Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình thuần hóa thuốc phóng một gốc pirocxilin bằng phương pháp phun dung dịch chất thuần hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
------------------------------------

Phạm Quang Hiếu

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƢỞNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH THUẦN HÓA THUỐC PHÓNG MỘT GỐC
PIROCXILIN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHUN DUNG DỊCH CHẤT
THUẦN HÓA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
------------------------------------

Phạm Quang Hiếu

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ

ĐẾN QUÁ TRÌNH THUẦN HÓA THUỐC PHÓNG MỘT GỐC

PIROCXILIN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHUN DUNG DỊCH CHẤT
THUẦN HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số:

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1.

TS Phạm Văn Toại

2.

PGS. TS Chu Chiến Hữu

Hà Nội 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và
chƣa từng công bố trong bất kì công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo
đƣợc trích dẫn đầy đủ./.

Ngày ...tháng 10 năm 2020
Nghiên cứu sinh

Phạm Quang Hiếu


ii

LỜI CÁM ƠN
Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Thuốc phóng
Thuốc nổ/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng và Viện Hóa học – Vật liệu/Viện
Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Giáo viên hướng dẫn TS Phạm Văn
Toại và PGS.TS Chu Chiến Hữu đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên
tôi thực hiện luận án tiến sĩ này.
Xin chân thành cám ơn Thủ trưởng Viện KH&CN Quân sự, Thủ trưởng
Viện Hóa học- Vật liệu, Thủ trưởng Viện Thuốc phóng Thuốc nổ và các cơ
quan đã hết lòng giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này.
Xin chân thành cám ơn các phòng thí nghiệm của Viện Thuốc phóng
Thuốc nổ và Viện Hóa học Vật liệu đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang
thiết bị để tôi thực hiện luận án này.
Xin cám ơn các thầy và các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến quý báu,
động viên chia sẻ các khó khăn cùng tôi hoàn thành những phần việc của
công trình khoa học này.
Cuối cũng, tôi xin chân thành cám ơn những tình cảm quý giá, những
động viên khích lệ, giúp đỡ của gia đình, người thân, bạn bè trong khi tôi
thực hiện luận án này!
Nghiên cứu sinh

Phạm Quang Hiếu


iii

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT............................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................ix
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................ 5
1.1. Khái quát chung về thuốc phóng 1 gốc thông thƣờng...............................5
1.1.1. Nitratxenlulo........................................................................................... 5
1.1.2. Dung môi hóa dẻo...................................................................................6
1.1.3. Chất an định hóa học cho thuốc phóng 1 gốc.........................................7
1.2. Công nghệ sản xuất thuốc phóng pirocxilin...............................................8
1.3. Một số dạng thuốc phóng pirocxilin đặc biệt dùng cho đạn pháo.............9
1.3.1. Thuốc phóng ít hút ẩm............................................................................ 9
1.3.2. Thuốc phóng ít bào mòn nòng.............................................................. 10
1.3.3. Thuốc phóng không sinh lửa.................................................................11
1.3.4. Thuốc phóng dập lửa.............................................................................11
1.3.5. Thuốc phóng 1 gốc xốp.........................................................................12
1.4. Thuốc phóng 1 gốc thuần hóa, một số đặc điểm chính của thuốc phóng
pirocxilin thuần hóa........................................................................................ 12
1.5. Sự khuếch tán các chất vào vật liệu polyme............................................24
1.5.1. Khái niệm truyền chất...........................................................................24
1.5.2 Định luật khuếch tán.............................................................................. 24
1.5.3. Mô hình toán học mô tả sự phân bố nồng độ chất thuần hóa trong thuốc
phóng...............................................................................................................26
1.5.4. Ảnh hƣởng của cấu trúc thuốc phóng lên quá trình hình thành lớp thuần
hóa...................................................................................................................28
1.6. Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về thuốc phóng thuần hóa
.........................................................................................................................28

1.6.1. Ngoài nƣớc...........................................................................................28


iv

1.6.2. Trong nƣớc........................................................................................... 33
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............35
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu..............................................................................35
2.2. Vật tƣ, hóa chất và trang thiết bị............................................................. 35
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................38
2.3.1. Tính toán thiết kế đơn thành phần.........................................................38
2.3.2. Xác định đặc trƣng của thuốc phóng....................................................39
2.3.3. Phƣơng pháp chế tạo bán thành phẩm thuốc phóng (thuốc phóng trƣớc
thuần hóa)........................................................................................................44
2.3.4. Phƣơng pháp thuần hóa thuốc phóng...................................................46
2.3.5. Sử dụng quang phổ Raman trong nghiên cứu cấu trúc lớp thuần hóa .. 47

2.3.6. Phƣơng pháp tạo mẫu đo phổ đƣờng chuẩn Raman............................ 47
2.3.7. Phƣơng pháp tạo mẫu thuốc phóng, đo quang phổ Raman..................49
2.3.8. Phƣơng pháp xác định liên kết hydro có trong lớp thuần hóa..............52
2.3.9. Xác định áp suất đầu nòng trong phát bắn............................................54
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................55
3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình thuần hóa....................................55
3.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sự đồng đều của sản phẩm.....................56
3.1.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thuần hóa đến tổng hàm lƣợng và sự phân bố
long não trong sản phẩm................................................................................. 58
3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch thuần hóa đến quá trình thuần hóa .. 63

