DE19935187A1

DE19935187A1 - Vorrichtung mit einer aufblasbaren Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung und eine Gaserzeugungszusammensetzung dafür

Info

Publication number: DE19935187A1
Application number: DE19935187A
Authority: DE
Inventors: Harold R Blomquist
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2000-03-02
Also published as: US6004410A

Abstract

Eine Vorrichtung weist eine aufblasbare Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung und ferner eine Gaserzeugungszusammensetzung auf. Die Gaserzeugungszusammensetzung weist folgendes auf: Ein Oxidationsmittel, eine Brennstoffkomponente und in bevorzugter Weise ein Bindemittel. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Ammoniumnitrat. Die Brennstoffkomponente ist ein Dinitramidsalz mit der Molekularformel X·+·[N(NO¶2¶)¶2¶]¶n¶·-·, wobei n eins oder größer ist und X·+· ein kationischer Abkömmling einer organischen Verbindung ist mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen. Ein bevorzugtes Salz ist Guanidiniumdinitramid.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine aufblas bare Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung und eine Gaserzeugungszusam mensetzung aufweist, und zwar zum Vorsehen von Aufblasgas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Eine Aufblasvorrichtung zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeugin sassen-Schutzvorrichtung, wie beispielsweise einem Airbag, enthält einen Körper aus zündbarem Gaserzeugungsmaterial. Die Aufblasvorrichtung weist ferner einen Zünder auf. Der Zünder wird betätigt, um so den Körper aus Gaserzeugungsmaterial dann zu zünden, wenn das Fahrzeug eine Kollision erfährt, für die das Aufblasen des Airbags erwünscht ist. Wenn der Körper aus Gaserzeugungsmaterial verbrennt, so erzeugt er ein Aufblasgasvolumen. Das Aufblasgas wird in den Fahrzeug-Airbag geleitet, um den Airbag oder Gas sack aufzublasen. Wenn der Gassack aufgeblasen ist, so erweitert er sich in das Fahrzeuginsassen-Abteil und hilft beim Schutz des Fahrzeuginsassen.

Es ist erwünscht, daß das Gaserzeugungsmaterial, welches zum Liefern des Aufblasgases zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassen-Schutz vorrichtung verwendet wird, einer Anzahl von technischen Erfordernissen genügt, wie beispielsweise den folgenden:

1. Die Brennrate oder Brenngeschwindigkeit des Gaserzeugungsmaterials muß schnell genug sein, um die aufblasbare Fahrzeuginsassen- Schutzvorrichtung zum Schutz des Fahrzeuginsassen aufzublasen.
2. Das Gaserzeugungsmaterial muß chemisch und mechanisch stabil sein, und zwar über einen breiten Bereich von Temperaturen hinweg, um zur Ver wendung in einem Fahrzeug geeignet zu sein.
3. Das durch die Verbrennung des Gaserzeugungsmaterials erzeugte Gas soll im wesentlichen frei von giftigen Materialien sein.
4. Das erzeugte Gas sollte im wesentlichen rauchfrei sein.

Feste Gaserzeugungszusammensetzungen basierend auf einer kein Azid ent haltenden organischen Brennstoffkomponente und Ammoniumnitrat als einem potentiellen Oxidationsmittel bieten eine Möglichkeit des Erreichens eines rauchfreien Gases, das im wesentlichen frei von toxischen Materialien ist. Viele derartige Zusammensetzungen enthalten jedoch Ammoniumnitrat als Oxidati onsmittel und besitzen relativ geringe Verbrennungsraten und auch eine ver minderte körperliche Integrität dann, wenn sie thermischen zyklischen Bela stungen ausgesetzt werden.

Die ungünstigen Eigenschaften von auf Ammoniumnitrat basierenden Zu sammensetzungen können dadurch reduziert werden, daß man organische Brennstoffe auswählt, die Sauerstoffatome enthalten. Organische Brennstoffe, die Sauerstoffatome enthalten, vermindern die Menge an Ammoniumnitrat, die erforderlich ist, um eine im wesentlichen stöchiometrische oder vollständige Verbrennung des Brennstoffs vorzusehen. Beispielsweise kann ein Brenn stoff, wie Dizyandiamid, der keine Sauerstoffatome enthält, 85% Ammonium nitrat für die vollständige Verbrennung benötigen. Nitroguanidin, welches Sauerstoffatome enthält, kann nur 60% Ammoniumnitrat für eine vollständige Verbrennung erforderlich machen. Viele Sauerstoffatome enthaltende Brenn stoffe sind jedoch sehr energiereich und können zu energiereich oder che misch zu unstabil sein zum Zwecke der Verwendung in einem Fahrzeug.

