CN1826301A - 含有高氯酸铵的气体发生剂 - Google Patents
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Abstract
提供含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，该组合物在燃烧时产生或得到改进的排出物，还提供一种产生用于可充气约束系统中的充气气体的相关方法。此含有高氯酸铵的气体发生剂组合物包括以大于100微米的平均粒径存在的高氯酸铵。此含有高氯酸铵的气体发生剂组合物还包括或含有氯净化剂，该净化剂的量能够在气体发生剂燃烧时有效地使气体排出物基本上不含有氯化氢，其中至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物。合适的含铜氯净化剂化合物包括碱式硝酸铜、氧化铜、二胺二硝酸铜－硝酸铵混合物、二胺双四唑铜、由5－氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜－硝酸盐配合物以及它们的组合物，其中所述二胺二硝酸铜－硝酸铵混合物中，硝酸铵存在的量为约3重量％至约90重量％。
Description
发明背景
本发明一般涉及气体发生，更具体涉及由含氯的气体发生剂组合物所产生的气体反生，所述的气体发生剂组合物产生或得到基本上不含氯化氢的气态排出物。
众所周知，例如在车辆发生撞击而突然减速时，用缓冲垫或袋，例如用气体膨胀或展开的″安全气囊垫″保护车辆乘客。这种安全气囊约束系统通常包括：一个或多个安全气囊垫，这些安全气囊以未充气的折叠状态保存使其空间需要最小；安装在车辆的车架或车体上的用来检测车辆突然减速的一个或多个撞击传感器；由撞击传感器电子触发的激活系统；和产生或向安全气囊垫提供气体使其安全气囊膨胀的充气装置。在车辆发生突然减速时，在不过几毫秒内，撞击传感器触发激活系统，激活系统又触发充气装置，充气装置开始向安全气囊垫充气。
本领域已揭示了许多种为一个或多个可充气约束系统安全气囊垫充气的充气装置。通过气体发生烟火材料如“气体发生剂”的燃烧来形成或产生充气气体的充气装置是众所周知的。例如，使用高温燃烧产物，包括由气体发生剂燃烧所产生的其它气体产物来补充储存和加压的气体，向一个或多个安全气囊垫中充气的充气装置是已知的。在其它已知的充气装置中，通过燃烧气体发生剂所产生的燃烧产物可以用于对安全气囊垫充气的充气气体的是单一源或基本上单一源。通常，此类充气装置包括过滤器，以便从充气气体中除去在气体发生剂组合物燃烧的过程中所形成的灰尘或颗粒物质，以限制或防止使乘客暴露在不良的和/或有毒的燃烧副产物中。
从越来越受到关注的乘客安全和避免伤害的角度来看，许多汽车通常包括若干个可充气约束系统，每一个都包括一个或多个充气装置。例如，一个车辆可包括驾驶员安全气囊、乘客安全气囊、一个或多个座位安全带预紧器、一个或多个护膝垫和/或一个或多个可充气安全带，每一个都配有充气装置，以保护驾驶员和乘客不受到来自前方的撞击。该车辆也可以包括一个或多个头/胸垫、胸垫、和/或气帘，每一个都带有至少一个充气装置，以保护驾驶员和乘客不受到来自侧面的撞击。一般而言，由特定的车内所有的充气装置所产生的气态排出物或充气气体，当作为整体考虑时，需要所包含的氯化氢不超过5ppm，以符合目前的工业安全标准。因此，希望用在此类充气装置中的气体发生剂组合物产生尽量少的氯化氢。
许多包含作为氧化剂的高氯酸铵的气体发生剂组合物是已知的。高氯酸铵作为氧气源常用在气体发生剂组合物中，其中氧气有助于气体发生剂组合物的有效燃烧，例如，碳完全转化为二氧化碳(CO2)，、氢完全转化为水(H2O)，以及氮完全转化为氮气(N2)。但是，高氯酸铵也产生浓度太高的气态燃烧副产物氯化氢，是有毒和有腐蚀性的。可以通过在烟火气体发生剂组合物中包括碱金属硝酸盐或碱土金属硝酸盐之类的净化剂化合物如硝酸钠或硝酸钾，来“净化”或从燃烧气体流中除去氯化氢气体。此类碱金属硝酸盐或碱土金属硝酸盐与氯化氢反应，生成毒性更小或没有毒性的碱金属氯化物或碱土金属氯化物，诸如氯化钠或氯化钾。但是，此类碱金属氯化物或碱土金属氯化物会形成不良的细小颗粒物质或粉尘，它们可从充气装置中泄漏。另外，包含高氯酸铵通常会提高烟火气体发生剂组合物的燃烧温度，常导致如氨气和一氧化碳之类的不利和可能有毒的排出气体的含量增加。
从以上来看，有烟火气体发生剂组合物的需要和需求，该组合物利用由使用高氯酸铵作为氧化剂来增加热量和产生氧气，而没有不利地增加充气气流中不希望有的气态和颗粒燃烧副产物。更具体地，有允许或便于包括含氯组分或物质的气体发生剂组合物的需要和需求，，这些含氯组分或物质可具有以下两点中的一点或两点：1)提供或得到含氯的排出物质，诸如较易过滤的金属氯化物，诸如可有效和高效率地从充气器内的气流中除去的物质，以及2)抑制一氧化碳和氨气的形成。有提供改进的气体产率和燃烧速率的气体发生剂组合物的需要和需求。
发明内容
本发明的一般目的是提供一种改进的气体发生剂组合物。
本发明更具体的目的是提供一种含氯的气体发生剂组合物，该组合物燃烧能够得到改进的气态排出物或充气气体。
本发明更明确的目的是克服上述的一个或多个问题。
本发明的一般目的可通过含氯气体发生剂组合物至少部分的来实现，该含氯气体发生剂组合物包括含氮燃料、高氯酸铵氧化剂和一定量的氯净化剂，氯净化剂的量能在气体发生剂燃烧时，有效地使气态排出物基本上不含有氯化氢，氯净化剂含有至少约98重量％的含铜化合物。适当地，含氯气体发生剂组合物含有不超过约占组合物1重量％的无铜氯净化剂。
现有技术一般未能提供一种含氯气体发生剂组合物，该组合物要能利用由使用高氯酸铵作为氧化剂来增加热量和产生氧气，而没有增加充气气流中不希望的气态和颗粒燃烧副产物。具体地，现有技术未能提供一种含氯气体发生剂，该气体发生剂要能利用高氯酸铵和含铜化合物，产生可过滤的金属氯化物，以便将氯化氢从气态排出物中除去，得到改进充气气体。
本发明还包括一种对机动车辆可充气约束系统的安全气囊垫进行充气的方法，其包括步骤：点燃含氯气体发生剂组合物，该组合物包括含氮燃料、高氯酸铵氧化剂、和有效量的铜化合物，以产生基本上不含氯化氢的充气气体；并且用充气气体对安全气囊垫进行充气。
本发明还包括一种提供改进的气态排出物的含氯气体发生剂组合物，其包括：
约占组合物1重量％至20重量的高氯酸铵氧化剂；
