DE19646931A1 - Eisenoxid als ein Kühlmittel und Restebildner in einem organischen Antriebsmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaserzeugungszusam­ mensetzung, die einen organischen Brennstoff enthält und ein Oxidationsmittel für den organischen Brennstoff. Die Erfindung ist insbesondere zweckmäßig für das schnelle Aufblasen einer Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung.

Ein Problem bei der Verwendung eines kein Azid enthal­ tenden organischen Brennstoffs in einer Gaserzeugungszu­ sammensetzung besteht darin, daß es leicht ist, Schlacke oder Klinker beim Zünden einer Gaserzeugungszusammenset­ zung einschließlich Natriumazid zu erzeugen, als dann, wenn man ein Gaserzeugungsmaterial mit einem organischen Brennstoff verwendet. Dies liegt daran, daß die Verbren­ nungstemperatur bei auf Azid basierenden Gaserzeugungs­ mitteln im allgemeinen niedriger liegt und daß die Ver­ brennungsprodukte höhere Schmelzpunkte besitzen als diese Verbrennungstemperatur. Beispielsweise kann die Verbren­ nungstemperatur eines Gaserzeugungsmittels basierend auf einem Natriumazid/Eisenoxid ungefähr 969°C betragen, wo­ hingegen ein auf organischem Brennstoff basierendes Gas­ erzeugungsmittel eine Verbrennungstemperatur bis zu un­ gefähr 2000°C besitzen kann. Infolgedessen sind viele der normalerweise festen Verbrennungsprodukte bei der Verbrennungstemperatur des Gaserzeugungsmittels basierend auf organischem Brennstoff flüssig und daher schwer aus dem Gasstrom auszufiltern. Beispielsweise schmilzt Kaliumcarbonat bei 891°C und Natriumsilikat schmilzt bei annähernd 1100°C.

Es ist ferner erwünscht, eine niedrige Verbrennungstem­ peratur oder eine niedrige Wärmeausgangsgröße zu haben, um so die Erosion von Filter und Verbrennungskammer zu minimieren. Eine hohe Wärmeausgangsgröße hat teuere Fil­ ter zur Folge, die in der Lage sein müssen, der Wärme zu widerstehen, die durch das Gaserzeugungsmaterial bei der Verbrennung erzeugt wird.

Die Wärmeausgangsgröße von Gaserzeugungsmitteln basierend auf organischem Brennstoff kann dadurch abgesenkt werden, daß man ein Kühlmittel der Gaserzeugungskomposition oder Zusammensetzung hinzugibt. Die Zugabe eines Kühlmittels hat jedoch die Tendenz, die Verbrennungsrate oder Ver­ brennungsgeschwindigkeit zu verringern. Es ist allgemein erwünscht, eine schnelle oder hohe Verbrennungsrate zu haben, um ein Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem aufzu­ blasen.

US-PS 4 386 979 offenbart eine Gaserzeugungszusammenset­ zung, die ein Cyanamid, ein mit dem Cyanamid reagierendes Oxidationsmittel und ein Kühlmittel enthält. Ein be­ vorzugtes Oxidationsmittel ist Salz, wie beispielsweise Natriumnitrat. Eisenoxid ist ebenfalls ein mögliches Oxi­ dationsmittel. Bevorzugte Kühlmittel sind Hydroxide und Oxide, wie diejenigen von Aluminium und Silicium. Das Kühlmittel reduziert die Reaktionstemperatur durch die indotherme Zerlegung und durch die Wärmekapazität der Zerlegungsprodukte. Die Zerlegung setzt Kohlendioxid frei, welches ansonsten als Natriumcarbonat zurückgehal­ ten würde. Die Zusammensetzung kann auch von 0 bis 5% eines Verbrennungsgeschwindigkeits- oder Verbrennungsra­ tenkatalysators enthalten. Eisenoxid wird als ein mögli­ cher Verbrennungsratenkatalysator erwähnt. Katalytisches Eisenoxid auch bekannt als Eisenoxid der Farbqualität hat typischerweise eine kleine Teilchengröße im Bereich von Submikron bis zu zwei Mikron.

Die US-Patente 5 035 757 und 5 139 588 offenbaren eine Gaserzeugungszusammensetzung, die folgendes enthält: Te­ trazol Brennstoff (beispielweise 5AT), ein Nitrat und 10%-40% Eisenoxid der Farbenqualität als einen Schlackenbildner mit hohem Schmelzpunkt. Der Brennstoff 5AT ist verglichen mit einem Cyanamid verhältnismäßig energie­ reich.

US-PS 5 198 046 offenbart Azotetrazolat (GZT), ein Nitrat und 0,1%-5% katalytisches Eisenoxid als einen Ab­ brennregulator. GZT ist auch ein relativ energiereicher Brennstoff.

