CN107673316B

CN107673316B - 一种氮气发生剂及其成型方法

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Publication number: CN107673316B
Application number: CN201710262870.XA
Authority: CN
Inventors: 张文龙; 张宁; 王小强; 刘亮; 王星魁; 屈纯; 刘伟; 姚俊
Original assignee: Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Current assignee: Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: CN107673316A

Abstract

本发明提供一种氮气发生剂及其成型方法，本发明的氮气发生剂由作为燃料的碱金属叠氮化物、作为氧化剂的过渡金属氧化物、作为结渣剂的高岭土或其他氧化物、作为燃烧抑制剂的金属氟化物，以及作为残渣骨架的短切碳纤维组成。其中，短切碳纤维是由两种或两种以上不同长度的碳纤维按一定比例组成。使用本发明所提供氮气发生剂，可以较大幅度地降低氮气中的残渣含量，从而提高所产生氮气的纯净度。因此，也在很大程度上降低了氮气发生器中过滤器的体积和重量，有利于氮气发生器的小型化和轻量化，为需要使用纯净氮气且要求氮气发生器质量或体积较小的场合，提供一种替代氮气或氦气压缩气瓶的解决方案。

Description

一种氮气发生剂及其成型方法

技术领域

本发明涉及到一种分解后产生氮气的气体发生剂组合物，更具体的涉及到降低氮气中残渣含量的气体发生剂组合物及其成型方法。

背景技术

氮气发生剂本质上是一种含有富氮化合物的固体混合物，它在燃烧分解后能产生大量的氮气。具有代表性的氮气发生剂是以碱金属叠氮化物为主要成分的组合物，因其具有燃温低、所产生的氮气纯度高等优点，曾在汽车安全气囊领域有着大量的应用。

由于氮气发生剂具有较高的产气率，且其本身为固体形态，从而使氮气发生器的重量和体积均较小。传统的氮气或氦气压缩气瓶，在承装大量气体时，所需气瓶体积较大，并且需要设计较厚的瓶壁来承受气体压力，这导致其具有较大的重量。而且气瓶在长期储存时，由于泄漏问题，需要定期进行维护。因此，相对于压缩气瓶，氮气发生器具有体积小、质量轻、造价低、维护成本低等显著优势。所以，氮气发生剂在许多需要纯净氮气的场合，且对氮气源有体积和重量要求的领域仍有着广泛应用。

然而氮气发生剂在热分解产生氮气的同时，往往会产生大量的残渣，气流中的残渣颗粒可能会堵塞减压阀或流量调节阀的通道，从而影响整个工作系统的可靠性，这成为限制其进一步广泛应用的瓶颈。因此，在氮气纯净度要求较高的应用场合，降低氮气中的残渣颗粒含量是必须解决的问题。

降低固体氮气发生剂分解后产生的氮气中残渣含量的方法主要包括：通过在配方中引入硫粉，其主要原理是利用硫粉与残渣单质钠发生化合反应，如专利US3775199。

叠氮化钠类氮气发生剂燃烧分解后产生的残渣中往往含有大量的单质钠，通过调节配方中氧化剂的含量，限制残渣中的单质钠产生，生成熔点更高的氧化钠，也有利于残渣的去除，如专利US4062708。

通过在配方中引入硫酸钙等化合物，降低固体氮气发生剂的燃速，从而降低产气速率和气体流速，避免气流将残渣过多地带出燃烧室腔，这也是途径之一，如专利US3755182。

在氮气发生器内通过松散装药，颗粒状的固体氮气发生剂在燃烧室内自由堆积，从而在颗粒间形成多孔气道来实现残渣的自过滤，这也是一种降低氮气中残渣含量的方法，如专利US20100284888。

以上这些方法都只是在一定程度上减少残渣，而且通过实际试验结果验证，其残渣固定效果并不显著。目前应用最多而且也相对有效的方法仍是采用过滤器来最大程度地消除氮气中的残渣。专利US6183008、EP0876943和EP1057514公开了用过滤网消除残渣并降低气体温度的方法。但是，过滤网的体积和重量增加了整个系统中的消极质量，而且也会提高产品的造价成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种分解后产生的氮气里仅含有微量残渣的氮气发生剂。

