Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Một Số Yếu Tố Đến Các Đặc Trưng Của Thuốc Nổ Nhiệt Dẻo PBX

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc trưng thuốc nổ nhiệt dẻo PBX

• Tác giả: Nguyễn Trung Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đức Nhân
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Một Số Yếu Tố Đến Các Đặc Trưng Của Thuốc Nổ Nhiệt Dẻo PBX
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THUỐC NỔ PBX
• 1.1. Thuốc nổ phá hỗn hợp và thuốc nổ PBX
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về thuốc nổ nhiệt dẻo PBX
• 3. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất, vật tư và thiết bị nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Nghiên cứu lựa chọn thành phần thuốc nổ PBX
• 4.2. Đánh giá tính tương thích hóa học của thuốc nổ nền và polyme kết dính
• 4.3. Đánh giá tính chất bề mặt phân cách pha của thuốc nổ và hệ chất kết dính
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng thuốc nổ, thành phần chất kết dính đến các đặc trưng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở hexogen (PBX-H)
• 4.5. Ảnh hưởng của hàm lượng thuốc nổ, thành phần chất kết dính đến các đặc trưng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở pentrit (PBX-P)
• 4.6. Đánh giá một số đặc trưng phân hủy nhiệt và dự đoán thời hạn sử dụng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thuốc nổ PBX

Thuốc nổ PBX (Polymer-Bonded Explosive) là một loại thuốc nổ được kết dính bằng các chất dẻo, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại thuốc nổ truyền thống. Đặc trưng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX là độ nhạy thấp với xung cơ học, khả năng định hình dễ dàng và độ đồng đều cao về mật độ. Các thành phần chính của thuốc nổ PBX bao gồm hexogen và pentrit, hai loại thuốc nổ nền phổ biến. Việc nghiên cứu và phát triển thuốc nổ nhiệt dẻo PBX có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực quân sự, đặc biệt là trong việc chế tạo vũ khí và thiết bị nổ an toàn và hiệu quả. Theo nghiên cứu, thuốc nổ PBX có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quân sự đến công nghiệp. Việc hiểu rõ về đặc trưng thuốc nổ và các yếu tố ảnh hưởng đến chúng là cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất và sử dụng.

1.1. Phân loại thuốc nổ PBX

Thuốc nổ PBX được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm phương pháp chế tạo và bản chất chất kết dính. Phân loại theo phương pháp chế tạo có thể chia thành hai nhóm chính: thuốc nổ chế tạo bằng phương pháp khối và phương pháp huyền phù. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất thuốc nổ và khả năng ứng dụng. Bên cạnh đó, phân loại theo bản chất chất kết dính cũng rất quan trọng, vì nó quyết định đến độ bền và tính ổn định của thuốc nổ. Việc phân loại này giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư có cái nhìn tổng quan về các loại thuốc nổ PBX, từ đó lựa chọn được loại phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

1.2. Thành phần thuốc nổ nhiệt dẻo PBX

Thành phần chính của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX bao gồm các polyme kết dính và thuốc nổ nền như hexogen và pentrit. Các polyme này không chỉ đóng vai trò là chất kết dính mà còn ảnh hưởng đến các đặc tính cơ lý của thuốc nổ. Việc lựa chọn đúng loại polyme và tỷ lệ pha trộn giữa chúng với thuốc nổ nền là rất quan trọng để đạt được các đặc trưng mong muốn như độ nhạy, độ bền và khả năng nén. Nghiên cứu cho thấy rằng, sự tương thích giữa các thành phần này có thể ảnh hưởng lớn đến tính năng PBX. Do đó, việc đánh giá tính tương thích hóa học giữa các thành phần là một bước quan trọng trong quá trình phát triển thuốc nổ PBX.

II. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án này là các loại thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở hexogen và pentrit. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như hàm lượng thuốc nổ, thành phần hệ chất kết dính đến các đặc trưng của thuốc nổ. Phương pháp nghiên cứu bao gồm các kỹ thuật chế tạo thuốc nổ, đánh giá tính tương thích của thuốc nổ nền với các polyme, và xác định các đặc trưng năng lượng-kỹ thuật của thuốc nổ. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định được thành phần tối ưu cho thuốc nổ mà còn đánh giá được khả năng ứng dụng thực tiễn của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.

2.1. Phương pháp chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX

Phương pháp chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX bao gồm nhiều bước, từ việc lựa chọn nguyên liệu đến quy trình trộn và định hình. Việc lựa chọn nguyên liệu là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất thuốc nổ. Các nguyên liệu như hexogen, pentrit, và các polyme kết dính cần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất cao. Sau khi lựa chọn nguyên liệu, quy trình trộn phải được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự đồng nhất của hỗn hợp. Cuối cùng, quá trình định hình thuốc nổ cũng cần được thực hiện cẩn thận để đạt được các đặc trưng mong muốn như độ dẻo và khả năng nén.