Zusammenfassung der Erfindung: Die Erfindung sieht eine Gaserzeugungszusammensetzung vor zum Aufblasen einer Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung. Die Gaserzeugungs­ zusammensetzung weist einen organischen Brennstoff auf, ein Oxidationsmittel und ein Kühlmittel. Ein bevorzugter organischer Brennstoff ist ein Cyanamid. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist ein Nitrat eines Alkalimetalls, ei­ nes Erdalkalimetalls oder Ammoniak, und zwar vorhanden in einem annähernd stöchiometrischen Verhältnis bezüglich der Cyanamidverbindung. Das Kühlmittel ist Eisenoxid (Fe₂O₃). Das Eisenoxid ist vorzugsweise in einer Menge im Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 25% vorhanden, und zwar basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammenset­ zung. Mindestens ein Hauptteil des Eisenoxidanteils ist im wesentlichen frei von Material der Katalysatorqualität oder der Farbqualität. Vorzugsweise besitzt mindestens ein Hauptteil des Eisenoxids eine durchschnittliche Teil­ chengröße größer als 100 Mikron.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispie­ len anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Prozentsatzes an Eisenoxid in einer Gaserzeugungszusammensetzung abhängig von der Wärmeausgangsgröße in Kalorien pro Gramm der Gaserzeugungszusammensetzung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Prozentzahl von Eisenoxid mit einer durchschnittlichen Teil­ chengröße von ungefähr 335 Mikron in einem Gaser­ zeugungsmaterial mit der Brennrate in Zoll pro Se­ kunde vergleicht; und

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die durchschnitt­ liche Teilchengröße in Mikron des Eisenoxids mit der Brennrate in Zoll pro Sekunde vergleicht.

Die Erfindung sei nunmehr im einzelnen erläutert, wobei hier sämtliche Prozentsätze in Gewichtsprozenten angege­ ben sind, und zwar basierend auf dem Gewicht der Gaser­ zeugungszusammensetzung, wenn dies nicht anders bemerkt wird. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeutet jedoch der Ausdruck Gaserzeugungszusammensetzungsgewicht die Kombination nur der reagierenden Komponenten oder Be­ standteile und umfaßt nicht das Gewicht der inerten Kom­ ponenten, die in die Verbrennungsreaktion nicht eingrei­ fen. Beispiele von inerten Komponenten können inerte Kom­ paktierungshilfen und Verstärkungsfasern sein.

Die Gaserzeugungszusammensetzung der vorliegenden Erfin­ dung ist für eine Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung, wie beispielsweise einen Airbag, der aufgeblasen wird, um den Fahrzeuginsassen im Fall einer Kollision zu schützen.

Die Erfindung ist nicht auf eine Fahrzeuginsassen-Rück­ haltevorrichtung in einer bestimmten Konfiguration be­ schränkt. Eine Konfiguration ist in US-Patent 4 902 036 beschrieben. Dieses Patent beschreibt einen Airbag, der zwischen einem Fahrzeuginsassen und einem Fahrzeuginnen­ teil aufgeblasen wird. Der Airbag kann in dem Lenkrad des Fahrzeugs eingebaut sein. Eine Gaserzeugungszusammenset­ zung in der Form von Körnern oder Abschnitten ist inner­ halb eines Gehäuses untergebracht. Die Gaserzeugungszu­ sammensetzung erzeugt bei Verbrennung eine Menge an gas­ förmigen Verbrennungsprodukten, die den Airbag aufblasen.

Das Gehäuse besitzt einen Zünder, der bei der Zündung die Gaserzeugungskörner oder die Gaserzeugungsmittel zündet.

Die Gaserzeugungskörner oder -abschnitte besitzen eine im allgemeinen toroidförmige scheibenartige Konfiguration mit einem zylindrischen Äußeren und einem sich axial er­ streckenden Loch. Sie sind im Gehäuse in einer gestapel­ ten Beziehung positioniert, wobei sich die axial er­ streckenden Löcher in Ausrichtung befinden. Die Löcher sind derart ausgelegt, daß sie entweder den Zünder oder die Verbrennungsprodukte vom Zünder aufnehmen. Jeder Gas­ erzeugungsabschnitt besitzt im allgemeinen flache entge­ gengesetzt liegende Oberflächen und Vorsprünge auf diesen Oberflächen, welche einen Abschnitt etwas von einem wei­ teren Abschnitt mit Abstand anordnen. Die Konfiguration der Abschnitte fördert eine gleichförmige Verbrennung des Gaserzeugungsmaterials. Beispiele anderer Konfiguratio­ nen, die dem Fachmann bekannt sind, können ebenfalls ver­ wendet werden.

