DE10034287C2

DE10034287C2 - Gaserzeugende Zusammensetzung, die Guanylharnstoff-Dinitramid aufweist und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10034287C2
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: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE10034287A1; US6117255A

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

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gaserzeugende Zusammen setzung, um Aufblasgas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassen schutzvorrichtung vorzusehen.

Eine Aufblasvorrichtung zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeug insassenschutzvorrichtung, wie beispielsweise eines Airbags, enthält einen Körper entzündbaren gaserzeugenden Materials. Die Aufblasvorrichtung weist weiterhin einen Zünder auf. Der Zünder wird betätigt, um den Körper aus gaserzeugendem Material zu entzünden, wenn das Fahrzeug einen Zu sammenstoß erfährt, bei dem ein Aufblasen des Airbags erwünscht ist. Wäh rend der Körper aus gaserzeugendem Material brennt, erzeugt er ein Volu men 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 aufzu blasen, 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 stöchiometrische oder vollständige Verbrennung des Brennstoffes gebraucht wird. Zum Beispiel würde ein Brennstoff wie Dizyan diamid, das keine Sauerstoffatome enthält, 85 Gewichtsprozent von Ammo niumnitrat für eine vollständige Verbrennung benötigen. Nitroguanidin, das Sauerstoffatome enthält, würde nur 60 Gewichtsprozent von Ammoniumnitrat für eine vollständige Verbrennung benötigen. Viele Brennstoffe, die Sauer stoffatome enthalten, sind jedoch hochenergetisch und könnten unerwünscht energetisch oder chemisch unerwünscht instabil sein für die Verwendung 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 Verbrennungs rate. 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.

In WO 98/55428 wird als ein neuer Stoff Guanylharnstoff-Dinitramid offen bart, der sowohl als Raketentreibmittel als auch als gaserzeugende Verbin dung in Gaserzeugern für Fahrzeuginsassenschutzeinrichtungen, wie bei spielsweise Airbags, geeignet sein soll.

Einen Hinweis darauf, dass es zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe vorteilhaft sein könnte, eine Kombination aus Guanylharnstoff-Dinitramid mit einem Oxidationsmittel zu verwenden, findet sich in der gesamten Offen barung von WO 98/55428 nicht. Somit wird einem Fachmann auf dem Gebiet der Entwicklung von Gaserzeugungszusammensetzungen für Fahrzeug insassenschutzeinrichtungen eine derartige Kombination durch WO 98/55428 auch in keiner Weise nahegelegt.

Die vorliegende Erfindung sieht eine gaserzeugende Zusammensetzung ge mäß Anspruch 1 sowie deren Verwendung vor, um Aufblasgas zum Aufbla sen der aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung vorzusehen. Be vorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung kann die folgende Beschreibung dienen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen zeigt:

Fig. 1 einen computererzeugten Graphen der Verbrennungsrate, abhängig von einem Druck, der sich aus der Verbrennung eines Körpers aus gaserzeugendem Material ergibt, welches Ammoniumnitrat (AN) und Guanidinium-Dinitramid (GDN) aufweist;

Fig. 2 einen computererzeugten Graphen der Verbrennungsrate, abhängig von einem Druck, der sich aus der Verbrennung eines Körpers 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 gaserzeugendem Material ergibt, welches Ammoniumnitrat (AN) und Biguanidinium-Dinitramid (BiGDN) aufweist.

Die gaserzeugende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist für das Aufblasen einer Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung gedacht, wie beispiels weise eines Airbags, eines aufblasbaren Sitzgurtes, eines aufblasbaren Kniepolsters, eines aufblasbaren Airbags zum Betreiben eines Kniepolster, einer aufblasbaren Kopfauskleidung und/oder eines aufblasbaren Seiten vorhangs. Ein Zünder, der betätigt wird, wenn das Fahrzeug einen Zustand wie beispielsweise einen Zusammenstoß erfährt, für den das Aufblasen der aufblasbaren 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 Guanylharnstoff- Dinitramid.

Das Dinitramidsalz ist aufgrund einer Anzahl von Kriterien ausgewählt, wie beispielsweise:

1. Ein hoher Schmelzpunkt, der geeignet für die Verwendung in einer Fahr zeuginsassenschutzvorrichtung ist, vorzugsweise ein Schmelzpunkt von wenigstens 125°C.
2. Das Dinitramidsalz hat eine hohe Verbrennungsrate, wenn es mit dem Oxidationsmittel kombiniert und verbrannt wird, von wenigstens 0,508 cm/sec bei 13,8 MPa.
3. Ein gesteuerter Anstieg der Verbrennungsrate, wenn es mit dem Oxidati onsmittel kombiniert und verbrannt wird, mit einem Druckanstieg, der der Beziehung R = aPⁿ folgt, wobei n, der Verbrennungsraten-Exponent, vor zugsweise 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.
5. Das Dinitramidsalz widersteht Metathese-Reaktionen, wenn es mit Am moniumnitrat kombiniert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet das organische Kation ein Dinitra midsalz, das (a) vollständig verbrennt, wenn die Menge Oxidationsmittel we niger als 60% basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidationsmittels beträgt, vorzugsweise wenn die Menge Oxidationsmittel sich in dem Bereich von 10% bis 60% ba sierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Brennstoff bestandteils und des Oxidationsmittels bewegt, und das (b) eine Verbren nungsrate von wenigstens ungefähr 1,52 cm/sec bei 13,8 MPa hat, wenn es mit dem Oxidationsmittel kombiniert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Brennstoffbestandteil der gas erzeugenden Zusammensetzung Guanylharnstoff-Dinitramid. Guanyl harnstoff-Dinitramid ist ein Dinitramidsalz, das die chemische Formel (H₂N(NH)CNH₂C(O)NH₂)⁺(N(NO₂)₂)^- hat. Guanylharnstoff-Dinitramid ist che misch stabil und hat eine Verbrennungsrate ähnlich Cyclotrimethylen trinitramin (RDX) und Cyclotetramethylentetranitramin (HMX). Die Verbren nungsrate von Guanylharnstoff-Dinitramid ohne Oxidationsmittel ist 8.210 m/s verglichen mit 8.900 m/s für Cyclotrimethylentrinitramin ohne Oxi dationsmittel. Weiterhin hat Guanylharnstoff-Dinitramid eine geringere Emp findlichkeit gegenüber Krafteinwirkung und Reibung verglichen mit Cyclotri methylentrinitramin (RDX). Die Empfindlichkeit gegenüber Krafteinwirkung, wie sie durch eine 2-kg-Fallgewicht-Vorrichtung für Guanylharnstoff- 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 gemessen wurde, ist mehr als 350 Nm verglichen mit 120 Nm für Cyclotrimethylentri nitramin (RDX).

