Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thuốc phóng một gốc pirocxilin (trên cơ sở nitratxenlulo - NC) là nguồn năng lượng đẩy truyền thống trong đạn dược pháo binh và súng bộ binh. Để nâng cao hiệu quả xạ thuật của vũ khí, mục tiêu đặt ra là tăng sơ tốc đầu đạn ($V_0$) nhưng không làm gia tăng áp suất khí thuốc cực đại phát sinh trong nòng pháo ($P_m$ hoặc $P_{\max}$). Giải pháp kỹ thuật được áp dụng là thuần hóa bề mặt hạt thuốc phóng nhằm làm giảm tốc độ cháy ở các lớp bên ngoài, điều khiển quy luật sinh khí theo hướng cháy tăng diện tích cực. Khi đó, lượng nhồi thuốc phóng trong buồng đạn có thể tăng lên, làm tăng tổng công sinh ra của áp suất khí thuốc dọc theo chiều dài nòng pháo mà vẫn giữ nguyên hoặc hạ thấp áp suất cực đại.

Các mác thuốc phóng pirocxilin thuần hóa dạng hạt hình trụ 7 lỗ được ứng dụng trong nhiều hệ vũ khí, tiêu biểu như mác 5/7SFL (5/7ЦФл) dùng cho đạn cao xạ 23 mm và mác 6/7FL (6/7Фл) dùng cho đạn pháo 30 mm hải quân (tổ hợp AK-630). Tuy nhiên, công nghệ chế tạo thuốc phóng thuần hóa thuộc phạm vi bí mật quân sự, các tài liệu công bố quốc tế chủ yếu tập trung vào phương pháp ngâm tẩm đối với thuốc phóng cầu hai gốc dùng cho súng bộ binh. Trong nước, việc nghiên cứu về thuốc phóng pirocxilin thuần hóa còn hạn chế, các công trình trước đây chưa khảo sát sâu về bản chất truyền chất, cơ chế hấp thụ - khuếch tán, động học hình thành lớp thuần hóa cũng như chưa thiết lập được hệ thống thông số công nghệ đồng bộ để kiểm soát sự phân bố chất thuần hóa theo chiều sâu hạt thuốc.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là làm rõ quy luật ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình thuần hóa thuốc phóng một gốc pirocxilin bằng phương pháp phun dung dịch chất thuần hóa; xác lập bộ thông số công nghệ thuần hóa trên thiết bị pilot và dây chuyền công nghiệp; ứng dụng sản xuất thuốc phóng 5/7SFL cho đạn cao xạ 23 mm và thuốc phóng 6/7FL cho đạn 30 mm hải quân.

