Nghiên cứu sử dụng chất kết dính cao phân tử để chế tạo hỗn hợp hoả thuật phát hồng ngoại 3 14um

i

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN MINH CÔNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH
CAO PHÂN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO HỖN HỢP
HOẢ THUẬT PHÁT HỒNG NGOẠI 3 -14µm

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỐ HỌC

Hà Nội, 2011


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN MINH CÔNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH
CAO PHÂN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO HỖN HỢP
HOẢ THUẬT PHÁT HỒNG NGOẠI 3 -14µm
Chun ngành: Hố hữu cơ
Mã số: 62 44 27 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS Lê Trọng Thiếp
2. TS Phạm Quang Định

Hà Nội, 2011


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất cứ cơng trình nào khác.
Tác giả

Trần Minh Công


iv

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Viện Khoa học và Cơng nghệ qn sự/Bộ
Quốc phịng.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn và giúp đỡ về mọi mặt của các thầy giáo hướng dẫn:
PGS TS Lê Trọng Thiếp
TS Phạm Quang Định
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Vật
lý kỹ thuật, Phòng Tham mưu - Kế hoạch và Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và
Cơng nghệ qn sự, Viện Thuốc phịng - Thuốc nổ/Tổng cục CNQP, đã tạo
mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Hà Nội, tháng năm 2011
Tác giả

Trần Minh Công


i

MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................ v
Danh mục các bảng .............................................................................................. vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh ................................................................... viii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN .................................................................................. 4
1.1. Thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại ......................................................... 4
1.1.1. Thuốc hoả thuật .......................................................................................... 4
1.1.1.1. Thành phần của THT ........................................................................ 4
1.1.1.2. Phản ứng toả nhiệt và điều kiện xảy ra phản ứng cháy THT ........... 8
1.1.1.3. Đặc trưng kỹ thuật của THT và các yếu tố ảnh hưởng...............................11
1.1.1.4. Công nghệ chế tạo THT ...................................................................19

1.1.2. THT phát xạ hồng ngoại ............................................................................21
1.1.2.1. Các nguồn phát hồng ngoại .............................................................21
1.1.2.2. THT sử dụng trong pháo sáng hồng ngoại ......................................24
1.1.2.3. THT phát xạ hồng ngoại cho phương tiện hoả thuật sử dụng
làm mục tiêu giả ...................................................................................................30
1.2. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính
trong THT phát xạ hồng ngoại ........................................................................38
1.2.1. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính
trong THT ...........................................................................................................38
1.2.2. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính
trong THT phát xạ hồng ngoại ............................................................................47


ii

1.2.2.1. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính
trong THT phát xạ hồng ngoại dạng nén được ...................................................48
1.2.2.2. Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính
trong THT phát xạ hồng ngoại dạng đúc được ...................................................49
Chương 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................53
2.1. Hóa chất, vật tư, thiết bị, dụng cụ .............................................................53
2.1.1. Hoá chất, vật tư ..................................................................................53
2.1.2. Thiết bị, dụng cụ ................................................................................55
2.2. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................56
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................64
3.1. Tính tốn hệ thuốc hỏa thuật ......................................................................64
3.1.1. Xác định thành phần và yêu cầu kỹ thuật của hệ THT .......................64
3.1.2 Tính cân bằng ơxy của hệ thuốc ........................................................65
3.I.3 Tính tốn hiệu ứng nhiệt ......................................................................68
3.2. Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính polime cho thuốc hỏa thuật

phát xạ hồng ngoại ..............................................................................................70
3.1.1. Khảo sát về đặc trưng năng lượng .....................................................70
3.1.2. Khảo sát độ bền hoá lý ......................................................................76
3.1.3. Khảo sát sự phát xạ hồng ngoại ........................................................82
3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất kết dính polime .......................87
3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính đến kết cấu các viên
(hay hạt) phôi THT ..............................................................................................87


iii

3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính polime đến các
đặc trưng hoá- lý .................................................................................................88
3.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính PVC
đến phổ phát xạ hồng ngoại .................................................................................91
3.4. Nghiên cứu lựa chọn khối lượng phân tử của chất kết dính PVC phù
hợp với chế độ cơng nghệ ..................................................................................92
3.4.1. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PVC đến độ nhớt,
thời gian hoà tan và độ xuyên kim của hỗn hợp ..................................................92
3.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chất kết dính PVC
đến kết cấu các viên (hay hạt) phôi thuốc hoả thuật ........................................ 94
3.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PVC đến đến độ hút ẩm
và độ bền nén của THT ....................................................................................... 96
3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại ................. 99
3.5.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại
đến vựng ph 3ữ5àm v 8ữ12àm ..................................................................... 99
3.5.2. nh hng ca hàm lượng chất cháy hợp kim Al-Mg
đến cường độ phát x hng ngoi trong vựng súng 1ữ5àm ........................... 103
3.5.3. nh hưởng của tỷ lệ thành phần đến đặc trưng hoá lý
và công nghệ chế tạo ........................................................................................ 105

