DE10034287A1

DE10034287A1 - Gaserzeugende Zusammensetzung, die Guanylharnstoff-Dinitramid aufweist

Info

Publication number: DE10034287A1
Application number: DE10034287A
Authority: DE
Inventors: Harold R Blomquist
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: US6117255A; DE10034287C2

Abstract

Eine Vorrichtung, die eine aufblasbare Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung und eine gaserzeugende Zusammensetzung aufweist. Die gaserzeugende Zusammensetzung weist ein Oxidationsmittel, einen Brennstoffbestandteil und vorzugsweise ein Bindemittel auf. Der Brennstoffbestandteil ist Guanylharnstoff-Dinitramid.

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der noch anhängigen Anmeldung Nr. 09/123,821, die am 28. Juli 1998 eingereicht wurde, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugehörig.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine auf blasbare Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung und eine gaserzeugende Zu sammensetzung aufweist, um Aufblasgas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung vorzusehen.

Hintergrund der Erfindung

Eine Aufblasvorrichtung zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsas senschutzvorrichtung, wie beispielsweise eines Airbags, enthält einen Körper entzündbaren gaserzeugenden Materials. Die Aufblasvorrichtung weist wei terhin einen Zünder auf. Der Zünder wird betätigt, um den Körper aus gaser zeugendem Material zu entzünden, wenn das Fahrzeug einen Zusammen stoß erfährt, bei dem ein Aufblasen des Airbags erwünscht ist. Während der Körper aus gaserzeugendem Material brennt, erzeugt er ein Volumen von Aufblasgas. Das Aufblasgas wird in den Fahrzeugairbag geleitet, um den Airbag aufzublasen. Wenn der Airbag aufgeblasen ist, dehnt er sich in die Fahrzeuginsassenkabine aus und hilft dabei, den Fahrzeuginsassen zu schützen.

Es ist wünschenswert, daß das gaserzeugende Material, das zum Vorsehen von Aufblasgas zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutz vorrichtung verwendet wird, eine Anzahl technischer Anforderungen erfüllt, wie beispielsweise:

1. Die Verbrennungsrate des gaserzeugenden Materials muß schnell genug sein, um die aufblasbare Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung aufzubla sen, um den Fahrzeuginsassen zu schützen.
2. Das gaserzeugende Material muß chemisch und mechanisch stabil über eine breite Spanne von Temperaturen sein, um für die Verwendung in einem Fahrzeug geeignet zu sein.
3. Das Gas, das durch die Verbrennung des gaserzeugenden Materials er zeugt wird, sollte im wesentlichen frei von toxischen Materialien sein.
4. Das erzeugte Gas sollte im wesentlichen rauchfrei sein.

Feststoffliche gaserzeugende Zusammensetzungen, die auf einem nicht aziden organischen Brennstoffbestandteil und Ammoniumnitrat als Oxidati onsmittel basieren, bieten möglicherweise einen Weg, rauchfreies Gas zu erreichen, das im wesentlichen frei von toxischen Materialien ist. Viele sol cher Zusammensetzungen, die Ammoniumnitrat als Oxidationsmittel enthal ten, haben jedoch relativ niedrige Verbrennungsraten wie auch eine verrin gerte körperliche Integrität, wenn sie thermischen Zyklen ausgesetzt werden.

Die nachteiligen Eigenschaften von Zusammensetzungen, die auf Ammoni umnitrat basieren, können durch das Auswählen organischer Brennstoffe, die Sauerstoffatome enthalten, verringert werden. Organische Brennstoffe, die Sauerstoffatome enthalten, verringern die Menge von Ammoniumnitrat, das für die im wesentlichen stöchometrische oder vollständige Verbrennung des Brennstoffes gebraucht wird. Zum Beispiel könnte ein Brennstoff wie Dizyan diamid, das keine Sauerstoffatome enthält, 85 Gewichtsprozent von Ammo niumnitrat für eine vollständige Verbrennung benötigen. Nitroguanidin, das Sauerstoffatome enthält, könnte nur 60 Gewichtsprozent von Ammoniumni trat für eine vollständige Verbrennung benötigen. Viele Brennstoffe, die Sau erstoffatome enthalten, sind jedoch hochenergetisch und könnten uner wünscht energetisch oder chemisch unerwünscht instabil sein für die Ver wendung in einem Fahrzeug.