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 Brennstoff und anderen Reaktionsstoffen variieren. Eine be vorzugte Menge des Brennstoffbestandteils ist die Menge, die nötig ist, um ein Sauerstoffgleichgewicht mit dem Oxidationsmittel zu erreichen, welches beim Verbrennen hauptsächlich Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser er zeugt. Vorzugsweise bewegt sich die Menge des Brennstoffbestandteils in dem Bereich von 40% bis 90% basierend 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 60% bis 10% basierend auf dem zusammen genommenen Gewicht des Brennstoffbestandteils und des Oxidationsmittels.

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 Ü bergang 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, Polyu rethane, Polyester, Polyether, Polysuccinate, thermoplastische Gummis, Po lybutadiene, Polystyrene und Mischungen davon.

Eine bevorzugte Menge Bindemittel bewegt sich in dem Bereich von 0 bis 10%, vorzugsweise 2,5% bis 10%, basierend auf dem Gewicht der gas erzeugenden Zusammensetzung. Da das Bindemittel ein Brennstoff ist, wird das Verhältnis des Dinitramids zu dem Oxidationsmittel angepaßt, um die gewünschte Leistung und die Abgasproduktmischung aufrechtzuerhalten.

Die vorliegende Erfindung kann andere Inhaltsstoffe aufweisen, die im all gemeinen gaserzeugenden Zusammensetzungen zugefügt werden, um Auf blasgas zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutz vorrichtung vorzusehen, wie beispielsweise Weichmacher, Prozeßhilfsmittel, Verbrennungsratenmodifikatoren, Kühlmittel und Zündhilfen, alle in relativ kleinen Mengen.

Beispiele 1 bis 8

Die Beispiele 1 bis 8 stellen Zusammensetzungen der Erfindung dar, in de nen der Brennstoff Guanylharnstoff-Dinitramid (GUD) ist und die Oxidati onsmittel entsprechend Ammoniumnitrat (AN) (Beispiel 1), mit Kaliumnitrat (KN) phasenstabilisiertes Ammoniumnitrat (AN) (Beispiel 2), Kalium perchlorat (KP) (Beispiel 3), Ammoniumperchlorat (AP) mit Natriumnitrat (NaN) gemischt (Beispiel 4), Kaliumperchlorat (KP) (Beispiel 5), Ammonium perchlorat (AP) mit Natriumnitrat (NaN) gemischt (Beispiel 6), Ammoniumperchlorat (AP) mit Natriumnitrat (NaN) gemischt (Beispiel 7) und Natrium nitrat (NaN) mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) gemischt (Beispiel 8).

Die Beispiele 4 bis 7 weisen außerdem die entsprechenden Bindemittel auf. Kraton® wurde den Beispielen 4 und 5 zugefügt. Celluloseacetat-Butyrat (GAB) mit Tributylcitrat (TBC) gemischt wurden den Beispielen 6 und 7 zuge fügt.

Alle Zusammensetzungen der Beispiele 1 bis 8 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 Zusammen setzungen der Beispiele 1 bis 8 sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Formeln basierend auf Guanylharnstoff-Dinitramid-Brennstoff

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. Ein Mischung des Oxidationsmittels und des Dinitramidbrennstoffs bietet verbesserte me chanische 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 gaserzeugende Zusammensetzung, die bei Zündung Gas zum Auf blasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung erzeugt, wobei die gaserzeugende Zusammensetzung ein Oxidationsmittel und Guanylharnstoff-Dinitramid als Brennstoffbestandteil aufweist.

2. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Oxida tionsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ammoniumnitrat, Ka liumnitrat, Kaliumperchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxiden, Metall komplexen und Mischungen daraus besteht.

3. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das Oxida tionsmittel Ammoniumnitrat ist, und wobei das Ammoniumnitrat phasen stabilisiert ist.

4. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusam mensetzung weniger als 80 Gewichtsprozent Oxidationsmittel aufweist, basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Guanyl harnstoff-Dinitramids und des Oxidationsmittels.

5. Gaserzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die gaser zeugende Zusammensetzung 2,5% bis 10% Bindemittel aufweist, ba sierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zusammensetzung.

6. Gaserzeugende Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden An sprüche, die basierend auf dem Gewicht der gaserzeugenden Zusam mensetzung folgendes aufweist:
40% bis 90% Guanylharnstoff-Dinitramid;
10% bis 60% Oxidationsmittel, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kaliumperchlorat, Ammonium perchlorat, Metalloxiden, Metallkomplexen und Mischungen daraus be steht; und
0 bis 10% Bindemittel.

7. Verwendung der gaserzeugenden Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer aufblasbaren Fahrzeuginsassen schutzvorrichtung.