CN1323284A - 发泡高能引燃材料以及包含该材料的安全气囊组件 - Google Patents

发泡高能引燃材料以及包含该材料的安全气囊组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了包括发泡材料的安全气囊用引燃材料以及包含该气囊用引燃材料的安全气囊组件。该发泡材料是由包含多官能异氰酸酯。具有能与异氰酸酯发生反应的多元羟基基团的聚合物粘合剂、燃料源、氧化剂以及发泡剂的组合物形成的,其中发泡剂可保留在或可不保留在发泡材料中。

Description

发泡高能引燃材料以及包含该材料的安全气囊组件
本发明背景
1．本发明所属技术领域
本发明涉及适用于安全气囊的引燃材料和装有该引燃材料的安全气囊组件。更具体地说，本发明涉及包含发泡引燃材料的安全气囊。
2．相关技术的说明
特定配制的、产生气体的化学组合物的一种重要用途，是在可充气的安全减震系统(通常称为气囊组件)中的应用。气囊组件正逐渐为工业界所认可，即使不是大多数，也有许多新款汽车装备了这种气囊组件。事实上，许多新款车辆装备有多个安全气囊以保护驾驶员和乘客，并且有多个安全气囊保护每一乘员。
当车辆遇到事故而发生撞击，车辆的辅助(或二级)减震系统启动时，一定要产生足够的气体，以在驾驶员操纵方向盘或仪表板之前使辅助减震系统的气囊充足气体。一般来说，气囊必须在几分之一秒内充气膨胀。因此要求几乎在瞬间产生气体。
通常，使气囊充气所必需的产气量是通过特定配制的组合物的顺序引燃而达到的。这种链式引燃通常是由两个相互隔开的电气接点和连接两电气接点的电阻高仍导电的材料构成的点火器开始的。当预定的电能施加在两电气接点上时，点火器会产生足够的热量而使处于与点火器有运作关系的引燃材料点着。该已点着的引燃材料又引燃气体发生物质(通常是丸状)，气体发生物质的数量足以使产生的气体充足气囊或者使气体在所谓混合系统中扩展。适用的气体发生物质和气囊结构是技术熟练人员所熟知的。例如，大家都知道可采用叠氮化钠气体发生剂，尽管其它化合物也可采用，并可认为也是本发明的范围。
硝酸钾硼(BKNO3)颗粒已被用作引燃材料。然而，BKNO3颗粒的缺点是在承受长时间的载荷或压力时往往会发酥或变脆。这种颗粒品质的降低会使BKNO3的燃烧速率加快，因而在引燃过程中会出现过压现象，而这种现象会对其效能产生不利的影响。
因此，为了提供对冲击载荷相当不敏感的引燃材料，技术上需要有重大的改进。
本发明概述
因此，本发明的一个目的是提供已经克服了与上述常规引燃材料有关的缺点，因而在技术上满足了期望已久要求的引燃组合物。
根据本发明的原理，利用包括发泡材料的本发明气囊引燃材料就可达到这一目的和其它目的。
根据本发明的第一个实施方案，该发泡材料是由包含至少一种多官能异氰酸酯，至少一种非高能的(non-energetic)、具有能与多官能异氰酸酯发生反应的多官能基团的可固化粘合剂，至少一种燃料源，至少一种氧化剂以及至少一种赋予发泡材料多孔性的、可保留或可不保留在发泡材料中的发泡剂的组合物配制成的。
根据本发明的第二个实施方案，该发泡材料是由包含至少一种多官能异氰酸酯，一种或多种高能的、具有可与多官能异氰酸酯发生反应的多官能基团的可固化粘合剂，除了高能可固化粘合剂外的一种或多种燃料源，至少一种氧化剂以及至少一种赋予发泡材料多孔性的、可保留或可不保留在发泡材料中的发泡剂的组合物配制成的。
根据本发明的第三个实施方案，发泡材料是由类似于第二实施方案的组合物配制的，但不包括除了高能聚合型粘合剂外的任何燃料。