U. S. Patent Nr. 5,498,303 legt die Verwendung eines Dinitramidsalzes in ei nem Raketenmotorantrieb offen. Das Salz wird als Oxidationsmittel in dem Antrieb verwendet, um Ammoniumnitrat zu ersetzen. Das Patent erwähnt die schlechte Leistungsfähigkeit von Ammoniumnitrat, seine Unfähigkeit, Alumi niumbrennstoff effizient zu verbrennen, und seine niedrige Verbrennungsra te. Ammoniumdinitramid wird als ein bevorzugtes Oxidationsmittel aufgelis tet. Andere Dinitramidsalze, wie beispielsweise Tetrazolium-Dinitramid wer den ebenfalls als Ersatzstoffe für Ammoniumnitrat offengelegt. In dem Patent gibt es keinen Vorschlag, ein Dinitramidsalz als einen Brennstoffbestandteil in einer Zusammensetzung zu verwenden, die Ammoniumnitrat als Oxidati onsmittel beinhaltet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liegt in einer Vorrichtung, die eine aufblasbare Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung aufweist sowie eine gaserzeugende Zu sammensetzung, um Aufblasgas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeug insassenschutzvorrichtung vorzusehen. Die gaserzeugende Zusammenset zung weist ein Oxidationsmittel, einen Brennstoffbestandteil und vorzugswei se ein Bindemittel auf. Der Brennstoffbestandteil ist Guanylharnstoff- Dinitramid. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Ammoniumnitrat.

Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung und Vorteile der Erfindung werden aus der folgen den Beschreibung ersichtlicher werden unter Bezugnahme auf die begleiten den Zeichnungen, in denen zeigt:

Fig. 1 einen computererzeugten Graphen der Verbrennungsrate, abhängig von einem Druck, der sich aus der Verbrennung eines Körpers aus gas erzeugendem Material gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung ergibt, welches Ammoniumnitrat (AN) und Guanidi nium-Dinitramid (GDN) aufweist;

Fig. 2 einen computererzeugten Graphen der Verbrennungsrate, abhängig von einem Druck, der sich aus der Verbrennung eines Kontrollkörpers aus gaserzeugendem Material ergibt, welches Ammoniumnitrat (AN) und Nitroguanidin (NQ) aufweist; und

Fig. 3 einen computererzeugten Graphen der Verbrennungsrate, abhängig von einem Druck, der sich aus der Verbrennung eines Körpers aus gas erzeugendem Material gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ergibt, welches Ammoniumnitrat (AN) und Biguanidinium-Dinitramid (BiGDN) aufweist.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen

Die gaserzeugende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist für das Aufblasen einer Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung gedacht, wie beispiel weise eines Airbags, eines aufblasbaren Sitzgurtes, eines aufblasbaren Kniepolsters, eines aufblasbaren Airbags zum Betreiben eines Kniepolster, einer aufblasbaren Kopfauskleidung und/oder eines aufblasbaren Seitenvor hangs. Ein Zünder, der betätigt wird, wenn das Fahrzeug einen Zustand wie beispielsweise einen Zusammenstoß erfährt, für den das Aufblasen der auf blasbaren Vorrichtung gewünscht wird, entzündet die gaserzeugende Zu sammensetzung. Wenn die gaserzeugende Zusammensetzung brennt, er zeugt sie ein Volumen von Aufblasgas. Das Aufblasgas wird in die aufblasba re Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung geleitet, um die Vorrichtung aufzubla sen. Wenn die Vorrichtung aufgeblasen ist, dehnt sie sich beispielsweise in die Fahrzeuginsassenkabine aus und hilft dabei, den Fahrzeuginsassen zu schützen.

Die gaserzeugende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung weist ei nen Brennstoffbestandteil auf. Der Brennstoffbestandteil ist ein Dinitra midsalz, das die Formel X⁺[N(NO₂)₂]_n ^- hat, wobei n eins oder mehr sein kann und X⁺ ein kationisches Derivat einer organischen Verbindung ist, die ein oder mehrere tetravalente Stickstoffatome hat.

Das organische Kation des Dinitramidsalzes wird aufgrund eine Anzahl von Kriterien ausgewählt, wie beispielsweise:

1. Die organische Verbindung sieht ein Dinitramidsalz vor, das einen hohen Schmelzpunkt hat, der geeignet für die Verwendung in einer Fahrzeugin sassenschutzvorrichtung ist, vorzugsweise ein Schmelzpunkt von wenigs tens 125°C.
2. Das Dinitramidsalz hat, wenn es mit dem Oxidationsmittel kombiniert und verbrannt wird, eine hohe Verbrennungsrate, wenigstens 0,2 inch/sec (0,508 cm/sec) bei 2000 psi (13.8 MPa).
3. Das Dinitramidsalz hat, wenn es mit dem Oxidationsmittel kombiniert und verbrannt wird, einen gesteuerten Anstieg der Verbrennungsrate mit ei nem Druckanstieg, der der Beziehung R = aPⁿ folgt, wobei n, der Verbren nungsraten-Exponent, vorzugsweise ungefähr 2 oder weniger ist.
4. Das Kation enthält eine Menge Sauerstoffatome, die wirksam sind, um die Menge des Oxidationsmittels zu verringern, das für die Verbrennung des Brennstoffbestandteiles zu einem Gasprodukt benötigt wird, welches im wesentlichen aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser besteht. Vorzugsweise ist die benötigte Menge Oxidationsmittel weniger als un gefähr 80% basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidationsmittels in der gaserzeugenden Zusammensetzung.
5. Das Dinitramidsalz widersteht Metathese-Reaktionen, wenn es mit Am moniumnitrat kombiniert wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet das organische Kation ein Dinitramidsalz, das (a) vollständig verbrennt, wenn die Menge Oxidations mittel weniger als ungefähr 60% basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidationsmittels beträgt, vor zugsweise wenn die Menge Oxidationsmittel sich in dem Bereich von unge fähr 10% bis ungefähr 60% basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidationsmittels bewegt, und das (b) eine Verbrennungsrate von wenigstens ungefähr 0,6 inch/sec (1,52 cm/sec) bei 2000 psi (13,8 MPa) hat, wenn es mit dem Oxidationsmittel kombiniert wird.