Để hoàn thành mục tiêu trên, luận án giải quyết các nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về thành phần, cấu trúc, quy luật cháy của thuốc phóng pirocxilin, các mô hình khuếch tán và tình hình nghiên cứu thuốc phóng thuần hóa trong và ngoài nước.
  2. Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (nhiệt độ, nồng độ dung dịch) và yếu tố kỹ thuật (áp suất phun, tốc độ tang trộn, chế độ cấp dung dịch, thời gian chuyển chặng sang sấy, chất lượng bán thành phẩm về hàm lượng bốc trong và bốc ngoài) đến sự thẩm thấu của chất thuần hóa.
  3. Ứng dụng phương pháp quang phổ Raman và phổ hồng ngoại (FTIR) để định lượng nồng độ và xác định quy luật phân bố của chất thuần hóa (long não) theo chiều sâu lớp bề mặt hạt thuốc phóng, làm rõ vai trò liên kết hydro giữa long não và nitratxenlulo.
  4. Xây dựng quy trình công nghệ thuần hóa quy mô pilot và quy mô công nghiệp (mẻ 100 kg); đánh giá sự thay đổi nhiệt lượng cháy ($Q_v$), hệ số tốc độ cháy ($u_1$) và thử nghiệm bắn đánh giá chỉ tiêu xạ thuật ($V_0$, $P_m$, $P_{\text{đn}}$, sai lệch xác suất $R_v$) trên đạn pháo 23 mm và 30 mm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bán thành phẩm hạt thuốc phóng 5/7SFL và 6/7FL trước và sau khi thuần hóa; chất thuần hóa long não ($C_{10}H_{16}O$); phụ gia hộ nòng xerezin; liên kết hydro giữa nhóm carbonyl ($C=O$) của long não với nhóm hydroxyl ($-OH$) tự do của nitratxenlulo; thiết bị thuần hóa tang quay quy mô pilot (3–5 kg/mẻ) và quy mô công nghiệp (100 kg/mẻ); phổ Raman, phổ FTIR và các thông số xạ thuật của phát bắn đạn pháo.
  • Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ thuần hóa thuốc phóng một gốc pirocxilin dạng hạt hình trụ 7 lỗ bằng phương pháp phun dung dịch long não trong dung môi cồn; cơ chế hấp thụ - khuếch tán đẳng nhiệt và phi đẳng nhiệt; phương pháp định lượng profile nồng độ chất thuần hóa bằng quang phổ kế; đánh giá chỉ tiêu cơ lý, hóa lý và xạ thuật thực nghiệm trên pháo thử nghiệm chuyên dụng 23 mm (Cal 23x152 mm) và nòng pháo 30 mm AO-18.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các nghiên cứu trên thế giới về thuốc phóng thuần hóa đã sử dụng nhiều chất làm chậm tốc độ cháy và phương pháp phân tích khác nhau:

  • B. Brodman và cộng sự (1974, 1975): Sử dụng phương pháp ngâm hạt thuốc phóng cầu hai gốc (WC 870) trong hỗn hợp đibutylphtalat (DBP) và nước ở $76^\circ\text{C}$ trong 6 giờ; dùng máy cắt lát microtome và kỹ thuật đồ họa quang học, phổ hồng ngoại dựa trên liên kết $-OH$ để xác định profile nồng độ DBP giảm dần từ bề mặt vào tâm hạt thuốc.
  • David.W và cộng sự: Khảo sát quá trình khuếch tán của xentralit-1 (Cent-1), DBP và đinitrotoluen (DNT) vào hạt thuốc phóng một gốc AR2206 trong hệ dung môi cồn/nước tỷ lệ 1/1 và 2/1; chỉ ra sự khuếch tán DBP và Cent-1 tuân theo định luật Fick II, trong khi DNT tuân theo định luật Fick I.
