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Die
Erfindung betrifft eine azidfreie gaserzeugende Zusammensetzung
zur Verwendung in Gasgeneratoren für Sicherheitseinrichtungen,
insbesondere in Gasgeneratoren für
Fahrzeuginsassen-Rückhaltesysteme.
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Gasgeneratoren
für Sicherheitseinrichtungen
enthalten üblicherweise
einen Festtreibstoff auf der Grundlage von Natriumazid als gasliefernde
Hauptkomponente. Natriumazid ist jedoch giftig und kann sich leicht
mit Schwermetallen unter Bildung extrem gefährlicher und heftig reagierender
Verbindungen umsetzen. Daher sind sowohl bei der Herstellung der
gaserzeugenden Zusammensetzungen als auch bei der Entsorgung defekter
oder unverbrauchter Gasgeneratoren besondere Maßnahmen erforderlich.
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Darüber hinaus
sind gaserzeugende Zusammensetzungen auf der Grundlage von stickstoffhaltigen organischen
Brennstoffen und anorganischen Oxidationsmitteln bekannt. Bei der
Verbrennung dieser Zusammensetzungen entstehen eine Reihe von Feststoffen,
die durch geeignete Filtereinrichtungen im Gasgenerator aus dem
Gasstrom entfernt bzw. im Gasgenerator zurückgehalten werden müssen. Der
Einsatz dieser Zusammensetzungen erfordert außerdem die Verwendung von beschichteten
Gassackgeweben, um ein Durchbrennen des Gewebes beim Auftreffen
der heißen
Verbrennungsprodukte zu verhindern. Aufgrund des hohen Feststoffanteils
der beim Abbrand der Zusammensetzungen entstehenden Reak tionsprodukte
liegt die Gasausbeute dieser Zusammensetzungen deutlich unter 80
Gew.-%.
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Im
Hinblick auf diese Nachteile der bekannten gaserzeugenden Zusammensetzungen
wurden bereits Versuche zur Herstellung von im wesentlichen rückstandsfrei
abbrennenden Treibmitteln unternommen. So ist in der US-A-5 545
272 eine gaserzeugende Zusammensetzung beschrieben, die im wesentlichen
aus 35 bis 55 Gew.-% Nitroguanidin und etwa 45 bis 65 Gew.-% phasenstabilisiertem
Ammoniumnitrat besteht. Der Zusatz von phasenstabilisierenden Mitteln
zu dem Ammoniumnitrat wird als notwendig erachtet, da eine in reinem Ammoniumnitrat
bei 32,3°C
auftretende Strukturänderung
mit einer Volumenzunahme verbunden ist, die zu einem Zerbrechen
der Treibstoffkörper
und damit zu einer unerwünschten Änderung
der Abbrandcharakteristik des Treibstoffs führen kann. Als phasenstabilisierende
Zusätze
werden Kaliumsalze, wie beispielsweise Kaliumnitrat und Kaliumperchlorat
in einem Anteil von zwischen 10 bis 15 Gew.-% vorgeschlagen. Ammoniumnitrat
ist außerdem
sehr hygroskopisch, wodurch die Handhabung von ammoniumnitrathaltigen
Treibstoffen erschwert wird. Die oben beschriebenen Phasenumwandlungen
werden zudem durch erhöhte
Feuchtegehalte erleichtert.
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Die
US-A-5,009,728 beschreibt die Verwendung von Polynitroalkylverbindungen
als Oxidationsmittel in gießbaren,
unempfindlichen energetischen Verbindungen, die als Brennstoff ein
thermoplastisches Elastomer und einen Weichmacher enthalten. Eine
der als Oxidator verwendeten Polynitroalkylverbindungen ist Tetrakis(2,2,2-trinitroethyl)orthocarbonat
(TNEOC).
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Die
Synthese von TNEOC ist in der US-A-3,306,939 beschrieben. Hierzu
wird 2,2,2-Trinitroethanol in Gegenwart von Eisen(III)chlorid mit
Kohlenstofftetrachlorid umgesetzt. Die verschiedenen, in der US-A-3,306,939
beschriebenen Orthoester von 2,2,2-Trinitroethanol werden als Ersatz
von Octogen (HMX) in Primärladungen
von elektrischen Zündern
vorgeschlagen. Des weiteren können
diese Orthoester als Explosivstoffe für militärische Anwendungen im Gemisch
mit Trinitrotoluol (TNT) verwendet werden.
