Nghiên cứu nâng cao độ bền cơ lý và khả ngăng chịu nhiệt cho vật liệu trên cơ sở cao su nitril không có (hoặc có rất ít) bột độn gia cường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Duy Hiển

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ BỀN CƠ LÝ VÀ
KHẢ NĂNG CHỊU NHIỆT CHO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ
CAO SU NITRIL KHÔNG CÓ (HOẶC CÓ RẤT ÍT)
BỘT ĐỘN GIA CƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Duy Hiển

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ BỀN CƠ LÝ VÀ KHẢ NĂNG
CHỊU NHIỆT CHO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ CAO SU NITRIL
KHÔNG CÓ (HOẶC CÓ RẤT ÍT) BỘT ĐỘN GIA CƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số : 60 44 01 19

Cán bộ hướng dẫn: TS. Trương Thanh Tú
PGS. TS. Chu Chiến Hữu

Hà Nội – 2014 


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cao phân
tử, Viện Hóa học – Vật liêu, Viện Khoa hoc- Công nghệ quân sự.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hóa học – Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình dạy dỗ
em trong quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn TS Trương Thanh Tú và PGS.TS.Chu Chiến
Hữu, giáo viên hướng dẫn, đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em
hoàn thành bản luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các, anh chị phòng Cao phân tử đã giúp đỡ
em rất nhiều trong thời gian thực hiện luận văn..
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, gia đình và những người
thân đã luôn động viên và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Duy Hiển


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... v
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN ................................................................................. 3 
1.1. SƠ LƯỢC VỂ NHIÊN LIỆU RẮN SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ

CHO VẬT THỂ BAY ................................................................................... 3 
1.1.1. Nhiên liệu keo ....................................................................................... 3 
1.1.2. Nhiên liệu rắn hỗn hợp .......................................................................... 4 
1.1.2.1. Các chất oxy hóa. ......................................................................... 4
1.1.2.2 Các chất cháy. ............................................................................... 4
1.1.2.3. Các chất phụ gia cho nhiên liệu rắn hỗn hợp ................................ 5
1.1.2.4. Các phụ gia giúp thay đổi khả năng công nghệ: ............................ 6
1.2. MỘT SỐ VẬT LIỆU DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO LỚP CHỐNG CHÁY CHO
NHIÊN LIỆU RẮN HỖN HỢP .................................................................... 6 
1.2.1. Ý nghĩa của phương pháp chống cháy ................................................... 6 
1.2.2. Một số vật liệu chế tạo lớp chống cháy cho nhiên liệu rắn hỗn hợp ...... 9 
1.2.2.1. Sự cháy và quá trình ức chế cháy của polyme .............................. 9
1.2.2.2. Các dẫn xuất của xenlulo ........................................................... 12
1.2.2.3. Nhựa phenol andehyt ................................................................. 13
1.2.2.4. Cao su nitril ............................................................................... 15
1.3. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP CHỐNG CHÁY CHO THỎI
NHIÊN LIỆU RẮN .................................................................................... 21 
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ......................................................................... 23 
2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ .................................................... 23 

i


2.1.1. Hóa chất .............................................................................................. 23 
2.1.2. Thiết bị, dụng cụ ................................................................................. 23 
2.1.3. Các thiết bị dùng để phân tích, đo đạc các tính năng của vật liệu ......... 23 
2.2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU .................................. 28 
CHƯƠNG III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 31 
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH MẪU VẬT LIỆU CHỐNG CHÁY
CHO THỎI NHIÊN LIỆU RẮN HỖN HỢP DO NGA CHẾ TẠO.............. 31 

3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU ..................................... 39 
3.2.1. Kết quả chế tạo vật liệu từ cao su NBR-26 gốc (không có bột độn) ..... 39 
3.2.2. Kết quả chế tạo vật liệu từ cao su NBR-26 gia cường bằng nhựa PF.... 44 
3.2.3. Nghiên cứu nâng cao khả năng cán luyện, xuất tấm cho vật liệu .......... 49 
3.2.4. Nghiên cứu nâng cao khả năng chống cháy cho vật liệu ..................... 52 
3.3. TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU ....... 56 
3.3.1. Đơn chế tạo vật liệu............................................................................. 56 
3.3.2. Các tính năng kỹ thuật của vật liệu đạt được........................................ 56 
3.4. Kết quả thử nghiệm thực tế khả năng chống cháy của vật liệu chế tạo được 57 
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 60 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61 
 
 

 