Eine bevorzugte organische Verbindung, die bei der Bildung des Dinitra midsalzes in der vorliegenden Erfindung nützlich ist, ist Guanidin, bei dem das Radikal X⁺ (Kation) Guanidinium ist. Der Brennstoffbestandteil ist Guani dinium-Dinitramid. Andere organische Verbindungen, die zweckmäßig in der vorliegenden Erfindung sind, um das Dinitramidsalz zu bilden, sind unter an derem: Biguanidin, in dem das Radikal X⁺ Biguanidinium ist; Ethylendiamin, in dem das Radikal X⁺ Ethylendiaminium ist; Piperazin, in dem das Radikal X⁺ Peperazinediium ist; Tetramethylammonia bzw. -ammoniak, in dem das Radikal X⁺ Tetramethylammonium ist; Monoaminoguanidin, in dem das Radi kal X⁺ Monoaminoguanidinium ist; Diaminoguanidin, in dem das Radikal X⁺ Diaminoguanidinium ist; Triaminoguanidin, in dem das Radikal X⁺ Triamino guanidinium ist; Tetrazol, in dem das Radikal X⁺ Tetrazolium ist; Aminotetra zol, in dem das Radikal X⁺ Aminotetrazolium ist; Diamino-Furazan, in dem das Radikal X⁺ Amino-Ammonium-Furazan ist; Polyvinylammonia bzw. -ammoniak, in dem das Radikal X⁺ Polyvinylammonium ist (das ungefähr 20 % Umwandlung des Amins in Dinitramidsalz hat); und Dicyandiamid, in dem das Radikal X⁺ Dicyandiamidium ist.

Die Menge des Brennstoffbestandteils in der gaserzeugenden Zusammen setzung ist die Menge, die nötig ist, um eine andauernde Verbrennung der gaserzeugenden Zusammensetzung zu erreichen. Diese Menge kann ab hängig von dem jeweils beteiligten Brennstoff und anderen Reaktionsstoffen variieren. Eine bevorzugte Menge des Brennstoffbestandteils ist die Menge, die nötig ist, um ein Sauerstoffgleichgewicht mit dem Oxidationsmittel zu er reichen, welches beim Verbrennen hauptsächlich Kohlenstoffdioxid, Stick stoff und Wasser erzeugt. Vorzugsweise bewegt sich die Menge des Brenn stoffbestandteils in dem Bereich von ungefähr 40% bis ungefähr 90% basie rend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidationsmittels.

Das Oxidationsmittel in der gaserzeugenden Zusammensetzung der vorlie genden Erfindung kann jede sauerstoffabgebende Substanz sein. Ein bevor zugtes Oxidationsmittel ist Ammoniumnitrat. Andere Oxidationsmittel, die verwendet werden können, sind Kaliumnitrat, Kaliumperchlorat, Ammonium perchlorat, Metalloxide, Metallkomplexe und Mischungen der oben genann ten Substanzen. Vorzugsweise bewegt sich die Menge des Oxidationsmittel in dem Bereich von ungefähr 60% bis ungefähr 10% basierend auf dem zu sammengenommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidati onsmittels.

Wenn Ammoniumnitrat als Oxidationsmittel verwendet wird, ist das Ammoni umnitrat vorzugsweise phasenstabilisiert. Die Phasenstabilisierung von Am moniumnitrat ist allgemein bekannt. Bei einer Methode wird das Ammonium nitrat mit einem Metallkation in einer Menge dotiert, die wirksam ist, um die volumetrischen und strukturellen Veränderungen zu minimieren, die dem Übergang zwischen Phase IV und Phase III zugeordnet werden und reinem Ammoniumnitrat eigen sind. Ein bevorzugter Phasenstabilisierer ist Kalium nitrat. Andere nützliche Phasenstabilisierer sind unter anderem Kaliumsalze, wie beispielsweise Kaliumdichromat, Kaliumoxalat und Mischungen davon. Ammoniumnitrat kann ebenso durch die Verstärkung mit Kupfer- und Zinkio nen verstärkt werden. Andere Verbindungen, Modifikatoren und Methoden, die wirksam sind, um Ammoniumnitrat phasenzustabilisieren, sind allgemein bekannt und für die vorliegende Erfindung geeignet.

