CN1798714A - 气体发生中的取代碱式金属硝酸盐 - Google Patents

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Abstract

一种用于烟火组合物的材料，并提供相关的烟火组合物，该材料包含一种取代的碱式金属硝酸盐，它含有酸性有机化合物和碱式金属硝酸盐的反应产物。公开了一种提高气体发生组合物燃烧速率的方法，并公开了一种含有碱式金属硝酸盐和四唑、四唑衍生物和它们的混合物的反应产物的燃烧速率提高的气体发生组合物。该燃烧速率提高的气体发生组合物还可以包含添加的氧化剂如碱式硝酸铜。

Description

气体发生中的取代碱式金属硝酸盐
发明背景
本发明通常涉及一种用于气体发生的材料，如形成充气气体用来膨胀可充气装置如包含在汽车乘客可充气约束系统中的安全气囊。具体地说，本发明涉及一种含取代的碱式金属硝酸盐化合物的材料，它包含酸性有机化合物和碱式金属硝酸盐的一种反应产物。
众所周知，可使用气垫或气囊例如当汽车发生突然减速如发生碰撞时进行充气即膨胀的“安全气囊”来保护乘客。这种安全气囊约束系统一般包括：一个或多个安全气垫，在未充气折叠条件下封装起来使空间需求最小；一个或多个安装在车架或车体上的碰撞传感器用来监测汽车的突然减速；一个由碰撞传感器进行电子引发的激活系统；产生或提供气体用来膨胀安全气囊的充气装置。如果汽车发生突然减速，碰撞传感器引发激活系统，激活系统又引发充气装置，后者在大约毫秒时间内开始膨胀安全气囊。
本领域中，已公开了许多类型用于膨胀一种或多种可充气约束系统安全气囊的充气装置。通常，充气装置中可包括一种或多种烟火组合物如点火组合物，点燃组合物燃烧时可引燃一种气体发生化合物或气体发生组合物，气体发生组合物的燃烧提供气体，该气体单独使用或补充储存的加压气体用来膨胀相连的安全气囊。
通常应用于汽车可充气约束系统的充气装置中的烟火组合物如气体发生组合物，以前大多采用或基于叠氮钠。这种基于叠氮钠的组合物在燃烧后，一般以期望的高气体产率如大于2摩尔/100克组合物产生或形成氮气。虽然叠氮钠和某些其它基于叠氮化物的烟火组合物的使用符合现有工业规范、准则和标准，但其使用可能涉及或增大潜在的问题，例如涉及安全性和有效操作，其供给和处置的问题。
因此，对其它合适的烟火组合物的发展和使用进行了研究。具体地说，主要研究的是用于充气装置的不含叠氮化物的烟火组合物。在鉴别和评价非叠氮化物或不含叠氮化物的烟火组合物方面进行了许多研究，要能提供：高气体产率，一般高于约2摩尔气体/100克的烟火组合物；低燃烧温度，例如低于2000K；高燃烧速率，1000psi下，通常大于约0.5英寸/秒；排除气毒性低；容易过滤的颗粒物质。典型不含叠氮化物的材料毒性较低，因而容易处置，容易被公众接受。
不幸的是，这种材料的燃烧速率常常不足，难以为相连的安全气囊提供有效的充气。对于有一些充气装置专利申请，可使用具有较大表面积的小颗粒烟火组合物补偿低燃烧速率。然而，实践中，可能重复制备的最小粒度的烟火组合物颗粒受到限制。另外，优越性能的充气方法所要求的较高的燃烧速率难以由这种烟火组合物达到。
加入一种或多种选择的添加剂如高能燃料成分或加入共氧化剂如高氯酸铵或高氯酸钾，能提高某些烟火组合物尤其是使用含氮燃料的烟火组合物的燃烧效率。然而，使用这些材料会增加生产烟火组合物的成本，这是会增加原料成本和增加方法步骤的。而且，某些经济和设计的考虑如工业竞争，希望由较低成本组分或材料构成的，适合用于更有效和较低成本方法生产的烟火组合物。
由上文看来，需要一种非叠氮化物的或不含叠氮化物的烟火材料或组合物，它在克服至少一些基于叠氮化物的烟火组合物的潜在问题或缺点的同时，与典型基于叠氮化物的烟火组合物相比，也能提供较高的气体产率。还需要一种材料，该材料可用于提供或导致足够和期望的高燃烧速率，如1000psi时高于约0.5英寸/秒的燃烧速率的烟火组合物。还需要一种含有可经济且有效制备的燃烧速率促进材料的烟火组合物。
发明概述
本发明的一般目的是提供一种烟火组合物用的材料。
本发明的更具体目的是克服一种或多种上文描述的问题。
在烟火组合物中使用一种材料，该材料含有取代的碱式金属硝酸盐，而该取代的碱式金属硝酸盐含有酸性有机化合物和碱式金属的反应产物，可以达到或至少部分达到本发明的一般目的。