3.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố kỹ thuật đến quá trình thuần hóa.............65
3.3.1. Ảnh hƣởng của áp suất phun dung dịch thuần hóa trong quá trình thuần

hóa...................................................................................................................66
3.3.2. Xác định tốc độ tối ƣu tang trộn trong quá trình thuần hóa.................68
3.3.3. Xác định ảnh hƣởng chế độ cấp dung dịch long não đến quá trình thuần
hóa...................................................................................................................71
3.3.3.1. Lựa chọn chế độ cấp dung dịch thuần hóa.........................................71


v

3.3.3.2. Ảnh hƣởng các lần cấp liệu đến chiều sâu và sự phân bố hàm lƣợng
long não...........................................................................................................71
3.3.4. Nghiên cứu xác định thời gian chuyển chặng từ sau thuần hóa sang
công đoạn sấy..................................................................................................76
3.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chất lƣợng BTP thuốc phóng đến quá trình
thuần hóa.........................................................................................................80
3.4.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bốc ngoài đến quá trình thuần hóa...........81
3.4.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bốc trong đến quá trình thuần hóa...........82
3.5. Nghiên cứu xác định miền phân bố long não trong thuốc phóng
thuần hóa.........................................................................................................84
3.5.1. Xác định đƣờng chuẩn phổ Raman theo tỷ lệ long não/NC.................84
3.5.2. Nghiên cứu xác định sự phân bố và nồng độ long não theo chiều sâu lớp
thuần hóa.........................................................................................................85
3.5.3. Sự biến đổi nhiệt lƣợng cháy trong thuốc phóng pirocxilin thuần hóa 95
3.6. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng long não đến hệ số tốc độ cháy u1, vai trò liên kết

hidro giữa long não với NC.......................................................................... 100
3.6.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng long não đến hệ số tốc độ cháy u 1 của thuốc

phóng 5/7SFL................................................................................................100
3.6.2. Vai trò của liên kết hidro giữa long não và NC...................................103

3.7. Ứng dụng kết quả nghiên cứu chế tạo thuốc phóng pirocxilin thuần hóa trên

dây chuyền công nghiệp và phát bắn đạn cao xạ 23 mm và 30 mm hải quân
.......................................................................................................................104
3.7.1. Đối với thuốc phóng 5/7SFL...............................................................107
3.7.2. Đối với thuốc phóng 6/7FL.................................................................110
KẾT LUẬN...................................................................................................116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ...............118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Các kí hiệu
V0
V0TB
Rv
Pm
PmTB
Pmm
Cx
C0
Qv
X
Pđn
2e1
BTP
DBP
DNT

DPA
NC
NCS
LN
TH
TNT
TPP


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1. 1. Thành phần cơ bản của thuốc phóng 1 gốc đạn pháo......................5
Bảng 1. 2. Một số tính chất cơ bản của chất thuần hóa...................................20
Bảng 1. 3. Ảnh hƣởng hàm lƣợng chất TH đến nhiệt động học thuốc phóng .. 20

Bảng 2. 1. Kết quả chế tạo BTP thuốc phóng/7SFL và 6/7FL................................45
Bảng 3. 1. Kết quả ngoại quan sau thuần hóa thuốc phóng ở các nhiệt độ khác
nhau.................................................................................................................57
Bảng 3. 2. Kết quả phân tích hàm lƣợng long não trong thuốc phóng ở các
nhiệt độ thuần hóa khác nhau..........................................................................58
Bảng 3. 3. Điều kiện và kết quả phân tích hàm lƣợng long não trong thuốc
phóng ở các nồng độ dung dịch thuần hóa khác nhau.................................... 63
Bảng 3. 4. Lựa chọn áp suất phun dung dịch thuần hóa................................. 66
Bảng 3. 5. Lựa chọn áp suất phun dung dịch cho quá trình thuần hóa...........67
Bảng 3. 6. Lựa chọn tốc độ quay của thiết bị trƣớc và sau khi phun dung
dịch thuần hóa................................................................................................. 69
Bảng 3. 7. Lựa chọn tốc độ quay của thiết bị trong quá trình phun dung dịch thuần

hóa...................................................................................................................70
Bảng 3. 8. Lựa chọn chế độ cấp, phun dung dịch thuần hóa..........................71
Bảng 3. 9. Công nghệ thuần hóa thuốc phóng pirocxiin quy mô pilot...........75
Bảng 3. 10. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bốc ngoài đến quá trình thuần hóa..81
Bảng 3. 11. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng bốc trong đến quá trình thuần hóa. .82
Bảng 3. 12. Kết quả xác định các tỷ lệ các peak và nồng độ LN/NC.............87
Bảng 3. 13. Kết quả xác định nồng độ LN/NC (%) theo vị trí chiều sâu lớp
thuần hóa.........................................................................................................90
Bảng 3. 14. Sự thay đổi nhiệt lƣợng cháy theo chiều sâu lớp thuần hóa........96
Bảng 3. 15. Sự thay đổi nhiệt lƣợng cháy theo chiều sâu lớp thuần hóa........98
Bảng 3. 16. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng long não đến hệ số tốc độ cháy.....101
Bảng 3. 17. Quy trình thuần hóa công nghiệp cho mẻ 100 kg thuốc phóng. 106


viii

Bảng 3. 18. Kết quả chế tạo thuốc phóng 5/7SFL........................................ 107
Bảng 3. 19. Kết quả bắn thử nghiệm đạn 23mm với các lực rút khác nhau ở
nhiệt độ môi trƣờng...................................................................................... 108
Bảng 3. 20. Kết quả bắn thử nghiệm thuốc phóng 5/7SFL-M1....................109
Bảng 3. 21. Kết quả bắn thử nghiệm thuốc phóng 5/7SFL-M2....................109
Bảng 3. 22. Kết quả chế tạo thuốc phóng 6/7FL...........................................110
Bảng 3. 23. Xác định lực và công tích alpha thuốc phóng 6/7FL-M1..........112
Bảng 3. 24. Kết quả bắn thử nghiệm thuốc phóng 6/7FL-M1......................112
Bảng 3. 25. Kết quả bắn thử nghiệm thuốc phóng 6/7FL-M2......................113
Bảng 3. 26. Kết quả bắn thử nghiệm thuốc phóng 6/7FL-M3......................111


