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 ThS. Hóa học: 60 44 01 19

Bảng 1.2 - Thành phần cơ bản của nhiên liệu rắn hỗn hợp chất có dư oxy để đảm bảo oxy hóa được các nguyên tố khử trong chất cháy, đồng thời ở nhiệt độ sử dụng -10oC đến 50oC chúng phải

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

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)

1.1.2 Nhiên liệu rắn hỗn hợp

của chất cháy và chất oxy hóa Trong nhiên liệu rắn hỗn hợp, các nguyên tử oxy hóa

và chất khử không cùng ở trong một phân tử như trong nhiên liệu keo và cấu trúc

của nó như một dạng vật liệu composite Thành phần của nhiên liệu rắn hỗn hợp

thường bao gồm: các chất oxy hóa, các chất cháy và các chất phụ gia Sơ lược về

các thành phần của nhiên liệu rắn hỗn hợp được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2 - Thành phần cơ bản của nhiên liệu rắn hỗn hợp

chất có dư oxy để đảm bảo oxy hóa được các nguyên tố khử trong chất cháy, đồng

thời ở nhiệt độ sử dụng (-10oC đến 50oC) chúng phải ở trạng thái rắn Các chất oxy

hóa dùng để chế tạo nhiên liệu rắn hỗn hợp thường là các muối vô cơ giàu oxy như:

KNO3, NH4NO3, NH4ClO4… Trong thực tế, số lượng các muối vô cơ giàu oxy đáp

ứng đủ các tiêu chuẩn để chế tạo nhiên liệu rắn hỗn hợp không nhiều Hiện tại,

amôn peclorat là chất được sử dụng phổ biến nhất.[9]

1.1.2.2 Các chất cháy

đồng thời hai vai trò quan trọng: vừa cung cấp nguyên tố cháy cho nhiên liệu vừa

phải bảo đảm kết dính các chất oxy hóa và các chất phụ gia khác để tạo thành thỏi

nhiên liệu có độ bền cơ học cần thiết, tính chất hóa lý đồng nhất, ổn định khi sử dụng và bảo quản Trong quá trình chế tạo nhiên liệu hỗn hợp, chất cháy thường là các hợp chất cao phân tử ở hai dạng sau:[3]

+ Dạng thứ nhất: Ở nhiệt độ sử dụng, chất cháy cao phân tử ở dạng rắn

nhưng khi gia nhiệt chúng sẽ bị chảy dẻo (ví dụ: nhựa đường) và khi đó người ta tiến hành trộn hợp nó với các chất oxy hóa ở nhiệt độ cao Độ bền cơ học của nhiên liệu loại này phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Chính vì lý do này mà trong công nghiệp sản xuất nhiên liệu rắn hỗn hợp người ta rất ít khi sử dụng chất cháy cao phân tử dạng thứ nhất này

+ Dạng thứ hai: Các hợp chất cao phân tử ở dạng lỏng (các prepolyme) Các

chất cao phân tử vừa đóng vai trò là chất kết dính các chất oxy hóa, vừa đóng vai trò

là chất cháy được sử dụng trong chế tạo nhiên liệu rắn hỗn hợp thường là tổ hợp của các prepolyme (Các prepolyme chính là các phân tử được tạo thành từ các mắt xích monome (thường là khoảng 10 mắt xích)[9],có các nhóm chức có khả năng tham gia phản ứng ở cuối mạch), các chất đóng rắn và một số phụ gia cần thiết khác như chất hóa dẻo, chất chống lão hóa, chất giảm sức căng bề mặt v.v

1.1.2.3 Các chất phụ gia cho nhiên liệu rắn hỗn hợp

a/ Phụ gia năng lượng:

cho vật thể bay Các chất phụ gia năng lượng thường dùng là hexogen, octoten và một số bột kim loại: nhôm, Be, Zr…Trong số các bột kim loại sử dụng làm phụ gia năng lượng cho nhiên liệu rắn hỗn hợp thì bột nhôm được sử dụng phổ biến nhất vì oxit nhôm được tạo thành khi thỏi nhiên liệu cháy có khả năng dập tắt các dao động

âm trong động cơ đồng thời sử dụng bột nhôm làm tăng độ bền cơ học cho thỏi nhiên liệu vì khả năng kết dính của bột nhôm với chất cháy tốt hơn giữa chất oxy hóa (amôni peclorat) với chất cháy [3]

b/ Phụ gia thay đổi tốc độ cháy

Mục đích của việc thay đổi tốc độ cháy của thỏi nhiên liệu là làm cho xung đơn vị của nó khi cháy là lớn nhất Trong số rất nhiều các phương pháp làm thay

đổi tốc độ cháy của thỏi nhiên liệu, chỉ có 2 phương pháp sau được thực hiện:[3]

Phương pháp 1: Cho thêm các chất xúc tác làm thay đổi tốc độ cháy Đây là

phương pháp được dùng phổ biến nhất vì nó đơn giản và hiệu quả cao Các chất xúc tác cháy thường dùng là các oxit kim loại như Fe2O3, MgO… Các xúc tác này có thể làm tăng độ cháy thêm 40-50% Ngày nay, người ta còn dùng cả feroxen làm phụ gia thay đổi tốc độ cháy và tốc độ cháy có thể tăng lên được gấp 2 lần