3.6. Nghiên cứu công nghệ chế tạo hoả cụ trên cơ sở THT phát x
hng ngoi di súng 3ữ5àm v 8ữ12àm ....................................................... 110
3.6.1. nh hưởng của áp lực nén ép thuốc vào hoả cụ ............................. 110
3.6.2 Nghiên cứu thiết lập tiến trình cơng nghệ chế tạo hoả cụ phát xạ
hồng ngoại ....................................................................................................... 112


iv

3.7. Nghiên cứu ứng dụng hoả cụ phát xạ hồng ngoại ................................ 114
3.7.1. Đo đạc, thử nghiệm các chỉ tiêu hóa lý của hỏa cụ PXHN ............. 114
3.7.2. Đo đạc phổ phát xạ hồng ngoại ...................................................... 114
3.7.3. Thử nghiệm khả năng chịu ẩm của hoả cụ ..................................... 117
3.7.4. Thử nghiệm độ bền rung xóc của hoả cụ ....................................... 118
3.7.5. Thử nghiệm khả năng bắt cháy và thời gian cháy,
nhiệt độ cháy và cường độ phát xạ hồng ngoại của hoả cụ ............................ 118
3.7.6. Nghiên cứu ứng dụng hỏa cụ phát xạ hồng ngoại với các cự ly
phát xạ khác nhau ............................................................................................. 120
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................. 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 127


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ABS

Acrylonitrin butadien

CTFE

Polyclotrifloetylen

HTPB

Cao su butadien có nhóm OH cuối mạch

KLPT

Khối lượng phân tử

MTV

Magie-Teflon-Viton

NBR

Cao su polibutadien – nitryl

NC

Nitroxenlulo

PKL

Phần khối lượng

PTFE

Politetrafloetylen

PVA

Polivinylancol

PVAc

Polivinylaxetat

PVC

Polivinylclorua

THT

Thuốc hoả thuật


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
I.
II.
Bảng 1.1: Tính chất của một số chất oxi hố ....................................6
III.
Bảng 1.2: Tính chất của một số chất cháy .........................................7
Bảng 1.3: Nhiệt lượng cháy của một số THT ........................................................ 13
Bảng 1.4: Thể tích sản phẩm phản ứng cháy trung bình của một số THT ............. 14
Bảng 1.5: Quan hệ giữa nhiệt độ cháy với nhiệt lượng cháy của THT .................. 15

Bảng 1.6: Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính lên độ bền của THT .............. 19
Bảng 1.7: Một số THT dạng đúc ............................................................................. 26
Bảng 1.8: Một số THT hồng ngoại dạng nén .......................................................... 28
Bảng 1.9: Tính chất hoá lý của một số chất cháy - kết dính hữu cơ ....................... 46
Bảng 3.1: Thơng số nhiệt động của các chất trong phản ứng ................................. 69
Bảng 3.2: Đặc trưng năng lượng của một số mẫu THT với các chất kết
dính – polime khác nhau ........................................................................................ 72
Bảng 3.3: Nhiệt độ xảy ra phản ứng cháy của hỗn hợp THT xác định theo
phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TG ........................................ 73
Bảng 3.4: Độ hút ẩm của THT chứa 2% chất kết dính PVC, NC và PVAc .......... 79
Bảng 3.5: So sánh cường độ phát xạ hổng ngoại cực đại của THT sử dụng
chất kết dính PVC, PVAc và NC ở các dải phổ ...................................................... 86
Bảng 3.6: Quan hệ các thơng số hóa lý THT với hàm lượng chất kết dính
PVC khác nhau ........................................................................................................ 89
Bảng 3.7: Độ nhớt, thời gian hoà tan và độ xuyên kim của các mẫu thử
dùng PVC có KLPT khác nhau ............................................................................... 93
Bảng 3.8: Độ hút ẩm và độ bền nén của các thỏi THT dùng PVC có KLPT
khác nhau 97
Bảng 3.9: Nhiệt lượng cháy và nhiệt độ cháy của THT có hàm lượng
chất oxi hố và chất cháy kim loại khác nhau ........................................................ 99
Bảng 3.10: Cường độ phát xạ hồng ngoại của THT phát xạ hồng ngoại


vii

mẫu 3, 4 và 5 ........................................................................................................... 104
Bảng 3.11: Đặc trưng của một số THT phát xạ hồng ngoại có tỷ lệ
chất oxy hoá - chất cháy khác nhau ........................................................................... 106
Bảng 3.12: Thời gian cháy của thuốc hoả thuật hồng ngoại chứa bột hợp kim
Al-Mg có cỡ hạt khác nhau ........................................................................................ 110