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1. 1. Công nghệ chế tạo thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng...............8
Hình 1. 2. Khuôn ép thuốc phóng pirocxilin dạng hạt 7 lỗ...............................9
Hình 1. 3. Sự cháy của hạt thuốc phóng hình trụ (diện tích bề mặt cháy giảm)
.........................................................................................................................13
Hình 1. 4. Sự cháy của hạt thuốc phóng hình dải (diện tích bề mặt cháy giảm)
.........................................................................................................................13
Hình 1. 5. Sự cháy của hạt thuốc phóng hình trụ 1 lỗ (diện tích bề mặt cháy
hầu nhƣ không giảm)......................................................................................13
Hình 1. 6. Sự cháy của hạt thuốc phóng hình trụ 7 lỗ (diện tích bề mặt cháy tăng)14

Hình 1.7. Sự cháy của hạt thuốc phóng hình trụ 1 lỗ có vỏ bọc bên ngoài (diện
tích bề mặt cháy tăng).....................................................................................14
Hình 1. 8. Sự thay đổi đƣờng cong áp suất theo chiều dài nòng pháo...........16
Hình 1. 9. Thiết bị thuần hóa thuốc phóng......................................................18
Hình 1. 10. Sơ đồ hệ thống thuần hóa thuốc phóng........................................18
Hình 1. 11. Phân bố nồng độ chất thuần hóa và sự thay đổi tốc độ cháy theo bề dày

cháy của hạt thuốc phóng [9]- hình a; mô phỏng lát cắt thuốc phóng thuần hóa –
hình b); thuốc phóng trƣớc khi thuần hóa- hình c) và sau khi thuần hóa-hình d)
............................................................................................................................ 22
Hình 1. 12. Đồ thị P(t) của thuốc phóng chƣa thuần hóa và thuốc phóng thuần hóa

ở cùng một lƣợng nhồi................................................................................... 23
Hình 1. 13. Tổng hợp các kiểu đồ thị phân bố nồng độ chất thuần hóa..........26
Hình 1. 14. Sơ đồ phân bố nồng độ chất trong trƣờng hợp: a- khuếch tán theo
thể tích, b- khuếch tán theo lỗ xốp, c- cả 2 trƣờng hợp..................................28
-1

Hình 1. 15. Đƣờng chuẩn phổ Raman giữa tỷ lệ peak 1005 cm so với 850 cm

-1

ở các nồng độ Xentralit-2 khác nhau.............................................................. 31
Hình 2. 1. Thiết bị thuần hóa quy mô pilot..................................................... 36
Hình 2. 2. Quang phổ kế Labram HR Evolution............................................ 37


Hình 2. 3. Pháo thử nghiệm đạn 23mm Cal 23x152 mm –a); bia quang và bia
từ đo sơ tốc đầu đạn –b)..................................................................................43


x

Hình 2. 4. Sơ đồ công nghệ chế tạo BTP thuốc phóng................................... 45
Hình 2. 5. Hệ thống máy quang phổ Raman...................................................47
Hình 2. 6. Sơ đồ biến đổi Raman....................................................................47
Hình 2. 7. Phổ Raman chuẩn của long não.....................................................48
Hình 2. 8. Phổ Raman của thuốc phóng khi chƣa thuần hóa..........................48
Hình 2. 9. Tạo mẫu thuốc phóng phục vụ phân tích phổ................................50
Hình 2. 10. Bề mặt mẫu, a)- mặt cắt ngang, b)- mặt cắt dọc..........................51
Hình 2. 11. Phổ Raman tại các vị trí trong lớp thuần hóa...............................52
Hình 2. 12. Phổ IR mẫu của một số liên kết................................................... 52
Hình 2. 13. Vị trí lắp đầu đo piezo 2 trên nòng pháo 30mm...........................54
Hình 3. 1. Sự phụ thuộc hàm lƣợng long não vào nhiệt độ thuần hóa...........59
Hình 3. 2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sự phân bố hàm lƣợng long não.....60
Hình 3. 3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến chiều sâu lớp thuần hóa...................61
Hình 3. 4. Tỉ lệ Cx/Co theo chiều sâu lớp thuần hóa ở các nhiệt độ khác nhau
.........................................................................................................................62

Hình 3. 5. Sự thay đổi hàm lƣợng long não trong sản phẩm khi thay đổi nồng
độ dung dịch thuần hóa................................................................................... 64
Hình 3. 6. Sự phụ thuộc chiều sâu lớp thuần hóa vào số lần phun dung dịch
thuần hóa.........................................................................................................73
Hình 3. 7. Sự phân bố nồng độ long não ở lần phun 1, lần phun 2, lần phun 3
và lần phun 4...................................................................................................74
Hình 3. 8. Phổ Raman tổng hợp của các mẫu M1÷M5...................................77
Hình 3. 9. Phân bố nồng độ long não theo chiều sâu lớp thuần hóa...............77
Hình 3. 10. Ảnh hƣởng của thời gian chuyển chặng lên chiều sâu lớp
thuần hóa.........................................................................................................78
Hình 3. 11. Tỷ lệ Cx/Co của long não so với chiều sâu lớp thuần hóa............79
Hình 3. 12. Sự phụ thuôc nồng độ long não vào hàm lƣợng bốc trong và
bốc ngoài.........................................................................................................83
Hình 3. 13. Phổ Raman đƣờng chuẩn của các mẫu với tỷ lệ long não/NC
khác nhau........................................................................................................ 84