Die gaserzeugende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann au ßerdem ein elastomerisches Bindemittel aufweisen. Für gaserzeugende Zu sammensetzungen geeignete Bindemittel sind in der Technik allgemein be kannt. Bevorzugte Bindemittel sind unter anderem Polykarbonate, Polyuret hane, Polyester, Polyether, Polysuccinate, thermoplastische Gummis, Poly butadiene, Polystyrene und Mischungen davon.

Eine bevorzugte Menge Bindemittel bewegt sich in dem Bereich von 0 bis ungefähr 10%, vorzugsweise ungefähr 2,5% bis ungefähr 10%, basierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zusammensetzung. Da das Binde mittel ein Brennstoff ist, wird das Verhältnis des Dinitramids zu dem Oxidati onsmittel angepaßt, um die gewünschte Leistung und die Abgasprodukt mischung aufrechtzuerhalten.

Die vorliegende Erfindung kann andere Inhaltsstoffe aufweisen, die im all gemeinen gaserzeugenden Zusammensetzungen zugefügt werden, um Auf blasgas zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrich tung vorzusehen, wie beispielsweise Weichmacher, Prozeßhilfsmittel, Ver brennungsratenmodifikatoren, Kühlmittel und Zündhilfen, alle in relativ klei nen Mengen.

Beispiel 1

Es wurde eine gaserzeugende Zusammensetzung vorbereitet, die Guanidini um-Dinitramid (GDN) und ein Ammoniumnitrat (AN) von Reagenzqualität in dem Gewichtsverhältnis von ungefähr 2 : 1 (ungefähr 30 Gewichtsprozent Ammoniumnitrat) aufwies. Vor dem Mischen wurden die Pulver durch ein 50- Maschen-Sieb gepreßt. Das Verhältnis von 2 : 1 wurde ausgewählt wegen der im wesentlichen vollständigen Verbrennung des Guanidinium-Dinitramids zu einem Gas, das hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser besteht.

Guanidinium-Dinitramid (GDN) kann durch die chemische Formel (CNHNH₂NH₃)⁺ (N(NO₂)₂)^- dargestellt werden. Es hat einen Schmelzpunkt von ungefähr 140±5°C und ist chemisch stabil. Seine Empfindlichkeit gegen über Reizen, wie beispielsweise Krafteinwirkung oder Reibung wurde als 96.6±6 kg-cm bzw. mehr als 36 kpons festgestellt. Beide Werte erfüllen die Kriterien für einen Bestandteil einer gaserzeugenden Zusammensetzung für Fahrzeuge.

Die Pulvermischung wurde auf Empfindlichkeit gegenüber Krafteinwirkung und Reibungsreizen getestet und als unempfindlich befunden, da bei mehr als 300 kg-cm Krafteinwirkung bzw. 36 kpons Reibung über die Grenzen der Laborausrüstung hinaus gemessen wurde, wodurch wiederum Kriterien für einen Bestandteil einer gaserzeugenden Zusammensetzung für Fahrzeuge erfüllt wurden. Eine thermische Analyse durch Differential-Scan-Kalorimetrie (DSC) zeigte, daß die Zusammensetzung einen breit gefächerten Exotherm bei 175°C hatte, wodurch angezeigt wurde, daß die Zusammensetzung mit einer stetigen Rate oder Geschwindigkeit schmolz und zu Gas zerfiel.

Die Ammoniumnitrat- und Guanidinium-Dinitramid-Mischung wurde unter ei nem Kompressionsdruck von 11.000 ft-lb (1521 kg-m) zu Tabletten gepreßt, die einen Durchmesser von ungefähr 1,3 cm, eine Dicke von 0,73 cm und eine Dichte von 1,5 g/cm³ hatten.

Verbrennungsratenproben der Ammoniumnitrat- und Guanidinium-Dinitramid- Tabletten wurde in einer geschlossenen Bombe getestet, die ein Volumen von 64,6 ml hatte. Der mit dem Druck verbundene Anstieg der Verbren nungsrate wurde aus den Druck-Zeit-Aufnahmen des verschlossenen Bom bentests hergeleitet und ist als die wellenförmige Linie in Fig. 1 in log(Verbrennungsrate, cm/s) gegen log(Druck, MPa) dargestellt. Die Ergeb nisse wurden durch ein computererzeugtes Programm in eine gerade Linie in Fig. 1 eingepaßt. Die mathematische Gleichung für die gerade Linie ist log(Verbrennungsrate, cm/s) = A+Bxlog(Druck, MPa). Durch die Verwendung dieser Gleichung wurden die Werte von A und B als +1,468 bzw. 2,006 be stimmt. Der Faktor B stellt die Empfindlichkeit der Verbrennungsrate gegen über Druck (d. h. Verbrennungsratenexponent) dar. Ein Verbrennungsra tenexponent von ungefähr 2 oder weniger ist für eine gaserzeugende Zu sammensetzung für Fahrzeuge erwünscht.