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DOP

Dioctyl phtalat

DM

Dibenzo thiazyl disulphide

DTDM

4,4 - Dithiodimorpholine

TMTD

Tetrametyltiuram disulfit

NBR, CKH

Cao su Nitril

PF

Phenol formaldehyt

PVC

Poly Vinyl Clorua

PS

Poly Stiren

L.O.I

Chỉ số oxy giới hạn (Limited Oxygen Index)

D

Diphenylguanidin

DSC

Phân tích nhiệt lượng quét vi sai

DTG/DTA

Phân tích nhiệt vi sai

FT-IR

Hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier
Transform Infrared Spectroscopy)

 

 

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 -Thành phần cơ bản của nhiên liệu keo 2 gốc .......................................... 3 
Bảng 1.2 - Thành phần cơ bản của nhiên liệu rắn hỗn hợp ....................................... 4 
Bảng 1.3 - Các nhà sản xuất chính ......................................................................... 16 
Bảng 1.4 - Các đặc trưng vật lý của cao su nitril .................................................... 18 
Bảng 1.5 – Thành phần của đơn lưu hóa cao su nitril ............................................. 19 
Bảng 3.1 - Các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu chống cháy do Nga chế tạo ................... 38 
Bảng 3.2- Đơn cao su không dùng bột độn ............................................................ 39 
Bảng 3.3- Độ bền cơ lý của mẫu cao su nitril không có bột độn ............................. 40 

Bảng 3.4 - Kết quả xác định điều kiện lưu hóa tối ưu của ba mẫu vật liệu.............. 44 
Bảng 3.5- Đơn cao su gia cường bằng nhựa PF ..................................................... 46 
Bảng 3.6- Tính năng cơ lý của các đơn vật liệu gia cường bằng nhựa PF ............... 46 
Bảng 3.7- Đơn cao su có bổ sung bột xenlulo ........................................................ 50 
Bảng 3.8 - Tính năng cơ lý của các đơn vật liệu có bổ sung bột xenlulo ................ 51 
Bảng 3.9- Đơn vật liệu bổ sung phụ gia Sb2O3, Al(OH)3 ................................... 54 
Bảng 3.10 - Kết quả đo tính năng cơ lý và chỉ số oxy của các đơn vật liệu có bổ
sung phụ gia Al(OH)3 và Sb2O3 ............................................................................. 54 
 
 

 

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH
 

Hình 1.1- Sơ đồ mặt cắt của động cơ ....................................................................... 7
Hình 1.2- Biến thiên áp suất theo thời gian khi thỏi nhiên liệu cháy ........................ 9
Hình 2.1- Kích thước mẫu chuẩn dùng để xác định độ bền cơ lý ........................... 26
Hình 2.2- Kích thước mẫu chuẩn dùng để xác định chỉ số L.O.I ............................ 27
Hình 3.1 – Hình ảnh vỏ chống cháy cho nhiên liệu rắn hỗn hợp ............................ 31
Hình 3.2 – Phổ hồng ngoại của chất chống cháy do Nga chế tạo............................ 32
Hình 3.3 - Giản đồ phân tích nhiệt của chất chống cháy do Nga chế tạo ............... 34
Hình 3.4 – Giản đồ DSC của chất chống cháydo Nga chế tạo ................................ 35
Hình 3.5 - Kết quả chụp EDX mẫu vật liệu chống cháy của Nga (Vị trí 1) ........... 36
Hình 3.6 - Kết quả chụp EDX mẫu vật liệu chống cháy của Nga (Vị trí 2) ........... 37
Hình 3.7 - Đường cong lưu hóa cao su theo đơn 1 ................................................ 41

Hình 3.8 - Đường cong lưu hóa cao su theo đơn 2 ................................................. 42
Hình 3.9 - Đường cong lưu hóa cao su theo đơn 3 ................................................. 43
Hình 3.10-Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu nhựa PF ............................................. 45
Hình 3.11 - Độ bền nhiệt của mẫu vật liệu chế tạo được ....................................... 57
Hình 3.12- Thỏi nhiên liệu đã được bọc chống cháy .............................................. 58
Hình 3.13 – Đồ thị đo lực đẩy, áp suất theo thời gian của mẫu vật liệu của Nga .... 59
Hình 3.14 – Đồ thị đo lực đẩy, áp suất theo thời gian của mẫu vật liệu chế tạo ...... 59
 