2.2. Phương pháp đánh giá tính tương thích

Đánh giá tính tương thích giữa thuốc nổ nền và các polyme kết dính là một bước quan trọng trong nghiên cứu. Phương pháp này bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật phân tích như DSC (Differential Scanning Calorimetry) để xác định các đặc tính nhiệt của hỗn hợp. Kết quả từ các phân tích này sẽ giúp xác định được khả năng tương thích hóa học giữa các thành phần, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết trong quy trình chế tạo. Việc đánh giá này không chỉ giúp tối ưu hóa thành phần mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình sản xuất và sử dụng thuốc nổ.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng và thành phần của thuốc nổ có ảnh hưởng lớn đến các đặc trưng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX. Cụ thể, việc tăng hàm lượng hexogen trong hỗn hợp sẽ làm tăng độ nhạy va đập và nhiệt độ bùng cháy. Ngược lại, việc sử dụng các polyme có tính chất dẻo cao sẽ cải thiện độ dẻo và khả năng nén của thuốc nổ. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong việc phát triển các loại thuốc nổ mới mà còn có thể áp dụng trong việc cải tiến quy trình sản xuất hiện tại. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể dẫn đến việc sản xuất ra các loại thuốc nổ có hiệu suất cao hơn, an toàn hơn trong quá trình sử dụng.

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng thuốc nổ

Nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng thuốc nổ trong hỗn hợp có ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc trưng như độ nhạy va đập và nhiệt độ bùng cháy. Cụ thể, khi hàm lượng hexogen tăng lên, độ nhạy va đập của thuốc nổ cũng tăng theo, điều này có thể dẫn đến nguy cơ mất an toàn trong quá trình sử dụng. Do đó, việc xác định hàm lượng tối ưu là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất của thuốc nổ. Các kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu kỹ lưỡng các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng PBX.

3.2. Ảnh hưởng của thành phần chất kết dính

Thành phần chất kết dính cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc trưng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX. Việc sử dụng các polyme có tính chất khác nhau sẽ ảnh hưởng đến độ dẻo, khả năng kết dính và khả năng nén của thuốc nổ. Nghiên cứu cho thấy rằng, các polyme mang năng lượng như nitroxenlulo có thể cải thiện đáng kể các đặc tính này, từ đó nâng cao hiệu suất của thuốc nổ. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các loại thuốc nổ an toàn và hiệu quả hơn cho quân đội và các ứng dụng công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật hóa học (mã số 9 52 03 01) với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến các đặc trưng của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở hexogen và pentrit" được tác giả Nguyễn Trung Toàn thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phan Đức Nhân và TS. Võ Hoàng Phương (Hà Nội, 2019).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực quân sự, nhu cầu sử dụng các loại thuốc nổ phá mạnh có đặc trưng năng lượng cao, an toàn trong bảo quản, vận chuyển và sử dụng, đồng thời có quy trình công nghệ chế tạo đơn giản là yêu cầu thực tiễn quan trọng. Các thuốc nổ phá mạnh đơn chất phổ biến như hexogen (RDX) và pentrit (PETN) sở hữu mức năng lượng cao nhưng tồn tại nhược điểm lớn: độ nhạy cao với xung cơ học (va đập, ma sát) và khả năng công nghệ kém (khó đúc ép trực tiếp vào khuôn đạn dược phức tạp). Do đó, chúng hiếm khi được sử dụng đơn lẻ mà thường được phối trộn thành thuốc nổ hỗn hợp.

Thuốc nổ polymer kết dính (Polymer-Bonded Explosive - PBX), đặc biệt là thuốc nổ nhiệt dẻo PBX, là giải pháp kết hợp giữa thuốc nổ phá mạnh với hệ chất kết dính polymer và chất hóa dẻo. Lớp polymer bao bọc các tinh thể thuốc nổ, hấp thụ và phân tán năng lượng kích thích cơ học, ngăn ngừa hình thành các "điểm nóng cục bộ", từ đó giảm độ nhạy va đập và cho phép định hình linh hoạt ở nhiệt độ, áp suất không quá cao.