  • C. Cooke: Nghiên cứu sự thẩm thấu của các hợp chất diphenyl urea (DPU), Cent-1, Cent-2, DECPPU, CPPTU và DNT vào hạt thuốc phóng AR2206 trong các môi trường dung môi khác nhau ở $63^\circ\text{C}$ trong 1 giờ; ghi nhận DNT có tốc độ khuếch tán cao hơn các chất thuần hóa còn lại.
  • E. Varriano-Marston: Ứng dụng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) với mẫu cắt lát đặt trên tinh thể KCl để đo chiều sâu lớp thuần hóa chứa DBP, DNT, Cent-1 trên các mác thuốc phóng WC 807 ($72 \pm 10\ \mu\text{m}$), IRM 450 ($58 \pm 2\ \mu\text{m}$) và Expro ($103 \pm 15\ \mu\text{m}$).
  • J. Louden và cộng sự: So sánh phương pháp microtome-FTIR và quang phổ Raman; chỉ ra rằng việc đo tỷ lệ cường độ peak $1005\text{ cm}^{-1}$ (đặc trưng của Cent-2) so với peak $850\text{ cm}^{-1}$ (nhóm $-\text{NO}_2$ của NC) trên phổ Raman cho phép xác định nhanh chóng profile chất thuần hóa theo chiều sâu hạt thuốc chỉ trong 10 giờ, nhanh hơn 10 đến 100 lần so với các phương pháp quang phổ trước đó.
  • Beat Vogelsanger và cộng sự: Sử dụng vi phổ FTIR đúc mẫu trong keo epoxy để nghiên cứu khuếch tán DBP, Cent-1, DOP, DNT vào thuốc phóng một gốc và hai gốc ở $71^\circ\text{C}$ trong 28 ngày; xác định hệ số khuếch tán $D$ của polyme vào thuốc phóng một gốc nhỏ hơn $10^{-17}\text{ m}^2/\text{s}$, trong khi các chất thuần hóa đạt $2 \div 5 \times 10^{-17}\text{ m}^2/\text{s}$.
  • Steve Trewartha và cộng sự: Sử dụng phổ Raman nghiên cứu sự phân bố DNT trong các mác thuốc phóng một gốc AR2220, AR2211, AR2206 và AR2210; khẳng định quá trình khuếch tán tuân theo định luật Fick II.
  • Các tài liệu giáo trình của Liên bang Nga: Phân tích lý thuyết nhiệt động học và thuật phóng của thuốc phóng thuần hóa, so sánh các chất làm chậm cháy như DBP, DNT, Cent-1, long não, TGM-3, MGF-9.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Học viện Kỹ thuật Quân sự: Các giáo trình thuộc Bộ môn Thuốc phóng Thuốc nổ trình bày cơ sở lý thuyết đại cương về thuốc phóng pirocxilin, cơ chế cháy tăng diện và khái niệm thuần hóa.
  • Nhà máy Z: Thực hiện đề tài chế tạo thuốc phóng 5/7SFL (giai đoạn 2002–2008, nghiệm thu theo khối lượng do chỉ tiêu xạ thuật trên đạn 23 mm chưa ổn định); sản xuất mác thuốc phóng 2/1TH (dạng 1 lỗ dùng cho đạn súng 7,62x39 mm K-56); tiếp nhận chuyển giao công nghệ sản xuất thuốc phóng cầu thuần hóa từ Triều Tiên bằng phương pháp ngâm trong dung môi nước ở nhiệt độ cao.
  • Thực trạng đạn dược: Việt Nam nhập khẩu các mác thuốc phóng thuần hóa 5/7SFL (ký hiệu NC-46) và 6/7FL (ký hiệu NC-47) từ Cộng hòa Serbia năm 2014 để phục vụ dự trữ và lắp ráp đạn cao xạ 23 mm, đạn 30 mm hải quân.