约占组合物80重量％至99重量％的前体掺混物，其包括硝酸胍燃料和一定量的氯净化剂，氯净化剂量能有效地使气态排出物基本上不含有氯化氢，
其中，至少98重量％的氯净化剂是含铜化合物。
本发明的一个方面是提供一种改进的含高氯酸铵的气体发生剂组合物，其包括非叠氮化物的有机含氮燃料。依据本发明的一个方面，其改进之处包括存在的高氯酸铵的平均粒径大于100微米，含有高氯酸铵的气体发生剂组合物也含有一定量的氯净化剂，氯净化剂的量能在气体发生剂燃烧时，有效地使气态排出物基本上不含有氯化氢。更具体地，至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物，该化合物选自碱式硝酸铜、氧化铜、二胺二硝酸铜(copper diammine dinitrate)-硝酸铵混合物-其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至约为90重量％、二胺双四唑铜(copper diamminebitetrazole)、由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜-硝酸盐配合物，以及它们的组合物。
依据本发明的一个优选实施方式，本发明提供一种含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其主要由以下物质组成：非叠氮化物的有机含氮燃料、含铜的氯净化剂，其选自选自碱式硝酸铜、氧化铜、二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物-其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至约为90重量％、二胺双四唑铜、由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜-硝酸盐配合物，以及它们的组合物；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径超过100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物的增燃速成渣(rate enchancing and slag formation)添加剂，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锌和它们的组合物，
其中，气体发生剂组合物含有不超过约占组合物1重量％的无铜氯净化剂，
非叠氮化物的有机含氮燃料、含铜的氯净化剂、高氯酸铵和金属氧化物增燃速成渣添加剂以足以使气体发生剂组合物的当量比在约0.96至约1.06的范围内的相对量存在，并且
气体发生剂组合物燃烧得到的气态排出物基本上不含有氯化氢、一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化氮。
另外，提供相应的或相关的用于对机动车辆可充气约束系统的安全气囊垫进行充气的充气气体产生的方法。此类方法通常涉及点燃具体的气体发生剂组合物，产生一定量的充气气体，然后用充气气体对安全气囊垫进行充气。
现有技术通常未能提供烟火气体发生剂组合物，该组合物要能同时由使用高氯酸铵作为氧化剂来增加热量和产生氧气，而没有不利地增加充气气流中不希望有的气态和颗粒燃烧副产物。
文中提及的“氯净化剂”应理解为是指一种能与含氯物质、化合物或组合物燃烧所产生的氯化氢气体反应，生成可过滤含氯物质、化合物或组合物的物质、化合物或组合物。
此外，提及的“可过滤”物质应理解为指由气体发生剂组合物燃烧所产生的一种物质、颗粒或化合物，该物质、颗粒或化合物可通过使气态排出物或充气气流通过过滤材料或过滤介质如筛或网从气态排出物或充气气流中除去，从而使充气装置排出的颗粒物质的含量减少。
文中提及的术语“当量比”应理解为是指气体发生剂组合物或制剂中氧的摩尔数与将氢转化为水、碳转化为二氧化碳和任何金属转化为热力学上可预测的金属氧化物所需的氧摩尔数之比。因此，当量比大于1.0的气体发生剂组合物是过氧化的，当量比小于1.0的气体发生剂组合物是欠氧化的，当量比等于1.0的气体发生剂组合物是完全氧化的。
文中提及的术语“基本上不含氯化氢”应理解为是指气态排出物或充气气体所包括的氯化氢的量等于或小于目前工业标准所允许的氯化氢的量。例如，如果汽车包括带有一个包括气体发生剂组合物的充气装置的一个可充气安全气囊垫，而当充气器排气到100ft3槽中时气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体包含等于或小于约5ppm的氯化氢，则气态排出物或充气气体基本上不含有氯化氢。
因此，文中对如一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化氮之类的可能气态排出物组分提及的“基本上不含有”，类似地是指气态排出物或充气气体所包含的这些组分的量等于或小于目前工业标准所允许的此类组分的量(USCAR规范)。例如如果汽车包括带有一个包括气体发生剂组合物的充气装置的一个可充气安全气囊垫，而当充气器排气到100ft3槽中时气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体包含等于或小于约461ppm的一氧化碳，则气态排出物或充气气体基本上不含有一氧化碳；而当充气器排气到100ft3槽中时气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体包含等于或小于约35ppm的氨气，则气态排出物或充气气体基本上不含有氨气；而当充气器排气到100ft3槽中时气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体包含等于或小于约5ppm的二氧化氮，则气态排出物或充气气体基本上不含有二氧化氮；而当充气器排放到100ft3槽中时气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体包含等于或小于约75ppm的氧化氮，则气态排出物或充气气体基本上不含有氧化氮。
通过以下的具体说明结合所附权利要求和附图，本发明其它的目的和优点对于本领域技术人员来说将会是显而易见的。