Die Abschnitte können durch irgendeinen konventionellen Zünder gezündet werden. Ein konventioneller Zünder ist in US-PS 4 902 036 beschrieben. Der Zünder weist ein Zünd­ element auf. Das Zündelement enthält eine kleine Ladung an zündbarem Material. Elektrische Leiter liefern Strom an das Zündelement. Der Strom wird dann geliefert, wenn ein Sensor ansprechend auf ein einen Fahrzeugzusammenstoß anzeigendes Ereignis eine elektrische Schaltung schließt, die eine Leistungsquelle umfaßt. Der Strom erzeugt in dem Zündelement Wärme, was das zündbare Material zündet. Der Zünder besitzt auch einen Kanister, der ein schnell ver­ brennendes pyrotechnisches Material, wie beispielsweise Borkaliumnitrat enthält. Das schnell verbrennende pyro­ technische Material wird durch die kleine Ladung des zündbaren Materials gezündet. Die Zündung des schnell brennbaren pyrotechnischen Materials liefert die Schwel­ lenenergie, die erforderlich ist, um die Gaserzeugungsab­ schnitte zu zünden. Andere Zündsysteme, die in der Lage sind, die Schwellenenergie zu erzeugen, sind bekannt und können zusammen mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Die Abschnitte aus der Gaserzeugungszusammensetzung wer­ den dadurch hergestellt, daß man die Bestandteile oder Komponenten der Gaserzeugungszusammensetzung mischt und sodann die gemischten Komponenten in die gewünschte Kon­ figuration preßt. Vorzugsweise sind die Abschnitte unter Verwendung eines trockenen Verfahrens hergestellt, wobei die Komponenten der gaserzeugenden Zusammensetzung trocken miteinander vermischt werden und sodann in die gewünschte Form kompaktiert werden, während sie sich noch im trockenen Zustand befinden. Alternativ können die Ab­ schnitte auch gemischt und geformt werden unter Verwen­ dung von Naßverfahren. Bei diesem Verfahren werden die Komponenten mit einem flüssigen Medium, wie beispielswei­ se Wasser oder Ethanol zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt. Die Aufschlämmung kann teilweise getrocknet werden und sodann in die gewünschte Konfiguration geformt werden, und zwar unter Verwendung einer Presse oder einer Kompaktiervorrichtung mit dieser Konfiguration. Die ge­ formten Abschnitte werden dann getrocknet.

Die Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung gemäß US-PS 4 902 036 weist auch eine Filteranordnung auf, und zwar angeordnet im Strömungspfad zwischen der Verbren­ nungskammer und dem Airbag. Die Filteranordnung bewirkt die Entfernung der festen Produkte der Reaktion aus den Verbrennungsgasen und verhindert den Eintritt in den Air­ bag. Der Filter kühlt auch die Verbrennungs- oder Reak­ tionsprodukte.

Die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Brennstoffbestandteil oder eine Brennstoff­ komponente auf, ein Oxidationsmittel für die Brennstoff­ komponente und ein Kühlmittel. Die Brennstoffkomponente ist ein organischer Brennstoff. Die vorliegende Erfindung ist besonders brauchbar zusammen mit einer Cyanamidver­ bindung. Beispiele sind die folgenden: Dicyandiamid (C₂H₄N₄); Melamin (C₃H₃(NH₂)₃); Cyanamidsalze, wie bei­ spielsweise Calciumcyanamid (CaNCN) und Zinkcyanamid (ZnNCN); Wasserstoffcyanamidsalze, wie beispielsweise Calciumhydrogencyanamid (Ca (HNCN)₂), und Natriumhydrogen­ cyanamid (NaHCN₂; und Mischungen aus den vorstehenden Verbindungen. Diese Brennstoffe können als relativ weni­ ger energiereich charakterisiert werden als andere orga­ nische Brennstoffe.

Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann ener­ giereichere organische Brennstoffe enthalten, wie bei­ spielsweise diejenigen, die ein oder mehr Sauerstoffatome enthalten. Beispiele sind die folgenden: Nitrocyana­ midverbindungen, wie beispielsweise Nitroguanidin (CH₄O₂N₄), Nitrate, wie beispielsweise Triaminoguanidin­ nitrat, Triazole und Tetrazole. Andere in der erfindungs­ gemäßen Zusammensetzung brauchbare Brennstoffe ergeben sich ohne weiteres für den Fachmann.

Eine Cyanamidverbindung wird in der erfindungsgemäßen Ga­ serzeugungszusammensetzung bevorzugt. Dies liegt daran, daß die Cyanamide nicht giftig sind, nicht korridierend sind, chemisch stabil sind und unempfindlich sind gegen­ über Stoß und Reibung. Cyanamidverbindungen werden der­ zeit in großen Mengen hergestellt und sind ohne weiteres zu niedrigen Kosten verfügbar. Auch sind die gasförmigen Verbrennungsprodukte der Cyanamide nicht gefährlich und hohe Gasausbeuten sind erreichbar. Eine besonders bevor­ zugte Cyanamidverbindung ist Dicyandiamid.

Die Cyanamidverbindung ist vorzugsweise in der Gaserzeu­ gungszusammensetzung der Erfindung in einer Menge von ungefähr 22 Gew.% bis 29 Gew.% vorhanden, und zwar ba­ sierend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung ausschließlich inerter Komponenten.

Das Oxidationsmittel für die Reaktion mit der Cyanamid­ verbindung ist ein Nitrat eines Alkalimetalls, Erdalkali­ metalls oder Ammoniak. Bevorzugte Oxidationsmittel sind Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Strontiumnitrat. Diese Nitrate sind nicht schmelzend und bei der Reaktion mit einer Cyanamidverbindung erzeugen sie keine giftigen Reaktionsprodukte.

Das Oxidationsmittel ist in einer Menge annähernd der stöchiometrischen Menge bezüglich der Brennstoffverbin­ dung vorhanden. Wenn die Gaserzeugungszusammensetzung brennstoffreich ist, d. h. mehr Brennstoff als notwendig besitzt zur Reaktion mit dem Oxidationsmittel oder brenn­ stoffarm, d. h. weniger Brennstoff besitzt als notwendig ist, um mit dem Oxidationsmittel zu reagieren, so können sich unerwünschte Verbrennungsprodukte ergeben. Auf einer Gewichtsbasis ist das Oxidationsmittel vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 52 Gew.% bis ungefähr 71 Gew.% der Gaserzeugungszusammensetzung vorhanden, und zwar aus­ schließlich inerter Komponenten.

