DE10009819A1

DE10009819A1 - Verfahren zur Herstellung von Treibstoff-Formlingen

Info

Publication number: DE10009819A1
Application number: DE10009819A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Zeuner; Achim Hofmann; Roland Schropp; Karl-Heinz Roedig
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2001-09-06
Also published as: US6592778B2; US20010018812A1; EP1130008A2; EP1130008A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Treibstoff-Formlingen zur Verwendung in Gasgeneratoren für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen durch Extrusion, welches die folgenden Schritte umfaßt: Vermischen der Bestandteile des Treibstoffs und Anteigen der Mischung mit einem Lösungsmittel unter Bildung einer plastifizierbaren Masse, Extrusion der plastifizierbaren Masse zur Bildung von Treibstoff-Formlingen, und Trocknung der Treibstoff-Formlinge zur Entfernung des Lösungsmittels, wobei dem Lösungsmittel ein die Viskosität erhöhendes Verdickungsmittel zugesetzt wird, in einem Anteil von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Treibstoff-Formlingen zur Verwendung in Gasgeneratoren für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen durch Extru sion. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Treibstoff-Formling zur Verwendung in Gasgeneratoren für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen, erhältlich durch ein Extrusionsverfahren gemäß der Erfindung.

Treibstoff Formlinge, auch Pellets genannt, werden als gaserzeugendes Mittel in Gasgeneratoren von Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der Vorteil des Extrudierverfahrens gegenüber dem Pressen von Pellets aus trockenen, fein gemahlenen Rohstoffen liegt darin, daß es keiner Einschränkung bezüglich der Formgebung der Pellets unterliegt und damit eine gezielte Einstellung der Abbrandcharakteristik ermöglicht.

Bei der Extrusion muß allerdings im Hinblick auf die Gefährdung durch Selbstentzündung darauf geachtet werden, mit einer möglichst geringen thermischen und mechanischen Belastung den Treibstoff zu extrudieren.

Um Treibstoff-Formlinge durch Extrusion herzustellen, ist es notwendig, daß die extrudierte Masse eine gewisse Plastizität aufweist. In bisherigen Verfahren wird dazu der Treibstoff zusätzlich zu einem Lösungsmittel mit einem Binder versetzt. Der Binderanteil liegt dabei selten unter 12 bis 15%. Als Binder werden zumeist Polymere, Kohlenwasserstoffe oder Silikone eingesetzt, die eine sehr negative Sauerstoffbilanz aufweisen. Dies macht es erforderlich, den Oxidatoranteil in der Masse zu erhöhen. Es ist auch bekannt, anorganische Binder wie Bentonite zu verwenden, was jedoch zu einer starken Reduktion der Abbrandgeschwindigkeit führt.

Bei der Extrusion dieser binderhaltigen plastifizierbaren Massen können verschiedene Probleme auftreten. Es kann beispielsweise zu einer Inhomogenität der Suspension kommen, die durch eine inhomogene Verteilung der Binderpartikel und des Lösungsmittels verursacht wird, so daß sich eine nicht eindeutige Druck/Volumenstrom-Korrelation ergibt. Dies führt dazu, daß der Extrusionsdruck entsprechend der Feststoffkonzentration oszilliert.

Infolge eines Druckabfalls über der Extrusionskapillare ist auch ein überproportionaler Flüssigkeitsstrom durch die Kapillare möglich, was zu einer Entwässerung der Extrusionsmasse und damit zu einem Ansteigen des Extrusionsdrucks führt.

Aufgrund des Extrusionsdrucks kann außerdem ein gewisser Flüssigkeitsanteil in Mikroporen zwischen den Treibstoff und den Binderpartikeln gepreßt werden. Wegen der Verminderung der frei beweglichen Flüssigkeitsmenge wird dann die Masse steifer und der Extrusionsdruck steigt.