附图说明
附图是一简化的、部分断开(broken away)的示意图，用来说明依据本发明的一个实施方式，在汽车内部安全气囊垫从安全气囊模型组件安全气囊展开。
具体实施方式
本发明提供一种改进的气体发生剂组合物。依据本发明的一个方面，提供一种含氯气体发生剂组合物，其包括含氮燃料、高氯酸铵氧化剂和以一定量的氯净化剂，氯净化剂的量能有效地使气态排出物基本上不含有氯化氢。有利的是，至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物。
如上所讨论的，高氯酸铵是特别有效的用于对汽车可充气约束系统进行充气的气体发生剂组合物中的氧化剂。但是，当碱金属或碱土金属净化剂化合物也使用时，使用高氯酸铵通常会导致如氯化氢或细颗粒物质如氯化钠之类的不利副产物形成。。依据本发明，已经发现在含氯气体发生剂组合物中使用一种主要含有含铜化合物的含氯净化剂，会得到改进的气态排出物或充气气体。尤其，一般来说已经发现，生成可过滤的氯化铜副产物，可得到基本上不含氯化氢气体的气态排出物或充气气体。另外，也有利地发现，生成可过滤的氯化铜副产物，可减少排出充气装置的颗粒物含量。
而且，意外地发现，在气体发生剂组合物中包括作为氧化剂的高氯酸铵和主要由含铜化合物组成的净化剂化合物，不会导致在此气态发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体中一氧化碳含量增加。此发现是出乎意料的，因为一般来说，业已发现在气体发生剂组合物中包括高氯酸铵，通常会导致燃烧温度升高，从而导致气态排出物或充气气体中一氧化碳含量增加。另外，出乎意料地发现，一氧化碳含量比预期的含量低，并没有导致如氧化亚氮(NO)或二氧化氮(NO2)之类的不利氮氧化物含量增加，而这是通常会发生的。
而且，出乎意料地发现，在包括高氯酸和主要含有含铜化合物的净化剂化合物的气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体中存在的主要含氯物质是氯化铜(II)(CuCl2)，检测到很少或没有检测到氯化氢。此发现是出乎意料的，因为如海军武器中心推进剂评价程序(Naval WeaponsCenter Propellant Evaluation Program(PEP))之类的标准热力学预测计算机程序预测的结果是，此类含氯气体发生剂组合物燃烧所产生的气态排出物或充气气体中的主要氯物质是氯化亚铜(CuCl)和氯化亚铜三聚物，以及一些氯化氢。
除了提供燃烧时能产生改进的气态排出物的含氯气体发生剂外，还发现本发明含氯气体发生剂组合物的气体产率和燃烧速率也得到改进。此改进的气体产率和燃烧速率可通过催化高氯酸铵氧化剂分解而不对气态排出物质量造成不利的影响来获得。有利的是，可用来提高含有高氯酸铵的烟火或气体发生剂组合物的燃烧速率的物质范围很广。
从以上来看，本发明涉及一种含氯气体发生剂组合物，其包括含氮燃料、高氯酸铵氧化剂；和以一定量的氯净化剂，氯净化剂的量能在气体发生剂燃烧时，有效地使气态排出物中基本上不含有氯化氢。宜至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物。气体发生剂组合物宜含有不超过约占组合物1重量％的无铜氯净化剂。
实际上，含氯气体发生剂组合物可包括占组合物约1重量％至约20重量％的高氯酸铵，和约80％至约99％的含有含氮燃料和氯净化剂的前体掺混物。
用在前体掺混物中的有用的含氮燃料一般包括非叠氮化物的有机含氮燃料，例如包括：硝酸胺、硝胺、杂环硝基化合物、四唑化合物和它们的组合物。虽然各种含氮燃料都可用在本发明的含氯气体发生剂组合物中，但是，依据某些优选的实施方式，含氮燃料较佳的是硝酸胍。一般，硝酸胍是合乎需要的，因为其热稳定性好、成本低、燃烧时气体产率高。
前体掺混物宜包括占组合物约30重量％至约70重量％的含氮燃料。依据某些优选的实施方式，前体掺混物可包括占组合物约30重量％至约70重量％的硝酸胍。
依据本发明，前体掺混物也可以包括氯净化剂，该氯净化剂含有至少约98重量％的含铜化合物。虽然各种含铜化合物都可用在本发明的含氯气体发生剂中，合适的含铜化合物选自铜硝酸盐配合物(诸如，5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜-硝酸盐配合物)、碱式硝酸铜、氧化铜、二硝酸铜-硝酸铵混合物-其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至90重量％、二胺双四唑铜，和它们组合物。特别合适的用在实施本发明中的含铜化合物包括二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物-其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至90重量％；和碱式硝酸铜。
有利地，前体掺混物包括约占组合物30重量％至70重量％的氯净化剂，该氯净化剂含有至少约98重量％的含铜化合物。依据某些优选的实施方式，前体掺混物可包括约占组合物30重量％至68重量％的二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物，其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至90重量％。在其它优选实施方式的实施中，前体掺混物可包括约占组合物30重量％至60重量％的碱式硝酸铜。
如果需要的话，依据本发明的含氯气体发生剂组合物可较佳地含有至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。可加入此类金属氧化物添加剂来提高含氯气体发生剂组合物的燃烧速率，或者可加入此类金属氧化物通过形成可过滤颗粒物质或渣来有助于不利燃烧副产物的除去。实际上，本发明的含氯气体发生剂组合物可包括最多占组合物约10重量％的至少一种此类金属氧化物添加剂。合适的金属氧化物添加剂包括，但不限于，二氧化硅、氧化铝、氧化锌和它们的组合物。依据本发明的某些优选的实施方式，本发明的含氯气体发生剂组合物期望包括约占组合物1重量％至5重量％的至少一种此类金属氧化物添加剂。依据本发明某些优选实施方式的气体发生剂组合物宜包括约占组合物1.5重量％至5重量％的氧化铝金属氧化物增燃速成渣添加剂，和最多占组合物约1重量％的二氧化硅金属氧化物增燃速成渣添加剂。