Khoảng trống luận án giải quyết

Hầu hết các công bố quốc tế áp dụng phương pháp ngâm hạt thuốc phóng trong dung dịch chứa nước kéo dài nhiều ngày, vốn phù hợp với thuốc phóng cầu nhưng không phù hợp với thuốc phóng pirocxilin dạng hạt nhiều lỗ (do nước làm trương nở, làm thôi rửa chất an định diphenylamin DPA và làm dung dịch chui sâu vào trong các lỗ dẫn đến mất tính chất cháy tăng diện). Luận án lựa chọn giải quyết bài toán thuần hóa thuốc phóng pirocxilin dạng hình trụ 7 lỗ bằng phương pháp phun sương dung dịch long não trong tang quay; thiết lập đường chuẩn phổ Raman $I_{652}/I_{850}$ để định lượng chính xác gradient nồng độ long não theo chiều sâu lớp vật liệu; làm rõ bản chất liên kết hydro và hoàn thiện quy trình công nghệ quy mô công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết truyền chất và khuếch tán trong polyme: Quá trình thuần hóa gồm hai giai đoạn liên tiếp: hấp thụ dung dịch chất thuần hóa lên bề mặt hạt thuốc phóng và khuếch tán chất thuần hóa vào mạng lưới không gian của nitratxenlulo. Quá trình khuếch tán được mô tả bằng định luật Fick I và Fick II: $$\text{Định luật Fick I: } J = -D \frac{\partial C}{\partial x}$$ $$\text{Định luật Fick II: } \frac{\partial C}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x}\left(D \frac{\partial C}{\partial x}\right)$$ Hệ số khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo phương trình Arrhenius: $D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$, trong đó $Q$ là hoạt năng khuếch tán, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối, $R$ là hằng số khí. Phân bố nồng độ chất thuần hóa theo chiều sâu $x$ và thời gian $t$ trong hạt thuốc có nửa bề dày cháy $H$ được tính theo phương trình chuỗi Fourier: $$C(x, t) = C_0 \left[ 1 - \frac{4}{\pi} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2n - 1} \cos\left(\frac{(2n - 1)\pi x}{2H}\right) \exp\left(-\frac{(2n - 1)^2 \pi^2 D t}{4H^2}\right) \right]$$ Trong thực nghiệm công nghệ, dạng đường cong phân bố nồng độ được mô tả qua hàm lũy thừa: $C(x) = C_0 (1 - X)^k$.
  • Lý thuyết thuật phóng trong và quy luật cháy: Sơ tốc đầu đạn $V_0$ phụ thuộc vào tích phân diện tích đường cong áp suất dọc nòng pháo $P(l)$: $$V_0 = \sqrt{\frac{2S}{q} \int_0^l P(l) dl}$$ trong đó $S$ là tiết diện nòng pháo, $q$ là khối lượng đầu đạn. Thuốc phóng hình trụ 7 lỗ kết hợp lớp vỏ thuần hóa tạo ra quy luật cháy tăng diện tích cực, làm giảm hệ số tốc độ cháy ban đầu $u_1$, hạ thấp áp suất đỉnh $P_{\max}$ trong buồng đốt và dịch chuyển đường cong áp suất về phía trước, giúp tăng công dãn nở của khí thuốc.
Chất thuần hóa Công thức hóa học Hệ số nhiệt lượng $\beta$ (kcal/kg %) Khối lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) Khối lượng phân tử (g/mol)
Long não (Camphor) $\text{C}{10}\text{H}{16}\text{O}$ -26,84 0,99 152,23
Đibutylphtalat (DBP) $\text{C}_6\text{H}_4(\text{CO}_2\text{C}_4\text{H}_9)_2$ -21,12 1,05 182,13
Đinitrotoluen (DNT) $\text{C}_6\text{H}_3(\text{NO}_2)_2\text{CH}_3$ -2,05 1,52 278,34
Xentralit-1 (Cent-1) $\text{C}{17}\text{H}{20}\text{N}_2\text{O}$ -25,00 0,80 268,36
TGM-3 $\text{C}{10}\text{H}{18}\text{O}_5$ - - 218,25