本发明还有一个目的是提供能按高可靠性和稳定的可预测性引燃的气囊组件。根据本发明的原理，本发明的这一和其它目的是通过提供包括气体发生物质(如气体发生丸粒)和至少一种与气体发生物质协同作用的上述气囊引燃材料，因而气体发生物质的引燃具有高可靠性的气囊组件来达到的。本发明还涉及车辆如轿车、跑车和卡车，其中安全气囊组件的安装位置为(a)位于车辆的前部以保护乘员不会与仪表盘相碰撞，或(b)位于车辆的侧部以保护乘员不会与车门板和/或车箱顶板相碰撞。
通过附图和下面实施例对本发明原理的详细说明和解释，本发明的其它目的、特征和优点就会一目了然。
附图的简要说明
附图说明了本发明的实施方案。附图如下：
图1是根据本发明的安全气囊组件的截面示意图；和
图2是包括含GAP粘合剂的泡沫引燃材料的气囊组件在低温(-45℃)下起动的引燃压力曲线。
本发明实施方案的详细说明
现在更具体地参照附图，图1显示了包括置有多个气体发生物质丸粒14的护罩12的气囊组件10。与容纳气体发生丸粒的燃烧室同心配置的是带导电线18的点火器16。该点火器16的周围置有发泡引燃材料20。
运作时，送至点火器的电荷引燃引燃材料20，引燃材料产生的热气体通过位于护罩12上的小孔22。热气体的作用是激活气体发生物质丸粒14而产生气体，使折叠的气囊(未画出)充气膨胀。
气体发生物质丸粒14可由各种已知的和新颖的、适用于气囊充气的物质制成。可与本发明引燃材料相适应的气体发生物质丸粒14的代表性物质包括：例如叠氮化钠气体发生组合物和包括下列不含叠氮化钠的组合物：如美国专利5401340中公开的包含可氧化的氢硼化物燃料的组合物；美国专利5429691和美国专利5439537中公开的包含碱性金属碳酸盐和/或碱性金属硝酸盐的组合物；美国专利5472534中公开的包含5-硝基巴比土酸的非金属盐的气体发生物质组合物；美国专利5472647、美国专利5500059、美国专利5501823和美国专利5516377中公开的无水四唑气体发生物质组合物；以及美国专利5592812和美国专利5725699中公开的包含金属络合物的组合物。这些美国专利中公开的各种组合物在一定程度上是适合于本发明引燃材料的，这些专利的公开内容已列入本文供参考。这些气体发生物质是可加工的，并可压制成丸粒或其它适用的形态。
除了本发明的引燃材料和放置引燃材料的位置外，气囊组件的其余部分都是按常规设计的。因此，本文不必再对该组件的常规部分作详细的说明。该引燃材料也可用于侧向撞击和/或头部撞击的辅助减震系统中。美国专利5441303和美国专利5480181已对这类辅助减震系统的结构和运作作了一般性说明。在一定程度上说，这些被提到的减震系统是与本发明的泡沫引燃材料相适应的。这些美国专利的全部公开内容已列入本文供参考。这些参考性减震系统是作为实例提及的，只是为了说明已知系统的一般结构和运作。本发明不限于这类系统。
本发明引燃材料适用于常规混合式气囊充气装置。混合式气囊充气装置是基于通过燃烧少量推进剂将贮存的惰性气体(氩气或氦气)加热到所要求的温度。混合式充气装置不需要与烟火式充气装置使用的冷却过滤器以冷却燃烧气体，因为混合式充气装置产生的气体温度较低。气体排放温度可通过调整惰性气体与推进剂的重量比而可以选择性地改变。惰性气体与推进剂的重量比越高，气体排放温度越低。
混合式气体发生系统包括：拥有可裂断的开孔的压力罐；置于压力罐内的预定量惰性气体；产生热的燃烧气体的气体发生装置并具有破断可裂断开孔的机构；以及引燃气体发生组合物的装置。压力罐拥有一个当气体发生装置被引燃时借助活塞作用而可破裂的可裂断孔道。气体发生装置的形状和相对于压力罐的配置要使热的燃烧气体能与惰性气体相混合并加热惰性气体。适用的惰性气体包括尤其是氩和氦以及它们的混合物。经混和加热的气体通过开孔排出压力罐并且最终排出混合式充气装置而使气囊展开。