Schließlich kann es zu Oberflächenschäden aufgrund der Verhärtung wandnaher Zonen der Extrusionsmasse kommen. Dieser Effekt tritt vor allem auf, wenn aushärtende Binder verwendet werden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Extrusion von Treibstoff- Formlingen vorzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Dies wird dadurch erreicht, daß die Bestandteile des Treibstoffs vermischt werden und die Mischung mit einem Lösungsmittel unter Bildung einer plastifizierbaren Masse angeteigt wird, die plastifizierbare Masse zur Bildung von Treibstoff-Formlingen extrudiert wird und die Treibstoff-Formlinge zur Entfernung des Lösungsmittels getrocknet werden, wobei dem Lösungsmittel ein die Viskosität erhöhendes Verdickungsmittel in einem Anteil von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittel, zugesetzt wird. Die Treibstoffkomponenten werden in diesem viskosen Lösungsmittel aufgeschlämmt, wodurch eine plastifizierbare Masse entsteht. Es kann also vollständig auf Binder verzichtet werden. Da das Lösungsmittel selbst eine durch den Zusatz des Verdickungsmittels erhöhte Viskosität aufweist, wird der oben beschriebene Entwässerungseffekt verringert. Aus dem gleichen Grund dringt weniger Lösungsmittel in Poren zwischen den Treibstoffpartikeln ein, außerdem wird die Zahl der Poren dadurch verringert, daß kein partikelförmiger Binder zugesetzt wird.

Vorteilhafterweise wird das Lösungsmittel in einem Anteil von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf den Treibstoff, eingesetzt. Besonders bevorzugt beträgt der Lösungsmittelanteil 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den Treibstoff. Bei diesen Mengenverhältnissen ergibt sich eine gut extrudierbare Masse.

Das Verdickungsmittel wird bevorzugt in einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittel, eingesetzt. Die Menge der zugesetzten Verdickungsmittel liegt damit im allgemeinen weit unter der Menge des Binders bei anderen extrudierten Treibstoffen. Dadurch wird die Rezeptur des Treibstoffes und damit seine Abbrandeigenschaft, seine Sauerstoffbilanz und seine Stabilität nur sehr wenig verändert.

In einer bevorzugten Zusammensetzung ist der Anteil des Verdickungsmittels in dem Treibstoff nach der Entfernung des Lösungsmittels kleiner als 3 Gew.-%. Da das Lösungsmittel nach dem Extrusionsvorgang beim Trocknen der Treibstoff-Formlinge nahezu vollständig aus diesen verdunstet, beeinflußt das Lösungsmittel die Rezeptur des Treibstoffes kaum. Der geringe Anteil an Verdickungsmittel, der weit unter der im allgemeinen beim Einsatz von Bindern verwendeten Menge liegt, sorgt dafür, daß die Rezeptur des Treibstoffes nur unwesentlich verändert wird.

Bevorzugt wird das Verdickungsmittel aus der aus den natürlichen organischen Verdickungsmitteln, den modifizierten organischen Verdickungsmitteln, den vollsynthetischen organischen Verdickungsmitteln und den natürlichen anorganischen Verdickungsmitteln bestehenden Gruppe ausgewählt. Besonders bevorzugt werden die natürlichen organischen Verdickungsmittel aus der aus Alginaten, Agar Agar, Arabicum, Carraghen, Casein, Dextrinen, Furcellaran, Gelatine, Ghatti, Guarkernmehl, Johannisbrotkernmehl, Karaya, Konjak, Pektinen, Pfeilwurzelstärke, Polyosen, Tamarindenmehl, Tarakernmehl, Traganth und Xanthan bestehenden Gruppe eingesetzt. Dies sind leicht erhältliche und ohne schädliche Umwelteinflüsse abbrennende Stoffe.

Ebenfalls bevorzugt eingesetzt werden die modifizierten organischen Verdickungsmittel aus der aus Carboxymethylcellulose, Celluloseether, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose und Kernmehlether bestehenden Gruppe ausgewählt. Besonders bevorzugt wird die Verwendung von Hydroxyethylcellulose. Auch diese Stoffe sind leicht erhältlich, gut verarbeitbar und erzeugen beim Abbrand keine für den Menschen schädlichen Substanzen.

Die vollsynthetischen organischen Verdickungsmittel werden bevorzugt aus der aus Polyacrylverbindungen, Polymethacrylverbindungen, Vinylpolymeren, Polycarbonsäuren, Polyethern, Polyminen und Polyamiden bestehenden Gruppe ausgewählt.

