookfield) sử dụng Spindle số 07, tốc độ quay: 2 vòng/phút. Kết quả thu được độ nhớt của hỗn hợp là 7,3.105 pa.s. Từ đó cho thấy, dạng thuốc nổ này chỉ có thể sử dụng phương pháp nén ép. Mục tiêu cuối cùng của việc nghiên cứu TBE được đặt ra là phải nhồi được vào đạn nhiệt áp ĐNA-7V. Căn cứ vào hình dạng của loại đạn này, có hai đầu nhỏ hơn Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 65 thân đạn nên phương pháp nhồi TBE tối ưu nhất vào đạn là phương pháp đúc rót. Như vậy, CKD trên nền cao su CKH-10KTP không phù hợp để sử dụng cho đạn ĐNA-7V. Đối với cao su PAC, nghiên cứu đối hai mẫu TBE-V6 và TBE-V7, thành phần của hai mẫu thuốc này được cho trong bảng 3. Bảng 3. T lệ thành phần của 2 mẫu TBE. TT Thành phần Hàm lượng (%) TBE-V6 TBE-V7 1 Thuốc nổ RDX 23 25 2 Bột Al 29 27 3 AP 32 33 4 Chất kết dính trên nền cao su PAC 16 15 Kết quả đo độ nhớt động lực của 2 mẫu TBE-V6 và TBE-V7 lần lượt là 45826 Pa.s và 53482 Pa.s tương ứng. Như vậy, TBE trên nền cao su PAC phù hợp sử dụng cho đạn ĐNA-7V vì đáp ứng được yêu cầu công nghệ cho phương pháp đúc có áp suất. Hơn nữa, cao su này còn đáp ứng được tính tương thích hóa học theo phương án VST. Do đó, cao su PAC được lựa chọn làm thành phần chất kết dính cho TBE cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.2. Đánh giá tương thích của PAC và hỗn hợp theo phương pháp DSC Hình 2. Giản đồ DSC của chất kết dính trên nền cao su PAC. Hình 3. Giản đồ DSC của hỗn hợp Al, AP, RDX và cao su PAC. Để bảo đảm an toàn, nghiên cứu chỉ thực hiện trong khoảng nhiệt độ không vượt quá 300 oC. Mẫu được chọn để nghiên cứu là mẫu TBE-V8 với tỷ lệ cao su PAC:hỗn hợp (Al, RDX, AP) là 1:1. Trên hình 2 và 3 là giản đồ DSC tương ứng của chất kết dính và của mẫu TBE-V8. Theo [7], [8], để so sánh tính tương thích giữa thành phần nền và hỗn hợp, chọn thành phần nền có nhiệt độ đỉnh phân hủy DSC thấp hơn trong số hai thành phần được chọn để so sánh. Từ hình 4 nhận thấy, hệ chất kết dính PAC có đỉnh nhiệt độ phân hủy là 192,9 oC, trong khi đó, đối với các chất AP, Al, RDX đều có đỉnh phân hủy lớn hơn nhiệt độ này. Do đó, thành phần nền là hệ chất kết dính PAC. Từ giản đồ DSC của hỗn hợp trong hình 4 nhận thấy đỉnh nhiệt độ phân hủy của hỗn hợp là 196,4 oC. Do đó, giá trị ΔPp được tính bằng: 196,4-192,9=3,5 oC. Theo tiêu chuẩn STANAG 4147 [5], nếu ΔPp nhỏ hơn 4 oC thì các chất đánh giá được coi là tương thích. Như vậy, chất kết dính PAC và hệ 3 thành phần Al, AP, RDX tương thích với với nhau. 3.3. Nghiên cứu khả năng khâu mạch của chất kết dính trên nền cao su PAC Phổ hồng ngoại (IR) của mẫu cao su PAC và cao su PAC đã đóng rắn bằng TDI được cho trên hình 4 và hình 5 tương ứng. Hóa học và Kỹ thuật môi trường T. Q. Phát, , H. N. Minh, “Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cho đạn ĐNA-7V.” 66 Hình 4. Phổ IR của PAC. Hình 5. Phổ IR của PAC đã đóng rắn. Nhìn vào phổ hồng ngoại trên phổ trên hình 4 nhận thấy sự xuất hiện của các số sóng tương ứng với các nhóm chức sau: - Số sóng 3448,03 cm-1: Nhóm hidroxyl OH- - Số sóng 2951,80 cm-1: Liên kết C-H trong hydrocacbon no - Số sóng 1728,95 cm-1: Nhóm cacbonyl - Dải số sóng 1100÷1200 cm-1: Các dao động của liên kết C-O Nhìn vào hình 5 nhận thấy: - Số sóng 3448,03 cm-1 đã mất đi, chỉ còn ở đường nền do nhóm hidroxyl OH- đã tham gia đóng rắn cùng nhóm chức –NCO trong phân tử TDI theo phản ứng: R-NCO + R1-OH  R-NH-CO-O- R1 - Số sóng 2951,80 cm-1: Liên kết C-H trong hydrocacbon no - Số sóng 2274,69 cm-1: Nhóm izocianat - Số sóng 1728,72 cm-1: Nhóm cacbonyl đã yếu đi do nhóm izocianat dùng dư - Số sóng 1632,14 cm-1: Nhóm CH2 trong nhân benzen - Dải số sóng 1100÷1200 cm-1: Các dao động của liên kết C-O. Nhận xét: Cao su PAC sau khi đóng rắn bằng chất đóng rắn TDI đã có phản ứng của nhóm izocianat và nhóm OH - trong cao su PAC tạo ra polyme mạng lưới có khả năng kết dính các