在Frantom的Hybrid Airbag Inflator Technology,AirbagInt’l Symposium on Sophisticated Car Occupant Safety Systems(Weinbrenner-Saal，德国，Nov.2-3,1992)中已对辅助安全减震用途的混合式气体发生装置作了介绍。
本发明的发泡材料是由包含(a)由至少一种多官能异氰酸酯和至少一种含有能与多官能异氰酸酯发生反应的多个羟基基团的可固化粘合剂形成的聚合物基体和(b)能赋予发泡材料较高孔隙度的发泡剂，的组合物配制成的。
多官能异氰酸酯可以是脂族、脂环族或芳族化合物。优选的是脂环族多官能异氰酸酯，而更优选的是芳族多官能异氰酸酯。适用的脂族多异氰酸酯包括六亚甲基二异氰酸酯和缩二脲三异氰酸酯。一种例证性脂环族多官能异氰酸酯是异佛尔酮二异氰酸酯。例证性芳族多官能异氰酸酯是二苯基甲基二异氰酸酯、亚甲基双苯基异氰酸酯和多亚甲基多苯基异氰酸酯(也称为“PAPI”)的混合物；甲苯二异氰酸酯(“TDI”)；以及亚甲基双(苯基异氰酸酯)(“MDI”)。
本发明的发泡引燃材料的特征在于有相当高的孔隙率。发泡引燃材料的多孔性使它具有高的耐冲击性。本发明引燃材料的高孔隙率是在聚合物基体固化前和/或固化期间引入一种或多种发泡剂而实现的。本文中所称的发泡剂可包括由内源和/或外源产生的气体。更准确地说，气体可从外部引入，例如将一种或多种气体(优选对于可发泡的引燃物质组合物是惰性的)引入处于适当的容器或装置中的预固化的或正在固化的聚合物基体中。内部产生的气体包括通过多异氰酸酯与发泡剂(如水)相反应在现场产生的气体。该反应可与聚合物基体的固化同时发生并同时结束。从原则上说，能现场分解而产生气体并以此气体使引燃组合物发泡的适宜的化学发泡剂都是可选用的。外源气体可以是例如氮气。
将发泡剂引入该组合物中是为了降低固化的聚合物基体的密度。密度的降低可根据具体的减震系统加以选择。从原则上说，制得的固化的聚合物基体的密度可以是其最高理论计算密度的约34％-约76％。换言之，多孔聚合物基体的体积增大到最高理论计算密度时体积的约1.3倍(相当于76％)-约3倍(相当于34％)。最高理论密度可由技术熟练人员通过众所周知的技术从已知的各成分密度与测定的各成分浓度而算得。实际密度也可由技术熟练人员通过众所周知的方法测定。作为例子，实际密度可通过使处于已知重量和体积的容器内的物质发泡，并测定容器和容器内泡沫体(即除去超过容器边界的泡沫体后容器内泡沫体)的重量就能确定密度。
通过选择适当的聚合物基体成分，包括添加成分，和控制发泡剂的类型和用量可使本发明的发泡引燃材料的燃烧性能和机械性能满足预期应用的要求。
根据本发明的第一个实施方案，聚合基体是非高能型的。在第一个实施方案中，含有能与多官能异氰酸酯反应的多个羟基基团的可固化粘合剂是一种或多种多元醇。例证性多元醇是(作为举例，但不受此限制)：包括端羟基聚丁二烯(“HTPB”)在内的端羟基多烯；聚己内酯(“PCP”)；聚(亚烷基二醇)，包括聚(乙二醇)(“PEG”)；聚(丙二醇)(“PPG”)以及聚(乙二醇己二酸酯)(“PGA”)。
根据本发明的第二和第三个实施方案，聚合物基体是高能型的。这些实施方案是特别符合要求高能性能和大量气体燃烧的应用要求的。例证性多元醇包括(作为举例，但不受此限制)：缩水甘油基叠氮化物聚合物(“GAP”或聚(缩水甘油基叠氮化物))和聚(硝酸缩水甘油酯)(“PGN”)。高燃烧速率粘合剂(如GAP)具有高的性能，它很适用于某些用途。GAP和PGN的制备方法是技术熟练人员所熟知的，如在美国专利5264596和美国专利5801325中所公开的方法，这些专利的全部公开内容已列入本文，供参考。
适用于本发明第一和第二实施方案的燃料源包括(作为举例，但不受此限制)：金属(如铝、硼、镁、硅、钛、锆)和合金(如镁/铝合金)。燃料的优选形态为具有高表面积的粉末状、颗粒状和/或丸粒状。优选的是，燃料均匀地分散在聚合物基体内。