本发明的目的还在于提供上述氮气发生剂的成型方法。

本发明的技术方案在于：包括作为燃料的碱金属叠氮化物、作为氧化剂的过渡金属氧化物、作为结渣剂的高岭土或其它氧化物、作为燃烧抑制剂的碱金属氟化物，以及作为残渣骨架的短切碳纤维。

本发明的氮气发生剂，其组分质量百分比为：碱金属叠氮化物为30%~95%，其粒径范围10μm~900μm；过渡金属氧化物为5%~40%，其粒径范围1μm~450μm；高岭土或其它氧化物为1%~20%，其粒径范围10μm~900μm；碱金属氟化物为1%~30%，其粒径范围5μm~280μm；短切碳纤维为0.5%~15%。

本发明的氮气发生剂优选质量百分比为：碱金属叠氮化物为45%~85%，其粒径范围30μm~600μm；过渡金属氧化物为10%~35%，其粒径范围5μm~280μm；高岭土或其它氧化物为5%~15%，其粒径范围30μm~600μm；碱金属氟化物为5%~20%，其粒径范围10μm~154μm；短切碳纤维为1%~10%。

本发明的氮气发生剂优选质量百分比为：碱金属叠氮化物为50%~75%，其粒径范围50μm~450μm；过渡金属氧化物为15%~30%。其粒径范围10μm~154μm；高岭土或其它氧化物为5%~15%；碱金属氟化物为5%~20%；短切碳纤维为1%~10%。

本发明所述碱金属叠氮为叠氮化锂（LiN₃）、叠氮化钠（NaN₃）、叠氮化钾（KN₃），优选叠氮化钠和叠氮化钾中的一种或两种。

本发明所述过渡金属氧化物为四氧化三钴（Co₃O₄）、二氧化锰（MnO₂）、三氧化二镍（Ni₂O₃）、三氧化二铁（Fe₂O₃）、三氧化二铬（Cr₂O₃）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）、五氧化二钒（V₂O₅）、五氧化二锑（Sb₂O₅），优选四氧化三钴（Co₃O₄）、三氧化二镍（Ni₂O₃）和三氧化二铁（Fe₂O₃）中的一种或组合。

本发明所述结渣剂为高岭土、三氧化二铝（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）中的一种或两种，优选高岭土和三氧化二铝。

本发明所述碱金属氟化物为氟化锂（LiF）、氟化钠（NaF）和氟化钾（KF）碱金属氟化物中的一种或两种。优选氟化锂和氟化钠。

本发明所提供的氮气发生剂含有按一定配比组成的两种不同长度碳纤维，它为氮气发生剂分解时所产生的残渣提供附着点，结合化学结渣剂和燃烧抑制剂的使用，使得残渣以短切碳纤维为核，逐渐生长为大颗粒的残渣，从而使其更容易被过滤下来，留在燃烧室内。碳纤维吸附残渣后形成的多孔网络状残渣骨架，也将成为一道自过滤的天然屏障，从而进一步降低所产生氮气中的残渣含量，提高氮气纯净度。

本发明所述短切碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维中的一种或两种。

本发明所述短切碳纤维的直径在1μm~500μm范围内。短切碳纤维由两种同种材质不同长度的短切碳纤维（短切碳纤维A和短切碳纤维B）组成，碳纤维的直径在1μm~500μm范围内，短切碳纤维A长度为2~5mm，短切碳纤维B长度为6~9mm，配方中短切碳纤维A占总碳纤维质量百分数的20~50%，其余碳纤维则为短切碳纤维B。

本发明的氮气发生剂可以采用挤出或压制的方式进行成形。

采用挤出工艺时，需要将上述组合物中各组分按比例称量好后，并混合均匀，再在其中加入粘合剂的水溶液或有机溶剂溶液，然后根据不同模具挤出不同尺寸不同药形的药条或药柱。可选用的粘合剂包括松脂酸钙、氯丁橡胶、羧甲基纤维素、羧甲基乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、瓜尔胶、糊精中的一种或两种。其在配方中的质量百分比为1%~20%，优选5%~15%。