xi

Hình 3. 14. Sự phụ thuộc I652/I850 so với tỷ lệ long não/NC ...........................
Hình 3. 15. Hình ảnh chụp phổ Raman tại các chiều sâu: 0 μm –a); 5 μm-b); 10 μmc); 15 μm-d); 35 μm-e); 45 μm-f); 55 μm-g); 60 μm-h) và phổ tổng hợp- i) 86 Hình
3. 16. Sự thay đổi nồng độ LN/NC, % ở các vị trí chiều sâu khác nhau 87 Hình 3.
17. Phổ Raman tại các điểm 0 μm –a); 10 μm-b); 20 μm- c); 30 μm-d); 55

μm-e); 60 μm-f); 80 μm-g); 90 μm-h); 95 μm-i); 100 μm-l).....................89
Hình 3. 18. Phổ Raman tổng hợp của 3 hạt thuốc phóng trong cùng lô sản phẩm...... 89

Hình 3. 19. Sự thay đổi nồng độ long não/NC, % ở các vị trí chiều sâu
khác nhau trong thuốc phóng 5/7SFL ..........................................................
Hình 3. 20. Sự phân bố hàm lƣợng long não theo chiều sâu lớp thuần hóa a1,39%; b-1,47% và c-1,72%..................................................................

Hình 3. 21. Phổ Raman tại các vị trí dọc theo biên lỗ hạt thuốc phóng: a- vị trí
20x0 µm; b- vị trí 20x50 µm; c- vị trí 20x90 µm; d- vị trí 20x100 µm
và e- phổ tổng hợp .........................................................................................
Hình 3.

22. Sự thay đổi nhiệt lƣợng chá

Hình 3.

23. Sự thay đổi nhiệt lƣợng chá

Hình 3.

24. Sự thay đổi hệ số tốc độ chá

Hình 3. 25. Phổ IR của các mẫu 1- 10%; 2- 20%; 3- 25%; 4- 30%; 5- 40%
hàm lƣợng long não so với NC .....................................................................
Hình 3. 26. Hình ảnh phóng đại phổ IR tại vị trí peak thể hiện nhóm -OH
tự do ....................................................................................................
Hình 3. 27. Phổ IR của Xellulo chƣa nitro hóa ......................................
Hình 3. 28. Đồ thị P(t) xác định áp suất đầu nòng (Pđn) bằng 02 đầu đo
piezo ..............................................................................................................


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài luận án
Thuốc phóng pirocxilin thuần hóa là loại thuốc phóng chứa một gốc
năng lƣợng (nitratxellulo- NC). Với mục đích giảm tốc độ cháy trung bình

của hạt thuốc phóng và điều khiển quá trình sinh khí (theo hƣớng cháy tăng
diện tích cực), thuốc phóng đƣợc thẩm thấu một lớp chất thuần hóa ở lớp
ngoài các hạt thuốc. Mục đích của thuần hóa thuốc phóng là làm tăng tốc độ
đầu đạn do tăng lƣợng nhồi thuốc phóng trong phát bắn, đồng thời vẫn giữ
nguyên hoặc làm giảm áp suất lớn nhất của khí thuốc sinh ra trong phát bắn.
Một số loại đạn súng, pháo sử dụng thuốc phóng pirocxilin thuần hóa
nhƣ: Đạn cao xạ 23mm nổ phá sát thƣơng (thuốc phóng 5/7ЦФл, 5/7SFL),
đạn 30mm hải quân AK-630 (thuốc phóng 6/7Фл, 6/7FL), đạn súng
7,62x56mm (thuốc phóng ВУФл). Công nghệ sản xuất thuốc phóng pirocxilin
thuần hóa khác với thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng chủ yếu ở công đoạn
thuần hóa và yêu cầu chỉ tiêu của bán thành phẩm thuốc phóng trƣớc khi đƣa
vào thuần hóa.
Trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ sản xuất
thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng đƣợc công bố. Tuy nhiên đối với thuốc
phóng pirocxilin thuần hóa có rất ít công trình nghiên cứu đƣợc công bố do
đây là lĩnh vực quân sự mà hầu hết các nƣớc đều giữ bí mật, chỉ chuyển giao
cho quan hệ đối tác quốc phòng ở mức độ hạn chế.
Ở trong nƣớc, công nghệ sản xuất một số mác thuốc phóng
pirocxilin
đã đƣợc đối tác nƣớc ngoài chuyền giao cho Việt Nam. Trên cơ sở tài liệu
chuyền giao công nghệ, Công nghiệp quốc phòng Việt Nam cũng đã nghiên cứu
thành công một số mác thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng và đƣợc đƣa vào
trong trang bị cho quân đội. Tuy nhiên các công nghệ về sản xuất thuốc