Tại Việt Nam, nguồn thuốc nổ nhiệt dẻo PBX phục vụ huấn luyện, sẵn sàng chiến đấu (đặc biệt cho Binh chủng Đặc công và công binh phá vật cản) chủ yếu là các mác thuốc nhập khẩu từ thế kỷ XX (như Semtex của Tiệp Khắc, C-4 của Mỹ). Các nguồn này suy giảm theo thời gian và khó bổ sung từ nước ngoài. Trong khi đó, nguồn hexogen sản xuất trong nước đã ổn định và pentrit thương mại dễ tiếp cận. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần xây dựng cơ sở khoa học và quy trình thực nghiệm để tự chủ chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên nền RDX và PETN bằng nguyên liệu nội địa, đồng thời khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới các đặc trưng lưu biến, nén, nổ và độ bền nhiệt.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

1. Nghiên cứu chế tạo các loại thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở hexogen và pentrit với các hệ chất kết dính polymer thông thường và polymer mang năng lượng; đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố thành phần đến các đặc trưng cơ-lý, an toàn và năng lượng của thuốc nổ.
2. Nghiên cứu đặc trưng quá trình phân hủy nhiệt của các mẫu thuốc nổ đã chế tạo, từ đó tính toán các thông số động học và dự đoán thời hạn sử dụng (tuổi thọ bảo quản) của thuốc nổ nhiệt dẻo PBX.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Các hệ thuốc nổ nhiệt dẻo PBX chế tạo trên cơ sở thuốc nổ nền là hexogen (RDX) và pentrit (PETN), kết hợp với hệ chất kết dính là polymer thông thường (polystiren - PS) hoặc polymer mang năng lượng (nitroxenlulo - NC) cùng chất hóa dẻo dioctyl phtalat (DOP) và các dung môi hòa tan (toluen, etylaxetat).
• Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, tập trung vào việc đánh giá tính tương thích pha, năng lượng bề mặt, độ dẻo, khả năng nén, nhiệt độ bùng cháy, độ an định hóa học, độ nhạy va đập, tốc độ nổ, độ nén trụ chì, khả năng sinh công và động học phân hủy nhiệt.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến thuốc nổ PBX từ thập niên 1950 đến nay:

Các hướng nghiên cứu quốc tế đã điểm luận

1. Đánh giá tính tương thích giữa thuốc nổ nền và polymer kết dính:

   • Năm 1974, Hội nghị quốc tế tại New Jersey (Mỹ) công bố 26 báo cáo chuyên sâu về tính tương thích của vật liệu nổ với polymer bằng phương pháp sinh khí và động học phản ứng.
   • L. Heller (1977) khảo sát tính tương thích của hệ polymer nhiệt rắn với TNT, PETN, HMX, RDX, chì azit... qua DTA, DSC, TGA, VST và sắc ký khí.
   • K.-La Haye và cộng sự (2003) tại phòng thí nghiệm TNO - Prins Maurits (Hà Lan) phối hợp Viện Công nghệ Vũ khí Quân sự Ba Lan thực hiện thử nghiệm diện rộng so sánh tính tương thích của thuốc phóng, thuốc nổ với chất kết dính.
   • B. Vogelsanger (2004) tổng kết các phương pháp đánh giá độ an định, tính tương thích và tuổi thọ bảo quản của vật liệu nổ theo tiêu chuẩn NATO STANAG 4147.
   • Các nghiên cứu của các tác giả Trung Quốc, Nam Phi, Mỹ, Brazil trên các hệ thuốc nổ RDX, HMX, CL-20, BCHMX với các polymer Viton, Teflon, cao su butadien-stiren.

2. Khảo sát đặc trưng cơ - lý và năng lượng:

   • Nhóm nghiên cứu của A. Hakima, A. Elbeih cùng các đồng nghiệp quốc tế đã khảo sát độ nhạy và tính năng nổ của PBX trên nền RDX, HMX, PETN với các chất kết dính chứa flo (Fluorel, Kel-F, Viton) và polymer nhiệt dẻo (PIB, PMMA, PBS).
   • Tác giả nhận xét rằng nhiều công bố quốc tế chủ yếu dựa trên mô phỏng số hoặc tính toán lý thuyết, thiếu các dữ liệu thực nghiệm toàn diện trên từng hệ phối liệu cụ thể.

3. Nghiên cứu phân hủy nhiệt và dự đoán thời hạn sử dụng:

   • Q. L. Yan, J. S. Lee và cộng sự nghiên cứu động học phân hủy nhiệt của các hệ PBX chứa RDX, HMX, PETN, CL-20 qua DSC, TG/DTG và tính toán năng lượng hoạt hóa ($E_a$).
   • Nhóm J. Yan sử dụng phương pháp ổn định nhiệt chân không (Vacuum Stability Test - VST) để dự đoán tuổi thọ bảo quản ở 25 °C cho các loại PBXN-301 (40,2 năm), PBX-B (77,0 năm), PBX-C (67,0 năm).