Das Kühlmittel der Gaserzeugungszusammensetzung der vor­ liegenden Erfindung ist Eisenoxid (Fe₂O₃). Das Eisenoxid arbeitet als ein Kühlmittel im wesentlichen dadurch, daß es eine Wärmefalle vorsieht zum Absorbieren von durch die Verbrennungsreaktion erzeugten Kalorien.

Die Menge an Eisenoxidkühlmittel in der Gaserzeugungs­ zusammensetzung ist wichtig. Das Eisenoxid muß die Reak­ tionsprodukte von der Verbrennung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels hinreichend abkühlen, um eine signifi­ kante Menge an fester filterbarer Schlacke zu erzeugen. Es ist ebenfalls notwendig, Reaktionsprodukte abzukühlen, um die Hardstofferosion in der Aufblasvorrichtung für die Fahrzeuginsassenrückhaltung zu minimieren. Vorzugsweise ist das Eisenoxidkühlmittel in der Gaserzeugungszusam­ mensetzung gemäß der Erfindung in einer Menge von unge­ fähr 10 Gew.% bis ungefähr 25 Gew.% der Gaserzeugungszu­ sammensetzung ausschließlich inerten Materials vorhanden.

Die Teilchengröße des Eisenoxidanteils ist ebenfalls wichtig. Der Eisenoxidanteil besteht vorzugsweise aus einem Hauptteil, der frei von Material mit feiner Teil­ chengröße ist. Mit dem Ausdruck "Material mit feiner Teilchengröße" wird ein Material der Katalysatorqualität oder der Farbqualität bezeichnet. Dieses Material besitzt eine durchschnittliche Teilchengröße, die charakterisiert werden kann als Submikron bis ungefähr 2 Mikron im Durch­ messer. Der Ausdruck "Hauptteil" bedeutet mehr als 50%.

Eine kritische Betrachtung bei der Verwendung der Gaser­ zeugungszusammensetzung besteht in der Verbrennungsrate oder Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung. Die Gaserzeugungszusammensetzung muß verbrennen und Gas er­ zeugen, und zwar mit einer Rate oder Geschwindigkeit, die hoch genug liegt, um den Airbag in einer Zeit aufzubla­ sen, die den Schutz des Fahrzeuginsassen sicherstellt.

Wenn in der Gaszusammensetzung der vorliegenden Erfindung Eisenoxid der katalytischen Qualität oder der Farbquali­ tät verwendet wird, und zwar in einer Menge im Bereich von ungefähr 10% bis 25%, so wurde festgestellt, daß die Verbrennungsrate oder -geschwindigkeit der Gaserzeu­ gungszusammensetzung beträchtlich verringert wurde zusam­ men mit einer Verminderung der Wärmeausgangsgröße der Ga­ serzeugungszusammensetzung.

Obwohl die Erfindung nicht durch die folgende Theorie eingeschränkt werden soll, sei doch bemerkt, daß angenom­ men wird, daß das Eisenoxid der katalytischen oder Farb­ qualität dann, wenn es in einer Menge von 5% oder mehr vorhanden ist, eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Barrieren für die Flammenfront bildet, die durch den Ab­ schnitt aus der Gaserzeugungszusammensetzung fortschrei­ tet. Dadurch, daß man ein Kühlmaterial in einer Teilchen­ größe verwendet, die signifikant größer ist als die kata­ lystische oder Farbqualität, werden Durchlässe innerhalb der Abschnitte vorgesehen, durch welche die Flammenfront fortschreiten kann.

Vorzugsweise hat der Eisenoxidanteil einen Hauptteil, der eine durchschnittliche Teilchengröße besitzt, größer als 100 Mikron.

Die folgende Reaktion (1) veranschaulicht die Verbrennung von Dicyandiamid mit Natriumnitrat ohne das Vorhandensein irgendeines Kühlmittels in der Reaktionsmischung.

40C₂H₄N₄ + 96NaNO₃ → 32CO₂ + 80H₂O + 128N₂ + 48Na₂CO₂ (1)

Auf eine Gewichtsbasis weist die Gaserzeugungzusammen­ setzung der Reaktion (1) ungefähr 29% Dicyandiamid und ungefähr 71% Natriumnitrat auf.

Diese Proportionen sind stöchiometrisch. Wie sich aus dem folgenden Beispiel 1 ergibt, erzeugt diese Reaktion eine hohe kalorienmäßige oder wärmemäßige Ausgangsgröße und nur einen kleinen Prozentsatz an filterbarer Schlacke.

Die folgende Gleichung (2) veranschaulicht die Verbren­ nung von Dicyandiamid und Natriumnitrat mit 18 Mol Eisen­ oxid (Fe₂O₃) vorhanden in der Reaktionsmischung.

