DE10230402A1

DE10230402A1 - Azidfreie gaserzeugende Zusammensetzung

Info

Publication number: DE10230402A1
Application number: DE2002130402
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Zeuner; Roland Dr. Schropp; Karl-Heinz Rödig; Uwe Dr. Reimann
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: DE10230402B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine azidfreie, gaserzeugende Zusammensetzung zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge. Die Zusammensetzug besteht aus wenigstens einem organischen Brennstoff in einem Anteil von 45 bis 60 Gew.-% und wenigstens einem anorganischen Oxidator in einem Anteil von 40 bis 55 Gew.-% sowie 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel. Die Zusammensetzung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zu einem Hauptanteil aus Nitroguanidin und zum Rest aus einem weiteren organischen Brennstoff besteht, und der Oxidator, bezogen auf das Oxidatorgewichtt, zu wenigstens 80% aus basischem Kupfernitrat Cu(NO¶3¶)¶2¶ x 3Cu(OH)¶2¶ und zum Rest aus einem weiteren anorganischen Oxidator aus der Gruppe der Perchlorate, Chlorate, Metallnitrate und Ammoniumnitrate oder deren Mischungen besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine azidfreie, gaserzeugende Zusammensetzung zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge, bestehend aus wenigstens einem organischen Brennstoff in einem Anteil von 45 bis 60 Gew.-% und wenigstens einem anorganischen Oxidator in einem Anteil von 40 bis 55 Gew.-% sowie 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel, jeweils bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung.

Aus der US-A 5,608,183 ist eine gaserzeugende Zusammensetzung bekannt, die zwischen 30 und etwa 85 Gew.-% eines Brennstoffs und zwischen etwa 15 und 70 Gew.-% eines Oxidators aufweist. Wenigstens 60 Gew.-%, bevorzugt bis zu 100 Gew.-% des Brennstoffs umfaßt ein Polyaminnitrat, beispielsweise Guanidinnitrat. Der Oxidator besteht zu wenigstens 60 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 100 Gew.-%, aus basischem Kupfernitrat Cu(NO₃)₂ × 3 Cu(OH)₂ oder Kupfer(II)triamintrinitrat. Die Zusammensetzung kann im Naßverfahren durch Extrusion verarbeitet werden und soll eine niedrige Verbrennungstemperatur von etwa 2000°C bei einer hohen massenbezogenen Gasausbeute von mehr als 2,0 mol Gas/100 g der Zusammensetzung aufweisen.

Die US-A-5,542,998 beschreibt ein gaserzeugendes Gemisch auf der Grundlage von Brennstoffen mit einem hohen Stickstoffgehalt, wie beispielsweise GZT (Diguanidinium-5,5'-azotetrazolat), TAGN (Triaminoguanidinnitrat), Nitroguanidin, NTO (3-Nitro-1,2,3-triazol-5-on), basischem Kupfernitrat als Oxidator sowie einem Metalloxidkatalysator und einem Kühlmittel. Der Metalloxidkatalysator ist bevorzugt ein Mischoxid aus Vanadiumpentoxid und Molybdänoxid. Als Kühlmittel wird vorzugsweise Eisenoxid verwendet, das auch als Oxidator wirken kann. Das gaserzeugende Gemisch soll eine hohe Abbrandgeschwindigkeit bei niedriger Verbrennungstemperatur aufweisen.

In der US-A-5,542,999 ist darüber hinaus ein gaserzeugendes Gemisch beschrieben, welches die stickstoffreichen Brennstoffe TAGN, Nitroguanidin, NTO oder GZT sowie als Oxidator basisches Kupfernitrat umfaßt. Als Katalysator wird hier ein Metall, beispielsweise Silber, oder eine Metallegierung auf einem Silicat-Träger, vorgeschlagen. Das Gemisch enthält weiter Eisenoxid als Kühlmittel.

Die Erfindung schafft demgegenüber eine einfach im Trockenverfahren zu verarbeitende gaserzeugende Zusammensetzung, die eine hohe volumenbezogene Gasausbeute ermöglicht und außerdem eine gute Anzündwilligkeit und eine hohe Abbrandgeschwindigkeit aufweist. Hierzu stellt die Erfindung eine gaserzeugende Zusammensetzung bereit, die zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere in Fahrergasgeneratoren, geeignet ist und die aus wenigstens einem organischen Brennstoff in einem Anteil von 45 bis 60 Gew.-% und wenigstens einem anorganischen Oxidator in einem Anteil von 40 bis 55 Gew.-% sowie 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel, jeweils bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, besteht. Die Zusammensetzung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zu einem Hauptanteil aus Nitroguanidin und zum Rest aus einem weiteren organischen Brennstoff besteht, und der Oxidator, bezogen auf das Oxidatorgewicht, zu wenigstens 80 Gew.-% aus basischem Kupfernitrat Cu(NO₃)₂ × 3Cu(OH)₂ und zum Rest aus einem weiteren anorganischen Oxidator aus der Gruppe der Perchlorate, Chlorate, Metallnitrate und Ammoniumnitrat oder deren Mischungen besteht.