4. Nghiên cứu sử dụng chất kết dính và hóa dẻo năng lượng cao:

   • A. Provatas, A. Agrawal nghiên cứu ứng dụng các polymer năng lượng cao (GAP, Poly NiMMO, Poly GLyN, Poly BAMO, ETPE) và chất hóa dẻo nitrat este (NG, TMETN, TEGDN, BTTN) nhằm bù đắp năng lượng bị suy giảm do chất kết dính trơ.

Khoảng trống luận án giải quyết

Trong khi các nước phát triển sử dụng các loại polymer chuyên dụng (PIB giá thành cao, TPE, fluoropolymer đắt đỏ) hoặc các polymer mang năng lượng còn ở quy mô thử nghiệm, việc tối ưu hóa phối liệu thuốc nổ nhiệt dẻo PBX sử dụng nguồn polymer và hóa dẻo sẵn có trong nước (PS thương phẩm, NC do Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng sản xuất, chất hóa dẻo DOP) chưa được nghiên cứu bài bản. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách khảo sát toàn diện từ bản chất nhiệt động bề mặt, độ tương thích hóa học, công nghệ tạo hạt theo phương pháp khối đến khảo sát thực nghiệm các tính chất cơ học, độ nhạy cơ học, đặc trưng nổ và động học phân hủy nhiệt.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm áp dụng

• Lý thuyết tương tác nhiệt động bề mặt: Luận án áp dụng phương pháp đo góc tiếp xúc tĩnh để tính toán sức căng bề mặt ($\gamma$), thành phần phân cực ($\gamma^P$), không phân cực ($\gamma^D$), công bám dính nhiệt động ($W_a$) và hệ số dàn trải ($S_{21}$) giữa hệ chất kết dính và bề mặt tinh thể thuốc nổ.
• Lý thuyết tương thích hóa học: Đánh giá độ tương thích của thuốc nổ nền và polymer dựa trên độ dịch chuyển nhiệt độ đỉnh tỏa nhiệt ($\Delta T_P$) qua phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) và thể tích khí sinh ra do tương tác ($V_R$) qua phép thử ổn định nhiệt chân không (VST) theo tiêu chuẩn STANAG.
• Lý thuyết động học phân hủy nhiệt: Sử dụng các phương pháp phân tích nhiệt đẳng tốc Kissinger và Ozawa trên dữ liệu nhiệt trọng lượng (TG/DTG) và DSC để xác định năng lượng hoạt hóa ($E_a$) và thừa số trước hàm mũ ($A$), từ đó thiết lập phương trình dự đoán thời gian phân hủy 5% lượng thuốc ($t_{5%}$) tại 298 K (25 °C).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Phương pháp chế tạo: Luận án lựa chọn phương pháp khối (Bulk method): hòa tan polymer và chất hóa dẻo trong dung môi chọn lọc (toluen đối với PS; etylaxetat đối với NC), phối trộn đồng thể với bột thuốc nổ nền trong thiết bị khuấy gia nhiệt, sau đó gia nhiệt đuổi dung môi ở áp suất thường hoặc hút chân không để thu được sản phẩm thuốc nổ nhiệt dẻo đồng nhất.
• Phương pháp đánh giá đặc tính cơ - lý:
  • Xác định độ dẻo theo tiêu chuẩn quân sự Mỹ MIL-STD-650 (thả quả nặng 5 kg đánh giá độ biến dạng chiều cao).
  • Khảo sát khả năng nén qua quan hệ giữa áp suất nén ($P$) và khối lượng riêng ($d$) của liều nổ.
  • Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt hạt và khối nén bằng kính hiển vi quang học.
• Phương pháp đánh giá độ an toàn và đặc trưng năng lượng:
  • Độ nhạy va đập: Thử nghiệm búa rơi CAST theo tiêu chuẩn quân sự Việt Nam TCVN/QS 1837:2017.
  • Nhiệt độ bùng cháy: Phương pháp gia nhiệt đẳng tốc và đo thời gian cảm ứng giữ chậm.
  • Độ an định hóa học: Đo thể tích khí thoát ra trên thiết bị STABIL (Vacuum Stability Test - VST).
  • Tốc độ nổ: Phương pháp đo thời gian truyền sóng nổ bằng máy đếm xung điện tử.
  • Độ nén trụ chì: Đo độ biến dạng trụ chì (phép thử Hess) theo tiêu chuẩn TCVN 6421-1998 / GOST 5984-51.
  • Khả năng sinh công: Xác định theo phương pháp bom chì (độ giãn nở thể tích) và con lắc xạ thuật.

---

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu xác định tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ yêu cầu tự chủ sản xuất thuốc nổ nhiệt dẻo PBX phục vụ quân sự; xác định rõ mục tiêu, đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu và đóng góp khoa học của luận án.