40C₂H₄N₄ + 96NaNO₃ + 18Fe₂O₃ → 36Na₂O · FeO + 68CO₂ + 12Na₂CO₃ + 80H₂O + 128N₂ + 9O₂ (2)

Auf einer Gewichtsbasis besteht die Gaserzeugungszusam­ mensetzung in der Reaktion (2) aus ungefähr 23,3% Dicyan­ diamid, ungefähr 56,7% Natriumnitrat und ungefähr 20% Eisenoxid. Das Verhältnis von Dicyandiamid zu Natriumni­ trat in der Reaktion (2) ist stöchiometrisch.

Die Reaktion (2) erzeugt, wie sich aus den folgenden Bei­ spielen ergibt, eine kalorienmäßige oder wärmemäßige Aus­ gangsgröße und eine höhere Schlackenbildung als die Reak­ tion (1). Trotz der Reduktion hinsichtlich der Wärmeaus­ gangsgröße werden gute Brennraten oder Brenngeschwindig­ keiten erhalten.

In der Reaktion (2) reagiert ein Teil des Eisenoxids mit dem Natriumcarbonatreaktionsprodukt zur Bildung von Na­ trium/Eisenoxid. Die Reaktion (2) zeigt, daß nur 12 Mol an Natriumcarbonat erzeugt werden, und zwar verglichen mit 48 Mol der Reaktion (1). Die Schlackenbildung aus der Reaktion (2) ist auf die Bildung von Natrium/Eisenoxid zurückzuführen. Das Natrium/Eisenoxid besitzt einen hö­ heren Schmelzpunkt als das Natriumcarbonat und bildet da­ her mehr filterbare Feststoffschlackenprodukte als dies das Natriumcarbonat bei der Temperatur des Reaktionspro­ duks tut.

Es kann auch der Reaktion (2) entnommen werden, daß zu­ sätzlich zu der Verminderung der Produktion von Natrium­ carbonat während filterbarer Natrium/Eisenoxid leicht er­ zeugt wird, die Zugabe von Eisenoxid doppelt so viel Koh­ lendioxidgas und auch etwas Sauerstoffgas erzeugt. Somit erzeugt das Eisenoxid nicht nur ein leichter filterbares Verbrennungsprodukt, sondern es erhöht auch die Gasaus­ beute.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung.

Beispiele 1-14

Mischungen aus Dicyandiamid, Natriumnitrat und O bis 20 Gew.% Eisenoxidkühlmittel wurden hergestellt mit Ge­ wichtsprozentsätzen von Eisenoxid gemäß der folgenden Ta­ belle. Die Gewichtsprozentsätze in der Tabelle basieren auf dem Gesamtgewicht der reagierenden Komponenten in der Zusammensetzung. Das Verhältnis von Dicyandiamid zu Na­ triumnitrat in allen Beispielen war stöchiometrisch. Die Bestandteile wurden trocken gemischt und Stränge wurden durch Kompressionsformen der Mischung hergestellt. Die Dichte der Stränge bei dem 20%igen Niveau oder Pegel an Eisenoxid änderte sich von ungefähr 1,94 bis 2,12 g pro ccm. Bei dem 0 bis 10% Niveau von Eisenoxid änderte sich die Dichte von ungefähr 1,82 bis 1,9 g pro ccm.

Die Mischungen wurden getestet, und zwar hinsichtlich der Verbrennungsrate oder -geschwindigkeit (Rb) der Wärmeaus­ gangsgröße (Hr) und einer Druckbombe. Messungen wurden erhalten bei sowohl 1000 psi und 2000 psi in der Bombe. Die prozentuale Schlackenbildung wurde ebenfalls be­ stimmt. Die Verbrennungsrate oder -geschwindigkeit (in Zoll pro Sekunde) wurde aus der Bombendruckkurve bestimmt und die Wärmeausgangsgröße (in Kalorien pro Gramm Gaser­ zeugungsmaterial), wurde gemessen, und zwar unter Verwen­ dung eines Kalorimeters entsprechend üblichen Verfah­ rensweisen.

In der Tabelle wurde die Bezeichnung "2µFe₂O₃" Eisenoxid in einer angenäherten durchschnittlichen Teilchengröße von ungefähr 2 Mikron. Die Bezeichnung "200µFe₂O₃" be­ deutet eine durchschnittliche Teilchengröße des erhalte­ nen Materials zwischen 100 Maschensieb (150 Mikron) und einem 60 Maschensieb (250 Mikron). Die Bezeichnung "335µFe₂O₃" bedeutet die durchschnittliche Teilchengröße des erhaltenen Materials zwischen 60 Maschensieb (250 Mi­ kron) und einem 40 Maschensieb (420 Mikron). Das Eisen­ oxid wurde gewaschen, so daß Proben mit schmalen Teil­ chengrößenverteilungskurven erhalten wurden. Mit dem Ausdruck "schmale Teilchengrößenverteilungskurven" wird die graphische Darstellung der Häufigkeit von Teilchen mit unterschiedlichen Größen bezeichnet, und zwar inner­ halb eines relativ schmalen Bereichs, vorzugsweise eines Bereichs von weniger als ungefähr 200 Mikron.