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Es
besteht daher weiterhin Bedarf an physiologisch unbedenklichen Treibmitteln
für Gasgeneratoren, die
unter Bildung eines im wesentlichen partikelfreien und ungiftigen
Verbrennungsgases mit hoher Gasausbeute abbrennen und eine ausreichend
hohe Abbrandgeschwindigkeit sowie eine gute thermische und chemische
Stabilität
aufweisen.
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Die
Erfindung stellt hierzu eine azidfreie gaserzeugende Zusammensetzung
zur Verwendung in Gasgeneratoren für Sicherheitseinrichtungen
bereit, die einen Brennstoff und einen Oxidator umfaßt, wobei
der Brennstoff eine Verbindung mit einem Schmelzpunkt von mindestens
120°C ist
und aus der Gruppe der stickstoffhaltigen organischen Verbindungen
oder der aliphatischen Dicarbonsäuren
und deren Mischungen, Derivaten und Salzen ausgewählt ist,
und wobei der Oxidator Tetrakis(2,2,2-trinitroethyl)orthocarbonat
(TNEOC) umfaßt
und das TNEOC in einem Anteil von wenigstens 10 Gew.-% der Zusammensetzung
vorhanden ist.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
von TNEOC als Oxidator in einem Anteil von mindestens 10 Gew.-%
der Zusammensetzung gestattet die Herstellung von gaserzeugenden
Zusammensetzungen mit einer Gasausbeute von mindestens 80 % und
vorzugsweise bis zu 100 Gew.-%, da das TNEOC als organischer Oxidator
vollkommen rückstandsfrei
abbrennt. Darüber
hinaus weist TNEOC eine für
einen organischen Oxidator außergewöhnliche
Stabilität
auf. Nach einem Lagerstabilitätstest über 408
Stunden bei 110°C
zeigen DSC-Messungen keine Veränderungen
des TNEOC bzw. der auf der Grundlage von TNEOC hergestellten gaserzeugenden
Zusammensetzungen. Auch gegenüber
Beanspruchungen durch Temperaturwechsel und bei Temperaturschocks
treten keine Veränderungen
in den Abbrandcharakteristiken der Zusammensetzungen auf.
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Da
beim Abbrand von gaserzeugenden Zusammensetzungen mit TNEOC als
organischem Oxidator keine heißen
Partikel freigesetzt werden, ist auch die Verwendung von gaserzeugenden
Zusammensetzungen möglich,
die höhere
Verbrennungstemperaturen aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da diese
Zusammensetzungen bei gleicher Treibstoffmenge ein größeres Gasvolumen
liefern. Die Bauteile des eingesetzten Gassackmoduls werden im Gegensatz
zu den aus dem Stand der Technik bekannten gaserzeugenden Zusammensetzungen trotz
der höheren
Verbrennungstemperaturen weniger stark beansprucht, da in dem heißen Gas
keine oder nur äußerst wenige
Feststoffpartikel vorhanden sind. Besonders das Durchbrennen des
Gassackgewebes, das durch die heißen Partikel bzw. Schlackenreste
verursacht wird, kann somit vollständig vermieden werden. Darüber hinaus
kann der Aufbau der Gasgeneratoren weiter vereinfacht werden, da
kleinere Mengen an Treibstoff notwendig sind und auf aufwendige
Filterkonstruktionen verzichtet werden kann.
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Als
Brennstoff in der gaserzeugenden Zusammensetzung eignen sich insbesondere
solche Verbindungen, die eine Sauerstoffbilanz von zwischen –85 % und
0 % aufweisen. Unter Sauerstoffbilanz ist diejenige Sauerstoffmenge
in Gew.-% zu verstehen, die bei vollständiger Umsetzung einer Verbindung
oder der Zusammensetzung zu CO2, H2O, Al2O3,
B2O3, etc. frei
wird (Sauerstoffüberbilanzierung).
Reicht der vorhandene Sauerstoff hierzu nicht aus, so wird die zum
vollständigen
Umsatz notwendige Fehlmenge mit negativem Vorzeichen angegeben (Sauerstoffunterbilanzierung).