Chương 1. Tổng quan về thuốc nổ PBX

Chương này tổng kết cơ sở lý luận về thuốc nổ hỗn hợp và thuốc nổ PBX. Nội dung phân tích các ưu - nhược điểm của thuốc nổ thuần hóa, hỗn hợp thuốc nổ đúc (như Comp B, Pentolit, Octol) và làm rõ vai trò của hệ polymer kết dính trong việc giảm độ nhạy va đập nhờ cơ chế phân tán năng lượng.

Tác giả so sánh đặc tính cơ bản của hai chất nổ nền (RDX, PETN) với chất nổ chuẩn TNT:

Đặc trưng	Hexogen (RDX)	Pentrit (PETN)	TNT
Mật độ tinh thể ($g/cm^3$)	1,816	1,770	1,710
Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ C$)	202 ÷ 205	139 ÷ 142	80,85
Nhiệt độ bùng cháy ($^\circ C$)	230 ÷ 240	178 ÷ 185	290
Độ nhạy va đập theo CAST (%)	70 ÷ 80	100	4 ÷ 8
Độ nhạy va đập theo $H_{50}$ ($cm$)	28	13	> 177
Tốc độ nổ ($m/s$) ở $d = 1,60\ g/cm^3$	8100	8300	7000
Nhiệt lượng nổ ($kcal/kg$)	1320	1385	1010
Sinh công con lắc xạ thuật (% TNT)	140 ÷ 150	140 ÷ 150	100
Sinh công bom chì ($mL$)	470 ÷ 480	480 ÷ 500	285

Chương 1 cũng phân tích chi tiết tính chất của các polymer kết dính (PS, PIB, TPE, NC, ETPE, polyphosphazene), các chất hóa dẻo (DOP, DBP, DIOP, DOS, DOM, DOA, NG, TMETN, TEGDN, BTTN), dung môi hòa tan, hai phương pháp chế tạo (phương pháp khối và phương pháp huyền phù), các phương pháp đo đạc đặc trưng kỹ thuật và tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước, quốc tế.

Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương này trình bày chi tiết về quy cách hóa chất, trang thiết bị và các quy trình thử nghiệm:

• Nguyên liệu: Hexogen (RDX) công nghiệp, Pentrit (PETN), Polystiren (PS), các loại Nitroxenlulo (NC-1, NC-3, NC-NB), chất hóa dẻo Dioctyl phtalat (DOP), các dung môi Toluen, Etylaxetat, Axeton, Benzen.
• Trang thiết bị: Thiết bị đo nhiệt vi sai DSC, máy phân tích nhiệt trọng lượng TG/DTG, hệ thống thử nghiệm độ ổn định nhiệt chân không STABIL (CH Séc), thiết bị đo góc tiếp xúc bề mặt, búa đo độ nhạy va đập CAST, thiết bị đo độ nén trụ chì, bom chì Trauzl, con lắc xạ thuật, máy đo tốc độ nổ quang/điện tử tử.
• Quy trình công nghệ: Chi tiết quy trình công nghệ chế tạo theo phương pháp khối bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch chất kết dính (polymer + DOP + dung môi), nạp thuốc nổ nền phân đoạn, khuấy trộn đẳng nhiệt, đuổi dung môi chân không và ổn định mẫu.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

1. Lựa chọn thành phần và đánh giá tương thích pha:

   • Kết quả phân tích nhiệt DSC và VST chứng minh RDX và PETN tương thích tốt với hệ chất kết dính PS/DOP và NC/DOP (độ dịch chuyển đỉnh tỏa nhiệt $\Delta T_P < 2\ ^\circ C$, lượng khí sinh ra $V_R$ nằm trong giới hạn an toàn theo STANAG 4147).
   • Đo đạc góc tiếp xúc và tính toán các thông số bề mặt cho thấy dung dịch PS và NC trong dung môi tương ứng có công bám dính ($W_a$) cao và hệ số dàn trải ($S_{21}$) dương trên bề mặt tinh thể RDX và PETN, đảm bảo khả năng bao bọc hoàn toàn các tinh thể thuốc nổ.

2. Ảnh hưởng của thành phần đến đặc trưng của thuốc nổ PBX trên cơ sở Hexogen (PBX-H):

   • Hệ PBX-HP (RDX/PS/DOP): Khảo sát hàm lượng RDX (86% ÷ 92%) và tỷ lệ DOP/PS. Kết quả cho thấy khi hàm lượng DOP tăng, độ dẻo của khối thuốc tăng lên rõ rệt, áp suất cần thiết để nén đạt mật độ cao giảm xuống. Độ nhạy va đập giảm mạnh từ 70÷80% (của RDX nguyên chất) xuống dưới 20÷30% đối với mẫu PBX-HP. Tốc độ nổ đạt trên 7800÷8000 m/s tùy mật độ nén.
   • Hệ PBX-HN (RDX/NC/DOP): Sử dụng NC làm chất kết dính năng lượng cao giúp duy trì nhiệt lượng nổ và khả năng sinh công cao hơn so với hệ sử dụng PS. Tỷ lệ DOP/NC tối ưu đảm bảo thuốc đạt độ dẻo theo tiêu chuẩn và mật độ nén đồng đều.

