Ghiên cứu chế tạo bia “bán tự bít” sử dụng trong công tác huấn luyện quân sự - Trần Phương Chiến

Hóa học và Kỹ thuật môi trường Tr.P. Chiến, N.Tr. Hưng, H.K. Hòa, N.Đ. Chinh, “Nghiên cứu chế tạo bia quân sự.” 46 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIA “BÁN TỰ BÍT” SỬ DỤNG TRONG CÔNG TÁC HUẤN LUYỆN QUÂN SỰ Trần Phương Chiến*, Nguyễn Trường Hưng, Hoàng Khánh Hòa, Nguyễn Đình Chinh Tóm tắt: Bia “bán tự bít”được chế tạo từ polyme blend của nhựa Polystyren (PS) với cao su Nitril Butadien (NBR), cao su AR, PVC và một số phụ gia khác. Tổ hợp polyme này có tính năng cơ lý hữu ích, chịu đựng điều kiện thời tiết, và đặc biệt là có khả năng “bán tự bít”. Bài báo này sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu và triển vọng ứng dụng bia “bán tự bít”trong thời gian tới. Từ khóa: Huấn luyện quân sự, Bắn súng, Bia bảng, Polyme blend, Bia bán tự bít 1. MỞ ĐẦU Huấn luyện bắn súng bộ binh luôn được xem là một trong những nhiệm vụ huấn luyện quan trọng. Trong đó công cụ hỗ trợ trực tiếp là các hệ thống bia, bảng và mục tiêu giả định khác rất cần thiết. Bia tập bắn có rất nhiều chủng loại như bia bắn cố định, bia di động, ẩn hiện[2] Hầu hết các loại bia hiện nay đều bằng tôn hoặc cốt ép, sau mỗi lần bắn điều phải sửa chữa và thay mới. Đặc biệt đối với huấn luyện bắn đạn thật trên biển việc sữa chữa lại càng khó khăn và phức tạp hơn. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải giải quyết yếu tố về độ bền, tuổi thọ, giảm thiểu hư hỏng và khả năng “tự lành” cho hệ thống bia huấn luyện bắn đạn thật...[1] nhằm giảm chi phí và đảm bảo điều kiện kỹ thuật tốt hơn trong công tác huấn luyện. Để giải quyết vấn đề này cần nghiên cứu chế tạo ra vật liệu vừa có độ bền cao, vừa có khả năng đàn hồi nhằm giúp cho bia tự bít một phần sau khi bị đầu đạn xuyên qua. Đó là nội dung của đề tài “Nghiên cứu vật liệu và công nghệ chế tạo bia “bán tự bít” sử dụng nhiều lần trong công tác huấn luyện quân sự” do Viện Nhiệt đới môi trường chủ trì thực hiện năm 2011. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu và thiết bị 2.1.1. Nguyên liệu  Nhựa Polystyren: Do Cty TNHH Polystyren VN (VNPS) cung cấp  Cao su tổng hợp Nitril: Dùng loại cao su loại Kosyn 35L của LG Hàn Quốc sản xuất.  Nhựa Polyvinylclorua: Dùng loại PVC SG -660 TPC Vina cung cấp.  Cao su Polyacrylat: Dùng của hãng Chevron chemical company sản xuất.  Các hóa chất khác:  Chất ổn định nhiệt Sak-DF do hãng SUN ACE KAKON sản xuất.  Silica 400G (SiO2) do Sumitomo sản xuất. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 47  Phòng lão UV (UVA-3C) do hãng Ciba của Thụy Sĩ sản xuất. 2.1.2. Thiết bị Thiết bị thử nghiệm: Máy phân tích phổ hồng ngoại IR; Máy phát xạ huỳnh quang tia X (XRF) và các máy phân tích hóa lý khác; Máy kéo vạn năng Zwick 1445 (tải trọng 5kN); Máy Shimadzu 50H Thiết bị chế tạo: Máy trộn kín (dung tích 70l, công suất 50 Kw); Máy tạo hạt (đường kính trục vít xoắn D 100mm, công suất là 15 Kw); Máy đúc đùn Cincinati- Titan 45 (đường kính trục vít xoắn là 120mm, chiều dài là 1025mm) 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp phân tích, xác định thành phần, tính năng cơ lý bia mẫu Thái Lan Phân tích thành phần vật liệu bia mẫu Thái Lan (thành phần chính) bằng các máy phân tích hóa lý chuyên dụng Xác định tính chất cơ lý hóa của vật liệu: độ bền kéo, uốn, độ giãn dài, độ bền va đập, độ cứng, độ bền nhiệt, khả năng kháng lão hóa trong môi trường nước, nhiệt và tia UV 