通常，现有技术没有揭示取代的碱式金属硝酸盐。具体地说，现有技术没有揭示：含酸性氢原子的非叠氮化物的或不含叠氮化物的材料与碱式金属硝酸盐可发生反应，部分地取代碱式金属硝酸盐的羟基而不影响碱式金属硝酸盐的结构。通常，现有技术还没有认识到或揭示，当这些材料用于烟火组合物时，对燃烧速率有促进作用。
本发明还涉及一种燃烧速率提高的气体发生组合物，它包含：
约5-95组合物重量％的取代的碱式硝酸铜，该取代的碱式硝酸铜含有酸性有机化合物和碱式硝酸铜的反应产物；
约5-60组合物重量％的胍硝酸盐共燃料，
其中酸性有机化合物选自：四唑、四唑衍生物以及它们的混合物。
本发明还涉及提高气体发生组合物燃烧速率的方法，包括在气体发生组合物中加入取代的碱式金属硝酸盐。
如本文所述，“燃烧速率提高的”材料可以理解为是在1000磅/平方英寸(psi)的压力时显示燃烧速率至少0.5英寸/秒或更大的材料或组合物。
从结合所附权利要求的以下详细描述，其它目的和优点对于本领域一般技术人员将显而易见。
发明内容
本发明提供一种用于或用作烟火组合物的材料，该烟火组合物用来膨胀可充气部件，如汽车可充气约束系统的安全气囊，该材料包含取代的碱式金属硝酸盐，后者含有有机化合物和碱式金属硝酸盐反应产物。
根据本发明，含有酸性氢原子的非叠氮化物的或不含叠氮化物的材料与碱式金属硝酸盐如碱式硝酸铜反应，就部分地取代碱式金属硝酸盐的羟基而不释放可溶性金属硝酸盐。换句话说，取代反应没有丧失碱式金属硝酸盐的结构完整性。
根据本发明某些优选实施方式，用于本发明的材料最好包含含有酸性有机化合物与碱式金属硝酸盐反应产物的取代的碱式金属硝酸盐。优选的是该酸性有机化合物是含酸性氢原子的含氮杂环化合物。
合适的酸性有机化合物的例子包括，但不限于，四唑、咪唑、咪唑啉酮、三唑、尿唑、尿嘧啶、巴比妥酸、乳清酸、肌酸肝、尿酸、乙内酰脲、吡唑、它们的衍生物，以及它们的混合物。更合适的酸性有机化合物包括：四唑、咪唑、它们的衍生物，以及它们的混合物。这种酸性有机化合物的具体例子包括5-氨基四唑、二四唑二水合物、硝基咪唑。在某些优选实施方式中，酸性有机化合物是5-氨基四唑。
通常，在本发明某些实施方式中使用的碱式金属硝酸盐化合物包括碱式金属硝酸盐、碱式过渡金属硝酸根氢氧根复盐(basic transition metal nitrate hydroxyl doublesalt)、碱式过渡金属硝酸盐-层化双氢氧化物(basic transition metal nitrate layereddouble hydroxide)，以及它们的混合物。碱式金属硝酸盐的例子包括，但不限于，碱式硝酸铜、碱式硝酸锌、碱式硝酸钴、碱式硝酸铁、碱式硝酸锰和它们的混合物。根据某些优选实施方式，碱式金属硝酸盐是碱式硝酸铜。
本发明范围内一些代表性的取代反应，例如以下反应(1)-(4)，以及取代的碱式金属硝酸盐反应产物，具体的说，5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜、二四唑二水合物取代的碱式硝酸铜和硝基咪唑取代的碱式硝酸铜，如下所示：
(1) ；
(2) ；
(3) ；
(4) 。
本发明的一个方面，所述取代的碱式金属硝酸盐材料可用作烟火组合物，例如可装在汽车可充气约束系统的充气装置中。另一方面，所述取代的碱式金属硝酸盐材料可用于烟火组合物中，例如含有添加组分如共燃料的烟火组合物或其它气体发生组合物中。根据某些优选实施方式，本发明使用的取代的碱式金属硝酸盐需要能提高相关气体发生组合物的燃烧速率。
通常，这种烟火组合物包含取代的碱式金属硝酸盐和含氮共燃料。具体地说，这种燃烧速率提高的气体发生组合物包含碱式金属硝酸盐如铜、锌、钴、铁和锰的碱式硝酸盐，碱式过渡金属硝酸根氢氧根复盐和它们的组合物以及酸性有机材料如四唑、四唑衍生物和它们的混合物的反应产物。
典型地，本发明烟火组合物优选包含约5-95组合物重量％的取代的碱式金属硝酸盐。例如，燃烧速率提高的气体发生组合物可包含约5-95组合物重量％的5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜。
在实施时，本发明烟火组合物可能需要包含约5-60组合物重量％的共燃料。一种具体的优选烟火组合物包含约5-60组合物重量％的胍硝酸盐共燃料。需要在本发明烟火组合物中使用胍硝酸盐，一般是基于以下因素的组合：成本、稳定性(例如热稳定性)，可得到性和相容性(例如与其它标准或有用的烟火组合物成分的相容性)。