2

phóng pirocxilin thuần hóa còn rất hạn chế, chƣa có các nghiên cứu chuyên
sâu về bản chất của quá trình thuần hóa, các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng đến
chất lƣợng sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố công nghệ đến quá trình thuần hóa thuốc phóng một gốc
pirocxilin bằng phương pháp phun dung dịch chất thuần hóa” với mục tiêu
làm rõ sự ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình thuần hóa
thuốc phóng pirocxilin, xác lập các thông số công nghệ thuần hóa thuốc
phóng pirocxilin, ứng dụng cho sản xuất thuốc phóng pirocxilin thuần hóa sử
dụng cho đạn cao xạ 23mm và đạn 30mm hải quân.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án
- Đối tƣợng nghiên cứu: Mẫu bán thành phẩm thuốc phóng 5/7SFL và
6/7FL trƣớc thuần hóa và sau khi thuần hóa, thiết bị thuần hóa quy mô pilot
và quy mô công nghiệp, chất thuần hóa chính sử dụng là long não (camphor),
liên kết hydro giữa nhóm C=O của long não với nhóm –OH của nitroxellulo,
áp suất đầu nòng. Các yếu tố công nghệ (nhiệt độ, nồng độ dung dịch), yếu tố
kỹ thuật (áp suất phun dung dịch, tốc độ tang trộn, chế độ phun, thời gian
chuyển chặng). Phổ Raman của thuốc phóng sau khi thuần hóa, sự phân bố
nồng độ long não theo chiều sâu lớp thuần hóa.
-

Phạm vi nghiên cứu: Các vấn đề liên quan đến công nghệ thuần hóa;

sự hấp thụ, khuếch tán của chất thuần hóa; phƣơng pháp xác định chiều sâu
lớp thẩm thấu, nồng độ chất thuần hóa; thực nghiệm đánh giá chỉ tiêu xạ thuật
của thuốc phóng...
Phương pháp nghiên cứu của luận án
-

Sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu: phƣơng pháp tính toán xác định

nhiệt lƣợng cháy bằng các công thức tính toán; phƣơng pháp thuần hóa thuốc

phóng pirocxilin ở các chế độ công nghệ, kỹ thuật khác nhau và phƣơng


3

pháp phân tích phổ Raman tại các vị trí trong chiều sâu lớp thuần hóa, phân
tích phổ IR mẫu chuẩn có nồng độ long não so với nitroxellulo khác nhau.
-

Phƣơng pháp đo đạc, kiểm tra mẫu: phƣơng pháp đo hàm lƣợng bốc

trong, hàm lƣợng bốc ngoài; phƣơng pháp xác định hàm lƣợng long não,
xerezin trong thuốc phóng; phƣơng pháp xác định các chỉ tiêu hóa lý của mẫu
thuốc phóng theo các quy trình hiện đại đã ban hành; phƣơng pháp xác định
các chỉ tiêu xạ thuật của phát bắn đạn cao xạ 23mm và đạn 30mm hải quân.
-

Phƣơng pháp xử lý số liệu, sai số: xác định các chiều cao peak của

liên kết C=O đặc trƣng của long não với peak của liên kết NO2 của
nitratxellulo để xác định nồng độ long não so với nitratxellulo trong phổ
Raman, sử dụng các phần mền trong Office để xây dựng đồ thị, đƣa ra hệ
phƣơng trình cũng nhƣ hệ số tƣơng hợp.
Để đạt được mục tiêu trên, đề tài luận án cần tập trung làm rõ một số
vấn đề sau đây:
-

Tổng quan về thuốc phóng một gốc pirocxilin thông thƣờng,

pirocxilin đặc biệt, các nguyên công chế tạo thuốc phóng pirocxilin. Giới

thiệu các định luật, quy luật có liên quan đến quá trình thuần hóa thuốc phóng.
-

Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình

thuần hóa thuốc phóng một gốc pirocxilin nhƣ: nhiệt độ thuần hóa, nồng độ
dung dịch chất thuần hóa, các yếu tố kỹ thuật công nghệ (áp suất phun dung
dịch thuần hóa, tốc độ quay thiết bị thuần hóa, số lần cấp dung dịch thuần
hóa), hàm lƣợng bốc trong, hàm lƣợng bốc ngoài của thuốc phóng.
-

Xác lập quy trình công nghệ thuần hóa thuốc phóng pirocxilin trên

thiết bị quy mô pilot cũng nhƣ trên dây chuyền sản xuất công nghiệp.
-

Ứng dụng thuốc phóng thuần hóa pirocxilin sản xuất trên dây chuyền

công nghiệp cho phát bắn đạn cao xạ 23mm và đạn 30mm hải quân.
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài luận án
Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có ý nghĩa khoa học và mang lại
giá trị thực tiễn trong lĩnh vực quân sự, nhằm làm rõ hơn sự ảnh hƣởng của


4

các yếu tố công nghệ đến quá trình thuần hóa, xác lập quy trình công nghệ
thuần hóa để chế tạo 2 mác thuốc phóng 5/7SFL và 6/7FL để ứng dụng vào
thực tiễn sản xuất.
Bố cục của luận án bao gồm:

Mở đầu (4 trang)
Chương 1. Tổng quan (30 trang): Khái quát về thuốc phóng pirocxilin,
đặc điểm vai trò của các cấu tử trong thành phần thuốc phóng pirocxilin; một
số mác thuốc phóng pirocxilin đặc biệt. Giới thiệu về mục đích ra đời, các đặc
điểm chính của thuốc phóng pirocxilin thuần hóa. Cơ sở lý thuyết của quá
trình thuần hóa thuốc phóng. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc, trong nƣớc
đối với thuốc phóng pirocxilin thuần hóa, khảo sát các chỉ tiêu hóa lý của mẫu
thuốc phóng nhập khẩu.
Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu (20 trang): Đối
tƣợng nghiên cứu, hóa chất vật tƣ và trang thiết bị thí nghiệm; các phƣơng
pháp nghiên cứu. Ứng dụng phổ Raman trong đánh giá chiều sâu lớp thuần
hóa, miền phân bố chất thuần hóa trong thuốc phóng.
Chương 3. Kết quả và thảo luận (61 trang): Nghiên cứu các yếu tố
công nghệ ảnh hƣởng đến quá trình thuần hóa (quá trình hấp thụ, quá trình
khuếch tán): nhiệt độ thuần hóa, nồng độ dung dịch chất thuần hóa, chế độ
cấp dung dịch thuần hóa, tốc độ quay của tang trộn, áp suất cấp dung dịch
thuần hóa..., sử dụng các biện pháp định tính, định lƣợng để đánh giá, lựa
chọn các thông số tối ứu cho quá trình thuần hóa. Xây dựng miền phân bố
long não trong thuốc phóng pirocxilin thuần hóa cũng nhƣ đặc trƣng về mặt
chỉ tiêu thuật phóng. Ứng dụng thuốc phóng pirocxilin thuần hóa vào trong
phát bắn đạn cao xạ 23mm và 30mm hải quân.
Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Khái quát chung về thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng

Thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng (mang một gốc năng lƣợng) là cấu
trúc dạng keo trên cơ sở nitratxenlulo đƣợc hóa dẻo bằng các dung môi dễ bay
hơi (đƣợc loại bỏ trong quá trình chế tạo nhƣ cồn và ete). Quá trình hóa dẻo và
định hình hạt thuốc phóng đƣợc thực hiện trên máy trộn trục Z và máy ép thủy
lực. Thông thƣờng, mỗi loại (mác) thuốc phóng có thành phần hóa học khác
nhau, tùy theo mục đích, yêu cầu sử dụng mà một số phụ gia có thể có hoặc
không xuất hiện trong thành phần. Về cơ bản, thành phần của thuốc phóng
pirocxilin cho đạn pháo [2],[3],[5] đƣợc trình bày trong bảng 1.1.

Bảng 1. 1. Thành phần cơ bản của thuốc phóng pirocxilin cho đạn pháo
TT

Thành phần

1

Nitratxenlulo

2

Hàm lƣợng bốc ngoài (hàm ẩm)

3

Hàm lƣợng bốc trong (cồn + ete)

4

Chất an định hóa học diphenylamin (DPA)

Thành phần và vai trò của các cấu tử trong thuốc phóng 1 gốc, nhƣ sau:
1.1.1. Nitratxenlulo
Đây là hợp phần không thể thiếu đƣợc của thuốc phóng pirocxilin.
Theo tiêu chuẩn kỹ thuật của Nga, NC với hàm lƣợng nitơ trên 12,1% đƣợc
gọi chung là pirocxilin, còn NC có hàm lƣợng nitơ nhỏ hơn 12,1% gọi chung
là colocxilin [6]. NC giữ vai trò là nguồn năng lƣợng và quyết định cấu trúc
cũng nhƣ đặc tính cơ học của thuốc phóng.
Công thức chung của NC có thể đƣợc viết: [C 6H7O2(OH)3-x(ONO2)n]x,

ở đây, n – là mức độ este hóa [4] hay mức độ thế nhóm hydroxyl bằng nhóm
nitrat (0< n <3) và x – là mức độ polyme hóa [5],[91].


6

Nitratxenlulo nhận đƣợc bằng thực hiện phản ứng nitro hoá xenlulo
bông hoặc xenlulo từ gỗ bằng hỗn hợp axit nitro hoá (axit nitric và axit
sunfuric) [5]. Tùy thuộc vào điều kiện tiến hành phản ứng có thể thu nhận
đƣợc NC với các mức este hóa khác nhau. Mức este hóa NC thƣờng đƣợc
biểu thị thông qua hàm lƣợng nitơ có trong nó. Hàm lƣợng lớn nhất có thể có
của nitơ trong NC bằng 14,14% [5], tƣơng ứng với trƣờng hợp khi tất cả các
nhóm hyđroxyl đƣợc thay thế bằng nhóm nitrat. Một số loại pirocxilin:
Pirocxilin No2 với hàm lƣợng nitơ từ (12,1  12,7)%, pirocxilin No1 với hàm
lƣợng nitơ (13,0  13,45)%. Pirocxilin hỗn hợp đƣợc tạo thành từ hỗn hợp
pirocxilin No1 và No2 với hàm lƣợng nitơ (12,64  13,14)% [6].
Ngoài ra, do yêu cầu thực tiễn sản xuất, một số nƣớc đã phân loại
pirocxilin thành các mác khác nhau nhƣ: pirocxilin mác BA, mác CA,…[5].
Tất cả sự phân loại pirocxilin đều dựa trên hàm lƣợng nitơ và độ tan của nó
trong hỗn hợp dung môi hóa dẻo.
1.1.2. Dung môi hóa dẻo

Dung môi hóa dẻo là những chất mà trong các điều kiện xác định (nhiệt
độ, áp suất và nồng độ) sẽ chuyển NC về dạng gần nhƣ trạng thái keo (đƣợc
gọi là các chất hoá dẻo) [6]. Phần lớn, đối với thuốc phóng pirocxilin, dung
môi hóa dẻo chính thƣờng đƣợc sử dụng là hỗn hợp ethanol (cồn) và diethyl
ether (ete etylic) với tỷ lệ nhất định.
Hỗn hợp ethanol – diethyl ether đƣợc sử dụng trong sản xuất thuốc
phóng pirocxilin với vai trò là hợp phần công nghệ để đƣa pirocxilin từ trạng
thái giả thủy tinh về trạng thái chảy dẻo. Điều đó cho phép chế tạo đƣợc sợi
hoặc hạt thuốc phóng đã đƣợc lèn chặt có hình dạng, kích thƣớc nhƣ mong
muốn. Sau khi nhận đƣợc thuốc phóng, hỗn hợp ethanol – diethyl ether đƣợc
loại bỏ khỏi thành phần thuốc phóng. Loại bỏ hoàn toàn hỗn hợp ethanol –