2.2.2. Nghiên cứu thiết lập đơn pha chế và chế tạo vật liệu Polyme blend Từ những kết quả phân tích thành phần vật liệu bia mẫu Thái Lan và các thử nghiệm về độ tương hợp, tính năng cơ lý hóa mẫu Polyme blend chế tạo, chúng tôi tìm ra đơn pha chế phù hợp cho vật liệu chế tạo bia đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật sử dụng Chế tạo mẫu vật liệu Polyme blend bằng phương pháp trộn nóng trong máy trộn kín, máy tạo hạt và máy đùn trục vít. 2.2.3. Kiểm tra và so sánh tính năng sản phẩm chế tạo với bia mẫu Thái Lan Xác định tính chất cơ lý hóa của vật liệu chế tạo bia: độ bền kéo, uốn, độ giãn dài, độ bền va đập, độ cứng, độ bền nhiệt, khả năng kháng lão hóa trong môi trường nước, nhiệt và tia UV Tiến hành bắn thử nghiệm bằng súng AK-47 với kích thước đầu đạn 7,62 mm tại trường bắn Trường quân sự Quân khu 7. So sánh, đánh giá các tính chất cơ lý hóa và khả năng tự bít của sản phẩm bia chế tạo và mẫu bia Thái Lan 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân tích thành phần vật liệu và thử nghiệm tính chất cơ lý hóa bia Thái Lan  Kết quả phân tích thành phần vật liệu của bia Thái Lan gồm hai thành phần chính là nhựa PS và cao su NBR ngoài ra còn một số phụ gia khác như: SiO2, bột, than đen, chất ổn định nhiệt, phòng lão UV.  Kết quả thử nghiệm các tính năng cơ lý hóa bia mẫu Thái Lan ở bảng 1. Hóa học và Kỹ thuật môi trường Tr.P. Chiến, N.Tr. Hưng, H.K. Hòa, N.Đ. Chinh, “Nghiên cứu chế tạo bia quân sự.” 48 Bảng 1. Tính năng cơ lý hóa của bia mẫu Thái Lan. TT Chỉ tiêu Tiêu chuẩn Đơn vị đo Kết quả 1 Độ bền kéo đứt ASTMD 638 Mpa 26 2 Độ giãn dài khi đứt ASTMD 638 % 15 3 Độ bền uốn ASTMD 790 MPa 45 4 Độ bền va đập Charpy ISO-179 KJ/m2 71 5 Độ cứng Brinell ASTMD 785 MPa 91 6 Độ chịu nhiệt Vicat ASTMD 1525 0C 95 7 Đường kính lỗ trung bình sau khi đầu đạn AK (7,62 mm) xuyên qua mm 2,8 Khi kết hợp nhựa PS với cao su NBR độ bền kéo của PS giảm không nhiều, nhưng làm tăng độ bền va đập, tăng hệ số ma sát. Những tính năng này rất cần đối với vật liệu bia có tính năng “bán tự bít” cần chế tạo. [4] 3.2. Tính năng cơ lý hóa mẫu vật liệu polyme blend theo tỷ lệ thành phần khác nhau của cao su NBR Từ những lập dự đoán ban đầu về vật liệu tổ hợp cùng với kết quả thử nghiệm trên bia Thái Lan ở phần 3.1 chúng tôi chọn thành phần vật liệu ban đầu để chế tạo bia là PS, cao su NBR và một số phụ gia khác với thành phần khối lượng (tính theo PS): SiO2 5%; bột than đen 5%; ổn định nhiệt Sak-DF2 2%; phòng lão UVA-3C 2% . Khảo sát tính năng cơ lý hóa của Polyme blend PS-NBR chế tạo với tỷ lệ thành phần cao su NBR (tính theo PS) thay đổi từ mẫu M1 đến mẫu M8 tương ứng là 10, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 30 % để tìm ra đơn pha chế tối ưu cho vật liệu blend chế tạo bia. Bảng 3. Kết quả thử nghiệm cơ lý hóa mẫu vật liệu Polyme blend PS-NBR. TT Chỉ tiêu Tiêu chuẩn Kết quả thử nghiệm M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 1 Độ bền kéo đứt, Mpa ASTMD 638 36 34,5 33 32 30,5 29 26 22 2 Độ dãn dài khi đứt,% ASTMD 638 5 8 12 15 18 37 55 75 3 Độ bền uốn, Mpa ASTMD 790 60 56 54 53,5 53 52,5 52 50 4 Độ bền va đập Charpy, KJ/m2 ISO-179 41 50 54 61 72 75 79 87 5 Độ cứng Brinell, Mpa ASTMD 785 101 96 92 90 89 86 85 71 6 Độ chịu nhiệt Vicat, 0C ASTMD 1525 99 95 94 92 90 85 81 72 7 Độ ngậm nước 24 giờ ở 300C, % ASTMD 570 <0,3 <0,3 <0,4 <0,5 <0,5 <0,5 <0,7 <0,7 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 49 Qua bảng kết quả