Eine hohe, d.h. wenig negative, Sauerstoffbilanz ist vorteilhaft, da
hierdurch die benötigte
Menge an TNEOC als Oxidator minimiert werden kann. Sofern stickstoffhaltige Brennstoffe
verwendet werden, liegt der Stickstoffanteil im Brennstoff bei vorzugsweise
mindestens 35 Gew.-%, um einen hohen Luftstickstoffgehalt in den
Verbrennungsgasen sicherzustellen.
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Des
weiteren ist günstig,
wenn der Brennstoff einen geringen Energieinhalt, d.h. eine hohe
negative Bildungswärme ΔHf, aufweist, da hierdurch die Verbrennungstemperaturen
der Zusammensetzungen abgesenkt werden können. Niedrige Verbrennungstemperaturen
führen üblicherweise
zu einem niedrigeren Anteil an toxischem NOX und
Kohlenmonoxid (CO) in den Verbrennungsgasen.
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Brennstoffe
mit besonders niedrigem Energieinhalt sind die aliphatischen Dicarbonsäuren mit
bis zu vier C-Atomen, wie beispielsweise Oxalsäure, Fumarsäure und Malonsäure bzw.
deren Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Übergangsmetallsalze. Bei diesen
Brennstoffen kann der Bildung von toxischen Gasen in den Abbrandprodukten
auch dadurch entgegengewirkt werden, daß geringfügig überbilanzierte Zusammensetzungen,
d.h. Zusammensetzungen mit einem geringen Überschuß an TNEOC, eingesetzt werden.
Dadurch wird die Entstehung von Kohlenmonoxid als Schadgas sicher
verhindert. Aliphatische Dicarbonsäuren mit mehr als vier Kohlenstoffatomen
sind wegen ihrer schlechten Sauerstoffbilanz nicht als Brennstoffe
für die
erfindungsgemäßen gaserzeugenden
Zusammensetzungen geeignet.
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Beispiele
für Brennstoffe
mit hoher Sauerstoffbilanz sind Nitrate und Nitroverbindungen von
Guanidin, wie Guanidinnitrat, Aminoguanidinnitrat, Diaminoguanidinnitrat,
Triaminoguanidinnitrat und Nitroguanidin, sowie die stickstoffhaltigen
Heterocyclen Hexogen (RDX), Octogen (HMX), 2,4,6,8,10,12-Hexanitro-hexaaza-tetracyclodecan
(CL-20), Nitrotriazolon (NTO) sowie Verbindungen aus der Gruppe
der Triazole, Tetrazole, Bitetrazole, Tetrazine und Imidazole, wie
5-Aminotetrazol.
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Als
Brennstoffe besonders bevorzugt werden stickstoffreiche organische
Verbindungen mit einer hohen, d.h. wenig negativen, Sauerstoffbilanz,
wie beispielsweise Guanidinnitrat, Guanidindinitramid, Guanidincarbonat,
Guanylureadinitramid, Nitroguanidin, N.N'-Dinitroammelin, 5-Aminotetrazol, Bitetrazole
und deren Salze, nitrierte Heterocyclen, wie beispielsweise Nitrotriazolon
(NTO), Hexogen, Keto-RDX, und CL-20.
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Bevorzugt
beträgt
der Anteil von TNEOC in der erfindungsgemäßen gaserzeugenden Zusammensetzung
weniger als 75 Gew.-%, da anderenfalls die Verbrennungstemperatur
der Zusammensetzung in dem Gasgenerator zu hoch ist. Je nach den
Anforderungen an die gaserzeugende Zusammensetzung kann das TNEOC
aber auch Bestandteil eines Oxidatorengemisches sein, wobei Alkalimetallnitrate,
Alkalimetalldinitramide, Alkalimetallchlorate, Alkalimetallperchlorate,
Erdalkalinitrate, Erdalkalidinitramide, Erdalkalichlorate, Erdalkaliperchlorate,
Ammoniumnitrat, Ammoniumdinitramid, Ammoniumperchlorat bevorzugte
Partner sind. Des weiteren können
auch Übergangsmetalloxide, basische Übergangsmetallnitrate,
-carbonate, -hydrogencarbonate und -oxalate in dem Oxidatorgemisch
vorliegen.