引燃组合物通常还包含一种或多种氧化剂。适用的氧化剂包括高氯酸盐(如高氯酸钾和高氯酸铵)和硝酸盐(如硝酸钾、硝酸钠和硝酸铵)。
该组合物还可包含一种或多种表面活性剂，其中包括聚硅氧烷基表面活性剂如DOW 193。
固化催化剂可以是技术上已知的任何一种固化催化剂，其中包括羧酸二烷基锡如二月桂酸二丁基锡和二乙酸二丁基锡，以及芳基铋化合物如三苯基铋。
如果需要产生过量的气体，发泡的引燃材料可包埋入气体发生物质，例如从Cordant Technologies Inc.,(以前称为ThiokolCorporation)购买的UIX-171气体发生丸粒。
引燃材料优选是以无溶剂方法制造。
实施例
下列实施例中的发泡引燃材料基本上是以相同的方法制成的。称出一定量PAPI固化剂，并置于含有预先称重的聚合物粘合剂的混合容器中。接着向混合容器加入表面活性剂。在室温下，用金属括勺以手工搅拌方式搅拌容器中的物料直到物料混合均匀。然后，借助滴管滴入一定量的水，并用括勺搅拌之。接着按下表中所列数量添加氧化剂、燃料和/或气体发生物质丸粒。最后，添加作为固化催化剂的二月桂酸二丁基锡以催化多元醇与多异氰酸酯之间及水与多异氰酸酯之间的放热反应。制得的混合物的特征在于有高的粘度，但仍可以铺展，因而能置于气囊组件的外罩内。该混合物最好在发泡过程中早一些涂敷在外罩内，发泡过程大体上在半小时内完成。
表1(实施例1)
成分 功能 重量％
HTPB 粘合剂 24.54
PAPI 固化剂 1.77
DOW 193 表面活性剂 1.58
水 发泡剂 1.86
高氯酸铵 氧化剂 53.92
铝粉 燃料 15.50
二月桂酸二丁基锡 固化催化剂 0.83
表2(实施例2)
成分 功能 重量％
GAP 粘合剂 28.19
PAPI 固化剂 5.75
DOW 193 表面活性剂 1.61
水 发泡剂 1.72
高氯酸铵 氧化剂 57.31
铝粉 燃料 4.14
二月桂酸二丁基锡 固化催化剂 1.28
表3(实施例3)
成分 功能 重量％
GAP 粘合剂 28.19
PAPI 固化剂 5.75
DOW 193 表面活性剂 1.61
水 发泡剂 1.72
高氯酸铵 氧化剂 61.45
二月桂酸二丁基锡 固化催化剂 1.28
表4(实施例4)
成分 功能 重量％
GAP 粘合剂 29.49
PAPI 固化剂 5.25
DOW 193 表面活性剂 1.59
水 发泡剂 1.82
高氯酸铵 氧化剂 56.28
铝粉 燃料 4.01
二月桂酸二丁基锡 固化催化剂 1.56
表5(实施例5)
成分 功能 重量％
GAP 粘合剂 38.97
PAPI 固化剂 7.66
DOW 193 表面活性剂 1.52
水 发泡剂 2.25
丸粒状UIX-171 气体发生物质 46.05
二月桂酸二丁基锡 固化催化剂 2.89
表6(实施例6)
成分 功能 重量％
GAP 粘合剂 75.6
PAPI 固化剂 18.94
DOW 193 表面活性剂 1.89
水 发泡剂 1.89
二月桂酸二丁基锡 固化催化剂 1.52
实施例3的压力一时间曲线如图2所示。该曲线显示了少量发泡引燃材料例如5.83克的理想燃烧特性，它能成功地引燃装有1磅低烟推进剂的试验组件。具体地说，曲线的低压平坦部分意味着均匀分布的高强度波阵面在燃烧室压力上升之前正在向推进剂传播。该压力曲线所显示的优点是当压力升高时，外罩内压力变化率较低。这种特征对于已知具有dp/dt特征的待引燃的气体发生物质丸粒的应用是有利的，其中燃烧室内压力快速变化后，燃烧熄灭了。在压力开始升高时压力变化梯度越大，引燃材料消耗完后，气体发生物质丸粒往往越不易熄灭。