v


MỞ ĐẦU
Việc Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn năng lượng cho vật thể bay đã và
đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước rất quan tâm nghiên cứu và ngày
càng được hoàn thiện hơn. Nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ của hoạt động
có thể được sinh ra từ các phản ứng hoá học hoặc các nguồn năng lượng khác như
năng lượng điện, hạt nhân hay ánh sáng... Trong vật thể bay, động cơ hoạt động sử
dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng hóa học đốt cháy nhiên liệu sinh ra nhiều
sản phẩm khí, từ đó tạo áp suất và lực đẩy phản lực thông qua loa phụt của động cơ
để vật thể di chuyển trong bầu khí quyển. Tuỳ thuộc vào trạng thái của nhiên liệu,
người ta phân biệt thành ba loại cơ bản như sau:
- Động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
- Động cơ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp.
- Động cơ sử dụng nhiên liệu rắn.
Loại động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng và nhiên liệu hỗn hợp hoạt động nhờ
vào năng lượng của các phản ứng hóa học giữa các chất cháy và chất oxy hóa ở
trạng thái không đồng nhất. Các loại động cơ này có nhược điểm là thiết kế hệ
thống phức tạp, yêu cầu kỹ thuật ngặt nghèo, độ tin cậy, sẵn sàng hoạt động chưa
cao nên phạm vi ứng dụng hạn chế[6].

Động cơ sử dụng nhiên liệu rắn có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản, độ
tin cậy cao. Trong động cơ nhiên liệu rắn, cả chất cháy và chất oxy hóa được trộn
hợp đều, phân bố đồng nhất và được gắn kết với nhau thành một khối rắn chắc, có
hình dạng nhất định tùy thuộc vào yêu cầu thực tế.
Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo của động cơ và thỏi nhiên liệu kết hợp với
ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao, bề mặt cháy của thỏi nhiên liệu rắn có thể sẽ
bị thay đổi bất thường(hiện tượng cháy tăng diện) dẫn đến những hậu quả khôn
lường. Vì vậy, với động cơ nhiên liệu rắn, việc chống cháy cho thỏi nhiên liệu có ý
nghĩa rất quan trọng. Chống cháy là tổng hợp các phương pháp đặc biệt sử dụng để

1


ngăn không cho một số vùng trên bề mặt thỏi nhiên liệu được cháy khi động cơ hoạt
động theo yêu cầu của nhà thiết kế [2].
Tùy thuộc bản chất hóa học của thỏi nhiên liệu rắn, yêu cầu kỹ thuật và trình
độ công nghệ mà người ta đã đưa ra rất nhiều biện pháp chống cháy khác nhau cho
thỏi nhiên liệu rắn. Trong thời gian 10 năm trở lại đây, một số loại nhiên liệu rắn do
Nga, Mỹ, Pháp, Trung Quốc...chế tạo đã sử dụng vật liệu trên cơ sở cao su nitril để
làm lớp chống cháy. Yêu cầu kỹ thuật của lớp vật liệu chống cháy cho thỏi nhiên
liệu này rất cao: độ bền cơ lý và độ chịu nhiệt cao, lượng tro còn lại sau khi cháy rất
thấp (dưới 5%) để đảm bảo loa phụt không bị tắc nghẽn trong khi động cơ hoạt
động. Chính vì vậy chúng tôi đã đặt vấn đề nghiên cứu chế tạo loại vật liệu này với
mục tiêu chính là nâng cao độ bền cơ lý và khả năng chịu nhiệt cho vật liệu trên cơ
sở cao su nitril không có( hoặc có rất ít) bột độn gia cường.

2


CHƯƠNG I - TỔNG QUAN

1.1. SƠ LƯỢC VỂ NHIÊN LIỆU RẮN SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ
CHO VẬT THỂ BAY
Nhiên liệu rắn là một hệ bao gồm đồng thời cả chất cháy và chất oxy hóa
được phân bố đồng nhất và gắn kết chắc với nhau thành một khối có hình dạng nhất
định. Nguồn cung cấp oxy cho phản ứng cháy của nhiên liệu rắn là do chất oxy hóa
cung cấp mà không cần phải có oxy không khí. Tuỳ thuộc vào thành phần hóa học
của chất cháy và chất oxy hóa, người ta phân loại nhiên liệu rắn thành 2 dạng Nhiên
liệu keo và Nhiên liệu hỗn hợp.
1.1.1. Nhiên liệu keo
Nhiên liệu keo được sản xuất trên cơ sở dẫn xuất của nitroxenlulo có hàm
lượng nitơ trong khoảng 10,8 - 12,1% và thành phần thứ hai là thành phần hóa dẻo
khó bay hơi như nitroglycerin, nitroglycol, nitrodiglycol... Ngoài ra trong thành
phần của nhiên liệu keo hai gốc còn có các chất an định cho thuốc phóng
(diphenylamin, xentralit), chất thuần hoá cho nhiên liệu keo (long não hay
dinitrotoluen) hay các chất dập lửa và một vài phụ gia khác. Bảng 1.1 dưới đây
trình bày các thành phần cơ bản của loại nhiên liệu keo hai gốc.
Bảng 1.1 -Thành phần cơ bản của nhiên liệu keo 2 gốc [2]
TT