Bei 2000 psi (13,8 MPa) wurde die Verbrennungsrate mit 2,59 in/s (6,57 cm/s) festgestellt, was gut für das Aufblasen einer Fahrzeuginsassenschutz vorrichtung ist.

Die enge Passung der Verbrennungsratenergebnisse in Beziehung zu der berechneten geraden Linie weist darauf hin, daß die Verbrennung stabil und frei von Fehlzündungen oder Unregelmäßigkeiten war.

Die folgende Tabelle 1 gibt zusätzliche computererzeugte Daten an, die rela tiv zu der Verbrennung von Guanidinium-Dinitramid mit Ammoniumnitrat er halten wurden.

Tabelle 1

Die Verbrennung erzeugt ein rauchloses Gas. Die Flammen- und Abgastem peraturen erfüllen die Kriterien für eine gaserzeugende Zusammensetzung für Fahrzeuge. Die Menge Gas, die in der Verbrennungsreaktion erzeugt wird und seine Energie (Impetus) sind wirksam, um eine Fahrzeuginsassen schutzvorrichtung wie beispielsweise einen Airbag zu betätigen.

Vergleichendes Beispiel

Es wurde eine gaserzeugende Zusammensetzung vorbereitet, die Nitrogua nidin (NQ) und Ammoniumnitrat (AN) mit Reagenzqualität im Gewichtsver hältnis von ungefähr 6 : 4 aufwies. Dieses Verhältnis wurde ausgewählt wegen der im wesentlichen vollständigen Verbrennung des Brennstoffbestandteils zu einem Gas, das hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Was ser besteht. Die chemische Formel für Nitroguanidin ist NO₂NHCNHNH₂. Das Nitroguanidin und das Ammoniumnitrat wurden getrennt als Pulver zuberei tet, gesiebt, gemischt, als Pulvermischung getestet, zu Tabletten gepreßt und weiter wie in Beispiel 1 getestet. Die Testergebnisse und andere Daten sind in Fig. 2 angegeben und in der folgenden Tabelle 2. In Tabelle 2 werden die Ergebnisse und Daten des Beispiels 1 zwecks des Vergleichs wiederholt.

Tabelle 2

Die A- und B-Werte für das vergleichende Beispiel 1 wurden mit den Daten aus Fig. 2 berechnet.

Bezugnehmend auf Tabelle 2 war die Verbrennungsrate für Guanidinium- Dinitramid und Ammoniumnitrat wesentlich schneller als die für Nitroguanidin und Ammoniumnitrat. Tabelle 2 zeigt, daß Guanidinium-Dinitramid weniger Ammoniumnitrat für eine vollständige Verbrennung benötigt als Nitroguani din, wodurch die Wirkung, die Ammoniumnitrat auf die Zusammensetzung hat, verringert wird. Nitroguanidin war weniger empfindlich gegenüber Kraft einwirkung als Guanidinium-Dinitramid, obwohl der Wert von ungefähr 96 kg cm für Guanidinium-Dinitramid akzeptabel ist. Die Zusammensetzung von Guanidinium-Dinitramid und Ammoniumnitrat hatte Empfindlichkeitswerte, die vergleichbar mit denen für Nitroguanidin und Ammoniumnitrat waren.

Beispiel 2

Es wurde eine gaserzeugende Zusammensetzung zubereitet, die Biguanidi nium-Dinitramid (BiGDN) und Ammoniumnitrat von Reagenzqualität aufwies, in dem Gewichtsverhältnis von 60 : 40, die wirksam war für eine im wesentli chen vollständige Verbrennung zu einem Gas, das hauptsächlich aus Koh lenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser bestand. Biguanidinium-Dinitramid hat die chemische Formel (NH₂(CNHNH₂)₂)⁺ (N(NO₂)₂)^-. Der Schmelzpunkt von Biguanidinium-Dinitramid liegt etwas niedriger als der für Guanidinium- Dinitramid, etwa bei 130±5°C. Biguanidinium-Dinitramid und Ammoniumnitrat wurden getrennt als Pulver zubereitet, gemischt, als Pulvermischung getes tet, gesiebt, zu Tabletten zusammengepreßt und weiter wie in Beispiel 1 getestet. Die Testergebnisse und andere Daten sind in Fig. 3 und der folgen den Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3

Eine thermische Analyse durch DSC zeigte, daß die Zusammensetzung ei nen breiten Exotherm bei 177°C hatte, was anzeigte, daß die Zusammenset zung mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit schmolz und in ein Gas zerfiel.