Die natürlichen anorganischen Verdickungsmittel werden bevorzugt aus der aus Kieselsäuren, Polykieselsäuren und Wasserglas bestehenden Gruppe ausgewählt. Auch diese Stoffe sind leicht zu erhalten und zu verarbeiten und bilden beim Abbrand keine schädlichen Stoffe.

Bevorzugt wird das Lösungsmittel aus der aus Wasser, Alkoholen, Ethern, Aldehyden, Ketonen, Carbonsäuren, Carbonsäureestern, Carbonsäureamiden, Aminen und Ammoniak sowie deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt. Mit diesen weitgehend rückstandslos verdunstenden Stoffen lassen sich im Zusammenhang mit den oben genannten bevorzugten Verdickungsmitteln extrudierbare Massen gemäß der Erfindung herstellen.

Besonders bevorzugt wird als Lösungsmittel Wasser, (Ethyl-)Alkohol oder ein Wasser- Alkohol-Gemisch eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt wird als Lösungsmittel Wasser verwendet. Diese Lösungsmittel sind preisgünstig, unschädlich und einfach zu verarbeiten.

Vorteilhafterweise ist der Treibstoff ein Gemisch aus Guanidinnitrat, Kupferoxid (CuO), basischem Kupfernitrat, Ammoniumperchlorat (APC), Natriumnitrat und Eisenoxid (Fe₂O₃). Zusammen mit einem der oben genannten Verdickungsmittel, besonders bevorzugt mit Hydroxyethylcellulose und dem Zusatz von Wasser, läßt sich eine plastifizierbare Masse herstellen, aus der Treibstoff-Formlinge extrudiert werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles hervor.

Beispiel

Eine Treibstoffmischung, die aus
45,57 Teilen Guanidinnitrat
12,65 Teilen Kupferoxid
24,48 Teilen basischen Kupfernitrat
4,11 Teilen Ammoniumperchlorat
3,01 Teilen Natriumnitrat und
9,69 Teilen Eisenoxid (Fe₂O₃),
besteht, wird mit 24 Teilen einer 2%igen Lösung von Hydroxyethylcellulose (MG: 1.500.000) in Wasser vermischt. Die Hydroxyethylcellulose-Lösung in Wasser weist eine Viskosität von 3.500 bis 5.500 Pas auf.

Die Mischung wird in einem Planetenmischer angeteigt und in einem Einschnec kenextruder mit 19 mm Durchmesser extrudiert. Dabei werden Rundstrangdüsen von 4 mm Durchmesser und einer Drehzahl von 20 Umdrehungen/Minute bei einem Druck von 30 bar eingesetzt. Anschließend erfolgt eine Trocknung der Treibstoff-Formlinge.

Die Dichte des so extrudierten und getrockneten Treibstoffes liegt mit 1,86 g/cm³ um ca. 10% niedriger als beim trockenen Verpressen des gemahlenen Satzes.

Die gleiche Treibstoffmischung mit Wasser versetzt, ohne den Zusatz von Hydroxy ethylcellulose, zeigt keine Plastizität. Diese mit reinem Wasser angesetzte Masse zeigt das oben beschriebene Phänomen des Entwässerns und läßt sich nicht extrudieren.