US-Patent 5,498,303 beschreibt die Verwendung eines Dinitramidsalzes in einem Raketenantriebsmittel. Das Salz wird in dem Antriebsmittel als ein Oxi dationsmittel zum Ersatz von Ammoniumnitrat verwendet. Das Patent erwähnt die schlechte Leistungsfähigkeit des Ammoniumnitrats und seine Unfähigkeit, Aluminiumbrennstoff in effizienter Weise zu verbrennen und auch seine nied rige Verbrennungsrate. Ammoniumdinitramid wird als bevorzugtes Oxidati onsmittel angegeben. Andere Dinitramidsalze jedoch, wie beispielsweise Te trazolium-Dinitramid werden ebenfalls als Substitutienten für Ammoniumnitrat offenbart. Es gibt keinen Vorschlag im Patent, Dinitramidsalz als Brennstoff komponente in einer Zusammensetzung zu verwenden, die Ammoniumnitrat als Oxidationsmittel enthält. Darüber hinaus ist Ammonium-Dinitramid das be vorzugte Dinitramidsalz im Patent zusätzlich zu der Tatsache, daß es ein Oxi dationsmittel ist, nicht für den Gebrauch in einem Fahrzeug stabil genug.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine aufblas bare Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung aufweist und ferner eine Gaser zeugungszusammensetzung zum Vorsehen von Aufblasgas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung. Die Gaserzeugungs zusammensetzung weist folgendes auf: Ein Oxidationsmittel, eine Brennstoff komponente und in bevorzugter Weise ein Bindemittel. Ein bevorzugtes Oxi dationsmittel ist Ammoniumnitrat. Die Brennstoffkomponente ist ein Dinitra midsalz. Die Molekularformel für das Dinitramidsalz ist X⁺[N(NO₂)₂]_n ^-, wobei n eins oder größer ist und X⁺ ein kationischer Abkömmling einer organischen Verbindung ist mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Oxidations mittel ein phasenstabilisiertes Ammoniumnitrat und die Brennstoffkomponente ist Guanidiniumdinitramid.

Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ergeben sich klar aus der folgen den Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine durch einen Computer erzeugte graphische Darstellung der Verbrennungsrate abhängig von dem Druck, der sich bei der Verbrennung eines Körpers aus gaserzeugendem Material gemäß einem Ausführungs beispiel der Erfindung ergibt, wobei dieses Material Ammoniumnitrat (AN) und Guanidinium-Dinitramid (GDN) enthält;

Fig. 2 eine durch einen Computer erzeugte graphische Darstellung der Verbrennungsrate abhängig vom Druck, der sich bei der Verbrennung eines Kontrollkörpers aus gaserzeugendem Material ergibt, der Ammoniumnitrat (AN) und Nitroguanidin (NQ) enthält;

Fig. 3 ist eine durch einen Computer erzeugte graphische Darstellung der Verbrennungsrate abhängig vom Druck, der sich bei der Verbrennung eines Körpers aus gaserzeugendem Material gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt, und zwar enthält das Gaserzeu gungsmaterial Ammoniumnitrat (AN) und Biguanidinium-Dinitramid (BiGDN).

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Die Gaserzeugungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung dient zum Aufblasen einer Fahrzeuginsassen-Schutzvorrichtung, wie beispielsweise ei nem Airbag oder Gassack, einem aufblasbaren Sitzgurt, einem aufblasbaren Kniepolster, einem aufblasbaren Airbag zur Betätigung eines Kniepolsters, einer aufblasbaren Kopfauskleidung und/oder eines aufblasbaren Seitenvor hangs. Ein Zünder, der dann betätigt wird, wenn das Fahrzeug einen Zustand, beispielsweise einen Zusammenstoß erfährt, der das Aufblasen der aufblas baren Vorrichtung erwünscht macht, zündet die Gaserzeugungszusammen setzung. Wenn die Gaserzeugungszusammensetzung brennt, so erzeugt sie ein Aufblasgasvolumen. Das Aufblasgas wird in die aufblasbare Fahrzeugin sassen-Schutzvorrichtung zum Aufblasen derselben geleitet. Wenn die Vor richtung aufgeblasen ist, so erweitert sie sich beispielsweise in das Fahrzeuginsassen-Abteil und hilft beim Schutz des Fahrzeuginsassen.

Die Gaserzeugungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffkomponente auf. Die Brennstoffkomponente ist ein Dinitramidsalz mit der Formel X⁺[N(NO₂)₂]_n ^-, wobei n eins oder ein höherer Wert ist und wo bei X⁺ ein kationischer Abkömmling einer organischen Verbindung ist, und zwar mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen.