如果需要，本发明烟火组合物可包含含量至多约为50组合物重量％的附加氧化剂。在一个实施方式中，优选的添加的氧化剂是碱式金属硝酸盐如碱式硝酸铜。
烟火组合物还可包含其它附加的添加剂如造渣剂、助流剂、粘度调节剂、压制助剂、分散助剂、粘滞化剂，用以促进生产或提供优良性能。例如，本发明烟火组合物可包含造渣剂例如金属氧化物如氧化铝。通常，点火组合物中添加剂的含量不高于大约5组合物重量％。
结合以下显示或模拟本发明实施各个方面的一些实施例，将进一步具体描述本发明。需要理解的是，希望保护在本发明精神范围内的所有改变，因而本发明不可解释为被这些实施例所限制。
具体实施方式
实施例1-4
在50毫升(ml)热水中，溶解2.24克(g)5-氨基四唑(足够取代碱式硝酸铜的四个羟基)，制备由代表性取代反应(1)形成5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜。将3.20g碱式硝酸铜缓慢加入到5-氨基四唑溶液中。碱式硝酸铜与5-氨基四唑发生反应约5-10分钟，形成水不溶性绿色沉淀。收集沉淀并用大量水洗去存在的游离5-氨基四唑。经清洗的沉淀80℃干燥约2小时，进行化学分析和热分析。干燥沉淀的实验产量为3.81g。假设取代两个羟基，理论产量为4.91g。化学分析的结果见下表1。
               表1
  分析   理论值   实验值
  ％铜   41.39   40.03
  ％碳   3.91   3.92
  ％氢   1.30   1.57
  ％氮   27.35   27.08
化学分析显示，实验值与理论值之间符合良好。由于反应混合物中过量的5-氨基四唑不能增加取代度，实际获得的单取代反应产物似乎是优选的反应产物。
由上述代表性取代反应(2)-(4)形成的二四唑二水合物取代的碱式硝酸铜和硝基咪唑取代的碱式硝酸铜显示相似的数据。上述代表性取代反应(2)显示的实验中，令人注意的结果是，如果反应中使用大于两当量的二四唑二水合物，就会扰乱碱式硝酸铜的结构，反应产物包括二四唑铜和硝酸铜。上述代表性反应(3)和(4)显示，二或四当量的硝基咪唑可与碱式解释硝酸盐反应，而不会影响碱式金属硝酸盐的固有结构。
实施例5-9
下表2提供了一种对比气体发生组合物(CE)和五种含有本发明实施例1的5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜(ATbCN)具体气体发生组合物(实施例5-9)的组合物组成。表2也显示了每种气体发生组合物的当量比例、气体产率、1000psi时的燃烧速率和密度。
  CE   实施例5   实施例6   实施例7   实施例8   实施例9
  ％胍硝酸盐   52.53   44.47   36.29   27.89   19.23   16.29
  ％碱式硝酸铜   45.97   35.76   25.27   14.60   3.75   0.00
  ％ATbCN*   0.00   18.25   36.91   55.96   75.45   82.21
  ％氧化铝   1.50   1.52   1.53   1.55   1.57   1.50
  当量比例   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00
  气体产率(摩尔/100克) 2.97 2.84 2.72 2.59 2.45 2.41
  1000psi时燃烧速率(英寸/秒) 0.43 0.61 0.83 1.17 1.76 1.88
  密度(g/cc)   1.92   2.00   2.04   2.08   2.09   2.06
*ATbCN＝5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜
如表2所示，5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜是有效的燃烧速率提高剂。数据显示增加混合物中5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜可提高混合物的燃烧速率。由于较少较厚的小块或小片可提供相当于不含没有取代的碱式金属硝酸盐的气体发生剂的性能，本实验的燃烧速率的大小能使得加工气体发生组合物成为小块或小片的成本降低。此外，通过使用能提供等效或燃烧速率提高的的较厚的小块或小片，可克服上述粒度方面的限制。
需要理解的是，理论讨论如酸性有机化合物与碱式金属硝酸盐取代反应的讨论在这里是帮助理解本发明，但绝不是在其广泛应用中限制本发明。
因此，本发明提供一种用于包含取代的碱式金属硝酸盐的烟火组合物的材料。此外，本发明提供包含酸性有机化合物与碱式金属硝酸盐反应产物的烟火组合物。本发明还提供一种提高气体发生组合物燃烧速率的方法和一种燃烧速率提高的的气体发生组合物，它含有碱式金属硝酸盐和酸性有机化合物如四唑、四唑衍生物和它们的混合物的反应产物以及含氮共燃料。本发明还提供可经济地生产的烟火组合物。本发明另外还提供了一种燃烧速率提高的的气体发生组合物，它能克服非叠氮化物或不含叠氮化物的气体发生组合物一种或多种限制如粒度限制。
此处示例性公开的本发明，可在不存在本文未具体公开的任何元素、部分、步骤、组分或成分情况下加以实施。
虽然在上述具体描述中，已结合某些优选实施方式描述了本发明，且为了示例性的目的提及了许多细节，但本发明可以有其他的实施方式并在不背离本发明基本原理情况下本文描述的某些细节可以显著改变，这一点对于本领域一般技术人员是显而易见的。

Claims (34)

1.一种在烟火组合物中使用的材料，包含：
取代的碱式金属硝酸盐；
其中，所述取代的碱式金属硝酸盐含有酸性有机化合物和碱式金属硝酸盐的反应产物。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述酸性有机化合物是含有酸性氢原子的含氮杂环化合物。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述酸性有机化合物选自：四唑、咪唑、咪唑啉酮、三唑、尿唑、尿嘧啶、巴比妥酸、乳清酸、肌酸肝、尿酸、乙内酰脲、吡唑、它们的衍生物，以及它们的混合物。
4.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述酸性有机化合物选自：四唑、咪唑、它们的衍生物，以及它们的混合物。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述酸性有机化合物包括5-氨基四唑。
6.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述酸性有机化合物包括二四唑二水合物。
7.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述酸性有机化合物包括硝基咪唑。
8.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述碱式金属硝酸盐选自：铜、锌、钴、铁和锰的碱式硝酸盐，碱式过渡金属硝酸根氢氧根复盐、碱式过渡金属硝酸盐-层化双氢氧化物，以及它们的混合物。
9.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述碱式金属硝酸盐包括碱式硝酸铜。
10.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述取代的碱式金属硝酸盐包括2Cu(OH)2·Cu(CH2N5)2·Cu(NO3)2。
11.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述取代的碱式金属硝酸盐包括2Cu(OH)2·Cu(C2N8)·Cu(NO3)2。
12.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述取代的碱式金属硝酸盐包括2Cu(OH)2·Cu(C3H2N3O2)2·Cu(NO3)2。
13.主要含有如权利要求1所述材料的烟火组合物。
14.如权利要求13所述的烟火组合物，其特征在于，所述酸性有机化合物是含有酸性氢原子的含氮杂环化合物。
15.如权利要求13所述的烟火组合物，其特征在于，所述酸性有机化合物选自：四唑、咪唑、它们的衍生物，以及它们的混合物。