Fe Feroxen

Phương pháp 2: Sử dụng các dây dẫn nhiệt sâu vào trong lòng thỏi nhiên liệu Dây

dẫn làm tăng nhiệt độ của các lớp nhiên liệu gần bề mặt cháy do đó làm tăng tốc độ phân hủy nhiệt của các thành phần trong nhiên liệu và làm tăng tốc độ cháy của nhiên liệu Dây dẫn nhiệt thường dùng là sắt (làm tăng tốc độ cháy lên 1,6 lần) và bạc (tăng tốc độ cháy lên 5,3 lần)

1.1.2.4 Các phụ gia giúp thay đổi khả năng công nghệ

hỗn hợp, ví dụ làm tăng hoặc giảm tốc độ hóa rắn của chất cháy, tăng thời gian hóa rắn cần thiết của hồ nhiên liệu, hạn chế vón cục và tăng độ phân tán của các hạt rắn, tăng độ kết dính giữa chất cháy với chất oxy hóa, giảm nhiệt độ thủy tinh hóa của chất kết dính

1.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO LỚP CHỐNG CHÁY CHO NHIÊN LIỆU RẮN HỖN HỢP

1.2.1 Ý nghĩa của phương pháp chống cháy

Như chúng ta đã biết nhiên liệu rắn là một trong những nguồn nhiên liệu chủ yếu cung cấp năng lượng cho động cơ của vật thể bay hoạt động Động cơ sử dụng nhiên liệu rắn có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao Trong động

cơ của vật thể bay nhiên liệu rắn, chất cháy và chất oxy hóa được trộn hợp đều, đồng nhất và gắn kết với nhau thành một khối rắn chắc có hình dạng nhất định Khối nhiên liệu này được bố trí sẵn trong buồng đốt động cơ như hình sau:

Hình 1.1- Sơ đồ mặt cắt của động cơ

bay bay theo quỹ đạo đã được định sẵn Người ta phân biệt quá trình cháy của khối nhiên liệu rắn thành hai trường hợp là cháy nội phao và cháy xói mòn Chế độ cháy nội phao xảy ra khi bề mặt cháy của khối nhiên liệu cháy đúng theo yêu cầu của nhà thiết kế nhằm tạo ra áp suất và lực đẩy đưa vật thể bay bay đến đúng mục tiêu theo chương trình đã được định sẵn Ngược lại, chế độ cháy xói mòn xảy ra khi bề mặt cháy của khối nhiên liệu cháy không đúng yêu cầu cần thiết kế Khi đó, áp suất và lực đẩy cho thỏi nhiên liệu cháy tạo ra không đảm bảo đúng như yêu cầu thiết kế, nghĩa là vật thể bay sẽ không hoạt động theo đúng chương trình đề ra [3] Để đảm bảo cho thỏi nhiên liệu cháy ở chế độ cháy nội phao, ngoài các yếu tố liên quan đến chất lượng như thành phần, mức độ đồng đều, độ bền cơ học và mức độ xuất hiện các vết nứt nhỏ, người ta còn áp dụng phương pháp khống chế bề mặt cháy của thỏi nhiên liệu (còn gọi là phương pháp chống cháy) [1]

Chống cháy là tổng hợp các phương pháp đặc biệt sử dụng để ngăn không cho một số khu vực trên bề mặt thỏi nhiên liệu được cháy khi động cơ hoạt động theo yêu cầu của nhà thiết kế Có hai phương pháp có khả năng khống chế bề mặt cháy của thỏi nhiên liệu như sau [9,10]

♦ Phương pháp 1: Làm giảm tốc độ cháy của nhiên liệu ở các bề mặt cần

chống cháy bằng cách bổ xung một số phụ gia giảm tốc độ cháy vào thành phần của lớp nhiên liệu này hoặc xử lý bề mặt cần chống cháy bằng một loại hóa chất đặc biệt có khả năng làm giảm tốc độ cháy của nhiên liệu Phương pháp này ít dùng vì dây chuyền công nghệ chế tạo thỏi nhiên liệu phức tạp, chất lượng của thỏi nhiên liệu dễ bị ảnh hưởng và vì vậy phương pháp này chỉ có ý nghĩa lý thuyết

♦ Phương pháp 2: Tạo ra trên bề mặt không được phép cháy theo thiết kế

của thỏi nhiên liệu một lớp vật liệu không cháy hoặc có tốc độ cháy chậm hơn so với tốc độ cháy của thỏi nhiên liệu Lớp vật liệu này phải có độ bám dính tốt với bề mặt thỏi nhiên liệu và có tác dụng ngăn không cho một số khu vực của thỏi nhiên liệu bị cháy trong suốt thời gian làm việc của động cơ

Phương pháp này dễ thực hiện hơn so với phương pháp 1 vì không làm phức tạp thêm dây chuyền công nghệ chế tạo thỏi nhiên liệu Ngoài ra, tiến hành chống cháy theo phương pháp 2 không những không ảnh hưởng xấu đến chất lượng của thỏi nhiên liệu mà ngược lại còn tăng khả năng bảo vệ, tăng độ bền, tăng khả năng chống ẩm cho thỏi nhiên liệu

Hiện nay, các nước có nền công nghiệp vũ khí phát triển mạnh như Nga, Mỹ đều sử dụng phương pháp 2 để chống cháy cho nhiên liệu hỗn hợp Trong bản luận văn này, khi nói đến vật liệu chống cháy sẽ được hiểu là loại vật liệu được tạo ra theo phương pháp thứ 2 Trong động cơ sử dụng nhiên liệu rắn, lớp vật liệu chống cháy cho thỏi nhiên liệu có vai trò rất quan trọng Nếu lớp vật liệu chống cháy làm việc tốt, quá trình cháy của thỏi nhiên liệu sẽ diễn biến ổn định theo qui luật đã được thiết kế cho từng loại động cơ trong suốt thời gian thỏi nhiên liệu cháy