Das organische Kation des Dinitramidsalzes wird auf der Basis einer Anzahl von Kriterien, wie beispielsweise den folgenden ausgewählt:

1. Die organische Verbindung liefert ein Dinitramidsalz mit einem hohen Schmelzpunkt geeignet zur Verwendung in einer Fahrzeuginsassen-Schutz vorrichtung, vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt von mindestens 125°C.
2. Das Dinitramidsalz, wenn es mit dem Oxidationsmittel kombiniert ist und verbrennt wird, besitzt eine hohe Brennrate von mindestens 0,2 Zoll/Sekunde (0,508 cm/sec) bei 2000 psi (13,8 Mpa).
3. Das Dinitramidsalz besitzt, wenn es kombiniert mit dem Oxidationsmittel verbrannt wird, einen gesteuerten Anstieg der Brennrate mit einem Druckan stieg, der der Beziehung R = aPⁿ gereinigt, wobei der Brennratenexponent n vorzugsweise ungefähr 2 oder kleiner ist.
4. Das Kation enthält eine Menge an Sauerstoffatomen, die effektiv ist, um die Menge des benötigten Oxidationsmittels für die Verbrennung der Brenn stoffkomponente in ein Gasprodukt zu reduzieren, und zwar bestehend im wesentlichen aus Kohlenstoffdioxyd, Stickstoff und Wasser. Vorzugsweise ist die erforderliche Menge an Oxidationsmittel kleiner als ungefähr 80% basie rend auf dem kombinierten Gewicht der Brennstoffkomponente und des Oxi dationsmittels in der Gaserzeugungszusammensetzung.
5. Das Dinitramidsalz widersteht bei der Kombination mit Ammoniumnitrat Metathesis-Reaktionen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet das organische Kation ein Dinitramidsalz, welches

a) vollständig verbrennt, wenn die Oxidationsmittelmenge kleiner ist als un gefähr 60%, basierend auf dem kombinierten Gewicht der Brennstoffkompo nente und des Oxidationsmittels, vorzugsweise wenn die Oxidationsmittel menge im Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 60% basierend auf dem kombinierten Gewicht der Brennstoffkomponente und des Oxidationsmittels liegt, und
b) besitzt eine Brennrate von mindestens ungefähr 0,6 Zoll/Sekunde (1,52 cm/sec) bei 2000 psi (13,8 MPa), wenn kombiniert mit dem Oxidationsmittel.

Eine bevorzugte organische Verbindung, die brauchbar ist zur Bildung des Dinitramidsalzes gemäß der Erfindung ist Guanidin, in dem das Radikal X⁺ (Kation) Guanidinium ist. Die Brennstoffkomponente ist Guanidinium-Dinitra mid. Andere bei der vorliegenden Erfindung brauchbare Verbindungen zur Bildung des Dinitramidsalzes sind die folgenden: Biguanidin, in dem der Rest (das Radikal) X⁺ Biguanidinium ist; Ethylendiamin, in dem das Radikal X⁺ EthylenDiaminium ist; Piperazin, in dem das Radikal X⁺ Piperazindinium (Piperazinediium) ist; Tetramethylammonium, in dem das Radikal X⁺ Tetramethylammonium ist; Monoaminoguanidin, in dem das Radikal X⁺ Monoaminoguanidin ist; Diaminoguanidin, in dem das Radikal X⁺ Diaminoguanidinium ist; Triaminoguanidin, in dem das Radikal X⁺ Triaminoguanidinium ist; Tetrazol, in dem das Radikal X⁺ Tetrazolium ist; Aminotetrazol, in dem das Radikal X⁺ Aminotetrazolium ist; Diamino-Furazan, in dem das Radikal X⁺ Amino-Ammonium-Furazan ist; Polyvinylammonia, in dem das Radikal X⁺ Polyvinylammonium ist (mit einer 20% Umwandlung des Amins in Dinitramidsalz); und Dicyandiamid, in dem das Radikal X⁺ Dicyandiamidium ist.

Die Brennstoffkomponentenmenge in der Gaserzeugungskomposition ist die jenige Menge, die notwendig ist, um eine aufrecht erhaltene Verbrennung in der Gaserzeugungszusammensetzung zu erreichen. Diese Menge kann ab hängig von dem speziellen Brennstoff, der verwendet wird, und anderen Re aktionskomponenten variieren. Eine bevorzugte Brennstoffkomponenten menge ist diejenige Menge, die notwendig ist, um ein Sauerstoffgleichgewicht mit dem Oxidationsmittel zu erreichen, welches bei Verbrennung im wesentli chen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser erzeugt. Vorzugsweise liegt die Brennstoffkomponentenmenge im Bereich von ungefähr 40% bis ungefähr 90% basierend auf dem kombinierten Gewicht der Brennstoffkomponente und des Oxidationsmittels.

Das Oxidationsmittel in der Gaserzeugungszusammensetzung der vorliegen den Erfindung kann irgendeine Sauerstoff freisetzende Substanz sein. Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Ammoniumnitrat. Andere Oxidationsmittel, die verwendet werden können, sind die folgenden: Kaliumnitrat, Kalium perchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxide, Metallkomplexe und Mischun gen der obigen. Vorzugsweise liegt die Oxidationsmittelmenge im Bereich von ungefähr 60% bis ungefähr 10% basierend auf dem kombinierten Gewicht der Brennstoffkomponente und des Oxidationsmittels.