在依据本发明的某些优选实施方式中，含氯气体发生剂组合物宜包括至少一种能有效提高高氯酸铵氧化剂燃烧的化合物。实际上，本发明的含氯气体发生剂组合物可包括最多约占组合物10重量％的至少一种此类高氯酸铵燃烧增强剂。合适的高氯酸铵燃烧增强剂包括，但不限于，氧化铁、亚铬酸铜、铁氰化物/亚铁氰化物颜料，和它们的组合物。
在本发明的某些优选实实施方式中，含氯气体发生剂组合物较佳地包括至少一种铁氰化物/亚铁氰化物颜料。此类铁氰化物/亚铁氰化物颜料，也称为“铁蓝颜料(Iron Blue Pigments)”，应理解为一般指那些基于微晶Fe(II)Fe(III)氰基配合物的一类、一族或各种颜料物质。依据X-射线和红外光谱测得的结果，认为铁蓝颜料的基本化学通式为：
Me(I)Fe(II)Fe(III)(CN)6·H2O (1)
在此通式中，Me(I)表示钾、钠或铵，认为碱离子在铁蓝的颜色性质中起着决定性的作用。铁蓝颜料，有时也称为“铁氰化铁”，已经以各种不同的名字来生产或出售，这些名字与该化合物的产地有关，或者表示特别的光学性质。这些不同名字的例子包括：例如，“柏林蓝”、“青铜蓝”、“中国蓝”、“米洛丽蓝”、“非青铜蓝(Non-bronze Blue)”、“巴黎蓝”、“普鲁士蓝”、“色调蓝(Toning Blue)”和“腾氏蓝(Turnbull’s Blue)”。
本领域技术人员在文中所述说明的指引下，会意识到如上所述的、各种具体或特殊的铁蓝颜料铁氰化铁物质是可以得到的。Degussa Corp.生产或出售的MANOX-Blue 4050铁蓝颜料铁氰化铁是目前优选的用于实施本发明的铁蓝颜料物质。
从以上来看，依据本发明某些优选实施方式的含氯气体发生剂组合物可包括约占组合物1重量％至20重量％的高氯酸铵，和约占组合物80重量％至99重量％的前体掺混物，该前体掺混物含有约占组合物30重量％至60重量％的硝酸胍、约占组合物30重量％至68重量％的二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物-其中硝酸铵在混合物存在的量为约3重量％至90重量％，以及最多约占组合物10重量％的二氧化硅。
另一方面，依据本发明某些优选实施方式的含氯气体发生剂组合物可包括约占组合物1重量％至20重量％的高氯酸铵，和约占组合物80重量％至99重量％的前体掺混物，该前体掺混物含有约占组合物35重量％至60重量％的硝酸胍、约占组合物30重量％至60重量％的碱式硝酸铜，以及最多约占组合物5重量％的至少一种金属氧化物添加剂。实际上，前体掺混物可还含有最多约占组合物5重量％的至少一种高氯酸铵燃烧增强剂。
含氯气体发生剂组合物中也可以包括其它的如操作助剂之类的添加剂，以提高该组合物的可操作性。一般来说，此类包括在含氯气体发生剂组合物中的添加剂以较低的浓度存在，诸如占组合物不超过约5重量％。
结合以下用来说明或模拟本发明实施中所涉及的各方面的实施例，对本发明进行更具体的描述。应理解，所有落在本发明精神内的修改都是要保护的，因此本发明不受这些实施例的限制。
实施例
实施例1：
按表1所示制备当量比相同的、依据本发明的含氯气体发生剂组合物(实施例1)和不含氯的气体发生剂组合物(对比例1)。
表1
| 化合物(重量％) | 实施例1 | 对比例1 |
| 高氯酸铵硝酸胍二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物，其中硝酸铵在混合物占3重量％二氧化硅总和当量比 | 20.0046.5729.354.08 | -----42.9551.955.10 |
| 100.001.0 | 100.001.0 |
各气体发生剂组合物被压制成直径为0.25英寸，厚0.070英寸的片剂。然后，通过在测试设备中燃烧30克片剂排气到60升槽内对各气体发生剂组合物进行测试。用傅立叶变换红外光谱法(FTIR)分析所得气态排出物，以鉴别和定量排出物中痕量物质。用X射线衍射光谱法分析(XRF)残余颗粒，以鉴别和定量残余颗粒中存在的金属物质。
实施例1的气体发生剂组合物包括0.13摩尔铜和0.17摩尔氯，当量比为1.0。对于实施例1的气体发生剂组合物，海军武器中心推进剂评价程序(Naval Weapons Center Propellant Evaluation Program(PEP))预测其气态排出物将包括氯化氢(HCl)、氯化亚铜(CuCl)和氯化亚铜的三聚物(Cu3Cl3)。但是，实施例1的气体发生剂组合物的燃烧产物的FTIR和XRF分析则表明没有检测到氯化氢，残余颗粒中的主要铜物质是氯化铜(II)(CuCl2)。
而且，比较实施例1和对比例1的气体发生剂组合物的气态燃烧副产物表明，如表2所示，依据本发明的实施例1的气体发生剂组合物与对比例1的气体发生剂组合物相比，其产生的如一氧化碳、氧化亚氮和二氧化氮之类的不利痕量气体物质的含量明显减少。
表2
| 气体物质(ppm) | 实施例1 | 对比例1 |
| 一氧化碳氧化氮二氧化氮 | 1385374436 | 52315427377 |
实施例2：
按表3所示制备当量比相同的、依据本发明的含氯气体发生剂组合物(实施例2)和不含氯的气体发生剂组合物(对比例2)。
表3
| 化合物(重量％) | 实施例2 | 对比例2 |
| 高氯酸铵硝酸胍碱式硝酸铜二氧化硅氧化铝总和当量比 | 3.0048.8745.220.292.62 | -----50.3846.620.302.70 |
| 100.001.04 | 100.001.02 |
用各气体发生剂组合物形成直径为0.25英寸，厚为0.07英寸的片剂。通过在一个标准乘客充气器内燃烧42克片剂排气到100立方英尺槽内对气体发生剂组合物进行测试。所得的气态排出物用FTIR来鉴别和定量排出物中的痕量物质。
基于过去的经验，可以预计实施例2的气体发生剂组合物与对比例2的气体发生剂组合物相比，会产生含有更多氮氧化物的气态排出物。但是，如表4所示，各气体发生剂组合物的气态排出物分析表明，与对比例2的气体发生剂组合物相比，实施例2的气体发生剂组合物产生的气态排出物中检测不到氯化氢，且一氧化碳含量减少，氧化氮也没有明显增加。
表4