Hình1.2 dưới đây là một ví dụ về biến thiên áp suất theo thời gian khi thỏi nhiên liệu được chống cháy theo nguyên tắc cháy chính diện trong đó đường 1 thể hiện lớp chống cháy làm việc tốt, thỏi nhiên liệu cháy ở chế độ nội phao Nếu lớp

vỏ chống cháy không đảm bảo kỹ thuật (bị bong tróc từng mảng hay toàn bộ) hoặc khi thỏi nhiên liệu bị nứt, vỡ…, thỏi nhiên liệu sẽ bị cháy ở chế độ xói mòn do không kiểm soát được diện tích bề mặt cháy Khi đó áp suất và nhiệt độ của động cơ

sẽ bị tăng lên đột ngột (đường 2) và thậm chí gây nổ động cơ (đường 3).[10]

Hình 1.2- Biến thiên áp suất theothời gian khi thỏi nhiên liệu cháy

Để hoàn thành vai trò chống cháy, lớp vật liệu chống cháy phải đạt được tối thiểu hai yêu cầu sau:

- Không cháy hoặc có tốc độ cháy chậm hơn tốc độ cháy của thỏi nhiên liệu

- Có độ bám dính tốt với bề mặt thỏi nhiên liệu ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao

1.2.2 Một số vật liệu chế tạo lớp chống cháy cho nhiên liệu rắn hỗn hợp

Nhiên liệu rắn có hai loại là nhiên liệu rắn keo và nhiên liệu rắn hỗn hợp với thành phần hóa học rất khác nhau dẫn đến việc lựa chọn vật liệu chống cháy rất khác nhau Như đề cập ở trên, vật liệu để chế tạo lớp chống cháy là các loại vật liệu

có bản chất hóa học gần giống với bản chất hóa học của chất cháy hoặc chất kết dính trong thành phần của thỏi nhiên liệu rắn[20] Vì chất cháy trong thành phần của thỏi nhiên liệu rắn là các loại polyme như nitroxenlulo, cao su thiokol, cao su butadien, cao su butyl, cao su polyurethan, polyether, polyeste, polysilosan… nên các loại vật liệu chống cháy được chỉ định sử dụng cũng thường là các loại polyme này Để nâng cao khả năng chống cháy và bám dính của vật liệu chống cháy với thỏi nhiên liệu, người ta thường bổ sung một số phụ gia chống cháy, phụ gia tăng độ bám dính và khả năng tương hợp vào trong thành phần của lớp vật liệu chống cháy

Để nắm được sự chống cháy của vật liệu chịu nhiệt trên cơ sở polyme, trước hết cần tìm hiểu vể sự cháy và quá trình ức chế cháy của polyme.[18]

1.2.2.1 Sự cháy và quá trình ức chế cháy của polyme

Sự cháy của các vật liệu trên cơ sở các polyme nói chung xảy ra rất phức tạp Chủ yếu là qua bốn giai đoạn [12]:

• Nung nóng chất nền cháy được

• Phân hủy nhiệt

• Bốc cháy

• Cháy bền vững và lan truyền

Khi tiếp xúc với nguồn nhiệt, polyme ở pha rắn đầu tiên bị phân hủy nhiệt (quá trình thu nhiệt) tạp ra câc sản phẩm khí có khả năng cháy trên bề mặt của polyme Khi tỷ lệ ở pha khí giữa khí oxy và các chất khí này đạt tới giá trị thích hợp, polyme

sẽ bắt cháy (quá trình tỏa nhiệt) và giải phóng các sản phẩm cháy Chu trình cháy được lặp lại vì nhiệt lượng sinh ra có tác dụng bù đắp cho nhiệt lượng phân hủy và quá trình cháy sẽ tiếp tục được duy trì

Tốc độ phân hủy nhiệt của polyme phụ thuộc vào cường độ nguồn nhiệt cung cấp, nhiệt dung riêng của polyme và nhiệt tiềm tàng của quá trình nóng chảy và bay hơi polyme Khi nhiệt cung cấp càng cao thì tốc độ phân hủy nhiệt càng lớn

Để giảm tốc độ cháy của polyme, người ta thường sử dụng các chất phụ gia

có ảnh hưởng đến các giai đoạn khác nhau của quá trình cháy, các chất phụ gia này được trộn hợp với vật liệu polyme để tạo thành lớp bảo vệ nhiệt cho chúng Các chất phụ gia này bao gồm hai loại chính [1]:

Sản phẩm cháy cuối cùng

Polyme hữu cơ Nhiệt

Sản phẩm khí có khả năng cháy

•Loại thứ nhất, áp dụng ngay khi chế tạo các polyme: Thay thế một phần các monome có khả năng cháy bằng các monome chứa các nguyên tố dị mạch có khả năng ức chế cháy Các monome này sẽ trở thành một phần trong cấu trúc phân tử của polyme, làm cho tính chất lý- hóa học của polyme thay đổi và các polyme có khả năng ức chế cháy Tiêu biểu là các hợp chất sau : tetrabromo bisphenol A (TBBPA), decabromo diphenyl ete (DeBDE) [11]