Das basische Kupfernitrat weist bevorzugt eine mittlere Korngröße von kleiner als 10 μm, bevorzugt kleiner als 5 μm auf. Die spezifische Oberfläche liegt bei mindestens 1 m² pro Gramm. Hierdurch kann eine weitere Steigerung der Abbrandgeschwindigkeit sowie eine Verringerung der CO- oder NO_x-Anteile im freigesetzten Gasgemisch erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist den Vorteil auf, daß die volumenbezogene Gasausbeute im Vergleich zu den in der US-A-5,608,183 beschriebenen Zusammensetzungen wesentlich günstiger ist. Dies resultiert aus der Verwendung von Nitroguanidin als Brennstoff, welches eine höhere Dichte als Guanidinnitrat aufweist. Darüber hinaus läßt sich die erfindungsgemäße Zusammensetzung im Trockenverfahren verarbeiten. Damit entfallen zusätzliche energieintensive Verarbeitungsschritte wie ein Trocknen des Treibstoffs. Des weiteren kann die Verwendung eines Binders entfallen, der sowohl die Gasausbeute als auch die Schadgasbilanz nachteilig beeinflußt. Schließlich kann aufgrund der Auswahl von Nitroguanidin als Brennstoff und basischem Kupfernitrat als Oxidator auf die Verwendung von Kühlmittel und toxischen Katalysatoren verzichtet werden. Damit wird gegenüber den US-Patenten Nr. 5,542,998 und 5,542,999 eine bessere Gasausbeute und ein geringerer Schlackenanteil erreicht.

Der weitere organische Brennstoff ist bevorzugt ein hochenergetischer, stickstoff- und sauerstoffreicher Brennstoff mit einer Sauerstoffbilanz von größer als –30 %. Beispiele für eine derartige Verwindung sind Guanidinnitrat, TAGN, Hexogen, Oktogen oder NTO. Die Verwendung dieser zusätzlichen Brennstoffe in geringen Anteilen, vorzugsweise zu höchstens 20 Gew.-% des Brennstoffs, zeigt keinen störenden Einfluß auf die Abbrandgeschwindigkeit und die Gasausbeute der erfindungsgemäßen Zusammensetzung.

Die Verarbeitungshilfsmittel können aus der Gruppe der Gleitmittel, Preßhilfen und Rieselhilfen ausgewählt sein. Beispiele für Verarbeitungshilfsmittel sind Graphit, Ruß, Calciumstearat oder Siliciumdioxid.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die erfindungsgemäße Zusammensetzung aus 45 bis 60 Gew.-% Nitroguanidin, 40 bis 55 Gew.-% des anorganischen Oxidators, und 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel, jeweils bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung. Ganz besonders bevorzugt wird als anorganischer Oxidator ausschließlich basisches Kupfernitrat verwendet.

Die zweikomponentige, aus Nitroguanidin und basischem Kupfernitrat bestehende Zusammensetzung ist einfach aufgebaut und weist eine gute Anzündwilligkeit und Abbrandgeschwindigkeit auf. Als Schlacke entsteht bei der Verbrennung dieser Zusammensetzung ausschließlich metallisches Kupfer, das gut im Gasgenerator zurückgehalten werden kann. Aufgrund der Verwendung dieser Kombination ist außerdem eine hohe volumenbezogene Gasausbeute erreichbar. Zur Verbesserung der Abbrandgeschwindigkeit kann gegebenenfalls ein weiterer anorganischer Oxidator, bevorzugt Ammoniumperchlorat oder Kaliumperchlorat, in einem Anteil von höchstens 20 Gew.-% des Oxidators zugegeben werden. Aufgrund der damit verbundenen Verschlechterung der Gasausbeute ist dies jedoch weniger bevorzugt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die jedoch lediglich als Beispiel und nicht in einschränkendem Sinn zu verstehen ist.

