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

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 HOÁ 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 Chuyên ngành: Hoá 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 Tôi xin cam đoan đây là công 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 công trình nào khác. Tác giả Trần Minh Công iv LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/Bộ Quốc phòng. 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 Công nghệ quân sự, Viện Thuốc phòng - 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 toán 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 ôxy của hệ thuốc ........................................................65 3.I.3 Tính toán 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 công 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 vùng phổ 3÷5µm và 8÷12µm ..................................................................... 99 3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy hợp kim Al-Mg đến cường độ phát xạ hồng ngoại trong vùng sóng 1÷5µm ........................... 103 3.5.3. Ảnh 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 xạ hồng ngoại dải sóng 3÷5µm và 8÷12µm ....................................................... 110 3.6.1. Ảnh hưởng của áp lực nén ép thuốc vào hoả cụ ............................. 110 3.6.2 Nghiên cứu thiết lập tiến trình công 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 CÔNG 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 hoá ....................................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: Thông 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 thông 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 hoá 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 toán 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 phôi THT phát xạ hồng ngoại chứa 2% chất kết dính khác nhau ................................................................................................ 77 Hình 3.5: Ảnh SEM các hạt phôi 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 phôi 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 quét của hạt phôi 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 công nghệ chế tạo THT và hoả cụ phát xạ hồng ngoại theo công 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 không chỉ trong quân sự mà còn 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 công 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 công trình chủ yếu mang tính chất quân sự, công bố hạn chế, không chi tiết về các nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt là những công 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. Phòng chống chiến tranh công 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 trò 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 công trình nào công 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 công nghệ chế tạo THT khi cháy phát ra hồng ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm. Nội dung nghiên cứu: - Tính toán 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 công 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 công nghệ trong phòng 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 không khí. Yêu 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 hoá 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 công nghệ sản xuất an toàn; - Không chứa những cấu tử khan hiếm; - Không có những chất gây ngộ độc cho cơ thể người. 5 Thành phần của THT: bao gồm chất cháy, chất oxi hoá, chất kết dính, chất tăng hoặc giảm tốc độ cháy, chất giảm nhạy, phụ gia công nghệ.... Ngoài ra có thể đưa các chất tạo màu, chất tạo khói… Trong một số trường hợp, một cấu tử có thể đóng những vai trò khác nhau: Chất tạo màu lửa đóng vai trò chất oxi hoá trong hỗn hợp lửa màu. Chất kết dính có thể đóng vai trò 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 hoá 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 không chứa oxi như các chất hữu cơ chứa clo, flo (hecxacloetan, polytetrafloetylen…) làm chất oxi hoá. 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 hoá lý quan trọng của chất oxi hoá 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 hoá, độ hòa tan trong nước, khả năng hút ẩm ... [78] 6 Bảng 1.1: Tính chất của một số chất oxi hoá Trọng Tỷ lượng trọng phân tử KClO3 Công 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 Không tan Không tan Không tan hoá (%) 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 hoá phù hợp, dễ dàng oxi hoá, không hút ẩm, có độ bền tốt khi bảo quản... Ngoài ra chất cháy cần chọn sao cho lượng oxi để cháy là tối thiểu. Có thể sử dụng các chất vô 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 hoá 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 sôi (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 trò chất cháy trong hỗn hợp. Nếu không có chất kết dính, các