| 气体物质(ppm) | 实施例2 | 对比例2 |
| 一氧化碳氧化亚氮 | 14424 | 16122 |
实施例3
按表5所示制备相似的、依据本发明(实施例3)的含氯气体发生剂组合物和标准到的不含氯的气体发生剂组合物(对比例3)。通过首先使用液压机将各气体发生剂组合物试样压制成(12000lbs力)直径为0.5英寸的圆柱体形状来得到下表5中所示的燃烧速率数据。通常，用足够多的粉末组合物来得到长为0.5英寸的圆柱体。然后将该圆柱体除顶面以外的所有面上都涂敷krylon点火抑制剂，以有助于确保在测试设备中线性燃烧。在各情况下，将如此涂敷的圆柱体放置在1升能够加压到几千磅/平方英寸的氮气压力的密闭容器或测试室内，并且该测试室装有压力传感器，用来准确测量测试室的压力。将一个很小的点火粉末样品放置在圆柱体的顶部，一根镍铬合金线穿过点火粉末，连接到安装在测试室盖上的电极上。然后将测试室加压到所需的压力，对镍铬合金线通电点燃样品。在每个样品燃烧时收集压力对时间的数据。因为每个样品燃烧都产生气体，所以测试室压力升高标志着燃烧开始，而压力“趋平”则标志着燃烧结束。燃烧所需的时间等于t2-t1，其中t2是燃烧结束的时间，t1是燃烧开始的时间。用样品重量除以燃烧时间来确定燃烧速率，单位是克/秒。通常在四个压力(900、1350、2000和3000psi)下测量燃烧速率。绘制燃烧速率的对数对平均压力的对数的曲线。从该线可以通过使用下列燃烧速率等式来计算任何压力下的燃烧速率：
rb＝K(P)n
其中：
rb＝燃烧速率(线性)
K＝常数
P＝压力
n＝压力常数。
从表5中可以看出，，实施例3的气体发生剂组合物燃烧得到的燃烧速率和气体产率优于对比例3的气体发生剂组合物。
表5
| 化合物(重量％) | 实施例3 | 对比例3 |
| 高氯酸铵硝酸胍碱式硝酸铜二氧化硅氧化铝MANOX铁蓝总和结果 | 10.0049.6338.37-----1.500.50100.00 | -----50.3846.620.302.70-----100.00 |
| 1.123.00 | 0.822.87 | |
| 燃烧速率(英尺/秒@3000psi)气体产率(摩尔/100克) |
因此，本发明提供具有改进的排出物的含氯气体发生剂组合物。具体地说，本发明提供一种含氯气体发生剂，其包括高氯酸铵氧化剂和前体掺混物，该前体掺混物含有含氮燃料和一定量的氯净化剂，氯净化剂的量能有效地使当气体发生剂组合物燃烧时气态排出物中基本上不含有氯化氢，其中至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物。而且，本发明提供一种含氯气体气体发生剂组合物，该组合物在燃烧时能够产生含量较低的不利痕量气体物质，诸如一氧化碳和氧化氮。另外，本发明提供一种含氯气体发生剂组合物，该组合物与不含高氯酸铵的气体发生剂组合物相比，其燃烧速率和气体产率都得到改进。
依据本发明的另一个方面，已经发现，通过在气体发生剂组合物中包括粒径足够的高氯酸铵颗粒，气体发生剂的排出产物可以得到显著的改进(例如，所得的排出物具有含量明显减少的不利物质，诸如氯化氢、一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化亚氮中的一种或多种)。更具体地，已经发现，与燃烧同样的但是不含有以下所述粒径的高氯酸铵颗粒的气体发生剂组合物所产生的排出物相比，在气体发生剂组合物中包括平均粒径大于100微米、优选平均粒径至少约为200微米的高氯酸铵颗粒，能够显著地改进包括上述粒径的高氯酸铵颗粒的气体发生剂组合物燃烧所产生的排出物。依据本发明的至少某一些优选的实施方式，已经发现，包括在本发明的气体发生剂组合物中的高氯酸铵颗粒的平均粒径为约350微米至约450微米是有利的。
实际上，已经发现，依据本发明的这个方面的气体发生剂组合物宜包括所需粒径的高氯酸铵颗粒，其相对量占组合物约1重量％至约10重量％。
发现当量比在约0.96至约1.06范围、优选在约0.99至约1.04范围内的气体发生剂组合物在改进产物排出物方面是合乎需要的，例如减少或最小化如一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化亚氮之类的不利气体物质的量。
依据本发明的合适的气体发生剂组合物包括：
1.一种组合物，可选地包括下列组分、由下列组分和基本上由下列组分组成：
约占组合物40重量％至60重量％的硝酸胍；
约占组合物35重量％至50重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的金属氧化物增燃速成渣添加剂；
2.一种组合物，可选地包括下列组分、由下列组分和基本上由下列组分组成：
约占组合物40重量％至50重量％的硝酸胍；
约占组合物40重量％至55重量％的二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物，其中硝酸铵在混合物中存在的量为约3重量％至90重量％；；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂；
3.一种组合物，可选地包括下列组分、由下列组分和基本上由下列组分组成：
约占组合物10重量％至40重量％的硝酸胍；
约占组合物45重量％至60重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物5重量％至30重量％的二胺双四唑铜；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂；
4.一种组合物，可选地包括下列组分、由下列组分和基本上由下列组分组成：
约占组合物10重量％至60重量％的硝酸胍；
约占组合物1重量％至35重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物10重量％至60重量％的由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应得到的铜-硝酸盐配合物；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂；
尤其，5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应形成的铜-硝酸盐配合物被认为是羟基硝酸铜1H-四唑-5-胺配合物。