50 Gewichtsteile Nitroguanidin und 50 Gewichtsteile basisches Kupfernitrat mit einer mittleren Korngröße von 1,3 μm und einer spezifischen Oberfläche zwischen 2 und 3 m²/g, werden gemahlen und zu Treibstofftabletten verpreßt. Die Mischung weist eine Dichte von 2,23 g/cm³ auf.
Durch Beschuß in einem üblichen Gasgenerator wurde eine Abbrandgeschwindigkeit von 29 mm/s bei 400 bar ermittelt. Die Gasausbeute betrug 63,1 1/100 g Treibstoff, entsprechend 144 1/100 cm³ Treibstoff.
Vergleichsbeispiel 1
Es wurde ein Gemisch aus 47,87 Gew.-% basischem Kupfernitrat und 52,13 Gew.-% Guanidinnitrat gemäß US-Patent Nr. 5,608,183 hergestellt. Die Dichte des Gemischs wurde zu 1,98 g/cm³ bestimmt.
Durch Beschuß in einem handelsüblichen Gasgenerator wurde eine Abbrandgeschwindigkeit von 25 mm/s bei 400 bar ermittelt. Die Gasausbeute betrug 66,3 1/100 g Treibstoff, entsprechend 131 1/100 cm³ Treibstoff.
Vergleichsbeispiel 2
Es wurde ein Gemisch aus 17,82 Gew.-% basischem Kupfernitrat und 82,18 Gew.-% Harnstoffnitrat gemäß US-Patent Nr. 5,608,183 hergestellt. Die Dichte der Zusammensetzung betrug 1,75 g/cm³.
Das Gemisch ergibt eine Gasausbeute von 78,1 1/100 g Treibstoff, entsprechend 137 1/100 cm³ Treibstoff.
Die obigen Versuche zeigen, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung sowohl eine bessere Abbrandgeschwindigkeit als auch eine bessere volumenbezogene Gasausbeute aufweist als die im Stand der Technik bekannten Zusammensetzungen. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können somit die Gasgeneratoren kleiner dimensioniert sein. Hierdurch sind Gewichts- und Kosteneinsparungen möglich. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen liegen in der Verarbeitung dieser Zusammensetzungen im Trockenverfahren, wodurch energieintensive zusätzliche Verarbeitungsschritte eingespart werden können. Die höheren Abbrandgeschwindigkeiten gestatten eine Verwendung in Fahrergasgeneratoren. Da weiterhin auf toxische Bestandteile wie Metalloxidkatalysatoren verzichtet wird, ist auch die Entsorgungsfähigkeit verbessert.

Claims

Azidfreie, gaserzeugende Zusammensetzung zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge, bestehend aus wenigstens einem organischen Brennstoff in einem Anteil von 45 bis 60 Gew.-% und wenigstens einem anorganischen Oxidator in einem Anteil von 40 bis 55 Gew.-% sowie 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel, jeweils bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Brennstoff zu einem Hauptanteil aus Nitroguanidin und zum Rest aus einem weiteren organischen Brennstoff besteht, und der Oxidator, bezogen auf das Oxidatorgewicht, zu wenigstens 80 % aus basischen Kupfernitrat Cu(NO₃)₂ × 3Cu(OH)₂ und zum Rest aus einem weiteren anorganischen Oxidator aus der Gruppe der Perchlorate, Chlorate, Metallnitrate und Ammoniumnitrat oder deren Mischungen besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere organische Brennstoff eine Sauerstoffbilanz von größer als –30 % aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere organische Brennstoff aus der aus Guanidinnitrat, TAGN, Hexogen, Oktogen oder NTO sowie deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgwählt ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere organische Brennstoff in einem Anteil von höchstens 20 Gew.-%, bezogen auf den Brennstoffanteil, vorhanden ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bestehend aus 45 bis 60 Gew.-% Nitroguanidin, 40 bis 55 Gew.-% basischem Kupfernitrat, 0 bis 10 Gew.-% Ammoniumperchlorat oder Kaliumperchlorat und 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel, jeweils bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bestehend aus 45 bis 60 Gew.-% Nitroguanidin, 40 bis 55 Gew.-% basischem Kupfernitrat, und 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfsmittel, jeweils bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung.
Zusammensetzung nach Anspruch 6, bestehend aus einer stochiometrischen Mischung von Nitroguanidin und basischem Kupfernitrat, sowie 0 bis 5 Gew.-% Verarbeitungshilfen.
Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das basische Kupfernitrat eine mittlere Korngröße von kleiner als 10 μm, bevorzugt kleiner als 5 μm und eine spezifische Oberfläche von mindestens 1 m²/g aufweist.