3. Ảnh hưởng của thành phần đến đặc trưng của thuốc nổ PBX trên cơ sở Pentrit (PBX-P):

   • Hệ PBX-PP (PETN/PS/DOP) và PBX-PN (PETN/NC/DOP): Do PETN có độ nhạy va đập ban đầu rất cao (100%), việc bọc phủ bằng màng polymer-hóa dẻo làm giảm mạnh độ nhạy va đập của hệ thuốc xuống mức an toàn gia công và sử dụng. Độ dẻo, khả năng chịu nén và các thông số nổ (độ nén trụ chì 18÷21 mm, tốc độ nổ > 7900 m/s) phụ thuộc trực tiếp vào tỷ lệ chất hóa dẻo và hàm lượng chất kết dính.

4. Động học phân hủy nhiệt và dự đoán thời hạn sử dụng:

   • Dữ liệu TG/DTG và DSC ở các tốc độ gia nhiệt khác nhau ($\beta = 5, 10, 15, 20\ ^\circ C/\text{phút}$) được xử lý theo phương pháp Kissinger và Ozawa:
     • Năng lượng hoạt hóa ($E_a$) của quá trình phân hủy nhiệt các mẫu PBX-H và PBX-P được xác định chính xác, có giá trị tương đương hoặc cao hơn thuốc nổ nền đơn chất, chứng minh hệ chất kết dính không làm suy giảm độ bền nhiệt nội tại.
     • Dựa trên phương trình Arrhenius và thông số VST, luận án tính toán thời gian phân hủy $t_{5%}$ tại 25 °C (298 K), dự đoán thời hạn sử dụng an toàn của các mác thuốc nổ PBX chế tạo đạt từ hàng chục năm trong điều kiện bảo quản tiêu chuẩn.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

1. Đã thiết lập được cơ sở khoa học về tương tác bề mặt và tính tương thích pha giữa thuốc nổ phá mạnh (RDX, PETN) với hệ chất kết dính polymer thông thường (PS) và polymer năng lượng (NC) kết hợp chất hóa dẻo DOP thông qua các thông số nhiệt động lực học bề mặt ($\gamma, W_a, S_{21}$) và phân tích nhiệt vi sai DSC, VST.
2. Xác định được quy luật ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng thuốc nổ nền, tỷ lệ chất hóa dẻo/polymer đến tổ hợp các đặc trưng: độ dẻo (theo MIL-STD-650), khả năng nén ép, độ nhạy xung va đập (theo CAST), độ an định nhiệt và các thông số nổ phá (tốc độ nổ, độ nén trụ chì, độ giãn nở bom chì).
3. Xác định đầy đủ các thông số động học phân hủy nhiệt ($E_a, \ln A$) của các hệ thuốc nổ PBX-H và PBX-P theo các mô hình Kissinger và Ozawa, làm cơ sở khoa học để mô hình hóa và dự đoán tuổi thọ bảo quản thực tế của thuốc nổ PBX tại Việt Nam.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở RDX và PETN bằng phương pháp khối, sử dụng nguồn nguyên liệu, hóa chất sẵn có trong nước, quy trình công nghệ đơn giản, an toàn và dễ kiểm soát.
2. Chế tạo được các mẫu thuốc nổ nhiệt dẻo PBX (PBX-HP, PBX-HN, PBX-PP, PBX-PN) có tính năng kỹ thuật - nổ tương đương các mác thuốc nổ ngoại nhập (như C-4, Semtex), độ nhạy cơ học thấp, tính dẻo tốt, đáp ứng yêu cầu trang bị, huấn luyện của Binh chủng Đặc công và công binh.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Các khảo sát thực nghiệm và chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trong luận án mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm.
• Chưa khảo sát sâu sự thay đổi tính chất cơ lý và độ dẻo của thuốc nổ PBX trong điều kiện môi trường khí hậu nhiệt đới ẩm kéo dài hoặc chu kỳ thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt (nhiệt độ âm sâu và nhiệt độ cao).
• Luận án tập trung vào hệ chất kết dính PS và NC với chất hóa dẻo DOP; chưa mở rộng thử nghiệm trên các polymer nhiệt dẻo đàn hồi năng lượng cao (ETPE) tiên tiến do hạn chế nguồn cung trong nước.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Hoàn thiện dây chuyền công nghệ và thử nghiệm chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX ở quy mô thử nghiệm bán công nghiệp (pilot).
• Mở rộng nghiên cứu đánh giá độ bền cơ lý, lưu biến và tính an toàn của thuốc nổ PBX sau các thử nghiệm lão hóa cấp tốc và bảo quản dài hạn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam.
• Nghiên cứu ứng dụng các hệ chất kết dính đàn hồi nhiệt dẻo (TPE, ETPE) và các chất hóa dẻo mang năng lượng khác khi điều kiện nguyên liệu cho phép.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hóa học, Vũ khí, Kỹ thuật Hóa nổ, Thuốc phóng - Thuốc nổ tại các học viện, trường đại học kỹ thuật quân sự và dân sự.
• Cán bộ nghiên cứu, kỹ sư công nghệ tại các viện nghiên cứu, nhà máy quốc phòng (thuộc Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng) đang thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, sản xuất và đánh giá chất lượng thuốc nổ, đạn dược.
• Phần đáng tham khảo nhất:
  • Phương pháp luận đánh giá năng lượng bề mặt và tính tương thích pha giữa hạt chất nổ rắn và màng polymer.
  • Quy trình công nghệ chế tạo theo phương pháp khối.
  • Phương pháp xử lý số liệu nhiệt (DSC, TG/DTG) bằng mô hình Kissinger và Ozawa để xác định động học phân hủy và tính tuổi thọ bảo quản.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án lựa chọn phương pháp khối thay vì phương pháp huyền phù để chế tạo thuốc nổ nhiệt dẻo PBX?

