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

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

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 

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 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

L.O.I Chỉ số oxy giới hạn (Limited Oxygen Index)

D Diphenylguanidin

FT-IR Hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier

Transform Infrared Spectroscopy)

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   

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

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:

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

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]

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

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 Thuốc của Liên Xô (% khối lượng) Thuốc phóng của VN (% khối lượng)

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

[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].http://www.iisrp.com/WebPolymers/07NBR-18Feb2002.pdf

[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)