Die Ergebnisse für Biguanidinium-Dinitramid waren ähnlich denen für Guani dinium-Dinitramid, außer daß Biguanidinium eine Verbrennungsrate von un gefähr 1,56 cm/s bei 13,8 MPa hatte, die deutlich schneller ist als die von Nitronguanidin, aber weniger als die von Guanidinium-Dinitramid. Ihr Ver brennungsratenexponent von 1,732 war weniger als 2.

Weiterhin zeigt die enge Passung der Verbrennungsratenergebnisse in Be ziehung zu der berechneten geraden Linie, daß die Verbrennung gleichmä ßig und frei von Fehlzündungen und Unregelmäßigkeiten war.

Beispiele 3 bis 17

Die Beispiele 3 bis 17 stellen zusätzliche Zusammensetzungen und Verbren nungsergebnisse von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.

In den Beispielen 3 bis 5 ist der Brennstoffbestandteil Guanidinium- Dinitramid und die Oxidationsmittel sind entsprechend Kaliumnitrat, Kalium perchlorat und Ammoniumperchlorat. Die Zusammensetzungen und Ver brennungsergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben.

In den Beispielen 6 bis 9 ist der Brennstoffbestandteil Ethylendiaminium-bis- Dinitramid und die Oxidationsmittel sind entsprechend Ammoniumnitrat, Ka liumnitrat, Kaliumperchlorat und Ammoniumperchlorat. Die Zusammenset zungen und Verbrennungsergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben. Ethylen diaminium-bis-Dinitramid hat die chemische Formel (H₃NCH₂CH₂CH₂NH₃)²⁺ (N(NO₂)₂)₂ ^-. Sein Schmelzpunkt liegt bei ungefähr 129 bis 130°C.

In den Beispielen 10 bis 13 ist der Brennstoffbestandteil Piperazinediium-bis- Dinitramid und die Oxidationsmittel sind entsprechend Ammoniumnitrat, Ka liumnitrat, Kaliumperchlorat und Ammoniumperchlorat. Die Zusammenset zungen und Verbrennungsergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben. Pipera zinediium-bis-Dinitramid hat die chemische Formel (NH₂CH₂CH₂NH₂CH₂CH₂)²⁺ (N(NO₂)₂)₂ ^-. Sein Schmelzpunkt liegt bei unge fähr 212 bis 214°C.

In den Beispielen 14 bis 17 ist der Brennstoffbestandteil Tetramethylammo nium-Dinitramid und die Oxidationsmittel sind Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kaliumperchlorat und Ammoniumperchlorat. Die Zusammensetzungen und Verbrennungsergebnisse sind in Tabelle 7 angegeben. Tetramethylammoni um-Dinitramid hat die chemische Formel (N(CH₃)₄)⁺ (N(NO₂)₂)^-. Sein Schmelzpunkt liegt bei ungefähr 234 bis 238°C.

Alle Zusammensetzungen in den Beispielen 3 bis 17 basieren auf einem Sauerstoffgleichgewicht des Oxidationsmittels mit dem Brennstoffbestandteil, wodurch Kohlenstoffdioxid als Produkt entsteht anstatt Kohlenstoffmonoxid.

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Bezugnehmend auf Tabelle 4 enthält Beispiel 3 19,6 Gewichtsprozent Kali umnitrat und 80,4 Gewichtsprozent Guanidinium-Dinitramid für eine im we sentlichen vollständige Oxidation der Kohlenstoffatome in dem Guanidinium- Dinitramid zu Kohlenstoffdioxid. Die Flammentemperatur, Abgastemperatur, Menge produzierten Gases, Menge produzierter Reststoffe und der Impetus sind alle innerhalb akzeptabler Leistungsanforderungen für gaserzeugende Zusammensetzungen, die in Fahrzeuginsassenschutzvorrichtungen verwen det werden.

Beispiel 4 enthält 17,3 Gewichtsprozent Kaliumperchlorat und 82,7 Ge wichtsprozent Guanidinium-Dinitramid für eine im wesentlichen vollständige Oxidation der Kohlenstoffatome im Guanidinium-Dinitramid zu Kohlenstoffdi oxid. Die Flammentemperatur, Abgastemperatur, die Menge produzierten Gases, die Menge produzierter Reststoffe und der Impetus sind alle inner halb akzeptabler Leistungsanforderungen für gaserzeugende Zusammenset zungen, die in Fahrzeuginsassenschutzvorrichtungen verwendet werden.

Beispiel 5 enthält 22,1 Gewichtsprozent von Ammoniumperchlorat und 77,9 Gewichtsprozent von Guanidinium-Dinitramid für eine im wesentlichen voll ständige Oxidation der Kohlenstoffatome in dem Guanidinium-Dinitramid zu Kohlenstoffdioxid. Die Flammentemperatur, die Abgastemperatur, die Menge produzierten Gases, die Menge produzierter Reststoffe und der Impetus sind alle innerhalb akzeptabler Leistungsspezifikationen für gaserzeugende Zu sammensetzungen, die in Fahrzeuginsassenschutzvorrichtungen verwendet werden.