Wenn Ammoniumnitrat als das Oxidationsmittel verwendet wird, so ist dieses vorzugsweise phasenstabilisiert. Die Phaserstabilisierung von Ammonium nitrat ist wohl bekannt. Bei einem Verfahren wird das Ammoniumnitrat mit einem Metallkation in einer Menge dotiert, die effektiv ist, um die volumetri schen und strukturellen Änderungen assoziiert mit dem Phase IV ↔ H Phase III- Übergang, wie er reinem Ammoniumnitrat inhärent ist, zu minimieren. Ein bevorzugter Phasen-Stabilisator ist Kaliumnitrat. Andere brauchbare Phasen- Stabilisatoren sind die folgenden: Kaliumsalze, wie beispielsweise Kalium dichromat, Kaliumoxalate und Mischungen davon. Ammoniumnitrat kann auch durch Dotieren mit Kupfer und Zinkionen stabilisiert werden. Andere Verbin dungen, Modifikationsmittel und Verfahren, die zur Phasen-Stabilisation von Ammoniumnitrat effektiv sind, sind bekannt und erfindungsgemäß geeignet.

Die Gaserzeugungszusammensetzung der Erfindung kann auch ein elastome risches Bindemittel enthalten. Geeignete Bindemittel für die Gaserzeugungs zusammenetzung sind im Stand der Technik bekannt. Bevorzugte Bindemittel umfassen folgende: Polycarbonate, Polyurethane, Polyester, Polyether, Poly succinate, thermoplastische Gummi, Polybutadien, Polystyrol und Mischungen davon. Eine bevorzugte Bindemittelmenge liegt im Bereich von 0 bis ungefähr 10%, vorzugsweise bei 2,5 bis ungefähr 10%, und zwar basierend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung. Da das Bindemittel ein Brennstoff ist, wird das Verhältnis von Dinitramid zu Oxydationsmitteln einge steift, um die gewünschte Leistungsfähigkeit und die Abgasproduktmischung aufrechtzuerhalten.

Die folgende Erfindung kann andere Bestandteile enthalten, die üblicherweise einer Gaserzeugungszusammensetzung zugefügt werden, um ein Aufblasgas vorzusehen zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvor richtung, wie beispielsweise Plastiziermittel, Verfahrenshilfen, Verbrennungs ratenmodifiziermittel, Kühlmittel und Zündhilfen, für alle in relativ kleinen Mengen.

Beispiel 1

Eine Gaserzeugungszusammensetzung wurde hergestellt, die folgendes auf wies: Guanidiniumdinitramid (GDN) und Ammoniumnitrat (AN) von Reagenz qualität im Gewichtsverhältnis von ungefähr 2 : 1 (ungefähr 33 Gewichts prozent Ammoniumnitrat). Vor dem Mischen werden die Pulver durch ein 50 Maschensieb passiert. Das Verhältnis von 2 : 1 wurde für eine im we sentlichen vollständige Verbrennung des Guanidiniumdinitramids in ein Gas ausgewählt, welches im wesentlichen aus Kohlendioxid, Stickstoff und Was ser besteht.

Guanidiniumdinitramid (GDN) kann durch die chemische Formel (CNHNH₂NH₃)⁺.(N(NO₂)₂)^- repräsentiert werden. Es besitzt einen Schmelz punkt von ungefähr 140 ± 5°C und ist chemisch stabil. Seine Empfindlichkeit gegenüber Anregungen wie beispielsweise Schlag und Reibung wurden mit 96.6 ± 6 kg-cm bzw. mehr als 36 kpons bestimmt. Alle Werte erfüllen die Krite rien für eine Komponente einer Fahrzeuggaserzeugungszusammensetzung.

Die Pulvermischung wurde hinsichtlich Empfindlichkeit gegen Stoß und Rei bungsanregungen getestet und es wurde festgestellt, dass die Mischung un empfindlich ist; Messungen oberhalb der Grenze der Laborinstrumente bei mehr als 300 kg-cm Schlag bzw. 36 kpons Reibung erfüllten wiederum die Kriterien für eine Komponente einer Fahrzeuggaserzeugungszusammenset zung. Die thermische Analyse durch Differentialabtastkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry = DSC) zeigte, dass die Zusammensetzung breit exo therm bei 175°C war, was anzeigt, dass die Zusammensetzung schmolz und sich mit einer stetigen Rate in ein Gas zersetzte.

Die Ammoniumnitrat- und Guanidiniumdinitramid-Mischung wurde mit einem Kompaktierungsdruck von 11.000 ft-lb (1521 kg-m) in Tabletten kompaktiert, und zwar Tabletten mit einem Durchmesser von annähernd 1,3 cm und mit einer Dichte von 1,5 g/cm³.