Theo phân tích của tác giả trong Chương 1, phương pháp huyền phù tạo hạt bọc tương đối tốt nhưng đòi hỏi thời gian gia nhiệt đuổi dung môi kéo dài, chất lượng hạt phụ thuộc vào nhiều thông số phức tạp khó kiểm soát và việc tiếp xúc nhiệt lâu có thể ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của thuốc nổ. Ngược lại, phương pháp khối có quy trình công nghệ đơn giản, thời gian đuổi dung môi nhanh, hạn chế thời gian tác động nhiệt lên thuốc nổ phá mạnh, đảm bảo an toàn và phù hợp với điều kiện trang thiết bị thực tế.

2. Sự khác biệt chính giữa việc sử dụng Polystiren (PS) và Nitroxenlulo (NC) làm chất kết dính trong luận án là gì?

• Polystiren (PS): Là polymer trơ, phổ biến, giá thành rẻ, dễ hòa tan trong toluen và dễ hóa dẻo bằng DOP. PS giúp giảm độ nhạy va đập tốt và tăng tính dẻo, nhưng do trơ về mặt nhiệt hóa nên làm giảm nhẹ năng lượng nổ tổng của hệ.
• Nitroxenlulo (NC): Là polymer mang năng lượng cao (sản phẩm công nghiệp sẵn có từ nhà máy quốc phòng). Khi phối hợp NC với DOP trong dung môi etylaxetat, hệ PBX vừa đạt độ dẻo và độ an toàn cần thiết, vừa duy trì được mức năng lượng cao (nhiệt lượng nổ, khả năng sinh công) vượt trội hơn so với việc dùng polymer trơ hoàn toàn.

3. Chất hóa dẻo Dioctyl phtalat (DOP) đóng vai trò gì và tại sao được lựa chọn?

DOP có vai trò làm giảm nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$) của PS và NC, giảm độ nhớt trong quá trình nhào trộn, giúp màng polymer bao bọc đồng đều lên bề mặt hạt tinh thể thuốc nổ và tạo cho khối thuốc nổ PBX tính dẻo cần thiết để nặn, ép định hình theo tiêu chuẩn MIL-STD-650. DOP được lựa chọn vì tương thích tốt với cả PS và NC, khối lượng phân tử phù hợp (ít bị bay hơi hoặc di chuyển pha trong quá trình bảo quản so với DBP), sẵn có trên thị trường và giá thành rẻ.

4. Phương pháp nào được sử dụng để xác định thời hạn sử dụng của thuốc nổ PBX trong luận án?

Luận án kết hợp dữ liệu phân tích nhiệt trọng lượng (TG/DTG) ở nhiều tốc độ gia nhiệt khác nhau và phép thử độ ổn định nhiệt chân không (VST trên hệ thống STABIL). Các thông số động học phân hủy nhiệt (năng lượng hoạt hóa $E_a$, thừa số trước hàm mũ $A$) được tính toán bằng phương pháp Kissinger và Ozawa, từ đó áp dụng phương trình Arrhenius để ngoại suy và tính toán thời gian phân hủy $5%$ khối lượng ($t_{5%}$) tại nhiệt độ chuẩn $25\ ^\circ C$ (298 K).