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Chế tạo bán thành phẩm và thuần hóa: Chế tạo bán thành phẩm thuốc phóng 5/7SFL và 6/7FL trên dây chuyền công nghiệp (khử nước NC, trộn hóa dẻo với dung môi cồn-ete và chất an định DPA/xerezin, ép đùn thủy lực tạo hạt 7 lỗ, cắt, hong, ngâm nước khử dung môi dư và sấy định ẩm). Quá trình thuần hóa được thực hiện bằng cách phun dung dịch long não hòa tan trong cồn công nghiệp qua vòi phun áp lực vào khối thuốc phóng chuyển động trong tang quay gia nhiệt bảo ôn.
  • Phương pháp phân tích phổ:
    • Quang phổ Raman: Sử dụng thiết bị Labram HR Evolution (nguồn laser kích thích bước sóng thích hợp) đo trực tiếp trên mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của hạt thuốc phóng đã được cắt lát microtome. Nồng độ long não được xác định dựa trên tỷ lệ cường độ giữa peak $652\text{ cm}^{-1}$ (dao động đặc trưng của nhóm $C=O$ trong long não) và peak $850\text{ cm}^{-1}$ (dao động của nhóm $-\text{NO}_2$ trong NC) theo đường chuẩn thiết lập trước.
    • Quang phổ hồng ngoại (FTIR): Sử dụng máy đo phổ Perkin Elmer Spectrum 400 và bộ ép mẫu Specac để ghi phổ các mẫu chuẩn hỗn hợp long não/NC ở các nồng độ từ 10% đến 40%, quan sát sự dịch chuyển vân hấp thụ của nhóm hydroxyl tự do ($-OH$) nhằm xác định liên kết hydro liên phân tử.
  • Phương pháp đo đạc hóa lý và kiểm tra xạ thuật:
    • Xác định nhiệt lượng cháy $Q_v$ bằng bom nhiệt lượng Parr 6100 Calorimeter.
    • Phân tích hàm lượng chất an định DPA và long não bằng máy sắc ký khí Perkin Elmer Clarus 680.
    • Quan sát vi cấu trúc bề mặt và vết cắt bằng kính hiển vi điện tử quét SEM JSM 6610LA-Jeol.
    • Đo hàm lượng bốc trong (dung môi dư cồn + ete) và bốc ngoài (độ ẩm) bằng tủ sấy Binder FP53 và cân phân tích CPA-224S (độ chính xác 0,1 mg).
    • Thử nghiệm bắn đo sơ tốc đầu nòng $V_0$ (bằng bia quang và bia từ), áp suất nòng lớn nhất $P_m$ và áp suất đầu nòng $P_{\text{đn}}$ (sử dụng 02 cảm biến áp điện piezo gắn trên nòng) trên tổ hợp pháo thử nghiệm 23 mm Cal 23x152 mm và pháo 30 mm hải quân AO-18.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về thuốc phóng pirocxilin một gốc và các mác thuốc phóng chuyên dụng dùng cho pháo binh (thuốc phóng ít hút ẩm chứa DBP, TNT, DNT; thuốc phóng ít bào mòn nòng chứa xerezin, parafin; thuốc phóng không sinh lửa chứa colophan; thuốc phóng dập lửa chứa muối kali; thuốc phóng xốp tạo lỗ bằng $\text{KNO}_3$). Chương này phân tích chi tiết cơ chế cháy của các dạng hình học hạt thuốc phóng (hình trụ đặc cháy giảm diện, hình dải cháy giảm diện, hình trụ 1 lỗ cháy định diện, hình trụ 7 lỗ cháy tăng diện).

Nội dung trọng tâm của chương là làm rõ nguyên lý hoạt động của thuốc phóng thuần hóa: việc tạo ra một lớp giảm tốc độ cháy ở bề mặt hạt thuốc giúp điều khiển áp suất buồng đốt, làm thoái hóa đỉnh nhọn của đồ thị $P(t)$ thành dạng đường cong đỉnh tù, mở rộng diện tích tích phân $P(l)$ để tăng sơ tốc đầu đạn $V_0$. Đồng thời, chương 1 tổng hợp các quy luật truyền chất, định luật Fick, mô hình tính toán thế năng cháy $U(c)$ theo nồng độ chất thuần hóa, và điểm luận các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước để khẳng định tính cấp thiết của đề tài.

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy cách của nguyên vật liệu: nitratxenlulo có hàm lượng nitơ $208 \div 209\text{ ml NO/g}$, phụ gia xerezin ($C_n H_{2n+2}$ với $n = 35 \div 55$), long não công nghiệp hàm lượng chất chính $>95%$, dung môi ethanol và diethyl ether.

Chương này trình bày sơ đồ cấu tạo và thông số kỹ thuật của thiết bị thuần hóa pilot do Viện Thuốc phóng Thuốc nổ chế tạo năm 2015: đường kính trong 400 mm, bề rộng thành 160 mm, trang bị gờ vớt thuốc và 01 vòi phun sương đường kính lỗ $0,2\text{ mm}$, khoảng cách từ đầu phun đến mặt thuốc phóng là 200 mm. Quy trình chuẩn bị mẫu cắt lát vi phẫu, quy trình đo phổ Raman xác định tỷ lệ $I_{652}/I_{850}$, quy trình đo phổ FTIR xác định liên kết hydro, và sơ đồ bố trí hệ thống đo thuật phóng với 02 đầu đo áp điện piezo trên nòng pháo 23 mm và 30 mm cũng được chuẩn hóa chi tiết.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát các yếu tố công nghệ và quy luật khuếch tán:

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ thuần hóa từ nhiệt độ phòng lên mức tối ưu, tốc độ khuếch tán của long não vào mạng lưới NC tăng mạnh theo quy luật Arrhenius, giúp long não thấm sâu hơn, giảm hiện tượng tích tụ nồng độ quá cao ở bề mặt ngoài, đảm bảo độ đồng đều ngoại quan và cơ lý.
  2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch và chế độ phun: Nồng độ dung dịch long não trong cồn thích hợp kết hợp với áp suất phun $2 \div 3\text{ atm}$ tạo ra các hạt sương kích thước nhỏ, phủ đều lên khối thuốc chuyển động. Luận án xác định chế độ cấp dung dịch chia làm 4 lần phun ngắt quãng kết hợp thời gian đảo trộn giữa các lần phun giúp phân bố nồng độ long não $C_x/C_0$ giảm đều đặn và đạt chiều sâu thẩm thấu định trước.
  3. Ảnh hưởng của chất lượng bán thành phẩm: Hàm lượng bốc ngoài (độ ẩm) và hàm lượng bốc trong (cồn-ete dư) ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ long não; bán thành phẩm cần được sấy định ẩm đạt tiêu chuẩn trước khi đưa vào tang quay. Luận án cũng xác định thời gian chuyển chặng từ sau khi phun thuần hóa sang công đoạn sấy định hình nhằm cố định profile nồng độ chất thuần hóa, tránh sự tái phân bố không mong muốn.
  4. Xác định miền phân bố long não và biến đổi nhiệt động học: Sử dụng phổ Raman quét dọc theo bán kính từ bề mặt ngoài vào trong và dọc theo biên các lỗ thông hơi, thiết lập đường tương quan giữa tỷ lệ diện tích peak $I_{652}/I_{850}$ với nồng độ long não. Phổ FTIR khẳng định sự hình thành liên kết hydro giữa nhóm $C=O$ của long não và nhóm $-OH$ của NC, làm giảm độ phân cực và giảm nhiệt lượng cháy $Q_v$, hạ thấp hệ số tốc độ cháy $u_1$ tại lớp ngoài hạt thuốc.
  5. Thử nghiệm sản xuất công nghiệp và bắn nghiệm thu: Xây dựng quy trình thuần hóa trên mẻ 100 kg. Chế tạo thành công thuốc phóng 5/7SFL (các mẫu thử nghiệm M1, M2) và 6/7FL (các mẫu M1, M2, M3). Kết quả thử nghiệm bắn trên pháo 23 mm và pháo 30 mm hải quân cho thấy áp suất cực đại trung bình ($P_{m\text{TB}}$), áp suất đầu nòng ($P_{\text{đn}}$), sơ tốc trung bình ($V_{0\text{TB}}$) và sai lệch xác suất ($R_v$) đều đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật của bài bắn tiêu chuẩn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  • Làm sáng tỏ bản chất quá trình hấp thụ và khuếch tán của chất thuần hóa long não trong cấu trúc mạng lưới không gian polyme nitratxenlulo của hạt thuốc phóng pirocxilin 7 lỗ dưới tác động của các yếu tố công nghệ (nhiệt độ, nồng độ dung dịch, áp suất phun sương, tốc độ đảo trộn, chế độ phun phân đoạn).
  • Ứng dụng thành công phương pháp quang phổ Raman với tỷ số cường độ peak $I_{652}/I_{850}$ để định lượng chính xác gradient nồng độ long não theo chiều sâu lớp thuần hóa mà không phá hủy cấu trúc mẫu.