采用压制工艺时，需要在上述组合物中加入工艺助剂，混合均匀后，压制成不同尺寸不同形状的药片或药柱。可选用的工艺助剂包括石墨、二硫化钼、硬脂酸镁、氮化硼、滑石粉中的一种或两种。其在配方中的质量百分比为0.1%~10%，优选0.5~5%。其粒径范围控制在1μm~450μm，优选5μm~280μm，更优选10μm~154μm。

使用本发明所提供氮气发生剂，可以较大幅度地降低氮气中的残渣含量，从而提高所产生氮气的纯净度。因此，也在很大程度上降低了氮气发生器中过滤器的体积和重量，有利于氮气发生器的小型化和轻量化，为需要使用纯净氮气且要求氮气发生器质量或体积较小的场合，提供一种替代氮气或氦气压缩气瓶的解决方案。

具体实施方式

实施例1至2和对比例1至2

为了将不含短切碳纤维的配方和含有短切碳纤维的配方进行对比，制作了实施例1至2和对比例1至2氮气发生剂。

实施例1

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃以及2%的短切碳纤维A₂。A₂是指长度为2mm的短切碳纤维。

实施例2

配方组成为：72%的NaN₃，12%的Co₃O₄，8%的KF，5%的SiO₂以及3%的B₆，B₆是指长度为6mm的短切碳纤维。

对比例1

配方组成为：61.2%的NaN₃，25.5%的Fe₂O₃，10.2%的LiF以及3.1%的Al₂O₃。

对比例2

配方组成为：74.2%的NaN₃，12.4%的Co₃O₄，8.2%的KF以及5.2%的SiO₂。

按配方称量好各组分，加入0.5%石墨，将物料投入多向运动混合机混合2h，混合均匀后，压制成直径为42mm、高度为39.5mm、重量为98.5g的圆柱形药柱，装入氮气发生器，点火后用压力罐收集残渣，得到如表1所示数据。

表1

序号	残渣含量（g）
		实施例1	3.24
实施例2	2.62
		对比例1	9.36
对比例2	8.87

对比实施例1与对比例1、实施例2和对比例2可以发现，配方中加入碳纤维后，生成氮气中的残渣量得到较大幅度降低。

为了对比短切碳纤维长度对氮气中残渣含量的影响，制作了实施例3至6氮气发生剂组合物，配方中两种长度的碳纤维所占比例相同。

实施例3

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，1%的短切碳纤维A2，1%的短切碳纤维B6。

实施例4

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，1%的短切碳纤维A3和1%的短切碳纤维B7。

实施例5

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，1%的短切碳纤维A4，1%的短切碳纤维B8。

实施例6

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，1%的短切碳纤维A5，1%的短切碳纤维B9。制成药柱后，装入氮气发生器，点火后用压力罐收集残渣，得到如表2所示数据。

表2

序号	残渣含量（g）
		实施例3	1.12
实施例4	1.84
		实施例5	1.63
实施例6	1.95

配方中A2、A3、A4、A5分别是指长度为2mm、3mm、4mm、5mm的短切碳纤维，B6、B7、B8、B9分别是指长度为6mm、7mm、8mm、9mm的短切碳纤维。通过对比表2中的实施例可以发现，不同长度的碳纤维对氮气中残渣含量会产生不同的影响，最佳长度搭配会得到最佳的效果，表2中，长度分别为2mm和6mm的碳纤维搭配，在实施例3至实施例6的4个实施例中效果最好。

为了对比短切碳纤维不同组合比例对氮气中残渣含量的影响，制作了实施例7至9氮气发生剂组合物，配方中使用长度为2mm的短切碳纤维A和长度为6mm的短切碳纤维B。

实施例7

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，1.2%的短切碳纤维A和0.8%的短切碳纤维B。

实施例8

配方组成为：60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，0.8%的短切碳纤维A和1.2%的短切碳纤维B；实施例9的配方组成为60%的NaN₃，25%的Fe₂O₃，10%的LiF，3%的Al₂O₃，和2%的短切碳纤维B；制成药柱后，装入氮气发生器，点火后用压力罐收集残渣，得到如表3所示数据。