thành phần rắn. 3.4. Nghiên cứu khả năng hóa dẻo cao su PAC của hỗn hợp chất hóa dẻo Thành phần CKD để nghiên cứu khả năng hóa dẻo như sau: - Cao su PAC: 25 %; - DEGDN: 52,5 %; - TEGDN: 22,5 %. Nghiên cứu sự thay đổi của nhiệt độ thủy tinh hóa của cao su PAC sau khi được hóa dẻo bằng phương pháp DSC: - Hình 6 là giản đồ DSC của cao su PAC chưa hóa dẻo. - Hình 7 là nhiệt độ thủy tinh hóa của cao su sau khi hóa dẻo. Nhìn vào đồ thị hình 6 và 7 nhận thấy nhiệt độ thủy tinh hóa của cao su PAC trước khi hóa dẻo là 69,4oC, sau khi được hóa dẻo là 4,555 oC; nhiệt độ thủy tinh hóa của PAC giảm rõ rệt khi được tiến hành hóa dẻo bằng hỗn hợp DEGDN và TEGDN (hỗn hợp HD-70). Như vậy, hỗn hợp hóa dẻo trên có khả năng hóa dẻo tốt cao su PAC. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 67 Hình 6. Giản đồ DSC của PAC. Hình 7. Nhiệt độ thủy tinh của PAC sau khi hóa dẻo. 4. KẾT LUẬN Qua nghiên cứu tính tương thích và đặc tính công nghệ của các cao su đối với hỗn hợp nhận thấy cao su PAC cho đặc tính công nghệ tốt, tương thích với các thành phần hỗn hợp. Hỗn hợp chất hóa dẻo HD-70 có khả năng hóa dẻo tốt cao su PAC. Do đó, cao su PAC phù hợp để sử dụng để chế tạo TBE. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Danica Simić, Radoslav Sirovatka, Uroš Anđelić, Milorad Popović, "Influence of cast composite thermobaric explosive composition on air shock wave parametres," ), Scientific technical review (2013), Vol.63, No.2, pp 63-69. [2]. Uroš ANDJELIĆ, Dragan KNEŽEVIĆ, Katarina SAVIĆ, Vladimir DRAGANIĆ, Radoslav SIROVATKA, Ljubiša TOMIĆ Danica SIMIĆ, "Thermobaric effects of cast composite explosives of different charge masses and dimentions", Central European Journal of Energetic material (2016), pp 161-182. [3]. Tran Quang Phat, Ngo Van Giao, Ninh Duc Ha, and Nguyen Khac Phuong Hoa, “Several initial results of research into thermobaric explosives in Vietnam,” The 5th academic conference on natural science for young scientict, master & Ph.D. students from Asian countries, Da Lat city, Vietnam. 4-7 October 2017, ISBN: 978-604-913- 088-5. pp 219-225. [4]. Tran Quang Phat, Ngo Van Giao, Ninh Duc Ha, Truong Dinh Dao, Vu Tai Tu, “Study on selecting method of evaluating the power of thermobaric explosives”, Journal of military science and technology, 62-2019, pp 126-133. [5]. Standardization Argeement STANAG 4147, (2001), "Chemical compability of ammunition componients with explosives (non-nuclear applications)", NATO. [6]. Фиошина, Русин, (2001), "Основы химии и технологии порохов и твердых ракетных топлив", Москва. [7]. Xi Li, Bo-liang Wang, Qiu-Han Lin, and Li-Ping Chen, (2016), "Compatibility study of DNTF with some insensitive energetic materials and inert materials", Journal of Energetic Materials, Vol 34(4), pp. 409-415. [8]. Lin-Quan Liao, et al, (2011), "Compatibility of PNIMMO with some energetic materials", Journal of thermal analysis and calorimetry, Vol 109(3), pp. 1571-1576. Hóa học và Kỹ thuật môi trường T. Q. Phát, , H. N. Minh, “Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cho đạn ĐNA-7V.” 68 ABSTRACT RESEARCH ON DESIGN, MANUFACTURING EQUIPMENT FOR CASTING THERMOBARIC EXPLOSIVE OF WARHEAD ĐNA-7V Thermobaric explosive (TBE) of warhead DNA-7V has ingredients: high explosive, fuel, oxidizer, and binder. Binder not only guarantees chemical compatibility with other ingredients but satisfies technical requirement of TBE which is having a suitable dynamic viscosity with casting under pressure. This paper presents results of selection of binder based on polyacrylate for TBE of warhead DNA-7V. Keywords: Warhead DNA-7V; Explosive composition; Thermobaric explosive. Nhận bài ngày 17 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Thuốc phóng Thuốc nổ/Tổng cục CNQP; 2Cục Khoa học quân sự; 3Viện Hóa học-Vật liệu. * Email: quangphat17@gmail.com.