  • Chứng minh bằng phổ hồng ngoại FTIR sự tồn tại của liên kết hydro giữa nhóm carbonyl ($C=O$) của long não với nhóm hydroxyl ($-OH$) tự do trên mạch phân tử nitratxenlulo, giải thích cơ chế làm giảm hệ số tốc độ cháy $u_1$ và giảm nhiệt lượng cháy $Q_v$ tại lớp bề mặt.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Thiết lập bộ thông số công nghệ tối ưu cho quá trình thuần hóa thuốc phóng một gốc pirocxilin bằng phương pháp phun dung dịch long não trên thiết bị tang quay quy mô pilot (3–5 kg/mẻ) và dây chuyền công nghiệp (100 kg/mẻ).
  • Kiểm soát thành công chất lượng bán thành phẩm (hàm lượng bốc trong, bốc ngoài, thời gian chuyển chặng) nhằm đảm bảo sự ổn định của profile lớp thuần hóa.
  • Chế tạo hoàn chỉnh hai mác thuốc phóng 5/7SFL và 6/7FL đạt các chỉ tiêu hóa lý, cơ lý và xạ thuật tương đương mẫu nhập ngoại, thử nghiệm bắn thành công trên đạn cao xạ 23 mm và đạn 30 mm hải quân, phục vụ mục tiêu tự chủ sản xuất đạn dược trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng nghiên cứu tập trung chủ yếu vào thuốc phóng pirocxilin một gốc dạng hình trụ 7 lỗ kích thước nhỏ ($5/7$ và $6/7$); chưa mở rộng khảo sát trên các dạng hình học phức tạp khác hoặc các cỡ hạt lớn dùng cho pháo mặt đất cỡ nòng lớn.
  • Chất thuần hóa khảo sát trọng tâm là long não đơn lẻ trong dung môi cồn; chưa nghiên cứu sâu hệ chất thuần hóa phối hợp đa cấu tử (như kết hợp long não với DBP hoặc xentralit).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu cơ chế khuếch tán và biến tính lớp thuần hóa trong điều kiện lão hóa gia tốc và bảo quản dài hạn ở môi trường khí hậu nhiệt đới ẩm, đánh giá độ ổn định của profile nồng độ long não theo thời gian bảo quản.
  • Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ phun dung dịch thuần hóa cho các mác thuốc phóng nhiều gốc (thuốc phóng hai gốc, ba gốc) hoặc thuốc phóng một gốc dạng thanh, dải dùng trong các hệ thống vũ khí khác.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Cơ sở nghiên cứu và nhà máy sản xuất quốc phòng: Cung cấp thông số vận hành thực tế cho dây chuyền công nghệ thuần hóa tang quay mẻ 100 kg tại Nhà máy Z và Viện Thuốc phóng Thuốc nổ, phục vụ chế tạo đạn cao xạ 23 mm và đạn pháo hải quân 30 mm.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Vũ khí: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa mô hình toán học truyền chất (định luật Fick), phân tích cấu trúc vật liệu tiên tiến (quang phổ Raman, FTIR, SEM) và đánh giá thuật phóng thực nghiệm (cảm biến áp điện piezo, bia đo vận tốc đầu nòng).
  • Cơ quan quản lý kỹ thuật và thiết kế đạn dược: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa gradient chất làm chậm cháy, lực thuốc phóng $f$, áp suất buồng đốt $P_m$ và áp suất đầu nòng $P_{\text{đn}}$ để tối ưu hóa liều phóng cho các loại vũ khí mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp phun dung dịch chất thuần hóa thay vì phương pháp ngâm tẩm truyền thống?