Die Brennratenproben der Ammoniumnitrat- und Guanidiniumdinitramid-Ta bletten wurde in einer geschlossenen Bombe mit einem Volumen von 64,6 ml getestet. Der Brennratenanstieg mit dem Druck wurde aus der Druck-Zeitauf zeichnung des geschlossenen Bombentests abgeleitet und ist in Fig. 1 als die wellige Linie logarithmisch (Brennrate, cm/s) abhängig von Logarithmus (Druck, MPa) dargestellt. Die Ergebnisse wurde in eine gerade Linie in Fig. 1 durch ein computererzeugtes Programm eingepaßt. Die mathematische Glei chung für die gerade Linie ist: 10 g (Brennrate, cm/s) = A + Bxlog (Druck, MPa).

Unter Verwendung dieser Gleichung wurden die Werte von A und B mit +1,468 bzw. 2,006 bestimmt. Der Faktor B repräsentiert die Empfindlichkeit der Brennrate gegenüber Druck (d. h. den Brennratenexponenten). Ein Brenn ratenexponent von ungefähr 2 oder geringer ist erwünscht für eine Fahrzeug gaserzeugungszusammensetzung.

Bei 2000 psi (13,8 MPa) wurde die Brennrate mit 2,59 in/s (6,57 cm/s) festge stellt, was ein guter Wert ist für das Aufblasen einer Fahrzeuginsassenschutz vorrichtung.

Die enge Übereinstimmung der Brennratenergebnisse bezüglich der berech neten geraden Linie zeigt an, dass die Verbrennung stabil und frei von Miß zündungen oder Unregelmäßigkeiten war.

Die folgende Tabelle 1 gibt zusätzliche durch den Computer erzeugte Daten an, und zwar erhalten bezüglich der Verbrennung des Guanidiniumdinitramids mit Ammoniumnitrat.

Tabelle 1

Die Verbrennungsprodukte sind ein rauchloses Gas. Die Flamm- und Aus stoßtemperaturen erfüllen die Kriterien für eine Fahrzeuggaserzeugungszu sammensetzung. Die in der Verbrennungsreaktion erzeugte Gasmenge und deren Energie (Impuls) sind effektiv zur Aktivierung einer Fahrzeuginsassen schutzvorrichtung, wie beispielsweise einem Gassack.

Vergleichsbeispiel

Eine Gaserzeugungszusammensetzung wurde hergestellt, und zwar folgen des aufweisend: Nitroguanidin (NQ) und Ammoniumnitrat (AN) von Reagenzqualität, und zwar im Gewichtsverhältnis von ungefähr 6 : 4. Dieses Verhältnis wurde für eine im wesentlichen vollständige Verbrennung der Brennstoffkomponente zu einem Gas bestehend im wesentlichen aus Kohlen dioxid, Stickstoff und Wasser ausgefällt. Die chemische Formel für Nitrogua nidin ist NO₂NHCNHNH₂. Das Nitroguanidin und Ammoniumnitrat wurden ge sondert als Pulver hergestellt, gesiebt, gemischt und als eine Pulvermischung getestet, in Tabletten kompaktiert und ferner wie in Beispiel 1 getestet. Die Testergebnisse und andere Daten sind in der Fig. 2 und in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben. Die Tabelle 2 gibt die Resultate und Daten von Bei spiel 1 an, und zwar wiederholt aus Gründen des Vergleichs.

Tabelle 2

Die Werte von A und B für das Vergleichsbeispiel 1 wurden aus den Daten der Fig. 2 berechnet.

Unter Bezugnahme auf die Tabelle 2 sei bemerkt, dass die Brennrate für Guanidiniumdinitramid und Ammoniumnitrat im wesentlichen schneller war als die für Nitroguanidin und Ammoniumnitrat. Tabelle 2 zeigt, dass Guanidi niumdinitramid weniger Ammoniumnitrat für eine vollständige Verbrennung erfordert als Nitroguanidin, was den Effekt reduziert, den Ammoniumnitrat auf die Zusammensetzung besitzt. Nitroguanidin war weniger empfindlich gegen über Schlag als Guanidiniumdinitramid, obwohl der Wert von 96 kg-cm für Guanidinium Dinitramid akzeptabel ist. Die Zusammensetzung von Guanidi nium Dinitramid und Ammoniumnitrat hatte Empfindlichkeitswerte vergleichbar mit denen für Nitroguanidin und Ammoniumnitrat.