•Loại thứ hai : Sử dụng các hợp chất chứa nguyên tố có tính chất ức chế cháy trộn hợp với các polyme cần được ức chế chát để làm cho các polyme này kém nhạy cảm với sự cháy Các hợp chất này không có các phản ứng hóa học với các polyme và được gọi là các phụ gia ức chế cháy Các phụ gia ức chế cháy thường dùng là các hợp chất vô cơ như : Nhôm hydroxit, magie oxit, antimon oxit, amoni bromua [19]

Các phụ gia ức chế cháy có thể hoạt động theo nhiều cơ chế khác nhau, nhưng trong thực tế rất khó phân biệt một cách rõ ràng loại phụ gia hoạt động theo

cơ chế nào Tuy nhiên, về lý thuyết, người ta vẫn phân biệt các cơ chế ức chế cháy xảy ra để tìm cách ứng dụng chúng vào nghiên cứu chế tạo vật liệu chống cháy cho nhiên liệu động cơ của vật thể bay

polyme có thể xảy ra ở 3 giai đoạn tương ứng với mỗi loại phụ gia chống cháy khác nhau theo các cơ chế khác nhau ở từng giai đoạn[1] :

+ Giai đoạn quan trọng nhất mà các phụ gia có thể ảnh hưởng đến khả năng

ức chế cháy là giai đoạn phân hủy nhiệt ban đầu của các polyme để tạo thành các sản phẩm khí có khả năng cháy Các chất phụ gia ức chế cháy ảnh hưởng đến giai đoạn sinh khí có khả năng cháy của polyme hoạt động theo cơ chế thuần túy hóa học Tức là chúng thúc đẩy quá trình tái hợp các mắt xích lại với gốc tự do trong pha rắn và như vậy, tốc độ phân hủy nhiệt của polyme bị chậm lại, ngoài ra còn tạo trên bề mặt polyme một lớp phủ bảo vệ không có khả năng cháy

+ Giai đoạn thứ hai mà các chất phụ gia có khả năng ức chế cháy cho polyme

là ức chế phản ứng cháy các sản phẩm khí phân hủy của polyme Để ức chế giai đoạn này, các chất phụ gia có thể hoạt động theo cơ chế như sau : Các chất phụ gia

có khả năng tạo thành các chất khí trơ hoặc các chất khi hoạt hóa và tham gia vào vùng cháy sẽ làm thay đổi thành phần của hỗn hợp cháy như tỷ lệ oxy/không khí, nhiệt độ, bề mặt tiếp xúc với oxy qua đó sẽ làm cho tốc độ cháy của polyme bị chậm lại

+ Giai đoạn thứ ba, sự ức chế của các chất phụ gia xảy ra bằng cách ảnh hưởng tới giai đoạn truyền nhiệt từ pha khí vào bề mặt polyme Để có được điều này, các chất phụ gia chống cháy cần phải có khả năng thúc đẩy quá trình bẻ gãy mạch polyme, nhanh chóng làm giảm trọng lượng phân tử của nó và làm cho polyme dễ bị nóng chảy hơn Khi bị nóng chảy và tách ra khỏi khối polyme nền, các polyme nóng chảy này đã làm giảm bớt nhiệt lượng cần để phá hủy polyme thành các sản phẩm bay hơi dễ cháy và do đó làm giảm khả năng cháy của polyme Ngoài

ra, để ngăn cản sự truyền nhiệt, người ta cũng có thể sử dụng các phụ gia có khả năng tạo ra một lớp chất lỏng hoặc lớp xỉ tàn trên bề mặt polyme khi polyme cháy

1.2.2.2 Các dẫn xuất của xenlulo

Xenlulo là một polyme thiên nhiên có cấu trúc phân tử tương tự như cấu trúc của cấu tử chính trong thành phần của thuốc phóng rắn nên đã được các nhà khoa học tìm cách ứng dụng làm vật liệu chống cháy cho thuốc phóng sớm nhất.[7]

Xenlulo

Do khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ kém nên từ lâu người ta đã tìm ra nhiều biện pháp biến tính xenlulo thành các dẫn xuất dễ hoà tan để chế tạo các vật liệu chống cháy cho thuốc phóng rắn Trong số các dẫn xuất của xenlulo, các hợp chất etylxenlulo, axetat xenlulo, axetobutylrat xenlulo đạt được nhiều tính

năng tương đồng với các chỉ số cơ lý và có khả năng bám dính tốt với thỏi nhiên liệu rắn nên chúng đã được ứng dụng khá phổ biển để chế tạo lớp chống cháy cho loại nhiên liệu rắn này Tuy nhiên các dẫn xuất của xenlulo vẫn còn một số nhược điểm sau nên đã phần nào hạn chế phạm vi ứng dụng của chúng:

- Không ngăn cản được sự khuyếch tán nitroglyxerin từ trong thành phần của nhiên liệu, do đó trong quá trình lưu trữ, bảo quản, độ bền liên kết giữa lớp chống cháy với nhiên liệu cũng như độ ổn định của nhiên liệu và tính chất trong của thỏi nhiên liệu sẽ bị suy giảm mạnh[13]

do này, chúng thường chỉ được sử dụng để chế tạo lớp chống cháy cho các thỏi nhiên liệu có thời gian cháy rất ngắn ( từ 1 - 2 giây)

1.2.2.3 Nhựa phenol andehyt

Nhựa phenol andehyt được điều chế bằng phản ứng giữa các phenol (phenol, xylen, rezorsin) với các andehyt (focmandehyt, axetandehyt…) với sự có mặt của xúc tác axít hoặc kiềm Phản ứng có thể tạo thành nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo tùy thuộc vào tỉ lệ mol giữa 2 cấu tử, nhiệt độ và độ pH của môi trường phản ứng Nhựa phenol andehyt sau khi đã khâu mạch hoàn toàn sẽ không nóng chảy và không bị hòa tan trong bất kỳ dung môi nào.[7]