各种制备方法，例如本领域中已知的方法可用来制备依据本发明的气体发生剂组合物。例如，各种气体发生剂组合物化合物(除高氯酸铵外)都可以通过浆料混合、然后喷雾干燥以形成均匀粉末来制备。然后可将此均匀粉末与所需粒径的高氯酸铵颗粒掺混，使用低能输入混合器来进行以使高氯酸铵保持所需的粒径。然后将所得的掺混物进行适当地加工，例如压成片，使组合物形成所需的具体形状或形式。
虽然本领域技术人员在文中所述说明的指导下，会意识到各种制备技术，例如本领域中已知的技术可用来制备依据本发明的气体发生剂组合物，本发明的实施通常需要最终的气体发生剂组合物包括粒径在特定范围内的高氯酸铵颗粒。
本发明还提供一种对机动车辆中可充气约束系统的安全气囊垫进行充气的方法，其包括步骤：点燃依据本发明的气体发生剂组合物，产生一定量的充气气体，然后用充气气体对安全气囊垫进行充气。将意识到，充气气体基本上不含有氯化氢，也基本上不含有一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化氮。
将意识到，依据本发明的气体发生剂组合物可结合在各种不同的结构、组件和系统中，与它们一起使用或实施。作为代表，图中描述了一辆装置10，该汽车10具有一个内部12，其中放置一般用参数14来表示的可充气汽车乘客安全约束系统。将意识到，为了简化说明和理解，对于理解本发明不需要的标准元件已从图中省去或除去。
汽车乘客安全约束系统14包括一个开口的反应罐16，该反应罐16形成可充气汽车乘客限制器20如可充气安全气囊垫的一个外罩；和一般用参数22表示的、产生或提供用于对相关的乘客限制器充气的充气气体的设备。如上所述，此类气体发生装置常称为“充气器”。
充气器22含有一定量的依据本发明的气体发生剂组合物，例如那些上述的气体发生剂组合物。充气器22也可以包括一个点火器，例如本领域中已知的点火器，用来在点燃连接的气体发生剂组合物的过程中引起气体发生剂组合物的燃烧。将意识到，充气装置的具体构造形式不会形成对本发明的实施范围的限制，此充气装置可以是不同的构造形式，例如是本发明中已知的。
实际上，安全气囊垫20展开后可以通过限制乘客冲向汽车前方即从图中看向右的方向上的移动对汽车乘客24提供所需的保护，。
结合以下用来说明或模拟本发明实施中所涉及的各方面的实施例，对本发明进行更具体的描述。应理解，所有落在本发明精神内的修改都是受保护的，因此本发明不受限于这些实施例。
实施例
对比例4和5和实施例4-6
对于这些测试中的每一个，都制备表6中所示的组合物(化合物值以“占组合物重量％”表示)。更具体地，对碱式硝酸铜、硝酸胍、氧化铝和二氧化硅进行浆料混合，然后喷雾干燥形成粉末前体。在这些包括高氯酸铵的测试中，使用低能输入混合器将所需粒径的高氯酸铵颗粒与粉末前体掺混，以使高氯酸铵保持所需的粒径。然后使用普通的压片加工对所得的掺混物进行适当地压片。
表6
| 化合物(重量％) | CE4 | CE5 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| BCNCuNO3Al2O3SiO2AP(20μ)AP(200μ)AP(400μ)性质 | 46.6250.382.70.3nanana | 45.2751.722.70.3nanana | 45.248.912.60.293nana | 45.248.912.60.29na3na | 42.4751.532.70.3nana3 |
| 1.02 | 1.00 | 1.04 | 1.04 | 1.00 | |
| ER |
其中，
bCN＝碱式硝酸铜；
CuNO3＝硝酸胍；
AP＝高氯酸铵；和
na＝不适用。
使用标准测试设备硬件对成片剂的组合物进行评价，其中，每种组合物燃烧，并排气到100立方英尺的罐中。用对比例4和5(CE4和CE5)和实施例4和5(Ex4和Ex5)中的各组合物进行三次测试，使用实施例6(Ex6)中的组合物进行10次测试。用FTIR来测试每次测试中所产生的气态排出物，来鉴别和定量排出物中存在的痕量物质，使用各组合物进行的测试的平均结果示于表7中。表7中还列出了各个所列组分的USCAR规范。
表7
| CE4 | CE5 | Ex4 | Ex5 | Ex6 | USCAR | |
| CONH3NONO2HCl | 33010085200 | 4102105540 | 2401513050＜2 | 180301059＜2 | 3382132＜1＜2 | 461357555 |
结果与讨论
如表6所示，对比例4(CE4)的组合物不能满足规范对NH3、NO和NO2的要求。但是，在对比例5(CE5)中，当量比(ER)低到1.0时，NO和NO2改进到使组合物满足相关规范的点，但是，CO和NH3增加到超过规范的限值。因此，对比例4和对比例5的组合物表明行为往往是被认为是当量比“跷跷板摇摆(teeter-totter)”。即，当量比降低时，如CO和NH3之类的欠氧化的物质增加，而如NO和NO2之类的过氧化的物质减少。当量比增加时，则相反。
与对比例4相比，当量比为1.04时包括20微米高氯酸铵(实施例4)可降低CO和NH3的含量，但是却提高了NO和NO2的含量。这被预料到是上述当量比跷跷板摇摆的结果。但是，如实施例5所示，在相同当量比下包括粒径为200微米的高氯酸铵，可以在CO、NO和NO2方面改进排出物。而且，在实施例6中，在当量比为100时，在组合物中包括粒径为400微米的高氯酸铵可以在所有方面(CO、NH3、NO和NO3)显著改进排出物，使每一规范都得到适当得满足。
本文中所阐述的本发明可适合在本文没有具体揭示的任何元件、部分、步骤、成分或组分不存在条件下实施。
虽然在前文的详细描述中，结合本发明某些优选的实施方式对本发明进行了详细描述，并且为了说明的目的，陈述了许多细节，但是本发明可以允许有其它的实施方式，并且在不背离本发明的基本原理的情况下，文中所述的某些细节可作很大修改，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
Claims (36)
1.一种含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其包括非叠氮化物的有机含氮燃料，其改进包括：