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Trung Toàn là một công trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống về thuốc nổ nhiệt dẻo PBX trên cơ sở hai chất nổ nền hexogen và pentrit kết hợp với các hệ chất kết dính PS/DOP và NC/DOP. Công trình đã làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến các đặc tính cơ lý, độ nhạy va đập, năng lượng nổ và động học phân hủy nhiệt. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy và quy trình thực nghiệm khả thi, góp phần giải quyết yêu cầu tự chủ sản xuất thuốc nổ nhiệt dẻo chất lượng cao phục vụ quốc phòng và an ninh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THUỐC NỔ PBX 1. Thuốc nổ phá hỗn hợp và thuốc nổ PBX Thuốc nổ là một dạng vật liệu đặc biệt, có thể xảy ra các biến đổi nổ (cháy, nổ) khi chịu tác động của các xung kích thích ban đầu khác nhau (xung cơ học, xung nhiệt, xung nổ…), khi đó thuốc nổ có khả năng biến đổi cực nhanh kèm theo toả nhiệt lớn và tạo ra một lượng lớn sản phẩm khí, khi giãn nở mạnh có khả năng sinh công phá huỷ hoặc dịch chuyển môi trường xung quanh. Dạng biến đổi nổ đặc trưng của các loại thuốc nổ là nổ ổn định, do đó thuốc nổ được sử dụng rộng rãi trong quân sự và công nghiệp [105], [123].

Các loại thuốc nổ được chia ra thành hai nhóm chính: Thuốc nổ mồi và thuốc nổ phá. Trong đó, các thuốc nổ phá lại được chia ra thành: Thuốc nổ phá dạng đơn chất và thuốc nổ phá hỗn hợp. Một số loại thuốc nổ phá dạng đơn chất như hexogen (RDX), octogen (HMX), pentrit (PETN, TEN), CL-20, bicyclo octogen (BCHMX)… được sử dụng rộng rãi trong quân sự hiện nay bởi chúng có các đặc trưng năng lượng (nhiệt lượng nổ, tốc độ nổ, khả năng sinh công, áp suất nổ. Tuy nhiên, các thuốc nổ trên vẫn tồn tại một số nhược điểm như có độ nhạy cao với xung cơ học, tính nén kém, bị phân hủy khi nóng chảy.

Những nhược điểm kể trên đã gây khó khăn cho quá trình sử dụng, bảo quản và vận chuyển nên các thuốc nổ ít khi được sử dụng ở dạng đơn chất. Để thuận lợi cho việc sử dụng và khắc phục nhược điểm, người ta thường chế tạo các thuốc nổ hỗn hợp trên cơ sở các thuốc nổ phá mạnh theo 3 xu hướng sau [5], [24], [120]: 1. Thuốc nổ thuần hóa: là nhóm thuốc nổ hỗn hợp gồm thuốc nổ phá mạnh và chất thuần hóa. Mục đích sử dụng chất thuần hóa là làm giảm độ nhạy với xung cơ học (làm giảm ma sát giữa các hạt thuốc nổ) đồng thời làm tăng khả năng nén của thuốc nổ (làm tăng tính bám dính giữa các hạt thuốc nổ).

luan an 6 Các chất thuần hoá là các chất mềm, hấp thụ nhiệt, có độ nhớt thấp (khi nóng chảy) như: parafin, xerezin, stearin, ocxizin,. Chất thuần hoá sẽ bao bọc các phần tử, tinh thể thuốc nổ do đó làm giảm ma sát giữa các phần tử, tinh thể thuốc khi chịu tác động va đập làm cho độ nhạy của thuốc nổ giảm và có khả năng dính kết giữa các phần tử nên dễ dàng áp dụng công nghệ nén để nhồi nạp thuốc nổ, nâng cao tính an toàn. Có thể kể đến một số thuốc nổ thuần hóa được sử dụng rộng rãi trong thực tế như A-IX-1 (hexogen thuần hóa, Nga), Comp A (hexogen thuần hóa, Mỹ) [6]. Tuy nhiên, các thuốc nổ hỗn hợp dạng này thường tồn tại một số điểm hạn chế như: khả năng bám dính với kim loại kém; để thu được các liều nổ có mật độ và độ bền cơ học theo yêu cầu cần phải sử dụng thiết bị nén áp suất cao, phức tạp và có nguy cơ mất an toàn; không áp dụng nhồi nạp cho các loại đạn dược hoặc khuôn nén có hình dạng phức tạp [7].