Tabelle

Bestimmte bei 1000 psi ermittelte Daten sind in graphi­ scher Form in den Fig. 1-3 gezeigt. In Fig. 1 kann man sehen, daß die Wärmeausgangsgröße (Reaktionswärme in Ka­ lorien pro Gramm) wesentlich vermindert wurde durch ver­ größerte Mengen an Eisenoxidkühlmittel bis zu 20%. Bei­ spielsweise bei Mengen an Eisenoxidkühlmittel von 0% (Beispiel 1), 5% (Beispiel 5), 10% (Beispiel 4), 20% (Beispiel 3) betrugen die Wärmeausgangsgrößen 899 bzw. 827 bzw. 762 bzw. 654 Kalorien pro Gramm.

Unter Bezugnahme auf die obige Tabelle erkennt man, daß die prozentuale Schlackenbildung (basierend auf dem Ge­ wicht der Gaserzeugungszusammensetzung) in entsprechender Weise erhöht wurde mit der Verringerung der Wärmeaus­ gangsgröße, beispielsweise von 19,5% in Beispiel 1 (bei 0% Eisenoxid) bis 23,3% in Beispiel 4 (bei 10% Eisen­ oxid) und 51,6% in Beispiel 3 (bei 20% Eisenoxid).

In Fig. 2 kann man sehen, daß trotz einer verminderten Wärmeausgangsgröße erzeugt durch die Verwendung des zu­ gegebenen Eisenoxidkühlmittels, die Verbrennungsrate oder -geschwindigkeit überraschenderweise erhöht werden kann oder im wesentlichen beibehalten werden kann, und zwar verglichen mit der Verbrennungsrate- oder -geschwindig­ keit bei nicht hinzugefügtem Eisenoxidkühlmittel, da die Wärmeausgangsgröße verringert wurde. Alle in Fig. 2 ge­ zeigten Daten wurden unter Verwendung von 20% zugefügtem Eisenoxidkühlmittel erhalten.

Die Differenz zwischen den Beispielen 11, 12, 13 und 14 in Fig. 2 ist die Menge von Eisenoxid mit großer Teil­ chengröße in dem Kühlmittelanteil der Gaserzeugungszusam­ mensetzung. Im Beispiel 13 bestand der Kühlmittelanteil aus 10% Katalysator- oder Farbqualitätmaterial und 10% 335 Mikronmaterial (basierend auf dem Gewicht der Gaser­ zeugungszusammensetzung).

Im Beispiel 12 bestand der Kühlmittelanteil aus 6% Kata­ lysator- oder Farbqualitätsmaterial und 14% 335 Mikron Material. In den Beispielen 14 und 11 wurde das 335 Mi­ kron Material auf 16% bzw. 20% erhöht, und zwar basie­ rend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung.

Bei 10% 335 Mikron Eisenoxid (Beispiel 13) betrug die Verbrennungsgeschwindigkeit 0,96 inch pro Sekunde, wo­ hingegen bei den Beispielen 12, 14 und 11 bei 14%, 16% und 20% 335 Mikron-Eisenoxid die Verbrennungsgeschwin­ digkeiten bei 1,11 bzw. 1,2 bzw. 1,52 Zoll pro Sekunde lagen. Unter Bezugnahme auf die obige Tabelle erkennt man, daß die Brenngeschwindigkeit, dann wenn kein Eisen­ oxid vorhanden ist (Beispiel 1) 1,38 Zoll pro Sekunde betrug. Die Verbrennungsgeschwindigkeit mit 20% Kataly­ sator oder Farbqualität Eisenoxid (Beispiel 3) betrug 0,806 Zoll pro Sekunde.

Die Verbrennungsgeschwindigkeiten von 1,11 und 1,2 der Beispiele 12 und 14 werden als akzeptabel betrachtet und liegen überraschenderweise oberhalb dessen, was man er­ warten würde, wenn man die Verringerung der Wärmeaus­ gangsgröße betrachtet, diese Werte liegen innerhalb der Bedeutung des Wortes "im wesentlichen beibehalten". Der überraschendste Aspekt der Daten in Fig. 2 besteht jedoch darin, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit von 1,52 Zoll pro Sekunde erreicht im Beispiel 11 (mit 20% 335 Mikron Eisenoxid) signifikant höher liegt, und zwar verglichen mit dem Beispiel 1 mit keinem Eisenoxid (1,38 Zoll pro Sekunde). Die höhere Verbrennungsrate oder Verbrennungs­ geschwindigkeit wurde trotz der viel niedrigeren Wärme­ ausgangsgröße erhalten, und zwar 665 Kalorien pro Gramm im Beispiel 11 verglichen mit 899 Kalorien pro Gramm in Beispiel 1.

Die Daten in den Fig. 1 und 2 zeigen, daß bei der Ver­ wendung von 10% bis 25% Eisenoxid mit großer Teilchen­ größe als ein Kühlmittel die Wärmeausgansgröße beträcht­ lich vermindert werden kann, was eine bessere Klinkerbil­ dung und einen besseren Hardwareschutz bedeutet, ohne die Verbrennungsgeschwindigkeit wesentlich zu verschlechtern.