Beispiel 2

Eine Gaserzeugungszusammensetzung wurde hergestellt, und zwar folgen des aufweisend: Biguanidiniumdinitramid (BiGDN) und Ammoniumnitrat von Reagenzqualität im Gewichtsverhältnis von 60 : 40, und zwar effektiv zum im wesentlichen vollständigen Verbrennen zu einem Gas bestehend im wesentli chen aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser. Biguanidiniumdinitramid hat die chemische Formel (NH₂(CNHNH₂)₂)⁺ (N(NO₂)₂)^-. Der Schmelzpunkt von Biguanidiniumdinitramid ist etwas geringer als der für Guanidiniumdinitramid, und zwar ungefähr 130 ± 5°C. Biguanidiniumdinitramid und Ammoniumnitrat wurden gesondert als Pulver hergestellt, gemischt als Pulvermischung, getestet, gesiebt, in Tabletten kompaktiert und ferner, wie in Beispiel 1 gete stet. Die Testergebnisse und andere Daten sind in Fig. 3 und in der folgen den Tabelle angegeben.

Tabelle 3

Die thermische Analyse von DSC ergab, dass die Zusammensetzung breit exotherm bei 1777°C war, was anzeigt, dass die Zusammensetzung schmolz und in ein Gas mit einer stetigen Rate zerlegt wurde.

Die Ergebnisse für Biguanidinium Dinitramid waren ähnlich denjenigen für Guanidinium Dinitramid mit der Ausnahme, dass Biguanidinium eine Brenn rate von ungefähr 1,56 cm/s bei 13,8 MPa besitzt, was signifikant schneller ist als die Brennrate von Nitroguanidin, aber kleiner als die diejenige von Guani dinium Dinitramid. Seine Brennratenexponente von 1,732 war kleiner als 2.

Ferner zeigt die enge Übereinstimmung der Brennratenergebnisse bezüglich der berechneten geraden Linie an, dass die Verbrennung stetig und frei von Fehlzündungen oder Unregelmäßigkeiten war.

Beispiele 3-17

Die Beispiele 3-17 veranschaulichen zusätzliche Formulierungen und Ver brennungsergebnisse der Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In den Beispielen 3-5 ist die Brennstoffkomponente Guanidinium Dinitramid und die Oxidationsmittel sind Kaliumnitrat bzw. Kaliumperchlorat bzw. Ammo niumperchlorat.

In den Beispielen 6-9 ist die Brennstoffkomponente Äthylendiaminium bis dinitramid und die Oxidationsmittel sind Ammoniumnitrate bzw. Kaliumnitrat bzw. Kaliumperchlorat bzw. Ammoniumperchlorat. Die Formulierungen und Verbrennungsergebnisse sind in der Tabelle 5 angegeben. Äthylendiaminium bis-dinitramid besitzt die chemische Formel (H₃NCH₂CH₂NH₃)²⁺ (N(NO₂)₂)₂ ^-. Sein Schmelzpunkt ist ungefähr 129-130°C.

In den Beispielen 10-13 ist die Brennstoffkomponente Piperazindiium bis dinitramid und die Oxidationsmittel sind Ammoniumnitrat bzw. Kaliumnitrat bzw. Kaliumperchlorat bzw. Ammoniumperchlorat. The Formulierungen und Verbrennungsergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben. Piperazindiium bis-di nitramid besitzt die chemische Formel (NH₂CH₂CH₂NH₂CH₂CH₂)²⁺ (N(NO2)2)₂ ^-. Sein Schmelzpunkt beträgt ungefähr 212-214°C.

In den Beispielen 14-17 ist die Brennstoffkomponente Tetramethylammonium dinitramid und die Oxidationsmittel sind Ammoniumnitrat bzw. Kaliumnitrat bzw. Kaliumperchlorat bzw. Ammoniumperchlorat. Die Formulierungen und Verbrennungsergebnisse sind in Tabelle 7 angegeben.

Tetramethylammoniumdinitramid besitzt die chemische Formel (N(CH₃)₄)⁺ (N(NO₂)₂)^-. Sein Schmelzpunkt ist ungefähr 234-238°C.

Sämtliche Formulierungen in Beispielen 3-17 basieren auf einem Sauerstoff gleichgewicht des Oxidationsmittels zur Brennstoffkomponente, was Koh lendioxid als ein Produkt an Stelle von Kohlenmonoxid erzeugt.

Tabelle 4

Formulierungen basierend auf Guanidiniumdinitramid-Brennstoff

Tabelle 5

Formulierungen basierend auf Ethylendiaminium bis-dinitramid-Brennstoff

Tabelle 6

Formulierungen basierend auf Piperazindiium bis-dinitramid-Brennstoff

Tabelle 7

Formulierungen basierend auf Tetramethylammonium Dinitramid-Brennstoff

Unter Bezugnahme auf Tabelle 4 sei bemerkt, dass das Beispiel 3 19,6 Ge wichts-% Kaliumnitrat und 80,4 Gewichts-% Guanidiniumdinitramid enthält für eine im wesentlichen vollständige Oxidation der Kohlenstoffatome im Gua nidiniumdinitramid zu Kohlendioxid. Die Flammtemperatur, die Abgastempe ratur, die Menge an erzeugtem Gas, die erzeugte Restmenge und der Impetus oder Impuls sind sämtlich innerhalb akzeptabler Leistungsvorschriften für Gaserzeugungszusammensetzungen, die in Fahrzeuginsassenschutzvorrich tungen verwendet werden.