7

diethyl ether ra khỏi thành phần thuốc phóng là việc khó khăn. Hàm lƣợng
của hỗn hợp dung môi hóa dẻo còn lại trong thành phần thuốc phóng dao
động trong khoảng từ 0,5 đến 5,0 % tùy theo bề dày nguyên tố thuốc phóng.
Sự có mặt của hỗn hợp ethanol – diethyl ether sẽ làm giảm năng lƣợng của
thuốc phóng, nhƣng mặt khác, sẽ có tác dụng tốt đối với các đặc tính cơ học
và độ bền hóa học của thuốc phóng.
1.1.3. Chất an định hóa học cho thuốc phóng pirocxilin
Các chất an định hóa học đƣợc đƣa vào thành phần của thuốc phóng
pirocxilin với một lƣợng xác định để làm chậm tốc độ phân huỷ và làm tăng thời
gian bảo quản, sử dụng thuốc phóng [5],[6]. Bản chất quá trình tác dụng của các
chất an định là ở chỗ chúng hấp thụ hoặc liên kết hoá học với các oxit nitơ hoặc
các axit tách ra trong quá trình bảo quản thuốc phóng [6]. Vì các oxit nitơ và các
sản phẩm liên kết của chúng với nƣớc là các chất tăng tốc hay các chất xúc tác
cho quá trình phân huỷ thuốc phóng [6]. Các chất an định khi liên kết với các sản
phẩm này bằng cách này hoặc cách khác làm chậm quá trình phân huỷ và nhƣ

vậy sẽ làm tăng tuổi thọ của thuốc phóng (ức chế quá trình tự phân huỷ của
thuốc phóng). Đối với thuốc phóng pirocxilin, chất an định thƣờng đƣợc sử
dụng là N-phenylaniline (C6H5)2NH (DPA) [3],[5],[57],

[35]. Trong quá trình bảo quản, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm
cao, pirocxilin sẽ tự phân hủy hóa học để tạo ra các sản phẩm có tính axit
(nhƣ các nitơ oxit, axit nitric, axit nitrơ và các chất khác). Sản phẩm phân hủy
của pirocxilin có khả năng gây tác động xúc tác tới quá trình phân hủy các
hợp phần thuốc phóng ở giai đoạn tiếp theo. Do đó, tốc độ phân hủy hóa học
của thuốc phóng tăng lên rõ rệt, còn thời hạn sử dụng và khả năng bảo quản
an toàn thuốc phóng sẽ suy giảm.
Chất an định hoá học chỉ có thể là các chất có khả năng tƣơng tác hóa
học với sản phẩm phân hủy thuốc phóng để tạo ra các hợp chất bền, kém hoạt
động hóa học và không có khả năng gây tác động hóa học với các hợp phần


8

khác. Tuy nhiên, các chất an định hoá học là các chất làm giảm năng lƣợng và
tốc độ cháy của thuốc phóng. Vì vậy cần phải lựa chọn, sao cho chất an định
hóa học phát huy đƣợc tác dụng an định hóa học khi hàm lƣợng của chúng
trong thuốc phóng đủ nhỏ (1 ÷ 3%).
Tác động an định của DPA là tƣơng tác hóa học với các nitơ oxit, cũng
nhƣ với axit nitơric và axit nitrơ để tạo ra các dẫn xuất bền kiểu nitrozo và
nitro. Ƣu điểm quan trọng là trong khi sử dụng DPA để thực hiện chức năng
an định hóa học NC, ở các phản ứng sẽ không tạo ra các sản phẩm dạng khí.
1.2. Công nghệ sản xuất thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng
Quá trình sản xuất thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng gồm các
nguyên công sau: tách nƣớc ra khỏi pirocxilin, trộn lẫn pirocxlin với dung
môi và các hợp phần khác, nén ép, hong sơ bộ, cắt, hong lần hai, ngâm nƣớc,

sấy, xông ẩm, tạo lô nhỏ, tạo lô chung, bao gói [57],[86],[89],[91].
Sơ đồ công nghệ chế tạo thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng đƣợc thể
hiện nhƣ sau:
NC
Etanol 80%
Etanol 96%
Dietyl ete + DPA
(hoặc + XE)

Khử nƣớc Pi

Sấy, định ẩm

Trộn, tạo hạt

Ngâm nƣớc

Nén ép, định
hình

Hong

Hong sơ bộ
Hình 1. 1. Sơ đồ công nghệ chế tạo thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng


9

Hình 1. 2. Khuôn ép thuốc phóng pirocxilin dạng hạt 7 lỗ, 1- ti khuôn, 2- cốc
khuôn, 3- nắp khuôn, 4- ốc vít

Đối với một số mác thuốc phóng pirocxilin đặc biệt, ngoài các chế độ
công nghệ chính nêu trên còn có thêm một số nguyên công đặc biệt khác để
tạo nên đặc tính riêng của từng loại thuốc phóng, phù hợp với tính năng của
từng loại vũ khí, đạn dƣợc.
1.3. Một số dạng thuốc phóng pirocxilin đặc biệt dùng cho đạn pháo
Ngoài thuốc phóng pirocxilin thông thƣờng có thành phần đã nêu ở
trên, để phân liều cho phát bắn pháo binh còn sử dụng các loại thuốc phóng có
công dụng đặc biệt [56],[57],[89].
1.3.1. Thuốc phóng ít hút ẩm
Đối với các liều phóng dùng cho phát bắn nạp rời, thuốc phóng có thể
phải chịu tác động mãnh liệt của ẩm môi trƣờng. Bởi vậy, loại thuốc phóng ít
hút ẩm đƣợc thiết kế, chế tạo và sử dụng. Khác với TPP thông thƣờng, trong