Tên hóa chất

1
2
3

Nitro xenlulo
Nitro glyxerin
Di nitrotoluen

4

5
6
7
8
9
10
11

Xentralit
Vazơlin
Dầu biến thế
Oxyt chì
CaCO3
Kẽm stearat
Chì phtalat
Độ ẩm

Thuốc của Liên Xô
(% khối lượng)
57,5 ± 1,0
26,7 ± 0,7
8,5 ± 1

Thuốc phóng của VN
(% khối lượng)
56,0 ± 1,0
26,7 ± 0,7
10,5 ± 1,0

2,9 ± 0,3

-

33 ± 0,3
1,2 ± 0,4
-

0,6 ± 0,3
1,4 ± 0,3
2,0 ± 0,4
≤ 0,02
≤ 0,8

0,9 ± 0,3
1,7 ± 0,3
0,9 ± 0,3
< 0,7

3


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt:
[1].Ghosh A.G, Người dịch Phạm Hiển và cộng sự (1987), Thuốc phóng thuốc nổ,
HVKTQS, Tr.185-188
[2].Ngô Văn Giao (1999), Công nghệ sản xuất thuốc phóng và nhiên liệu tên lửa,
NXB Học viện kỹ thuật quân sự.
[3].Nguyễn Công Hoè- Trần Ba – Dương Đức Thục (1982), Một số vấn đề cơ sở về
thuốc phóng và nhiên liệu tên lửa rắn, Viện Khoa học - Công nghệ quân sự.
[4].Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý, Nhà
xuất bản khoa học kỹ thuật.

[5].Nguyễn Hữu Trí (2004), Khoa học kỹ thuật cao su thiên nhiên. NXB Trẻ
[6].Nguyễn Công Hòe (2002), Nghiên cứu thiết kế day chuyền công nghệ sản xuát
nhiên liệu tên lửa rắn hỗn hợp, Viện Khoa học – Công nghệ quân sự.
[7].Nguyễn Việt Bắc, Lê Trọng Thiếp (2000), Hóa học và công nghệ cao su, Trung
tâm KHKT & CNQS.
[8].Nguyễn Việt Bắc (2003), keo dán kỹ thuật, Trung tâm KHKT&CNQS.
Tiếng Anh
[9].Alain Davenas (1993), Solid Rocket Propulsion Technology, printed in Great
Britain by the Bath Press, Avon.
[10].Armin C. Pitch Ford, Bartlesville Okla., and Hugh J. “Means and Method for
Restricting a Solid Propellant”, Patented Nov. 2, 1965, 3.215.028. ( United States
Patent Office)
[11].Bayer G. (2001),”Nano Composites part 2 A novel Flame Protection System
for Polymer”, Gummi, Fasern, Kunstst., 54 (5) ISSN: 0176 - 1625
[12].C. F. Cullis and M. M. Hirschler (1981), The Combustion of Organic Polymer,
Clarendon Press - Oxford.
[13].Combustion Inhibitors On A Base of Oxygenated Polyurethane Elastomer
Which Contains Fibers For The Double Base Propellant (1985), Patent number :
GB 4536235

61


[14].Eduard Daume (1977), “Method for the production of an inhibitior coating for
a solid rocket propellent charge”, U.S. Patent, No.4 021 514.
[15]. />[16].Jo Byung Wook, Moon Sung Cheal, Chai Jae Gon, Park Dong Ju (2000),
“Flame Retardant Polyolephin/PVC/Nitryl Rubber foam Composition and Method
for Producing the same”, EP 2000 - 122144.
[17].Liu Y. I, Pearce E. M., Weil E. D. (1990), "Flame Retardancy of
Dicyandiamide - Crosslinked Epoxy Resins Containing Phenolphtalein Structures

and/or Phosphorus Containing Additive", J. Fire Sci., 17 (3), P. 240 - 258.
[18].Secr Defence (1980) Inhibition Coating for Propellant Charges, Patent
number: GB 2038346.
[19].Shui - Yulu, Ian Hamerton (2002),"Recent Developments in Chemistry of
Halogen Free Flame Retardant Polymers", Prog. Polym. Sci., 27, p. 1661 - 1712
[20].Walter A. Hartz, Cuyahoga Falls, and Daniel A. Meyer, (1967) Elastomeric
Composition for Use as Rocket Insulation, Patented Oct. 17, 1967, 3.347.047
(United States Patent Office).

62