Phương pháp ngâm tẩm đòi hỏi môi trường dung môi chứa nước và thời gian kéo dài từ vài chục giờ đến nhiều ngày. Đối với thuốc phóng pirocxilin dạng hạt 7 lỗ, ngâm lâu làm dung dịch chui qua các lỗ bên trong, phá vỡ tính chất cháy tăng diện; đồng thời nhiệt độ ngâm cao làm thôi rửa chất an định DPA vào dung dịch, làm suy giảm độ bền hóa học. Phương pháp phun sương trong tang quay giúp chất thuần hóa chỉ thẩm thấu từ bề mặt ngoài vào một độ sâu xác định, giữ nguyên cấu trúc các lỗ trong và rút ngắn thời gian công nghệ.

2. Chất thuần hóa chính được sử dụng trong luận án là gì và vì sao chất này được lựa chọn?

Chất thuần hóa chính được lựa chọn là long não (camphor, $\text{C}{10}\text{H}{16}\text{O}$). Long não có khối lượng phân tử thấp (152,23 g/mol), hệ số nhiệt lượng âm lớn ($\beta = -26,84\text{ kcal/kg}%$) và chứa nhóm chức carbonyl ($C=O$) có khả năng tạo liên kết hydro bền vững với nhóm hydroxyl tự do của nitratxenlulo, giúp hóa dẻo tốt và làm giảm mạnh tốc độ cháy lớp ngoài mà không gây độc hại hay khó khăn trong việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu.

3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định nồng độ và chiều sâu phân bố của chất thuần hóa trong hạt thuốc?

Luận án sử dụng phương pháp quang phổ Raman trên thiết bị Labram HR Evolution. Bằng cách đo tỷ lệ cường độ giữa peak đặc trưng của long não tại $652\text{ cm}^{-1}$ ($C=O$) và peak của nitratxenlulo tại $850\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{NO}_2$) trên các lát cắt ngang và cắt dọc vi phẫu, tác giả xây dựng đường chuẩn và xác định chính xác nồng độ long não theo từng bước dịch chuyển micromet ($\mu\text{m}$) từ bề mặt hạt thuốc vào sâu bên trong.

4. Ký hiệu 5/7SFL và 6/7FL của hai mác thuốc phóng nghiên cứu có ý nghĩa kỹ thuật gì?

Theo quy chuẩn phân loại:

  • Số $5$ và $6$: Bề dày cháy trung bình danh nghĩa lần lượt là $0,5\text{ mm}$ và $0,6\text{ mm}$.
  • Số $7$: Dạng hạt hình trụ có 7 lỗ phân bố đều song song với trục hạt.
  • Ký hiệu S (hoặc chữ Nga Ц): Trong thành phần có bổ sung phụ gia hộ nòng xerezin để giảm nhiệt độ cháy và chống bào mòn nòng pháo.
  • Ký hiệu FL (hoặc chữ Nga ФЛ): Thuốc phóng đã được xử lý thuần hóa (phlegmatization) bề mặt.

5. Vai trò của phụ gia Xerezin trong thành phần thuốc phóng 5/7SFL là gì?

Xerezin là hỗn hợp hydrocacbon no dạng sáp ($C_n H_{2n+2}$ với $n = 35 \div 55$). Khi đưa vào thành phần thuốc phóng, xerezin đóng vai trò làm chất hạ nhiệt độ của sản phẩm cháy, tạo màng bọc bảo vệ bề mặt kim loại lòng nòng pháo, từ đó giảm thiểu tác động mài mòn nòng khi bắn loạt đạn pháo cao xạ tốc độ cao.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Quang Hiếu đã giải quyết trọn vẹn bài toán công nghệ thuần hóa thuốc phóng một gốc pirocxilin dạng hạt hình trụ 7 lỗ bằng phương pháp phun dung dịch long não trong tang quay. Công trình đã kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết truyền chất, các kỹ thuật phân tích phổ Raman/FTIR hiện đại và thực nghiệm bắn nghiệm thu trên vũ khí thực tế. Các kết quả đạt được đã xác lập thành công quy trình công nghệ quy mô công nghiệp 100 kg/mẻ, chế tạo hai mác thuốc phóng 5/7SFL và 6/7FL đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật xạ thuật cho đạn cao xạ 23 mm và đạn 30 mm hải quân, đóng góp trực tiếp vào năng lực tự chủ công nghệ sản xuất vũ khí và đạn dược trong nước.