In den Beispielen 3 bis 5 erzeugen die gaserzeugenden Zusammensetzun gen ein Gasprodukt, das größtenteils frei von Partikeln ist oder nur wenige davon aufweist. Weiterhin sind die in der Verbrennungsreaktion erzeugte Gasmenge und ihre Energie (Impetus) wirksam, um eine Fahrzeuginsassen schutzvorrichtung, wie beispielsweise einen Airbag zu betätigen.

Ähnliche Ergebnisse werden in Tabelle 5 (Beispiele 6 bis 9), Tabelle 6, (Bei spiele 10 bis 13) und Tabelle 7 (Beispiele 14 bis 17) erreicht, wobei Ethylen diaminium-bis-Dinitramid, Piperazinediium-bis-Dinitramid bzw. Tetramethyl ammonium-Dinitramid als Brennstoffbestandteile verwendet werden.

Keines der Beispiele weist einen Bindemittelbestandteil auf. In der gegen wärtigen Praxis wird ein gaserzeugende Zusammensetzung, die zweckmäßig für eine Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung ist, vorzugsweise ein Bindemit tel aufweisen, um die Integrität eines Körpers der gaserzeugenden Zusam mensetzung zu erhalten. Es würde ein Bindemittel ausgewählt, das die in den Tabellen gezeigten Verbrennungsergebnisse nicht materiell beeinflussen würde.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Brennstoffbestandteil der gaserzeugenden Zusammensetzung Guanylharn stoff-Dinitramid. Guanylharnstoff-Dinitramid ist ein Dinitramidsalz, das die chemische Formel (H₂N(NH)CNH₂C(O)NH₂)⁺(N(NO₂)^- hat. Guanylharnstoff- Dinitramid ist chemisch stabil und hat eine Verbrennungsrate ähnlich Cyclo trimethylenetrinitramin (RDX) und Cyclotetramethylentetranitramin (HMX).

Die Verbrennungsrate von Guanylharnstoff-Dinitramid ohne Oxidationsmittel ist 8.210 m/s verglichen mit 8.900 m/s für Cyclotrimethylentrinitramin ohne Oxidationsmittel. Weiterhin hat Guanylharnstoff-Dinitramid eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Krafteinwirkung und Reibung verglichen mit Cy clotrimethylentrinitramin (RDX). Die Empfindlichkeit gegenüber Krafteinwir kung, wie sie durch eine 2-kg-Fallgewicht-BAM-Vorrichtung für Guanylharn stoff-Dinitramid gemessen wird, ist mehr als 159 cm verglichen mit 38 cm bei Cyclotrimethylentrinitramin (RDX). Die Reibungsempfindlichkeit, wie sie mit einer Julius-Petri-Reibungs-Vorrichtung für Guanylharnstoff-Dinitramid ge messen wurde, ist mehr als 350 Nm verglichen mit 120 Nm für Cyclotrime thylentrinitramin (RDX).

Das Oxidationsmittel in der gaserzeugenden Zusammensetzung kann jedwe de sauerstoffabgebende Substanz sein. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Ammoniumnitrat. Andere Oxidationsmittel, die verwendet werden können, sind Kaliumnitrat, Kaliumperchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxide, Me tallkomplexe und Mischungen der obigen.

Beispiele 18 bis 25

Die Beispiele 18 bis 25 stellen zusätzliche Zusammensetzungen der Erfin dung dar, in denen der Brennstoff Guanylharnstoff-Dinitramid (GUD) ist und die Oxidationsmittel entsprechend Ammoniumnitrat (AN) (Beispiel 18), mit Kaliumnitrat (KN) phasenstabilisiertes Ammoniumnitrat (AN) (Beispiel 19), Kaliumperchlorat (KP) (Beispiel 20), Ammoniumperchlorat (AP) mit Natrium nitrat (NaN) gemischt (Beispiel 21), Kaliumperchlorat (KP) (Beispiel 22), Ammoniumperchlorat (AP) mit Natriumnitrat (NaN) gemischt (Beispiel 23), Ammoniumperchlorat (AP) mit Natriumnitrat (NaN) gemischt (Beispiel 24) und Natriumnitrat (NaN) mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) gemischt (Beispiel 25).

Die Beispiele 21 bis 24 weisen außerdem die entsprechenden Bindemittel auf. Kraton wurde den Beispielen 21 und 22 zugefügt. Zelluloseacetat- Butyrat mit Tributylcitrat gemischt wurden den Beispielen 23 und 24 zuge fügt.

Alle Zusammensetzungen der Beispiele 18 bis 25 basieren auf einem Sauer stoffgleichgewicht zwischen Oxidationsmittel und Brennstoffbestandteil mit Bindemittel (wo es vorhanden ist), welches Kohlenstoffdioxid als Produkt bei einer Verbrennung erzeugt anstatt Kohlenstoffmonoxid. Die Zusammenset zungen der Beispiele 18 bis 25 sind in Tabelle 8 angegeben.