表3

序号	残渣含量（g）
		实施例1	3.24
实施例7	1.25
		实施例3	1.12
实施例8	1.06
		实施例9	3.08

通过对比表3中的实施例可以发现，碳纤维不同的组合比例对氮气中残渣含量会产生影响，最佳组合比例会得到最佳的效果，表3中，长度分别为2mm和6mm的碳纤维按2:3的比例组合时，在实施例1、实施例3和实施例7至9的5个实施例中效果最好。

Claims

1.一种氮气发生剂，包含作为燃料的碱金属叠氮化物、作为氧化剂的过渡金属氧化物、作为结渣剂的其它氧化物、作为燃烧抑制剂的碱金属氟化物，以及作为残渣骨架的短切碳纤维；其特征在于上述各组分质量百分比为：碱金属叠氮化物为30%~95%，其粒径范围10μm~900μm；过渡金属氧化物为5%~40%，其粒径范围1μm~450μm；结渣剂为1%~20%，其粒径范围10μm~900μm；碱金属氟化物为1%~30%，其粒径范围5μm~280μm；短切碳纤维为0.5%~15%；

所述过渡金属氧化物为四氧化三钴（Co₃O₄）、三氧化二铁（Fe₂O₃）中的一种；

所述结渣剂为三氧化二铝（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）中的一种；

所述短切碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维中的一种或两种；短切碳纤维由两种同种材质不同长度的短切碳纤维：短切碳纤维A和短切碳纤维B组成，碳纤维的直径在1μm~500μm范围内，短切碳纤维A长度为2~5mm，短切碳纤维B长度为6~9mm，配方中短切碳纤维A占总碳纤维质量百分数的20~50%，其余碳纤维则为短切碳纤维B。

2.如权利要求1所述的氮气发生剂，其特征在于质量百分比为：碱金属叠氮化物为45%~85%，其粒径范围30μm~600μm；过渡金属氧化物为10%~35%，其粒径范围5μm~280μm；其它氧化物为5%~15%，其粒径范围30μm~600μm；碱金属氟化物为5%~20%，其粒径范围10μm~154μm；短切碳纤维为1%~10%。

3.如权利要求1所述的氮气发生剂，其特征在于质量百分比为：碱金属叠氮化物为50%~75%，其粒径范围50μm~450μm；过渡金属氧化物为15%~30%；其粒径范围10μm~154μm；其它氧化物为5%~15%；碱金属氟化物为5%~20%；短切碳纤维为1%~10%。

4.如权利要求1所述的氮气发生剂，其特征在于所述碱金属叠氮化合物为叠氮化钠和叠氮化钾中的一种或两种。

5.如权利要求1所述的氮气发生剂，其特征在于所述碱金属氟化物为氟化锂（LiF）、氟化钠（NaF）和氟化钾（KF）碱金属氟化物中的一种或两种。

6.一种权利要求1-5所述氮气发生剂的成型方法，其特征在于采用挤出工艺或压制工艺：

采用挤出工艺时，将上述各组分按比例称量，并混合均匀，再在其中加入粘合剂的水溶液或有机溶剂溶液，然后用模具挤出药条或药柱，所用的粘合剂包括松脂酸钙、氯丁橡胶、羧甲基纤维素、羧甲基乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、瓜尔胶、糊精中的一种或两种；粘合剂在配方中的质量百分比为1%~20%；

采用压制工艺时，将上述各组分按比例称量，加入工艺助剂，混合均匀后，压制成药片或药柱，所用的工艺助剂包括石墨、二硫化钼、硬脂酸镁、氮化硼、滑石粉中的一种或两种；工艺助剂在配方中的质量百分比为0.1%~10%；其粒径范围在1μm~450μm。

7.根据权利要求6所述氮气发生剂的成型方法，其特征在于所用的粘合剂在配方中的质量百分比为5%~15%。

8.根据权利要求6所述氮气发生剂的成型方法，其特征在于所用的工艺助剂在配方中的质量百分比为0.5~5%；其粒径范围为10μm~154μm。