Außerdem hat sich gezeigt, daß durch die Zugabe des Verdickungsmittel zu dem Lösungsmittel die zum Anteigen benötigte Lösungsmittelmenge deutlich reduziert werden kann. Im oben genannten Beispiel ergibt sich eine optisch vergleichbare, aber nicht extrudierbare plastische Masse erst bei der Zugabe von ca. 29 Gew.-% der Treibstoffmasse an reinem Wasser, im Vergleich mit 24% der Wasser-Hydroxyethylcellulose-Lösung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwendung mit der vorgenannten Treibstoffzusammensetzung beschränkt. Vielmehr ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens nahezu jede beliebige Treibstoffzusammensetzung extrudierbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Treibstoff-Formlingen zur Verwendung in Gasgene ratoren für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen durch Extrusion, welches die folgenden Schritte umfaßt:
Vermischen der Bestandteile des Treibstoffs und Anteigen der Mischung mit einem Lö sungsmittel unter Bildung einer plastifizierbaren Masse;
Extrusion der plastifizierbaren Masse zur Bildung von Treibstoff-Formlingen; und
Trocknen der Treibstoff-Formlinge zur Entfernung des Lösungsmittels,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Lösungsmittel ein die Viskosität erhöhendes Verdic kungsmittel zugesetzt wird, in einem Anteil von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Lö sungsmittel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel in ei nem Anteil von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf den Treibstoff, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel in ei nem Anteil von 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den Treibstoff, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver dickungsmittel in einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittel, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der An teil des Verdickungsmittels in dem Treibstoff nach der Entfernung des Lösungsmittels kleiner als 3 Gew.-% ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdickungsmittel aus der aus den natürlichen organischen Verdickungsmitteln, den modi fizierten organischen Verdickungsmitteln, den vollsynthetischen organischen Verdickungsmit teln und den natürlichen anorganischen Verdickungsmitteln bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die natürlichen organi schen Verdickungsmittel aus der aus Alginaten, Agar Agar, Arabicum, Carraghen, Casein, Dextrinen, Furcellaran, Gelatine, Ghatti, Guarkernmehl, Johannisbrotkernmehl, Karaya, Kon jak, Pektinen, Pfeilwurzelstärke, Polyosen, Tamarindenmehl, Tarakernmehl, Traganth und Xanthan bestehenden Gruppe ausgewählt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierten organi schen Verdickungsmittel aus der aus Carboxymethylcellulose, Celluloseether, Hydroxyethyl cellulose, Hydroxypropylcellulose und Kernmehlether bestehenden Gruppe ausgewählt wer den.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vollsynthetischen or ganischen Verdickungsmittel aus der aus Polyacrylverbindungen, Polymethacrylverbindungen, Vinylpolymeren, Polycarbonsäuren, Polyether, Polyimine und Polyamide bestehenden Gruppe ausgewählt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die natürlichen anorgani schen Verdickungsmittel aus der aus Kieselsäuren, Polykieselsäuren und Wasserglas bestehen den Gruppe ausgewählt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdickungsmittel Hydroxyethylcellulose ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel aus der aus Wasser, Alkoholen, Ethern, Aldehyden, Ketonen, Carbon säuren, Carbonsäureestern, Carbonsäureamiden, Aminen und Ammoniak sowie deren Mi schungen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel Was ser, (Ethyl-)Alkohol oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch eingesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel Was ser verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff ein Gemisch aus Guanidinnitrat, Kupferoxid (CuO), basischem Kupfernitrat, Ammoniumperchlorat (APC), Natriumnitrat und Eisenoxid (Fe₂O₃) ist.

16. Treibstoff-Formling zur Verwendung in Gasgeneratoren für Sicherheitseinrichtun gen in Kraftfahrzeugen, erhältlich durch ein Extrusionsverfahren gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Verdickungsmittel kleiner als 3 Gew.-%, bezogen auf die Treibstoffmenge.

17. Treibstoff-Formling nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Ver dickungsmittel von höchstens 1 Gew.-%, bezogen auf die Treibstoffmenge.

18. Treibstoff-Formling nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Ver dickungsmittel von höchstens 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Treibstoffmenge.

19. Treibstoff-Formling nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff eine Guanidinverbindung enthält, die vorzugsweise aus der aus Guanidin carbonat, Guanidinnitrat, Guanidinperchlorat, Aminoguanidinnitrat, Diaminoguanidinnitrat, Triaminoguanidinnitrat, Nitroguanidin oder deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

20. Treibstoff-Formling nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff einen Brennstoff mit einer Bildungsenthalpie von kleiner als -3.35 kJ/g und einer Sauerstoffbilanz von größer als -90% enthält, wobei der Brennstoff vorzugsweise aus der aus Cyanursäure, Harnstoff Oxamid, Urazol, Dialursäure, Biurea, Alloxan, Alloxantin, Para bensäure und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.