Phản ứng của các phenol với các andehyt là loại phản ứng đa tụ, xảy ra từng bậc theo sơ đồ ví dụ sau:

Nếu tỉ lệ mol giữa phenol và focmandehyt 1:1, ở giai đoạn đầu của phản ứng

sẽ tạo thành chủ yếu là rượu o và p-monooxibenzyloic(rượu đơn chức) Rượu o và p-monooxibenzyloic có một nhóm chức metylol có khả năng phản ứng với phenol hoặc giữa chúng với nhau theo sơ đồ:

HoÆc

OH

OH

CH 2 OH +   CH 2 O 

OH 

CH 2 OH 

H

CH2OH

O H

+

CH2OH

CH2

O H

Nhựa tạo thành có cấu tạo thẳng và là nhựa nhiệt dẻo

Khi tỉ lệ mol focmandehyt: phenol = 2 :1 và cao hơn, ở giai đoạn đầu của phản ứng sẽ tạo thành phenol metylol đa chức:

O H

CH2OH HOH2C

O H

CH2OH

CH2OH HOH2C

Khi đó, nếu tiến hành phản ứng đa tụ tiếp tục sẽ tạo thành nhựa không hòa tan, không nóng chảy

Độ axít của môi trường xảy ra phản ứng đa tụ giữa phenol và các andehyt có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình Khi tiến hành phản ứng trong môi trường axit (pH<7), các rượu phenol được tạo thành từ phenol và focmandehyt không ổn định và sẽ đa tụ nhanh với nhau hoặc với các phenol (đặc biệt là khi có nhiệt độ) tạo thành nhựa nhiệt dẻo Trong môi trường kiềm (pH>7), các rượu phenol

ổn định và quá trình đa tụ tiếp tục của chúng chỉ xảy ra khi đun nóng hoặc thêm xúc tác dạng axit

Tuỳ thuộc vào cấu tạo hóa học của nguyên liệu, tỉ lệ mol giữa phenol/ andehyt và đặc trưng của xúc tác sử dụng sẽ tạo thành hai loại nhựa: nhiệt dẻo (novolac) hoặc nhiệt rắn (rezol).[17]

chức phản ứng với các andehyt no, phenol 2 chức với fomandehyt, phenol 3 chức với fomandehyt trong điều kiện tỉ lệ mol phenol/fomandehyt>1

chức phản ứng với focmandehyt hoặc với các andehyt no Nhựa rezol cũng có thể

được tổng hợp khi pH<7 khi cho phenol 3 chức phản ứng với focmandehyt ở tỉ lệ mol phenol/focmandehyt<1

focmandehyt (trong trường hợp điều chế nhựa novolac trên cơ sở phenol 3 chức) và nhựa rezol cũng có thể chuyển thành nhựa novolac khi bổ sung thêm phenol trong môi trường axit

Nhựa novolac và rezol như đã trình bày trên đều có trọng lượng phân tử thấp Gần đây, từ một vài dẫn xuất thế của phenol và focmandehyt và trong điều kiện phản ứng đặc biệt, người ta đã điều chế được các sản phẩm có trọng lượng phân tử cao (ví dụ octonovolac) Chẳng hạn, từ para-clophenol và focmandehyt đã tạo được nhựa para-clophenol focmandehyt trọng lượng phân tử cao có cấu tạo như sau:

H

O H

OH

Cl n

Để tổng hợp nhựa phenol focmandehyt phục vụ chế tạo vật liệu chống cháy cho thỏi nhiên liệu hỗn hợp, chúng tôi đã tiến hành tổng hợp vật liệu trên cơ sở nhựa cacđanol với focmandehyt Kết quả tổng hợp sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần thực nghiệm

1.2.2.4 Cao su nitril

a/ Lịch sử phát triển

Cao su butadien nitril (NBR) thương mại ra đời năm 1937 ở cộng hòa liên bang Đức Sau đại chiến thế giới lần II, cao su butadien nitril được tổ chức sản xuất qui mô công nghiệp ở Liên Xô cũ với nhiều chủng loại khác nhau [7] Tiêu thụ trên toàn thế giới NBR đạt 400.000 tấn, năm 2005 [15]

Các nhà sản xuất NBR chủ yếu được trình bày ở bảng 1.3 [15]

Bảng 1.3: Các nhà sản xuất NBR chính

b/ Cấu tạo và tính chất

Cao su nitril butadien, còn được gọi là cao su Buna – N, là sản phẩm đồng trùng hợp của butadien 1,3 và acrylonitril với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hóa khử persuafat kali và trietanolamin, peroxit hydro và FeSO4, pirophosphat natri…[16]

Phương trình phản ứng như sau:

Sản phẩm tạo thành còn được biểu diễn như sau :

Sản phẩm phụ khi acylonitril tham gia vào phản ứng vòng hóa với dien tạo thành nitril mạch vòng – 4 xiano xiclohexen, tạo cho cao su butadien nitril mùi đặc trưng (mùi nhựa cây đu đủ) :

CN

CN n

Phương trình phản ứngcủa sự biến đổi này xảy ra như sau:

Phản ứng tạo thành sản phẩm phụ 4 – xiano xiclohexen xảy ra càng mạnh khi hàm lượng monome acrylonitril trong hỗn hợp phản ứng càng cao Cao su butadien nitril chứa càng nhiều 4 xiano xiclohexen có màu thẫm hơn và có mùi rõ hơn Dựa vào đặc điểm này mà ta có thể dễ dàng phân biệt được loại cao su và hàm lượng nhóm nitril có trong cao su.[5]