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của áp lực ép đến thời gian cháy, đặc trưng của hoả cụ ......... 111
Bảng 3.14: Tỷ lệ thành phần của thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại .................. 112
Bảng 3.15: Khả năng bắt cháy và thời gian cháy của THT trong hoả cụ
qua thử nghiệm gia tốc nhiệt ẩm ............................................................................. 117
Bảng 3.16 : Thời gian cháy và nhiệt độ cháy của hoả cụ phát xạ hồng ngoại
đo ngoài thực địa ..................................................................................................... 119
Bảng 3.17: Cường độ phát xạ hồng ngoại của hoả cụ phát xạ hồng ngoại ............ 119
Bảng 3.18: So sánh cường độ phát xạ của hỏa cụ phát xạ hồng ngoại ở các
khoảng cách đo khác nhau giữa tính tốn và thực tế ............................ 124


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Độ dài bước sóng bức xạ ở những nguồn nhiệt khác nhau .................. 11
Hình 1.2: Sơ đồ sản xuất THT và hoả cụ ............................................................ 21
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo nhiệt độ bùng cháy .................................. 61
Hình 3.1: Biểu đồ phân tích nhiệt TG của THT sử dụng các chất kết dính
khác nhau 73
Hình 3.2: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy của các mẫu THT sử dụng
các chất kết dính có tỷ lệ khác nhau ..................................................................... 75
Hình 3.3: Biểu đồ biến thiên thể tích sản phẩm khí của các mẫu THT sử
dụng các chất kết dính có tỷ lệ khác nhau ........................................................... 75
Hình 3.4: Ảnh SEM các hạt phơi THT phát xạ hồng ngoại chứa 2% chất
kết dính khác nhau ................................................................................................ 77
Hình 3.5: Ảnh SEM các hạt phơi THT phát xạ hồng ngoại chứa 5% chất
kết dính khác nhau ............................................................................................... 78
Hình 3.6: Sự biến thiên độ hút ẩm của THT sử dụng chất kết dính-polime
khác nhau theo chu kỳ thử ẩm ............................................................................. 80
Hình 3.7: So sánh độ bền nén của các mẫu THT sử dụng 2% các chất kết

dính khác nhau ..................................................................................................... 81
Hình 3.8: Sự biến thiên độ bền nén của THT sử dụng chất kết dính-polime
với tỷ lệ khác nhau ............................................................................................... 82
Hình 3.9: Phổ hồng ngoại của các mẫu THT sử dụng chất kết dính khác nhau .. 85
Hình 3.10: Ảnh SEM các hạt phơi THT phát xạ hồng ngoại có hàm lượng
chất kết dính PVC khác nhau ................................................................................ 88
Hình 3.11: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí, nhiệt
độ bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng PVC khác nhau .......................... 90
Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của các mẫu THT có hàm lượng PVC khác nhau .... 91


ix

Hình 3.13: Ảnh kính hiển vi điện tử qt của hạt phơi THT với chất kết
dính PVC có KLPT khác nhau ............................................................................. 95
Hình 3.14: Phổ hồng ngoại của THT có hàm lượng chất oxi hoá, chất cháy
kim loại khác nhau ............................................................................................... 102
Hình 3.15: Phổ nhiệt phát xạ hồng ngoại của các mẫu chứa hàm lượng bột
hợp kim Al-Mg khác nhau dải sóng 1,0-2,3µm ................................................... 104
Hình 3.16: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí,
nhiệt độ bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng KClO4 khác nhau ............. 107
Hình 3.17: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí, nhiệt độ
bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng bột hợp kim Al-Mg
khác nhau 107
Hình 3.18: Biểu đồ phân tích cỡ hạt hợp kim Al-Mg ........................................... 109
Hình 3.19: Sơ đồ tiến trình cơng nghệ chế tạo THT và hoả cụ phát xạ
hồng ngoại theo cơng nghệ bán ướt ...................................................................... 113
Hình 3.20: Phổ hồng ngoại của mẫu thuốc HN-07 trong vùng 3-5µm và 8-14µm . 115
Hình 3.21: Phổ hồng ngoại gần của mẫu thuốc hoả thuật HN-07
trong vùng 1-5µm ................................................................................................. 116

Hình 3.22: Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của cự ly quan sát đến cường độ
phát xạ hồng ngoại ............................................................................................... 121