Tabelle 8

Vorteile der vorliegenden Erfindung sollten nun offensichtlich sein. Vorwie gend nützt die vorliegende Erfindung die günstigen Leistungscharakteristiken der Verwendung eines Dinitramidsalzes als Brennstoffbestandteil in einer gaserzeugenden Zusammensetzung zum Vorsehen von Gas für das Aufbla sen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung. Das Dinitra midsalz in der vorliegenden Erfindung hat die Formel X⁺[N(NO₂)₂]_n ^-, wobei n eins oder mehr ist und X⁺ ein kationisches Derivat einer organischen Verbin dung ist, das ein oder mehrere tetravalente Stickstoffatome hat. Ein Mi schung des Oxidationsmittels und des Dinitramidbrennstoffs bietet verbes serte mechanische Stabilität und eine erhöhte Verbrennungsrate ohne die chemische Stabilität aufzugeben.

Weiterhin erzeugt die gaserzeugende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Gasprodukt, das im wesentlichen nicht-toxisch und frei von Partikeln ist. Die Verbesserungen der mechanischen Stabilität der gaserzeugenden Zusammensetzung und der Qualität des Gasprodukts entstehen aus der Verwendung von weniger Oxidationsmittel für eine voll ständige Verbrennung des Brennstoffbestandteils. Außerdem haben gaser zeugende Zusammensetzungen mit Guanylharnstoff-Dinitramid als Brenn stoff verbesserte mechanische Stabilität als Folge der geringen Empfindlich keit von Guanylharnstoff-Dinitramid gegenüber Reibung und Krafteinwirkung.

Aus der obigen Beschreibung der Erfindung werden Fachleute Verbesserun gen, Veränderungen und Modifikationen entnehmen. Solche Verbesserun gen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Fachkönnens sollen von den angehängten Ansprüchen abgedeckt werden.

Claims

1. Eine Vorrichtung, die eine aufblasbare Fahrzeuginsassenschutzvorrich tung aufweist und eine gaserzeugende Zusammensetzung, die, wenn sie entzündet wird, Gas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassen schutzvorrichtung erzeugt, wobei die gaserzeugende Zusammensetzung ein Oxidationsmittel und einen Brennstoffbestandteil aufweist, wobei der Brennstoffbestandteil Guanylharnstoff-Dinitramid ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel aus der Grup pe ausgewählt wird, die aus Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kalium perchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxiden, Metallkomplexen und Mi schungen daraus besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Oxidationsmittel Ammoniumni trat ist und wobei das Ammoniumnitrat phasenstabilisiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Gewichtsprozent Oxidations mittel, die für eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Guanylharnstoff-Dinitramids zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser nötig sind, weniger als 80% sind, basierend auf dem zusammengenom menen Gewicht des Guanylharnstoff-Dinitramids und des Oxidationsmit tels.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die gaserzeugende Zusammenset zung ungefähr 2,5% bis ungefähr 10% Bindemittel aufweist, basierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zusammensetzung.

6. Eine gaserzeugende Zusammensetzung, die, wenn sie entzündet wird, Gas zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrich tung erzeugt, wobei die gaserzeugende Zusammensetzung ein Oxidati onsmittel und einen Brennstoffbestandteil aufweist, wobei der Brenn stoffbestandteil Guanylharnstoff-Dinitramid ist.

7. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das Oxida tionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kaliumperchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxiden, Me tallkomplexen und Mischungen daraus besteht.

8. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das Oxida tionsmittel Ammoniumnitrat ist, und wobei das Ammoniumnitrat phasen stabilisiert ist.

9. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei die Ge wichtsprozent des Oxidationsmittels, die für eine im wesentlichen voll ständige Verbrennung des Guanylharnstoff-Dinitramids zu Kohlenstoffdi oxid, Stickstoff und Wasser nötig sind, weniger als 80% sind, basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Guanylharnstoff- Dinitramids und des Oxidationsmittels.

10. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei die gaser zeugende Zusammensetzung ungefähr 2,5% bis ungefähr 10% Binde mittel aufweist, basierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zu sammensetzung.

11. Gaserzeugende Zusammensetzung, die folgendes aufweist:
ungefähr 40% bis ungefähr 90% Guanylharnstoff-Dinitramid, basierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zusammensetzung;
ungefähr 10% bis ungefähr 60% Oxidationsmittel, basierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zusammensetzung, welches aus der Grup pe ausgewählt wird, die aus Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kalium perchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxiden, Metallkomplexen und Mi schungen daraus besteht; und
0 bis ungefähr 10% Bindemittel, basierend auf dem Gewicht der gaser zeugenden Zusammensetzung.

12. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 11, wobei das Oxi dationsmittel Ammoniumnitrat ist, und wobei das Ammoniumnitrat pha senstabilisiert ist.