Monome 1,3 divinyl tham gia vào phản ứng chính thành mạch đại phân tử chủ yếu ở vị trí đồng phân 1,4 – trans Riêng với loại cao su CKH – 26 (được sản xuất ở Liên Xô cũ) có: 77,4 % monome butadien tham gia vào phản ứng ở 1,4 – trans, 12,4% monome butadien tham gia vào phản ứng ở 1,4 – cis, 10,2% monome butadien tham gia vào phản ứng 1,2

Cao su butadien nitril có trọng lượng phân tử trung bình dao động trong khoảng từ 200.000- 300.000 Có trạng thái vô định hình, không bị kết tinh khi kéo căng hay bảo quản

Tính chất đặc biệt của cao su nitril được quyết định bởi sự có mặt của nhóm nitril phân cực (-CN) Cao su nitril có các tính chất đặc biệt như bền với tác dụng của dầu mỡ, hydro cacbon thẳng, độ bền nhiệt cao, nhóm nitril trong cao su càng cao thì cao su càng bền với xăng dầu mỡ và độ chịu nhiệt cũng cao nhưng khi đó độ đàn hồi, độ chịu lạnh và độ cách điện càng giảm Cao su nitril được sản xuất trong công nghiệp với các loại có hàm lượng như nitril khác nhau:

- Loại có hàm lượng nitril rất cao: 47-50 %

- Loại có hàm lượng nitril cao: 35-41%

- Loại có hàm lượng nitril trung bình: 26-34%

- Loại có hàm lượng nitril thấp: 17-28%

Cao su nitril chưa lưu hóa có khả năng hòa tan tốt trong axeton, hydro

cacbon thơm, hydro cacbon clo hóa, este và hòa tan kém trong các hydro cacbon

thẳng và rượu Bảng 1.4 trình bày một số thông số kỹ thuật của cao su nitril

Bảng 1.4 - Các đặc trưng vật lý của cao su nitril

18 0,205

0,962 200.103-300.103154,9

- 42 130.10-63.109

17 0,310

15 0,315

c/ Gia công và lưu hóa với cao su nitril

Cao su nitril có khả năng trộn hợp tốt với các bột độn gia cường như than

kênh, than lò cao Để chế tạo các vật liệu bền nhiệt thì trong đơn công nghệ, người

ta thường trộn hợp với các bột độn khoáng, than trắng (SiO2), silicat canxi hay

sử dụng bột độn BaSO4 , Sb2O3 và sợi amiăng

Để nâng cao khả năng bám dính cho cao su nitril thì trong đơn thường phối

hợp thêm: nhựa phenolfocmandehyt, nhựa cumaron inden, nhựa butylphenol

acetylen…

Các chất hóa dẻo cho cao su nitril: các loại este như dioctyl phtalat, dibutyl

xebacinat, dioctyl adipat… Đối với loại cao su bền nhiệt thì dùng các hóa dẻo

parafin clo hóa, tricrezyl phôtphat

Cao su nitril có thể trộn hợp được với cao su thiên nhiên, cao su butadien

styren để nâng cao một số tính chất của hệ blend thu được nhưng khi đó độ bền

nhiệt và bền dầu mỡ của hệ lại giảm

Cao su nitril có thể trộn hợp được với PVC, PS, nhựa phenol focmandehyt với bất kỳ tỉ lệ nào để tăng độ bền chống ozôn, bền mài mòn, bền xăng dầu và các môi trường xâm thực khác Để vừa tăng tính năng kỹ thuật, vừa đạt độ bền dầu mỡ thì trộn hợp cao su nitril với thiokol nhưng khi đó độ bền cơ lý sẽ giảm

Các chất lưu hóa cho cao su nitril:

Bảng 1.5 – Thành phần của đơn lưu hóa cao su nitril

CKH-18 NBR-26 CKH-40 Thành phần hỗn hợp

100

45

5 1,5 0,8 1,5

100

45

5 1,5 0,8 1,5

Bảng 1.6 - Tính chất của cao su nitril lưu hóa

-

110-120 280-310 550-700 15-28 65-80 69-72 172-200

125-135 300-330 550-700 15-28 75-85 73-75

-

•Lưu huỳnh là chất lưu hóa thông dụng nhất cho cao su nitril Thường lưu huỳnh được dùng với lượng từ 1,5-2,0 phần trọng lượng Cao su nitril lưu hóa bằng

lưu huỳnh có độ bền lão hóa nhiệt thấp và có khả năng làm biến đổi màu của cao su rất mạnh

•Cao su nitril có thể được lưu hóa bằng hệ peroxit đicumin Hợp phần có 4-5 phần peroxit đicumin có tốc độ lưu hóa giống hợp phần chứa lưu huỳnh Khi lưu hóa bằng hệ peroxit cho cao su có độ biến dạng dư thấp, bảo toàn được độ dãn dài khi lão hóa nhiệt

•Cao su nitril có thể được lưu hóa bằng các hợp chất thiuram (3-4 phần) mà không cần dùng đến lưu huỳnh

Các chất hoạt hóa cho cao su nitril: thường dùng là ZnO và axit stearic

Các chất xúc tiến lưu hóa dùng cho hệ cao su nitril:

•Hệ không có lưu huỳnh hoặc chứa rất ít lưu huỳnh: đó là các chất họ tiuram,

và một vài hệ tương tự họ tiuram để chế tạo cao su có độ bền nhiệt cao

•Các hệ từ altack với lưu huỳnh hoặc Xantokiur với lưu huỳnh đảm bảo cho tốc độ lưu hóa của hệ cao (dùng cho cao su thông thường)

•Các hệ xúc tiến từ tetrametyltiuram mono hoặc disunfit với lưu huỳnh Hệ này tạo cho cao su ít bị bán lưu và có độ bền nén dư nhỏ

•Một số hệ khác: ví dụ vừa chứa lưu huỳnh và chứa dẫn xuất của xelen… d/ Ứng dụng của cao su nitril

Cao su NBR có hàm lượng nitril cao dùng trong các chi tiết cao su kỹ thuật chịu dung môi thơm, dầu mỡ nhờn Cao su có hàm lượng trung bình được dùng tiếp xúc với dung môi chứa hàm lượng thơm ít hơn hoặc cho phép trương nở ít trong khi làm việc

Cao su NBR được dùng nhiều trong công nghiệp ô tô, hàng không,dệt in, chế tạo máy, chế tạo chi tiết cao su kỹ thuật, đế dày, dép

Ứng dụng quan trọng nhất của NBR là làm các loại gioăng phớt chịu dầu, truyền dẫn nhiên liệu, ống bơm xăng, lô in, keo dán cấu trúc, các khớp nối mềm, găng tay kỹ thuật, giấy tráng cao su, vải, da tráng lớp chịu dầu, băng tải, má phanh chịu dầu mỡ, màng ngăn các bơm nhiên liệu, giảm xóc, cao su chịu nhiệt và các

ebonit Khi phối trộn cao su NBR với than axetylen có thể sử dụng để chế tạo cao

su dẫn điện

và do đó chúng được dùng để dán cao su, chất dẻo, da, gỗ giấy v.v Cao su NBR có thể phối trộn với cao su CR để chế tạo cao su chịu dầu bền với tác dụng của tia tử ngoại và ánh sáng mặt trời, làm lớp nền để dán sứ, kính, kim loại Khi phối hợp với nhựa alkylphenolformaldehyt sẽ có độ bám dính rất tốt, mối dán có độ bền cao và chịu nhiệt khá

1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP CHỐNG CHÁY CHO THỎI NHIÊN LIỆU RẮN

Phương pháp đơn giản nhất để chế tạo lớp chống cháy lên bề mặt thuốc phóng có sẵn là phương pháp đúc trong khuôn Phương pháp này được sử dụng rộng rãi đối với các loại vật liệu polyme chống cháy có thời gian sống dài ( long pot

- time) Vật liệu chống cháy được trộn hợp với tất cả các thành phần trong thiết bị trộn thẳng đứng có khả năng quay được Khi bỏ chốt định vị của thiết bị ra, chất ức chế chưa hóa rắn sẽ dễ dàng được rót vào khuôn thông qua đĩa phân phối Người ta cũng có thể đúc thuốc phóng vào trong lớp vật liệu ức chế cháy đã được định hình trước Theo phương pháp này, vật liệu ức chế cháy sẽ được định hình trước bằng quá trình ép đùn (nếu vật liệu chống cháy là nhựa nhiệt dẻo) hoặc bằng quá trình ép nóng trong khuôn có lực ép cao (nếu vật liệu chống cháy ở dạng cao su) [5]

Một số phương pháp công nghệ sau cũng được ứng dụng để chế tạo lớp chống cháy [14]:

của thuốc phóng tên lửa 2 gốc Các băng vật liệu chống cháy này được định vị chắc chắn lên bề mặt của thuốc phóng ngay trong quá trình đùn hoặc đúc mới thuốc phóng 2 gốc nhờ một lớp keo phù hợp đặc biệt Lớp keo này vừa phải có khả năng chịu nhiệt, vừa phải có độ bám dính cao lên bề mặt thuốc phóng và bề mặt vật liệu chống cháy

+ Nhúng thuốc phóng vào dung dịch của chất ức chế cháy Kỹ thuật này chỉ

áp dụng được cho các thỏi thuốc phóng cỡ nhỏ dạng thanh dùng cho các phép thử cháy

+ Đưa thuốc phóng vào khuôn đã chứa sẵn một lượng chất ức chế cháy chưa hóa rắn đủ để cho nó dâng lên che phủ toàn bộ bề mặt cần chống cháy của thỏi thuốc

+ Phun nhiều lớp chất chống cháy ở dạng lỏng (giống như quá trình phun sơn) trực tiếp lên bề mặt của thuốc phóng cho đến khi đạt chiều dày cần thiết

Qua các thông tin thu được từ các tài liệu có được, có thể nhận thấy rằng vật liệu chống cháy cho thỏi nhiên liệu tên lửa có thành phần cơ bản là cao su nitril Và

để đạt được tính năng cơ lý và khả năng chịu nhiệt cao thì cần một lương bột độn cao (> 30 phần khối lượng) Ngoài ra, cũng cần sử dụng một lượng thích hợp các chất phụ gia bổ trợ để làm tăng thêm khả năng chịu nhiệt của vật liệu chống cháy của thỏi nhiên liệu hỗn hợp

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM

2.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ

2.1.1 Hóa chất

- Cao su tổng hợp nitril NBR-26 (Nga) có hàm lượng nhóm nitril ~26%

- Nhựa phenol formaldehit (Trung Quốc) có hàm lượng gốc phenol tự do dưới 10 %

- Các loại bột độn: bột xenlulo, Sb2O3, Al(OH)3, là các hóa chất sử dụng trong công nghiệp gia công cao su