1

MỞ ĐẦU
Thuốc hỏa thuật (THT) nói chung, THT phát xạ hồng ngoại nói riêng
thuộc nhóm vật liệu nổ. Chúng được ứng dụng rộng rãi khơng chỉ trong qn
sự mà cịn trong cả dân sự. THT phát xạ hồng ngoại ngoài ứng dụng làm mồi
bẫy, pháo sáng hồng ngoại trong quân sự [12,39] và được sử dụng với mục
đích cứu hộ, cứu nạn, báo cháy, ... trong dân sự [43].
THT là một hỗn hợp cơ học của chất oxi hoá, chất cháy và chất kết dính.
Trong cơng nghệ chế tạo THT, người ta có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ, cao
phân tử với các vai trò khác nhau nhưng quan trọng nhất là dùng làm chất cháy kết dính. Các hợp chất hữu cơ, cao phân tử phải đáp ứng được các yêu cầu riêng
tuỳ theo mục đích sử dụng. Việc nghiên cứu bản chất hoá học của các hợp chất
hữu cơ, cao phân tử có ý nghĩa quan trọng, xác định được khả năng đáp ứng của
từng chất khi sử dụng, phục vụ cho việc thiết kế hỗn hợp THT [74].
Trên thế giới, nghiên cứu THT phát xạ hồng ngoại đã được bắt đầu từ
những năm 50 của thế kỷ trước [15] nhưng mãi đến những năm 1990 mới
được nghiên cứu rộng rãi, có nhiều thành quả. Tuy nhiên, các cơng trình chủ
yếu mang tính chất qn sự, công bố hạn chế, không chi tiết về các nghiên
cứu chun sâu, đặc biệt là những cơng trình nghiên cứu sử dụng hợp chất
cao phân tử làm chất kết dính trong các THT phát xạ hồng ngoại.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu về THT nói chung mới bắt đầu được tiến
hành tại một Viện nghiên cứu của quân đội vào những năm 80 của thế kỷ
trước. THT phát xạ hồng ngoại nói riêng mới chỉ được nghiên cứu trong vài
năm trở lại đây ở dạng đề tài nghiên cứu phát triển.
Phịng chống chiến tranh cơng nghệ cao và phục vụ cứu hộ, cứu nạn là
những vấn đề quan trọng. Trong đó, hoả cụ trên cơ sở THT phát xạ hồng

ngoại dải sóng 3-5µm và 8-14µm được quan tâm nhiều nhất, đặc biệt trong


2

quân sự để chế tạo mục tiêu giả phục vụ huấn luyện và thử nghiệm tên lửa có
đầu tự dẫn hồng ngoại. Trong THT, thành phần cao phân tử đóng vai trị vừa
là chất kết dính vừa là chất cháy. Việc lựa chọn chất kết dính, tỷ lệ thành
phần, chế độ công nghệ để chế tạo ra hoả cụ phát xạ hồng ngoại là những vấn
đề được nhiều chuyên gia quan tâm nghiên cứu.
Mặt khác, nghiên cứu sử dụng chất hữu cơ, cao phân tử một cách hệ
thống, cơ bản trong THT phát xạ hồng ngoại ở trong nước chưa có cơng trình
nào cơng bố.
Chính vì vậy, đề tài luận án: “Nghiên cứu sử dụng chất kết dính cao
phân tử để chế tạo hỗn hợp hoả thuật phát hồng ngoại 3-14µm” được lựa
chọn là vấn đề cấp thiết hiện nay.
Mục đích: Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cao phân tử phù hợp và
nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất, đặc trưng năng lượng và cơng
nghệ chế tạo THT khi cháy phát ra hồng ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm.
Nội dung nghiên cứu:
- Tính tốn hệ THT để đạt yêu cầu cho phát xạ hồng ngoại.
- Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cao phân tử.
- Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất kết dính cao phân tử đến các
tính chất THT.
- Nghiên cứu lựa chọn khối lượng phân tử của chất kết dính PVC tới chế
độ cơng nghệ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại.
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo hoả cụ trên cơ sở THT phát xạ hồng
ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm.
- Nghiên cứu ứng dụng của hoả cụ phát xạ hồng ngoại.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:


3

- Nghiên cứu một cách hệ thống sử dụng hợp chất cao phân tử trong hệ
vật liệu nổ ở dạng hỗn hợp hoả thuật.
- Tạo ra được vật liệu nổ dạng THT mà phản ứng hoá học xảy ra dưới
dạng cháy phát xạ bức xạ hồng ngoại có bước sóng 3-5µm và 8-14µm đáp
ứng yêu cầu thực tiễn.
Bố cục của luận án: Luận án chia làm 3 chương chính, mở đầu, kết
luận và tài liệu tham khảo.
Chương 1. Tổng quan: Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu trên thế
giới và trong nước về THT phát xạ hồng ngoại và hợp chất hữu cơ, cao phân
tử làm chất kết dinh trong THT phát xạ hồng ngoại.
Chương 2. Thực nghiệm: Phân tích những phương pháp sử dụng trong
nghiên cứu, đo đạc, thử nghiệm THT phát xạ hồng ngoại.
Chương 3. Kết quả và thảo luận: Khảo sát, phân tích, đo đạc các đặc
trưng của THT phát xạ hồng ngoại để lựa chọn chủng loại, hàm lượng và khối
lượng phân tử của hợp chất hữu cơ, cao phân tử làm chất kết dính cho THT
phát xạ hồng ngoại. Đồng thời cũng phân tích lựa chọn được chất cháy, công
nghệ chế tạo và đo đạc, thử nghiệm các đặc trưng hóa lý, xạ thuật cơ bản của
THT, tạo cơ sở cho việc sử dụng THT.
Điểm mới của luận án:
- Nghiên cứu chọn được chất kết dính PVC với hàm lượng 5÷7%,
KLPT 80000 dùng để chế tạo THT phát xạ hồng ngoại có bức xạ bước sóng
cần thiết.
- Xác định hàm lượng hợp kim Al-Mg 40 PKL, cỡ hạt lọt qua rây
120mesh ÷ 140mesh là tối ưu cho thành phần THT có chất lượng mong muốn.
- Đưa ra được tiến trình cơng nghệ trong phịng thí nghiệm chế tạo hoả

thuật, hoả cụ phát xạ hồng ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm đạt chất lượng đáp
ứng yêu cầu.


4

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại
1.1.1. Thuốc hoả thuật
1.1.1.1. Thành phần của THT
Thuốc hoả thuật (THT) là hỗn hợp những cấu tử khi cháy tạo ra hiệu
ứng ánh sáng, nhiệt, khói, âm thanh hoặc phản lực, dùng trong quân sự cũng
như dân sự.
Theo lĩnh vực ứng dụng, THT có thể chia thành các loại: chiếu sáng,
quang ảnh, vạch đường, tín hiệu đêm, khói màu, nhiên liệu hoả thuật rắn,
nguỵ trang, mồi cháy…
THT cũng có thể được phân loại theo đặc điểm của quá trình cháy bao
gồm: hỗn hợp tạo lửa, hỗn hợp tecmit, hỗn hợp tạo khói, các chất và hỗn hợp
cháy cần oxi khơng khí.
u cầu cơ bản đối với các THT là:
- Đạt hiệu ứng chuyên dụng tối đa, tiêu thụ chất ít nhất;
- Cháy đồng đều với tốc độ xác định, có thể khống chế được;
- Có độ bền hố lý cao khi bảo quản lâu dài;
- Có độ nhậy thấp với xung cơ học và xung nhiệt;
- Có tính chất nổ tối thiểu đối với những hỗn hợp cần thiết;
- Có quá trình cơng nghệ sản xuất an tồn;
- Khơng chứa những cấu tử khan hiếm;
- Khơng có những chất gây ngộ độc cho cơ thể người.

5

Thành phần của THT: bao gồm chất cháy, chất oxi hố, chất kết dính,
chất tăng hoặc giảm tốc độ cháy, chất giảm nhạy, phụ gia cơng nghệ.... Ngồi
ra có thể đưa các chất tạo màu, chất tạo khói… Trong một số trường hợp, một
cấu tử có thể đóng những vai trị khác nhau: Chất tạo màu lửa đóng vai trị
chất oxi hố trong hỗn hợp lửa màu. Chất kết dính có thể đóng vai trị chất
cháy hoặc là chất giảm tốc độ cháy [24].
Chất oxi hoá: Là cấu tử quan trọng không thể thiếu được trong THT,
cùng với chất cháy, nó tạo nên nhiệt lượng cháy cần thiết để tạo hiệu ứng
đặc trưng tương ứng của hỗn hợp. Một trong những yêu cầu cơ bản của chất
oxi hoá là chứa hàm lượng oxi cao, dễ dàng tách oxi khi cháy THT và không
hút ẩm.
Người ta thường sử dụng các hợp chất chứa oxi làm chất oxi hố trong
THT, ví dụ như các loại muối nitrat, clorat, peclorat, cromat kim loại, các
oxit, peroxit kim loại… Tuy nhiên cũng có thể sử dụng các hợp chất khơng
chứa

oxi

như

các

chất

hữu

cơ

chứa

clo,

flo

(hecxacloetan,

polytetrafloetylen…) làm chất oxi hố. Ví dụ THT chứa hecxacloetan và kẽm
trong hỗn hợp khói trắng có phản ứng như sau:
C2Cl6 + 3Zn = 2C + 3ZnCl2
Hoặc trong hỗn hợp sinh nhiệt sử dụng teflon với Mg kim loại:
(C2F4)n + 2nMg = 2nC + 2n MgF2
Những tính chất hố lý quan trọng của chất oxi hố cần quan tâm là: tỷ
trọng (ở nhiệt độ phòng), nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ phân huỷ, nhiệt phản
ứng phân huỷ, phần trăm oxi hoạt hố, độ hịa tan trong nước, khả năng hút
ẩm ... [78]