所述高氯酸铵以超过100微米的平均粒径存在，以及
所述含有高氯酸铵的气体发生剂组合物还含有氯净化剂，该净化剂的量可在气体发生剂燃烧时有效地使气体排出物基本上不含有氯化氢，其中至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物，该化合物选自碱式硝酸铜、氧化铜、二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物、二胺双四唑铜、由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜-硝酸盐配合物以及它们的组合，其中所述二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物中，硝酸铵的量约占3重量％至90重量％。
2.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述高氯酸铵以至少约200微米的平均粒径存在。
3.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述高氯酸铵以约350微米至约450微米的平均粒径存在。
4.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述组合物的当量比约为0.96至1.06。
5.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，在所述组合物燃烧时，气态排出物也基本上不含有一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化氮。
6.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述非叠氮化物的有机含氮燃料选自胺硝酸盐、硝胺、杂环硝基化合物、四唑化合物、以及它们的组合。
7.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述非叠氮化物的有机含氮燃料是硝酸胍。
8.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述含铜化合物是碱式硝酸铜。
9.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述含铜化合物是氧化铜。
10.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述含铜化合物是二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物，其中硝酸铵在混合物中占的量约为3重量％至90重量％。
11.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述含铜化合物二胺双四唑铜。
12.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述含铜化合物是由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜-硝酸盐配合物。
13.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述组合物含有占组合物不超过约1重量％的无铜氯净化剂。
14.如权利要求13所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，在含有高氯酸铵的气体发生剂组合物中存在的非叠氮化物的有机含氮燃料、高氯酸铵、含铜化合物及任何金属氧化物添加剂，皆以足以使含高氯酸铵的气体发生剂组合物的当量比约为0.96至1.06的相对量存在，并且气体发生剂组合物燃烧时产生的气态排出物也基本上不含有一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化氮。
15.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其基本上由以下组成：
约占组合物40重量％至60重量％的硝酸胍；
约占组合物35重量％至50重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；以及
约占组合物1重量％至5重量％的金属氧化物增燃速成渣添加剂。
16.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其基本上由以下组成：
约占组合物40重量％至50重量％的硝酸胍；
约占组合物40重量％至55重量％的二胺硝酸铜-硝酸铵混合物，其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至90重量％；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。
17.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述组合物包括：
约占组合物10重量％至40重量％的硝酸胍；
约占组合物45重量％至60重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物5重量％至30重量％的二胺双四唑铜；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。
18.如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述组合物包括：
约占组合物10重量％至60重量％的硝酸胍；
约占组合物1重量％至35重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物10重量％至60重量％的由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应得到的铜-硝酸盐配合物；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。
19.一种产生用于对机动车辆中可充气约束系统的安全气囊垫进行充气的充气气体的方法，其包括以下步骤：