Beispiel 4 enthält 17,3 Gewichts-% Kaliumperchlorat und 82,7% Gewichts-% Guanidiniumdinitramid für eine im wesentlichen vollständige Oxidation der Kohlenstoffatome im Guanidiniumdinitramid zu Kohlendioxid. Die Flammtem peratur, die Abgastemperatur, die Menge an erzeugtem Gas und die Menge an erzeugtem Rest und deren Impulse sind alle akzeptable Leistungsvorschrif ten für Gaserzeugungszusammensetzungen, die in Fahrzeuginsassenschutz vorrichtungen verwendet werden.

Beispiel 5 enthält 22,1 Gewichts-% Ammoniumperchlorat und 77,9 Gewichts- % Guanidiniumdinitramid für eine im wesentlichen vollständige Oxidation der Kohlenstoffatome in Guanidiniumdinitramid zu Kohlendioxid. Die Flammtem peratur, die Abgastemperatur, die erzeugte Gasmenge und die erzeugte Restmenge und der Impuls liegen alle innerhalb akzeptabler Leistungsvor schriften für die Gaserzeugungszusammensetzungen, die in Fahrzeuginsas senschutzvorrichtungen verwendet werden.

In den Beispielen 3-5 erzeugen die Gaserzeugungszusammensetzungen ein Gasprodukt, welches im wesentlichen frei von oder niedrig in teilchenförmigen Materialien ist. Ferner ist die in der Verbrennungsreaktion erzeugte Gas menge und seine Energie (Impuls oder Impetus) effektiv zur Aktivierung der Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung, wie beispielsweise einem Gassack. Ähnliche Ergebnisse werden in Tabelle 5 erhalten (Beispiele 6-9), Tabelle 6 (Beispiele 10-13) und Tabelle 7 (Beispiele 14-17), wo Äthylendiaminium bis-dinitramid oder Piperazindiium bis-dinitramid oder Tetramethylammonium dinitramid als Brennstoffkomponente verwendet werden.

Keines der Beispiele umfaßt eine Bindemittelkomponente. In der tatsächlichen Praxis enthält eine für eine Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung brauchbare Gaserzeugungszusammensetzung vorzugsweise Bindemittel, um die Integrität eines Körpers aus Gaserzeugungszusammensetzung beizubehalten. Ein Bindemittel würde ausgewählt werden, welches die Verbrennungsergebnisse, wie sie in den Tabellen gezeigt sind, nicht materiell beeinflusst.

Vorteile der vorliegenden Erfindung sind nunmehr offensichtlich. In erster Linie nützt die vorliegende Erfindung die günstigen Leistungscharakteristika der Verwendung eines Dinitramid-Salzes als Brennstoffkomponente in einer Gaserzeugungszusammensetzung aus, und zwar zum Vorsehen von Gas zum Aufblasen einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung. Das Dinitramid-Salz gemäß der Erfindung hat die Formel X⁺(N(NO₂)₂)_n ^-, wobei n eins oder mehr ist und X⁺ ein kationischer Abkömmling einer organischen Verbindung ist mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen. Eine Mischung aus Oxidationsmittel und Dinitramid-Brennstoff bietet eine ver besserte mechanische Festigkeit und erhöhte Brennrate, ohne die chemische Stabilität zu opfern. Ferner erzeugt die erfindungsgemäße Gaserzeugungszu sammensetzung ein verbessertes Gasprodukt, welches im wesentlichen nicht giftig ist und frei von teilchenförmigem Material. In bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ergeben sich die Verbesserungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität und der Qualität des Gaserzeugungsproduktes aus der Verwendung von weniger Oxidiermittel für die vollständige Verbrennung der Brennstoffkomponente. Mit der Ausnahme von den Beispielen 14-17 liegt die Oxidationsmittelmenge innerhalb des Bereiches von ungefähr 11% bis ungefähr 62%.

Aus der obigen Beschreibung erkennt der Fachmann Verbesserungen, Ab wandlungen und Modifikationen. Solche Verbesserungen, Abwandlungen und Modifikationen liegen innerhalb des Rahmens fachmännischen Handels und sind durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt.

Claims

1. Eine Vorrichtung mit einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvor richtung und einer Gaserzeugungszusammensetzung, die, wenn gezündet, Gas erzeugt, um die aufblasbare Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung aufzublasen, wobei die Gaserzeugungszusammensetzung ein Oxidations mittel aufweist und eine Brennstoffkomponente, wobei letztere ein Dinitramidsalz ist mit der Formel X⁺(N(NO₂)₂)_n ^-, wobei n gleich 1 oder mehr ist und X⁺ ein kationische Ableitung einer organischen Verbindung ist mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel aus der fol genden Gruppe ausgewählt ist: Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kalium perchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxide, Metallkomplexe und Mi schungen daraus.