6

Bảng 1.1: Tính chất của một số chất oxi hố
Trọng

Tỷ

lượng

trọng

phân tử

KClO3

Cơng thức

Nhiệt
độ nóng

Nhiệt phân
huỷ

Độ tan trong
o
nước ở 20 C,

Tỷ lệ
oxi hoạt

Lượng chất
oxi hoá cần

ứng dụng

(g/cm3)

chảy,
o

( C)

(Kcal/mol)

123

2,3

360

+ 10

7,1

39

2,65

KClO4

139

2,5

610

+ 1,2

1,7

46

2,17

NaNO3

85

2,2

308

- 121

87,5

47

2,13

KNO3

101

2,1

336

- 151

40

2,53

Sr(NO3)2

212

2,9

645

- 89

31,6
70,5

Khói, lửa tín
hiệu
Mồi cháy, lửa tín
hiệu
Chiếu sáng, lửa
vàng
Bắt cháy

38

2,65

Vạch đường, lửa

đỏ

Ba(NO3)2

261

3,2

592

-104

30

3,27

Fe3O4

232

5,2

1527

- 266

28

3,34

Chiếu sáng, vạch
đường, lửa vàng
Tecmit, giữ
chậm

MnO2

87

5,0

(>530
)

- 125

37

2,72

Tecmit, giữ
châm

BaO2

169

5,0

700

- 17

9

10,6

(g/100ml)

8,7
Khơng
tan
Khơng
tan
Khơng
tan

hố (%)

để tách ra
1g oxi (g)

Bắt cháy

Chất cháy: Chất cháy được lựa chọn sao cho nhiệt lượng cháy bảo
đảm hiệu ứng đặc trưng của THT tốt nhất, sản phẩm oxi hoá có tính chất lý
hố phù hợp, dễ dàng oxi hố, khơng hút ẩm, có độ bền tốt khi bảo quản...
Ngồi ra chất cháy cần chọn sao cho lượng oxi để cháy là tối thiểu. Có thể sử
dụng các chất vơ cơ và hữu cơ làm chất cháy như: các kim loại nhiệt cao (Mg,
Al, Zr, Ti..) [39], hợp kim (Mg-Al, Al-Si, Zr-Ni…), kim loại có nhiệt lượng

cháy trung bình (Zn, Fe…), phi kim (P, C, S, Si…), các sunfua , photphit,
cacbua, hidro cacbon, đường, tinh bột…
Những tính chất hố lý của chất cháy cần quan tâm khi sử dụng trong
THT là: Tỷ trọng, nhiệt độ bắt cháy, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt
lượng tạo ra khi cháy, lượng chất cháy cháy được nhờ 1g oxi… [78]


7

Bảng 1.2: Tính chất của một số chất cháy
Chất cháy

Tỷ
trọng
(g/cm3)

Nhiệt độ
nóng chảy
(oC)

Nhiệt
độ sơi
(oC)

Li
Be
Mg
Al
Ti
Zr

C (Graphit)
B (Tinh thể)
Si
P đỏ

0,5
1,8
1,7
2,7
4,5
6,5
2,2
2,3
2,3
2,2

181
1284
650
660
1660
1868
>3000
2050
590
260

1,3
5,0
4,6

1,6
1,5
1,5 – 1,7
0,94

172
548
71

1 370
2400
1105
2500
(3260)
(4750)
(2550)
2600
Dưới
giới hạn
407
359-383

P4S3
FeS2
Sb2S3
Tinh bột
Đường
Than gỗ
Stearin

Nhiệt lượng
tạo ra khi
cháy, Kcal/g
15,8
5,9
7,4
4,7
2,9
7,4
-

Lượng
chất cháy
(g) cháy
nhờ 1g oxi
0,87
0,56
1,52
1,12
1,50
2,85
0,38
0,45
0,88
0,78

3,9
1,7
1,1
-

0,86
1,36
2,36
0,85
0,94
0,48
-

Đối với các THT năng lượng cao như THT phát sáng phải có nhiệt độ
phản ứng cao để có cường độ phát xạ mạnh nên thường dùng magiê. Các hạt
sản phẩm cháy MgO nóng sáng sẽ tạo ra cường độ phát xạ mạnh [18, 40]. Có
thể sử dung hợp kim magie - nhôm 50/50 thay cho Mg do hợp kim này bền
hơn so với nhôm kim loại khi kết hợp với các muối nitrat và phản ứng với axit
yếu chậm hơn magie kim loại, tạo ra độ bền vật liệu cao hơn.
Chất kết dính: Trong THT, chất kết dính thường được sử dụng để tăng
độ bền nén cũng như tăng thời hạn bảo quản của THT [14, 33]. Thường chỉ sử
dụng các chất cao phân tử làm chất kết dính. Các chất kết dính cao phân tử
cũng đóng vai trị chất cháy trong hỗn hợp. Nếu khơng có chất kết dính, các