点燃如权利要求1所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，以产生一定量的充气气体；以及
用所述充气气体对安全气囊垫进行充气。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述充气气体基本上不含有氯化氢。
21.一种含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其基本上由以下组成：
非叠氮化物的有机含氮燃料；
含铜氯净化剂，其选自碱式硝酸铜、氧化铜、二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物、二胺双四唑铜、由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应所得的铜-硝酸盐配合物和它们的组合物，其中在所述二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物中，硝酸铵存在的量约为3重量％至90重量％；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径超过100微米；以及
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂，其选自二氧化硅、氧化铝、氧化锌、和它们的组合，
其中，所述气体发生剂组合物含有不超过占组合物约1重量％的无铜氯净化剂，
其中非叠氮化物的有机含氮燃料、含铜氯净化剂、高氯酸铵和金属氧化物增燃速成渣添加剂以足以使气体发生剂组合物的当量比在约0.96至约1.06的范围内的相对量存在，并且
所述气体发生剂组合物燃烧时产生的气态排出物基本上不含有氯化氢、一氧化碳、氨气、二氧化氮和氧化氮。
22.如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述高氯酸铵以至少约200微米的平均粒径存在。
23.如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述高氯酸铵以约350微米至约450微米的平均粒径存在。
24.如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其基本上由以下组成：
约占组合物40重量％至60重量％的硝酸胍；
约占组合物35重量％至50重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；以及
约占组合物1重量％至5重量％的金属氧化物增燃速成渣添加剂。
25.如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其基本上由以下组成：
约占组合物40重量％至50重量％的硝酸胍；
约占组合物40重量％至55重量％的二胺二硝酸铜-硝酸铵混合物，其中硝酸铵在混合物中存在的量约为3重量％至90重量％；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。
26.如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述组合物基本上由以下组成：
约占组合物10重量％至40重量％的硝酸胍；
约占组合物45重量％至60重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物5重量％至30重量％的二胺双四唑铜；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。
27.如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，其特征在于，所述组合物基本上由以下组成：
约占组合物10重量％至60重量％的硝酸胍；
约占组合物1重量％至35重量％的碱式硝酸铜；
约占组合物10重量％至60重量％的由5-氨基四唑与碱式硝酸铜反应得到的铜-硝酸盐配合物；
约占组合物1重量％至10重量％的高氯酸铵，其平均粒径大于100微米；
约占组合物1重量％至5重量％的至少一种金属氧化物增燃速成渣添加剂。
28.一种产生用于对机动车辆中可充气约束系统的安全气囊垫进行充气的充气气体的方法，其包括以下步骤：
点燃如权利要求21所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，以产生一定量的充气气体；以及
并且用所述充气气体对安全气囊垫进行充气。
29.一种含氯气体发生剂组合物，其包括：
含氮燃料；
高氯酸铵氧化剂；以及
氯净化剂，该净化剂的量能够在气体发生剂燃烧时有效地使气体排出物基本上不含有氯化氢；
其中至少约98重量％的氯净化剂是含铜化合物。
30.如权利要求29所述的含氯气体发生剂组合物，其特征在于，所述含铜化合物选自铜硝酸盐配合物、碱式硝酸铜、氧化铜、以及它们的组合。
31.如权利要求29所述的含氯气体发生剂组合物，其包括：
约占组合物1重量％至20重量％的高氯酸铵；以及
约占组合物80重量％至99重量％的前体掺混物，
其中所述前体掺混物包括含氮燃料和氯净化剂。
32.如权利要求31所述的含氯气体发生剂组合物，其特征在于，所述前体掺混物包括：
约占组合物30重量％至70重量％的含氮燃料；以及
约占组合物30重量％至70重量％的氯净化剂。
33.如权利要求32所述的含氯气体发生剂，其特征在于，所述前体掺混物还包括最多占组合物约10重量％的至少一种能有效增强高氯酸铵燃烧的化合物。
34.如权利要求33所述的含氯气体发生剂，其特征在于，所述燃烧增强剂选自氧化铁、亚铬酸铜、铁蓝颜料、以及它们的组合。
35.如权利要求33所述的含氯气体发生剂，其特征在于，所述燃烧增强剂是铁蓝颜料。
36.一种产生用于对机动车辆中可充气约束系统的安全气囊垫进行充气的充气气体的方法，其包括以下步骤：
点燃如权利要求29所述的含有高氯酸铵的气体发生剂组合物，以产生一定量的充气气体；以及
并且用所述充气气体对安全气囊垫进行充气。
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