为了解释本发明的原理及其实际应用，前面已对本发明的实施方案作了详细说明，从而可使技术熟练人员通过各个实施方案了解本发明，并根据预期用途进行各种变化。以上详细说明并不是全面的，也不是将本发明限制在公开的明确的实施方案范围内。各种变体和等类物对于本领域技术熟练人员来说是显而易见的，而且这种变体和等类物都属所附权利要求书规定的精神和范围。

Claims (22)

1．一种气囊引燃材料，该引燃材料包含由含下列成分的组合物配制的发泡材料：
至少一种多官能异氰酸酯；
至少一种含有能与多官能异氰酸酯发生反应的多官能基团的非高能可固化粘合剂；
至少一种燃料源；
至少一种氧化剂；以及
至少一种能赋予发泡材料多孔性，并非必需地保留在气囊引燃材料的发泡材料内的发泡剂。
2．权利要求1的气囊引燃材料，其中粘合剂包括多元醇。
3．权利要求2的气囊引燃材料，其中多元醇包括端羟基聚丁二烯。
4．权利要求1的气囊引燃材料，其中多官能异氰酸酯包括二苯基甲基二异氰酸酯、亚甲基二苯基异氰酸酯与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合物。
5．权利要求1的气囊引燃材料，还包括至少一种表面活性剂和至少一种固化催化剂。
6．权利要求5的气囊引燃材料，其中固化催化剂包括二月桂酸二丁基锡。
7．包括固态气体发生物质和权利要求1的气囊引燃材料的气囊组件，其中气囊引燃材料与固态气体发生物质成运作关系配置，以便当气囊引燃材料引燃时，该气囊引燃材料能激活固态气体发生物质。
8．包含权利要求7气囊组件的车辆。
9．一种气囊引燃材料，该引燃材料包含由含下列成分组合物配制的发泡材料：
至少一种多官能异氰酸酯；
至少一种含有能与多官能异氰酸酯发生反应的多官能基团的高能的可固化粘合剂；
至少一种除高能粘合剂外的燃料源；
至少一种氧化剂；以及
至少一种能赋予发泡材料多孔性，并非必需地保留在气囊引燃材料的发泡材料内的发泡剂。
10．权利要求9的气囊引燃材料，其中高能粘合剂包括多元醇。
11．权利要求10的气囊引燃材料，其中多元醇包括端羟基缩水甘油基叠氮化物聚合物。
12．权利要求9的气囊引燃材料，其中多官能异氰酸酯包括二苯基甲基二异氰酸酯、亚甲基二苯基异氰酸酯与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合物。
13．权利要求9的气囊引燃材料，还包含至少一种表面活性剂。
14．包括固态气体发生物质和权利要求9的气囊引燃材料的气囊组件，其中气囊引燃材料与固态气体发生物质成运作关系配置，以便当气囊引燃材料引燃时，该气囊引燃材料能激活固态气体发生物质。
15．包含权利要求14气囊组件的车辆。
16．一种气囊引燃材料，该引燃材料是由含下列成分的组合物配制的：
至少一种多官能异氰酸酯；
至少一种含有能与多官能异氰酸酯发生反应的多官能基团的高能的可固化粘合剂；
至少一种氧化剂；以及
至少一种能赋予泡沫材料多孔性，并非必需地保留在发泡材料内的发泡剂，
其中该组合物除高能粘合剂外，不含任何一种燃料源。
17．权利要求16的气囊引燃材料，其中高能粘合剂包括多元醇。
18．权利要求17的气囊引燃材料，其中多元醇包括端羟基缩水甘油基叠氮化物聚合物。
19．权利要求16的气囊引燃材料，其中多官能异氰酸酯包括二苯基甲基二异氰酸酯、亚甲基二苯基异氰酸酯与多亚甲基多苯基异氰酸酯的混合物。
20．权利要求16的气囊引燃材料，还包含至少一种表面活性剂。
21．包括固态气体发生物质和权利要求14的气囊引燃材料的气囊组件，其中气囊引燃材料与固态气体发生物质成运作关系配置，以便当气囊引燃材料引燃时，该气囊引燃材料能激活固态发生物质。
22．包含权利要求21气囊组件的车辆。
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