10

thành phần loại TPP ít hút ẩm chứa các phụ gia kỵ nƣớc, có tác dụng làm
giảm khả năng hút ẩm của thuốc phóng. Khả năng hút ẩm bị giảm nhờ vào
thành phần các chất nhƣ 2-methyl-1,3,5-trinitro benzen (trinitrotoluen, TNT)
[15], 1-methyl-2,4-dinitro benzen (đinitrotoluen, DNT) và n-butyl phatalate
(đibutylphtalat, DBP) [89],[91].
Cần nhận thấy rằng, ở nhiệt độ thấp, TNT và DNT với hàm lƣợng trong
thuốc phóng lớn có khả năng kết tinh lại. Bởi vậy, hàm lƣợng TNT và DNT
trong thuốc phóng hiện nay không vƣợt quá 9 ÷ 10 %.
DBP C6H4(COOC4H9)2 là dung môi hóa dẻo rất tốt đối với NC. Trong
thành phần thuốc phóng, DBP thực hiện hai chức năng: làm giảm khả năng
hút ẩm và là dung môi hóa dẻo phụ đối với pirocxilin. Hàm lƣợng DBP trong
thuốc phóng các mác khác nhau không vƣợt quá 5 ÷ 6 %.
1.3.2. Thuốc phóng ít bào mòn nòng
Khi thực hiện phát bắn từ pháo nòng dài, đặc biệt pháo có uy lực lớn, sẽ

xuất hiện hiện tƣợng bào mòn nòng. Hiện tƣợng đó dẫn đến sự suy giảm chất
lƣợng thuật phóng của pháo (sụt giảm sơ tốc của đạn, tăng độ tản mát của đạn
ở mục tiêu). Để chống lại hiện tƣợng có hại này, có nhiều biện pháp khác
nhau đƣợc đƣa ra. Một trong các biện pháp đó là sử dụng thuốc phóng ít bào
mòn nòng. Để giảm nhiệt độ của các sản phẩm cháy [91] (giảm tác động bào
mòn), một lƣợng nhỏ chất có tác dụng chống lại quá trình làm mòn nòng
(parafin, xerezin [91], vazơlin...) đƣa vào thành phần loại thuốc phóng này.
Phụ gia chống bào mòn nòng đƣợc đƣa vào trong thành phần TPP với
hàm lƣợng có thể lên đến 3,0 %.
Thuốc phóng ít hút ẩm đã nêu ở trên, do có chứa DNT và DBP nên ở
một mức độ nào đó cũng là thuốc phóng ít bào mòn nòng do các hợp phần này
cũng làm giảm nhiệt lƣợng cháy của thuốc phóng.


11

1.3.3. Thuốc phóng không sinh lửa
Phát bắn pháo binh thƣờng sinh ra lửa. Lửa thƣờng xuất hiện ở miệng
nòng và ở vùng đuôi nòng khi mở khóa nòng. Lửa xuất hiện ở miệng nòng sẽ
làm lộ trận địa pháo khi bắn vào ban đêm. Lửa đuôi nòng sẽ gây những bất tiện
nhất định cho pháo thủ và gây nguy cơ cháy, nhất là khi thực hành phát bắn từ
trong vị trí kín (từ tháp xe tăng, lô cốt...). Do vậy, cần có các biện pháp nhất định
chống lại các phát bắn sinh lửa này. Một trong những phƣơng pháp dập lửa là sử
dụng thuốc phóng không sinh lửa. Thuốc phóng pirocxilin không sinh lửa khác
với thuốc phóng dùng cho pháo thông thƣờng là trong thành phần của nó chứa
một lƣợng nhỏ (3  5%) chất phụ gia dập lửa, chủ yếu là colophan (nhựa thông)
[91]. Loại thuốc phóng này có thể đƣợc sử dụng để chế tạo các liều phóng cơ
bản không sinh lửa dùng cho phát bắn pháo.

Phụ gia dập lửa có tác dụng ngăn cản khả năng cháy của các khí cháy

đƣợc tạo ra trong quá trình thực hiện phát bắn và làm giảm nhiệt độ khí thuốc
phóng. Do đó độ sinh lửa của phát bắn sẽ giảm đáng kể.
Thành phần của 1 loại thuốc phóng không sinh lửa (tính theo %) nhƣ
sau: pirocxilin hỗn hợp – 92,2 %; DPA – 1,3 %; hỗn hợp cồn và ete etyic –
1,3 %; nhựa thông – 2,6 %; ẩm – 1,4 % [2],[14].
1.3.4. Thuốc phóng dập lửa
Thuốc phóng dập lửa chứa trong thành phần 45  50% chất dập lửa, ví
dụ nhƣ kali sulfat. Những thuốc phóng này có dự trữ năng lƣợng rất thấp nên
không đƣợc sử dụng để chế tạo liều thuốc phóng cơ bản. Thuốc phóng dập
lửa đƣợc sử dụng dƣới dạng một lƣợng nhất định cho thêm vào liều cơ bản.
Khi bắn, sản phẩm phân hủy các hợp phần của thuốc phóng dập lửa sẽ ngăn
cản việc tạo ra lửa ở đầu nòng. Một số mác thuốc phóng dập lửa của Nga
nhƣ: BTX-10, BTX-20, 8/1UGF, 12/1UG. Một số phát bắn pháo binh của Mỹ
không sử dụng thuốc phóng dập lửa mà sử dụng trực tiếp các chất dập lửa
nhƣ KNO3, K2SO4.