trên ta thấy blend nhựa cao su với tỉ lệ 100 phần nhựa PS và 21 phần cao su NBR (mẫu 5) cho kết quả gần giống bia mẫu nhất. Nếu tỉ lệ cao su ít, vật liệu có tính kháng va đập thấp, tính đàn hồi thấp, khi đó đạn bắn vào bia có thể làm bia sẽ bị vỡ hoặc tạo ra lỗ với những vết nứt rộng ra xung quanh. Như vậy công gây biến dạng lớn, còn nhiệt năng sinh ra nhỏ (do hệ số ma sát nhỏ và sự co giãn cao su ít ), vì vậy không đủ nhiệt để chuyển trạng thái cho nhựa PS sang đàn hồi cao và vật liệu không có khả năng tự phục hồi. Nếu tỉ lệ cao su nhiều, thì tính chất cơ lý và khả năng chịu nhiệt của vật liệu thấp, khi sử dụng vật liệu ngoài trời nắng sẽ bị biến dạng, không giữ được hình dạng ban đầu. 3.3. Đánh giá khả năng tương hợp của Polyme blend PS-NBR khi có thêm AR và PVC Để tăng khả năng chịu thời tiết khí hậu, chúng tôi đưa thêm cao su AR. Mặt khác để giảm giá thành vật liệu cũng như tăng khả năng chống biến dạng nhiệt, chúng tôi đưa thêm vào PVC vào hỗn hợp polyme PS-NBR. Khi đó độ tương hợp của Polyme blend PS-NBR sẽ thay đổi theo thành phần tỷ lệ các polyme đưa vào Mẫu vật liệu Polyme blend được chế tạo bằng phương pháp trộn nóng trong máy trộn kín với tỷ lệ thành phần NBR 21% còn AR, PVC thay đổi (so với PS) như ở bảng 2. Kết quả chụp ảnh SEM 4 mẫu 1,2,3,4 được thể hiện ở hình 1 Bảng 2. Thành phần vật liệu trong hỗn hợp polyme blend. TT Nguyên liệu thành phần Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 1 PS (100) 100 100 100 100 2 NBR (%) 21 21 21 21 3 AR (%) 5 10 10 10 4 PVC (%) 10 15 20 25 Hình 1. Ảnh SEM mẫu 1, 2, 3, 4 phóng đại lên 1000 lần. Hóa học và Kỹ thuật môi trường Tr.P. Chiến, N.Tr. Hưng, H.K. Hòa, N.Đ. Chinh, “Nghiên cứu chế tạo bia quân sự.” 50 Qua phân tích hình ảnh SEM thấy với thành phần nhựa PVC tăng dần từ 10 đến 25% thì độ tương hợp giảm dần và rõ rệt nhất là ở tỉ lệ 25%. Thành phần AR trong tổ hợp đóng vai trò tăng khả năng chịu thời tiết và trợ tương hợp cho PVC trong Polyme blend PS-NBR. Muốn tăng hàm lượng PVC mà vẫn đảm bảo tương hợp tốt bắt buộc phải tăng thêm lượng AR. Khi đó tính năng cơ lý tổ hợp vật liệu giảm, vật liệu sẽ bị mềm khi làm việc ngoài trời nắng, đồng thời tăng chi phí sản xuất do giá thành cao su AR cao. Do đó để vừa sử dụng PVC nhằm tăng khả năng chống biến dạng nhiệt và giảm giá thành, vừa sử dụng cao su AR để đảm bảo độ tương hợp thì ta chọn thành phần vật liệu như mẫu 1 là phù hợp nhất. 3.4. Đơn pha chế và tính năng cơ lý hóa của vật liệu Polyme blend chế tạo bia “bán tự bít” Từ các kết quả phân tích về khả năng tương hợp và kết quả thử nghiệm tính năng cơ lý hóa mẫu vật liệu Polyme blend chúng tôi xác định được đơn pha chế vật liệu chế tạo bia với hai thành phần chính là PS và cao su NBR, ngoài ra còn có PVC, cao su AR và các phụ gia khác với tỷ lệ thành phần khối lượng (tính theo PS) thể hiện ở bảng 4. Bảng 4. Đơn pha chế vật liệu Polyme blend chế tạo “bia tự bít”. TT Nguyên liệu thành phần chính Phần khối lượng, % 1 Polystyren (PS) 100 2 Cao su nitryl (NBR) 21 3 Cao su acrylat (PBA) 5 4 Polyvinylclorit (PVC) 10 5 SiO2 5 6 Ổn định nhiệt SAK – DF2 2 7 Bột than đen 5 8 Phòng lão UV (UVA – 3C) 2 Với tỷ lệ thành phần như ở bảng 4 vật liệu Polyme blend chế tạo bia “bán tự bít” có tính năng cơ lý hóa được thể hiện ở bảng 5. Hình 2. Lỗ đạn để lại trên mặt bia chế tạo và bia mẫu Thái Lan. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 51 Bảng 5. Tính năng tấm vật liệu làm bia “bán tự bít”. TT Chỉ tiêu Tiêu chuẩn Đơn vị đo Vật liệu chế tạo Vật liệu Thái Lan 1 Độ bền kéo đứt ASTMD 638 Mpa 30,5 26 2 Độ dãn dài khi đứt ASTMD 638 % 18 15 3 Độ bền uốn ASTMD 790 MPa 53 45 4 Độ cứng Brinell ASTMD 785 MPa 87 91 5 Độ bền va đập Charpy ISO-179 KJ/m2 80 71 6 Độ ngậm nước 24 giờ, 30 0C ASTMD 570 % <0,5 <0,5 7 Kháng lão UV sau 96 giờ TCVN 99 – 1996 % 84 >80 8 Kích thước lỗ đạn AK4-7 để lại mm 2,0 2,8 Qua kết quả thử nghiệm tính năng cơ lý hóa cho thấy các chỉ tiêu của vật liệu chế tạo bia có thành phần như ở bảng 5 sẽ cho những tính năng tương đương hoặc vượt hơn so vật liệu bia Thái Lan. Với loại vật liệu tổ hợp polyme blend chế tạo bia “bán tự bít” lỗ đạn qua bia bị “xé rách” (mà không bị phá vỡ), vật liệu có tính đàn hồi và độ dẻo nên lỗ đạn nhỏ, dễ dàng phục hồi bằng cách dùng búa tán lên lỗ rách, kết hợp với keo dán (có thành phần chính tương tự Polyme blend chế tạo ra) lỗ đạn có thể được trám kín và trở về như tình trạng ban đầu [1]. Do đó, bia sau khi bắn được nhanh chóng phục hồi, cùng với tính bền của vật liệu với môi trường bên ngoài, loại bia này có thể được sử dụng trong thời gian dài và qua nhiều lần bắn. Hình 3. Sản phẩm bia “bán tự bít” bắn biển do Viện Nhiệt đới Môi trường chế tạo. Các tính năng vượt trội của loại bia “bán tự bít” so sánh với các loại bia phổ biến hiện nay, kết hợp với cơ chế báo bia tự động sẽ giúp hệ thống bia có tính ổn định cao, bền, giải quyết được các hạn chế của các loại bia trước đây. Một số sản phẩm bia chế tạo thể hiện ở hình 3. 4. KẾT LUẬN Như vậy, với những nghiên cứu bước đầu đã phân tích để xác định được thành phần vật liệu trong mẫu bia Thái Lan. Trên cơ sở đó xây dựng đơn pha chế và chế tạo thử nghiệm bia “bán tự bít”. Các thử nghiệm tính năng cơ lý hóa vật liệu chế Hóa học và Kỹ thuật môi trường Tr.P. Chiến, N.Tr. Hưng, H.K. Hòa, N.Đ. Chinh, “Nghiên cứu chế tạo bia quân sự.” 52 tạo bia so với vật liệu mẫu bia Thái Lan cho thấy khả năng sản xuất bia “bán tự bít” nhằm mục đích giảm chi phí sữa chữa, thay mới đồng thời nâng cao điều kiện huấn luyện cho bộ đội trong toàn quân. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Thành, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH “Nghiên cứu thăm dò thành phần vật liệu để sản xuất bia “bán tự bít”, (2009). [2]. Nguyễn Khánh Tường, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống bia phục vụ huấn luyện chiến đấu cho vũ khí bộ binh bắn mục tiêu trên biển”, (2009). [3]. Nguyễn Việt Bắc, Báo cáo tổng kết KHKT đề tài nhánh cấp Nhà nước KC.02.08, (2004). [4]. Nguyễn Trường Hưng, Báo cáo tổng kết đề tài NKHC “Nghiên cứu vật liệu và công nghệ chế tạo bia “bán tự bít” sử dụng nhiều lần trong công tác huấn luyện quân sự.”, (2011). ABSTRACT RESEARCH MANUFACTURING OF “SEMI SELF-SEALING” SHOOTING TARGET FOR DURABLE USING IN MILITARY TRAINING “Self-sealing shooting” target board is made from a polymer blend of polystyrene (PS), Nitrile Butadiene Rubber (NBR), AR, PVC with some other ingredient additives. These polymer complexes have useful mechanical features, weather proof, and specially has self-sealing capability. This paper will present some findings and discussion about it’s application prospect. Keywords: Military training, Shooting, Target, Polymer blend, “Self-sealing shooting” target. Nhận bài ngày 09 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 31 tháng 07 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới - Môi trường, Viện KH & CN quân sự.