16.如权利要求13所述的组合物，其特征在于，所述碱式金属硝酸盐包括碱式硝酸铜。
17.如权利要求13所述的组合物，其特征在于，所述取代的碱式金属硝酸盐选自：5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜、二四唑二水合物取代的碱式硝酸铜、硝基咪唑取代的碱式硝酸铜。
18.一种燃烧速率提高的气体发生组合物，包含：
如权利要求1所述的材料；和
含氮共燃料，
其中，所述酸性有机化合物选自：四唑、四唑衍生物，以及它们的混合物。
19.如权利要求18所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述碱式金属硝酸盐选自：铜、锌、钴、铁和锰的碱式硝酸盐，碱式过渡金属硝酸根氢氧根复盐、碱式过渡金属硝酸盐-层化双氢氧化物，以及它们的混合物。
20.如权利要求18所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述取代的碱式金属硝酸盐燃料包括5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜。
21.如权利要求18所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述含氮共燃料包括胍硝酸盐。
22.如权利要求18所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，包含：
约5-95组合物重量％的取代的碱式金属硝酸盐；和
约5-60组合物重量％的含氮共燃料。
23.如权利要求18所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，还包含附加的氧化剂。
24.如权利要求23所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述附加的氧化剂是碱式金属硝酸盐。
25.如权利要求24所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述附加的氧化剂是碱式硝酸铜。
26.如权利要求23所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述附加的氧化剂的含量多达大约50组合物重量％。
27.一种燃烧速率提高的气体发生组合物，包含：
约5-95组合物重量％的取代的碱式硝酸铜，所述取代的碱式硝酸铜含有酸性有机化合物与碱式硝酸铜的反应产物；和
约5-60组合物重量％的胍硝酸盐共燃料，
其中，所述酸性有机化合物选自：四唑、四唑衍生物，以及它们的混合物。
28.如权利要求27所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，所述取代的碱式硝酸铜包括5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜。
29.如权利要求27所述的燃烧速率提高的气体发生组合物，其特征在于，还包含碱式硝酸铜这种附加的氧化剂，其含量多达大约50组合物重量％。
30.一种提高气体发生组合物燃烧速率的方法，所述方法包括：
将取代的碱式金属硝酸盐加入到气体发生组合物中。
31.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括：
将酸性有机化合物与碱式金属硝酸盐混合；和
形成含有取代的碱式金属硝酸盐的反应产物。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述酸性有机化合物选自：四唑、四唑衍生物，以及它们的混合物。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述碱式金属硝酸盐化合物选自：铜、锌、钴、铁和锰的碱式硝酸盐，碱式过渡金属硝酸根氢氧根复盐、碱式过渡金属硝酸盐-层化双氢氧化物，以及它们的混合物。
34.权利要求30所述的方法，其特征在于，所述取代的碱式金属硝酸盐包括5-氨基四唑取代的碱式硝酸铜。
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