8

nguyên liệu có thể bị chia tách ra trong quá trình sản xuất hoặc khi bảo quản
do sự khác nhau về tỷ trọng và cỡ hạt. Quá trình tạo hạt, trong đó chất oxi
hố, chất cháy và các cấu tử khác được trộn với chất kết dính (thường sử dụng
dạng dung dịch) để tạo ra những hạt thuốc hoả thuật đồng nhất, là một bước
quyết định trong quá trình sản xuất [24, 78]. Dung môi được làm bay hơi khi
tạo hạt, làm khô và trộn đều các nguyên liệu. Chất kết dính được lựa chọn sao
cho tạo ra thành phần đồng nhất, sử dụng lượng hợp chất cao phân tử ít nhất.

Phụ gia làm chậm: Những loại THT có tốc độ cháy cao thường sử
dụng vật liệu để giảm tốc độ phản ứng mà không ảnh hưởng tới các hiệu ứng
của thuốc. Đó là các vật liệu phân huỷ tại nhiệt độ cháy có hấp thụ nhiệt như:
canxi cacbonat, magie cacbonat và natri bicacbonat [78].
1.1.1.2. Phản ứng toả nhiệt và điều kiện xảy ra phản ứng cháy THT
THT là một trong những vật liệu nổ nhưng đặc trưng biến đổi hố học
của nó là cháy (chỉ trong những điều kiện nhất định mới chuyển thành nổ). Để
một phản ứng hoá học xảy ra dưới dạng cháy (hoặc nổ) phải thoả mãn các
điều kiện sau: toả nhiệt, sinh khí, tốc độ lớn và tự truyền lan. Toả nhiệt, tốc độ
lớn, sinh khí là những yếu tố quyết định khả năng truyền cháy [2].
- Toả nhiệt: Tính toả nhiệt của phản ứng phải dựa vào việc phân huỷ
các hợp chất thu nhiệt và tạo thành các hợp chất toả nhiệt.
- Khả năng tự truyền lan: Khả năng tự truyền lan phản ứng hố học
trong hỗn hợp hoả thuật do sóng nhiệt được truyền đi trong hỗn hợp cháy theo
kiểu dẫn nhiệt (hay dưới dạng sóng xung kích) và tiếp tục gây ra phản ứng
hoá học ở những lớp tiếp theo. Yếu tố quyết định sự xuất hiện và truyền lan
của sóng nhiệt là cường độ (tức nhiệt độ) đạt được.
- Tốc độ phản ứng hoá học: Tốc độ phản ứng hoá học càng lớn thì thời
gian phản ứng càng ngắn, hiệu ứng mất nhiệt càng nhỏ, nhiệt độ đạt được
càng cao.


9

- Sinh khí: Sự sinh khí là điều kiện rất quan trọng cho quá trình truyền
nhiệt. Nếu năng lượng toả ra dưới dạng nhiệt, năng lượng được truyền bằng
truyền nhiệt sẽ có tốc độ truyền lan nhỏ. Khi có áp suất lớn (sinh khí tại vùng
nhiệt độ cao đó), sự truyền lan có tốc độ vơ cùng lớn, tốc độ phản ứng hố
học được truyền lan nhanh hơn [2].
Q trình cháy, nổ trong vật liệu nổ nói chung và THT nói riêng là

khơng cần oxi khơng khí mà chính vật liệu là một hệ oxi hố - khử hồn
chỉnh. Chính vì vậy, khi hình thành một hệ vật liệu nổ cần phải tính tốn cân
bằng oxi (hệ số α), nghĩa là phải đủ các ngun tố đóng vai trị oxi hố ứng
với các ngun tố đóng vai trị khử.
THT phát xạ hồng ngoại là một hệ vật liệu khi cháy phát ra bức xạ
hồng ngoại và người ta phải hiệu chỉnh sao cho nó phát xạ đúng vùng bước
sóng yêu cầu. Bởi vậy, nhiệt phản ứng cao quá sẽ phát ra vùng ánh sáng trắng
(vùng nhìn thấy) hoặc ánh sáng tím (vùng tử ngoại) nhưng nhiệt độ thấp q
thì bức xạ rơi vào vùng vi sóng, sóng vơ tuyến [8].
Trong THT phát xạ hồng ngoại, hai yếu tố cần quan tâm là bước sóng
và cường độ phát xạ hồng ngoại [24]. Bước sóng, cường độ bức xạ có mối
quan hệ với nhiệt lượng, nhiệt độ, được thể hiện trong hai định luật sau:
Định luật Stefan-Boltzmann: Vật càng nóng thì năng lượng bức xạ càng
lớn và tuân theo công thức sau:
W =εδT⁴ .
Trong đó:
W – Năng lượng bức xạ tính bằng W/cm².
ε – Hệ số phát xạ (độ phát xạ)
δ – Hằng số Stefan – Boltzmann.
T – Nhiệt độ K