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

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Dinitramidsalz einen Schmelzpunkt von mindestens 125°C besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtsprozente des Oxidati onsmittels notwendig für die im wesentlichen vollständige Verbrennung des Dinitramidsalzes zu Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser weniger als 80% sind, und zwar basierend auf dem kombinierten Gewicht von Dinitramidsalz und Oxidationsmittel.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gewichtsprozent des Oxidati onsmittels basierend auf dem kombinierten Gewicht von Oxidationsmittel und Brennstoffkomponente innerhalb des Bereichs von ungefähr 10% bis ungefähr 60% ist, und wobei die Verbrennungsrate mindestens ungefähr 0,6 inch/sec bei 2000 psi (13,8 MPa) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gaserzeugungszusammenset zung von ungefähr 12,5 bis ungefähr 10% Bindemittel aufweist, und zwar basierend auf dem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der kationische Abkömmling einer organischen Verbindung eines oder mehrere tetravalenten Stickstoffatome aufweist und ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Guanidinium, Biguanidinium, Ethylendiaminium, Piperazinediium, Tetramethylammonium, Monoaminoguanidinium, Biaminoguanidinium, Triaminoguanidinium, Tetrazolium, Aminotetrazolium, Diamino-Furazanium, Polyvinylammonium und Dicyandiamidium.

9. Vorrichtung mit einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung mit einer Gaserzeugungszusammensetzung, die dann, wenn sie gezündet ist Gas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung erzeugt, wobei die Gaserzeugungszusammensetzung folgendes aufweist:
ein Dinitramidsalz mit der Formel X⁺(N(NO₂)₂)_n ^-, wobei n gleich eins oder mehr ist and X⁺ ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Guanidinium, Biguanidinium, Äthylendiaminium, Piperazindiium, Tetramethylammonium, Monoaminoguanidinium, Biaminoguanidinium, Triaminoguanidinium, Tetra zolium, Aminotetrazolium, Amino-Ammonium-Furazan, Polyvinylammonium und Dicyandiamidium;
ein Oxidationsmittel ausgewählt aus der Gruppe ausgewählt aus der Gruppe, die aus folgendem besteht: Ammoniumnitrat, Kaliumnitrat, Kaliumperchlorat, Ammoniumperchlorat, Metalloxide, komplexe Mischungen daraus; und
ein Bindemittel.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Dinitramidsalz Guani diniumdinitramid ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Oxidationsmittel Am moniumnnitrat ist und das Ammoniumnitrat phasenstabilisiert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Bindemittel von ungefähr 0 bis ungefähr 10% umfaßt und zwar basierend auf einem Gewicht der Gaserzeugungszusammensetzung.

13. Vorrichtung mit einer aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung und einer Gaserzeugungszusammensetzung, die, wenn gezündet, ein Gas zum Aufblasen der aufblasbaren Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung erzeugt, wobei die Gaserzeugungszusammensetzung ein Oxidationsmittel und eine Brennstoffkomponente aufweist, wobei die Brennstoffkomponente ein Dinitramid-Salz ist mit der Formel X⁺[N(NO₂)₂]_n ^-, wobei n gleich eins oder mehr ist, und wobei X⁺ ein kationischer Abkömmling von einer organischen Verbindung mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen ist;
wobei das Dinitramidsalz einen Schmelzpunkt von mindestens 125°C besitzt und die Gewichtsprozent an Oxidationsmittel notwendig für die im wesentlichen vollständige Verbrennung des Dinitramidsalzes in Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser weniger als 80% ist, und zwar basierend auf dem kombinierten Gewicht von Dinitramidsalz und Oxidationsmittel.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Zusammensetzung ungefähr 2,5% bis ungefähr 10% Bindemittel aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Oxidationsmittel Ammoniumnitrat ist, und wobei das Dinitramidsalz bei Kombination mit dem Oxidationsmittel eine Verbrennungsgeschwindigkeit oder Rate von mindestens 0,2 in/sec bei 2000 psi (13,8 MPa) besitzt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Gewichtsprozente an Oxidationsmittel basierend auf dem kombinierten Gewicht des Oxidationsmittels und der Brennstoffkomponenten innerhalb des Bereichs von ungefähr 10% bis 60% liegen, und wobei die Brennrate mindestens 0,2 inch/sec bei 2000 psi (13,8 MPa) beträgt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der kationische Abkömmling einer organischen Verbindung mit einem oder mehreren tetravalenten Stickstoffatomen ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Guanidinium, Biguanidinium, Ethylendiaminium, Piperazinediium, Tetramethylammonium; Monoaminoguanidinium, Biaminoguanidinium, Triaminoguanidinium, Tetrazolium, Aminotetrazolium, Diamino-Furazanium, Polyvinylammonium und Dicyandiamidium.