Diese Beziehung der Teilchengröße zur Verbrennungsge­ schwindigkeit ist ferner in Fig. 3 veranschaulicht. Bei­ spiel 3 in Fig. 3 umfaßt 20% Eisenoxidkühlmittel der ka­ talytischen oder Farbqualitätsgröße. Die Beispiele 10 und 11 in Fig. 3 weisen 20% Eisenoxidkühlmittel auf, und zwar 200 Mikron bzw. 335 Mikron Material. Fig. 3 zeigt eine beträchtliche Erhöhung der Verbrennungsrate oder Verbrennungsgeschwindigkeit mit vergrößerter Kühlmittel­ teilchenbemessung, und zwar von 0,806 in Beispiel 3 bis 0,998 in Beispiel 10 und 1,52 in Beispiel 11.

Wenn die Teilchengröße des Eisenoxids zu groß ist, bei­ spielsweise eine durchschnittliche Teilchengröße signi­ fikant oberhalb 335 Mikron besitzt, so verschwindet der vorteilhafte Effekt der Verwendung des Eisenoxidkühlmit­ tels, möglicherweise in Folge der schlechteren Dispersion oder Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel.

Basierend auf den obigen und anderen Daten weist ein be­ vorzugter Eisenoxidkühlmittelanteil mindestens 10% Ei­ senoxid (basierend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszu­ sammensetzung) auf. Vorzugsweise besitzt ein Hauptteil (mehr als ungefähr 50 Gew.%) des Eisenoxidanteils eine schmale Teilchengrößenverteilungskurve und ist im wesent­ lichen frei von Eisenoxid der Katalysator- oder Farbqua­ lität. Vorzugsweise besitzen mindestens ungefähr 50% des Eisenoxidanteils eine durchschnittliche Teilchengröße größer als ungefähr 100 Mikron.

Eine bevorzugte obere Grenze für die Menge an Eisenoxid ist 25%. Bei mehr als 25% Eisenoxid scheint es, daß die Wärmeausgangsgröße zu stark verringert wird.

Aus der obigen Beschreibung erkennt der Fachmann, daß weitere Abwandlungen der Erfindung möglich sind.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Eine Gaserzeugungszusammensetzung, die besonders brauch­ bar ist zum Aufblasen einer Fahrzeuginsassen-Rückhalte­ vorrichtung. Diese Zusammensetzung weist einen organi­ schen Brennstoff auf, ein Oxidationsmittel und Eisenoxid in einer Menge, die effektiv ist, um eine Kühlmittelfunk­ tion in der Gaserzeugungszusammensetzung vorzusehen. Min­ destens ein Hauptteil des Eisenoxids ist im wesentlichen frei von Material der Katalysator- oder Farbqualität und besitzt eine durchschnittliche Teilchengröße in einem schmalen Teilgrößenverteilungsbereich größer als 100 Mi­ kron.

Claims (25)

1. Gaserzeugungszusammensetzung zum Aufblasen einer Fahrzeuginsassen-Rückhaltung, wobei folgendes vor­ gesehen ist:

• (a) ein organischer Brennstoff;
• (b) ein Oxidationsmittel für den Brennstoff;
• (c) ein Kühlmittel in einer Menge im Bereich von un­ gefähr 10% bis ungefähr 25%, basierend auf dem Ge­ wicht der Gaserzeugungszusammensetzung zum Abkühlen der Verbrennungsprodukte von (a) und (b), wobei das Kühlmittel Eisenoxid (Fe₂O₃) ist und einen Hauptteil aufweist, der im wesentlichen frei von Eisenoxid der Katalysator- oder Farbqualität ist.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Brenn­ stoff frei von Sauerstoffatomen ist.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei der Brenn­ stoff Cyanamid ist.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei der Brenn­ stoff ein Dicyandiamid ist.

5. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Kühlmit­ tel einen 50%-igen oder größeren Teil oder Anteil aufweist, und zwar basierend auf dem Gewicht des Kühlmittels, mit einer durchschnittlichen Teilchen­ größe größer als 100 Mikron.

6. Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei die erwähnten 50% oder mehr an Kühlmittelanteil eine schmale Teilchengrößenverteilungskurve besitzen.

7. Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das Kühlmit­ tel mindestens 50% Eisenoxid aufweist, und zwar ba­ sierend auf dem Gewicht des Kühlmittels, und zwar ferner mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von ungefähr 200 Mikron oder größer.

8. Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei das Oxidati­ onsmittel ein Nitrat eines Alkalimetalls, eines Er­ dalkalimetalls oder Ammoniak ist, und zwar in einem annähernd stöchiometrischen Verhältnis bezüglich des Cyanamids.

9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das Nitrat ein Natriumnitrat ist, ein Kaliumnitrat oder ein Strontiumnitrat.

10. Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung mit einer Ga­ serzeugungszusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in der Form von Ab­ schnitten.

11. Eine Gaserzeugungszusammensetzung zum Aufblasen ei­ ner Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung, wobei folgendes vorgesehen ist:

• (a) eine Cyanamidverbindung;
• (b) ein Nitrat eines Alkalimetalls, eines Erdalka­ limetalls oder Ammoniak in einem annähernd stöchio­ metrischen Verhältnis bezüglich der Cyanamidverbin­ dung zur Verbrennung der Cyanamidverbindung;
• (c) ein Kühlmittel in einer Menge im Bereich von un­ gefähr 10% bis 25%, basierend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung zum Abkühlen der Ver­ brennungsprodukte von (a) und (b), wobei das Kühl­ mittel Eisenoxid (Fe₂O₃) ist, und zwar mit einem Hauptteil im wesentlichen frei von Material mit ei­ ner feinen Teilchengröße.

12. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, und zwar Anspruch 11, wobei der Hauptteil eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als 100 Mikron besitzt.

13. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 12, wobei das Cyanamid Dicyandiamid ist.

14. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, und zwar nach Anspruch 13, wobei das Nitrat ein Nitrat von Natrium, Kalium, Strontium oder eine Kombination daraus ist.

15. Fahrzeuginsassen-Rückhaltevorrichtung, die Gaserzeu­ gungszusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar Anspruch 11, be­ sitzt.

16. Gaserzeugungszusammensetzung nach Anspruch 11, in der Form von Abschnitten hergestellt durch das Ver­ fahren, das die folgenden Schritte aufweist:

• (a) Mischen der Cyanamidverbindung, des oder der Ni­ trate und des Eisenoxids zur Bildung einer Reakti­ onsmischung; und
• (b) Kompaktieren der Reaktionsmischung in die ge­ wünschte Form, insbesondere eine Abschnittsform.

17. Gaserzeugungszusammensetzung nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche, und zwar Anspruch 16, wobei die Abschnitte eine Toroid-Gestalt und ei­ ne Außenzylinderoberfläche besitzen mit einem Axial­ loch und parallel beabstandeten oberen und unteren ebenen Oberflächen rechtwinklig zur äußeren zylin­ drischen Oberfläche.

18. Verfahren zur Verringerung der Wärmeausgangsgröße, zur Erhöhung der Schlackenbildung und zur Förderung der Verbrennungsgeschwindigkeit einer Gaserzeugungs­ zusammensetzung, wobei die Zusammensetzung ein orga­ nischen Brennstoff aufweist, ferner ein Oxidations­ mittel und ein Kühlmittel, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht: Verwendung von Eisenoxid (Fe₂O₃) als Kühlmittel in einer Menge von ungefähr 10 bis ungefähr 25 Gew.% der Gaserzeugungs­ zusammensetzung, wobei das Eisenoxid einen Hauptan­ teil oder Hauptteil besitzt, der im wesentlichen frei von Material der Katalysator- oder Farbqualität ist und eine durchschnittliche Teilchengröße be­ sitzt, die größer ist als 100 Mikron.

19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der organische Brennstoff Dicyandiamid ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Oxidations­ mittel ein Nitrat von Natrium, Kalium, Strontium oder Kombinationen daraus ist.

21. Eine Gaserzeugungszusammensetzung zum Aufblasen ei­ nes Airbags mit Verbrennungsreaktionsmitteln im we­ sentlichen bestehend aus einem Brennstoff, einem Oxidationsmittel und einem Kühlmittel, wobei der Brennstoff ein Cyanamid ist, und das Oxidationsmit­ tel ein Nitrat eines Alkalimetalls, eines Erdalka­ limetalls oder Ammoniak ist, und wobei das Kühlmit­ tel Eisenoxid (Fe₂O₃) ist, und zwar in einer Menge von ungefähr 10 bis 25%, basierend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung, und wobei ein Hauptteil des Eisenoxids im wesentlichen frei von Material der Katalysator- oder Farbqualität ist und eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als 100 Mikron aufweist.

22. Zusammensetzung nach Anspruch 21, wobei der Brenn­ stoff Dicyandiamid ist.

23. Zusammensetzung nach Anspruch 22, wobei das Oxida­ tionsmittel ein Nitrat von Natrium, Kalium oder Strontium ist.

24. Gaserzeugungszusammensetzung in der Form von Ab­ schnitten oder Körnern zum Aufblasen einer Fahr­ zeuginsassen-Rückhaltevorrichtung, wobei folgendes vorgesehen ist:

• (a) ein organischer Brennstoff;
• (b) ein Oxidationsmittel für den Brennstoff;
• (c) ein teilchenförmiges Kühlmittel in einer Menge effektiv zur Kühlung der Produkte der Verbrennung von (a) und (b) und effektiv zum Erhalten einer gu­ ten Schlackenbildung und eines Hardware- oder Bau­ teilschutzes, wobei das Kühlmittel einen Hauptanteil aufweist, der eine durchschnittliche Teilchengröße besitzt größer als 100 Mikron, und zwar in einer schmalen Teilchengrößenverteilungskurve.

25. Gaserzeugungszusammensetzung in der Form von Ab­ schnitten oder Körnern zum Aufblasen einer Fahr­ zeuginsassen-Rückhaltevorrichtung, wobei folgendes vorgesehen ist:

• (a) ein Dicyandiamid;
• (b) ein Nitrat des Natriums, Kaliums, Strontiums oder eine Kombination daraus, und zwar in einem stöchiometrischen Verhältnis bezüglich des Dicyan­ diamids; und
• (c) 10 bis 25%, basierend auf dem Gewicht der Ga­ serzeugungszusammensetzung an Eisenoxidkühlmittel, welches eine durchschnittliche Teilchengröße besitzt von nicht mehr als 100 Mikron, und zwar in einem schmalen Teilchengrößenverteilungsbereich.