10

Trong hoả thuật, nhiệt lượng, nhiệt độ của nguồn hồng ngoại phải đủ
lớn để tạo đúng bước sóng cần thiết và truyền đi trong khơng khí đến được
đầu thu hồng ngoại [34].
Quy luật dịch chuyển Wien: Độ dài bước sóng tại nguồn năng lượng
cực đại bức xạ sẽ càng ngắn nếu nhiệt độ càng cao và tuân theo biểu thức:
λ max = 2,89.10³ [µm .K]/T

Trong đó:
λ max - Độ dài sóng cực đại, µm
T - Nhiệt độ, oK
Trong hoả thuật, muốn tạo ra bước sóng cần thiết thì phải khống chế
được nhiệt độ cháy của THT ở mức tương ứng. Nhiệt độ cao quá bức xạ phát
ra sẽ chuyển dịch về phía sóng ngắn (ánh sáng thường hoặc tử ngoại). Ngược
lại, nhiệt độ cháy thấp thì bức xạ phát ra sẽ dịch chuyển về phía sóng dài
(hồng ngoại trung, hồng ngoại xa, sóng vơ tuyến...) [34, 79]
Trên hình 1.1 trình bày giản đồ sự phụ thuộc bước sóng bức xạ vào
nhiệt độ của các nguồn nhiệt khác nhau [88].


11

Bước sóng, µm

Hình 1.1: Độ dài bước sóng bức xạ ở những nguồn nhiệt khác nhau.
1.1.1.3. Đặc trưng kỹ thuật của THT và các yếu tố ảnh hưởng
a. Nhiệt lượng cháy: Nhiệt lượng cháy là lượng năng lượng toả ra khi cháy
một khối lượng xác định THT.
Nhiệt lượng cháy được tính trên cơ sở định luật Hess: Hiệu ứng nhiệt
biến đổi hoá học của một hệ chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối của nó chứ
khơng phụ thuộc vào trạng thái trung gian.
Q1 – 3 = Q1 – 2 + Q2 – 3
Các chỉ số 1, 2, 3 chỉ trạng thái đầu, trung gian và cuối.
Q1 – 2 là nhiệt toả ra hoặc hấp thụ khi chuyển từ trạng thái 1 sang trạng
thái 2 (từ nguyên tố tạo ra các hợp chất - hợp phần).


12

Q2 – 3 là nhiệt chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 3 (cháy).
Q1

– 3

là nhiệt chuyển trực tiếp từ trạng thái 1 sang trạng thái 3 (từ

nguyên tố sang sản phẩm cháy).
Tuỳ theo các đặc trưng nhiệt động đã biết (nhiệt sinh các thành phần
thuốc hoả thuật, các sản phẩm cháy...) ta có thể tính được nhiệt cháy của cả hệ
dựa vào phương trình cháy [78].
Áp dụng định luật Hess đối với phản ứng hóa học:
Q = - ∆H
∆H: Nhiệt tạo thành (nhiệt sinh)
Q: Nhiệt phân hủy (đôi khi trùng với nhiệt cháy)
Đối với nguyên tố thì ∆H = 0
Ví dụ: ∆H Al = 0.
Trong phản ứng: Al + O2 = Al2O3
Nhiệt phản ứng chính là nhiệt cháy của Al, bằng nhiệt sinh của Al2O3
và cũng bằng nhiệt phân hủy của Al2O3.
Xét phản ứng: A + B = C
∆Hph/ứng = ∆Hcuối - ∆H đầu = ∆HC- (∆HA + ∆HB)
Nếu ∆Hph/ứng > 0 (Q < 0): phản ứng thu nhiệt
∆Hph/ứng < 0 (Q > 0): phản ứng tỏa nhiệt
Khi biết các đặc trưng nhiệt động (nhiệt sinh các thành phần THT, các
sản phẩm cháy...) ta có thể tính được hiệu ứng nhiệt của cả hệ dựa vào
phương trình phản ứng hóa học.
Nhiệt lượng cháy của hệ THT có thể tính tốn hoặc xác định bằng thực
nghiệm (dùng nhiệt lượng kế).