- Chất hóa dẻo: (DOP) (Trung Quốc)

- Các chất hoạt hóa lưu hóa: ZnO, axit stearic

- Chất xúc tiến lưu hóa: TMTD, DM, TBBS, DTDM…

- Chất phòng lão: phòng lão D

- Lưu huỳnh (Trung Quốc)

- Vật liệu chống cháy cho thỏi nhiên liệu rắn hỗn hợp của Nga

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ

- Máy cán 2 trục, tỉ tốc 1:1,15, Việt Nam

- Máy ép thủy lực có gia nhiệt đến 200oC, lực ép đạt 25-30kG/cm2

- Khuôn ép cao su bằng thép CT – 45 cho kích thước sản phẩm cao su sau khi ép là 15x15cm, độ dày cao su 1,5-2mm

- Tủ sấy điều chỉnh nhiệt độ vô cấp từ 50oC đến 200oC

2.1.3 Các thiết bị dùng để phân tích, đo đạc các tính năng của vật liệu

a/ Đánh giá mức độ lưu hóa cao su

+ Chuẩn bị mẫu đo:

nghệ ở mục 2.2 được cắt thành các miếng nhỏ có kích thước 3x3 cm, có tổng khối lượng ≈ 8g

+Thiết bị đo:

Máy đo độ lưu hóa cao su Rheo-1000 của hãng Thrusoft MED, Hàn Quốc Thiết bị này có khả năng đo và vẽ đồ thị khả năng lưu hóa của cao su sau khi đã được hỗn luyện Dùng để xác định thời gian bắt đầu lưu hóa (ts2 ), thời gian lưu hóa 90% (tc90) và mô men xoắn cực tiểu (Tmin) và mô men xoắn cực đại (Tmax)

+ Chế độ đo:

+ Ý nghĩa phương pháp:

Cho phép xác định 1 thời gian lưu hóa tối ưu đối với một mẫu cao su

b/Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại được đo trên thiết bị FT-IR Shimadzu 8010 và thiết bị Nexus Nicolet của Mỹ

670-Cơ sở của phương pháp phổ hồng ngoiaj là nghiên cứu sự hấp thụ bức xạ điện từ trong vùng 400 – 4000cm-1 (độ dài sóng 25 – 2,5 µm) Các lượng tử của bức xạ hồng ngoại kích thích trực tiếp các dao động của phân tử và làm xuất hiện phổ hồng ngoại

c/ Phương pháp phân tích nhiệt vật liệu

Phân tích độ bền nhiệt của mẫu vật liệu được đo trên máy Shimadzu TGA-50H (Viện Hóa/Viện Hàn Lâm KH-CNVN) và máy STA 409 của hãng NETZSCH (ĐHBK)

+ Ý nghĩa của phương pháp:

Đánh giá mức độ suy giảm khối lượng của vật liệu theo thời gian và nhiệt độ

d/ Phương pháp chụp phổ EDX

+ Thiết bị đo:

Xác định thành phần các chất trên bề mặt vật liệu (EDX) được đo trên máy JEOL 6610LA (Nhật) tại viện Hóa học – Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ QS

+ Ý nghĩa của phương pháp:

Kỹ thuật phân tích xác định thành phần của mẫu vật liệu rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ mẫu vật rắn do tương tác với các bức xạ (chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử)

e/ Phương pháp đo xác định độ bền cơ lý

+ Thiết bị đo:

Độ bền cơ lý của mẫu cao su chống cháy được thực hiện trên máy kéo đứt vạn năng Cole Parmer-492: KRC 1000 của Mỹ theo tiêu chuẩn ASDM-D-638 hoặc TCVN 4509:2006

+ Ý nghĩa của phương pháp:

Phương pháp đo độ bền cơ lý để xác định khả năng lưu hóa, khâu mạch của cao su cũng như sự tương tác giữa các thành phần bên trong cao su Bên cạnh đó còn xác định khả năng phục hồi của cao su sau khi bị biến dạng

Hình 2.1- Kích thước mẫu chuẩn dùng để xác định độ bền cơ lý (mm)

f/ Đo chỉ số Oxy

- Chỉ số oxy (L.O.I): Khả năng chống cháy của vật liệu được xác định bằng chỉ số oxy tới hạn (limited oxygen index) Chỉ số L.O.I của vật liệu được đánh giá bởi hàm lượng oxy tối thiểu trong hỗn hợp khí oxy và nitơ cần thiết để duy trì cho vật liệu tự cháy trong thời gian 10 phút (±5 giây) Công thức đơn giản để tính chỉ L.O.I như sau :

׎ሺܱଶሻ ൅ ׎ሺܰଶሻ

Trong đó: n – Chỉ số L.O.I

Ø (O2) – lưu lượng Oxy

Ø (N2) – lưu lượng nitơ

Một số chất trong thực tế chỉ có thể tự cháy được khi chỉ số L.O.I ≤ 21,0 Chỉ số L.O.I phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của vật liệu, ngoài ra chỉ số L.O.I còn có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như : Nhiệt độ, độ ẩm và cấu trúc hình thái của mẫu thử nghiệm

+ Chuẩn bị mẫu đo:

Mẫu đo L.O.I được chuẩn bị như mẫu đo tính năng cơ lý vật liệu (trình bày ở trên)

và có hình dạng và kích thước như sau:

+ Ý nghĩa của phương pháp:

Đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu

a 

b 

c