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Die
gaserzeugende Zusammensetzung kann außerdem übliche, in der Technik bekannte
Zusätze,
wie Abbrandmoderatoren, Schlackenbildner und Verarbeitungshilfen
enthalten. Die Zusätze
liegen üblicherweise in
einem Anteil von bis zu 5 Gew.-% der Zusammensetzung vor.
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Als
Abbrandmoderatoren eignen sich insbesondere Übergangsmetallverbindungen
und Ruß.
Die Übergangsmetallverbindungen
können
aus der Gruppe der Übergangsmetalloxide,
-hydroxide, -nitrate, -carbonate und metallorganischen Verbindungen
der Übergangsmetalle
ausgewählt
werden. Exemplarische Beispiele hierfür sind Eisenoxide, Kupferoxide,
Chromoxide, Zinkoxid, Kupferchromit, basisches Kupfernitrat, Zinkcarbonat,
Kupfercarbonat und Ferrocen. Eine Verwendung von Ruß als Abbrandmoderator
hat den Vorteil, daß Ruß kostengünstig ist
und unter Bildung von Kohlendioxid rückstandsfrei abbrennt.
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Verarbeitungshilfsmittel
sind insbesondere die aus der Gruppe der Preßhilfen, Rieselhilfen oder
Gleitmittel ausgewählten
Verbindungen. Beispiele für
derartige Verarbeitungshilfsmittel sind Polyethylenglykol, Cellulose,
Methylcellulose, Graphit, Wachs, Magnesiumstearat, Zinkstearat,
Bornitrid, Talkum, Bentonit, Siliziumdioxid oder Molybdänsulfid.
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Schließlich kann
es erforderlich sein, der gaserzeugenden Zusammensetzung einen polymeren
Binder zuzusetzen. Der Binder kann in einem Anteil von bis zu 25
Gew.-% vorliegen. Als Binder eignen sich insbesondere Polyurethan
(PU), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Polycarbonat,
Polyester, Polyether, hydroxyterminiertes Polybutadien (HTPB), Celluloseacetatbutyrat
(CAB), Glyzidylazidpolymer (GAP) und Silikonkautschuke sowie deren
Co-Polymeren. Ein Binderanteil von über 25 Gew.-% der Zusammensetzung
ist wegen der schlechten Sauerstoffbilanz dieser Verbindungen von
unter –150
% zu vermeiden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen gaserzeugenden
Zusammensetzung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen,
die jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen sind.
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Beispiel 1
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33,0
Gew.-Teile Guanidinnitrat und 67,0 Gew.-Teile TNEOC wurden gemahlen,
miteinander vermischt und zu Tabletten verpreßt. Die theoretische Dichte
des Preßkörpers beträgt 1,68
g/cm3. Aus thermodynamischen Berechnungen
ergibt sich für
diese Mischung eine Verbrennungstemperatur von 3.219 K bei einem
Verbrennungsdruck von ca. 300 bar. Die Schwadenzusammensetzung ist
vollständig
partikelfrei. Die Gasausbeute, berechnet als Verhältnis des
Gewichts der gasförmigen
Verbrennungsprodukte zum Gewicht der eingesetzten gaserzeugenden
Zusammensetzung, beträgt
100 %. Eine Bildung von kondensierten Feststoffen ist nicht zu beobachten.
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Der
berechnete Anteil an Kohlenmonoxid in den gasförmigen Verbrennungsprodukten
beträgt
etwa 0,04 ‰,
der Anteil der Stickoxide NOX etwa 0,07 ‰. Mit
dem Gemisch wurde außerdem
ein Temperaturlagertest bei 110°C über 408
Stunden durchgeführt.
Ein Vergleich der so behandelten Zusammensetzung mit einer unbehandelten
Zusammensetzung ergab in der DSC-Messung keine Veränderung
des Zersetzungspunktes.
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Beispiel 2
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30
Gew.-Teile Nitroguanidin und 70 Gew.-Teile TNEOC wurden gemahlen,
miteinander vermischt und zu Tabletten verpreßt. Die theoretische Dichte
des Preßkörpers beträgt 1,80
g/cm3. Aus thermodynamischen Berechnungen
ergibt sich für
dieses Gemisch eine Verbrennungstemperatur von 3.387 K bei einem
Verbrennungsdruck von ca. 300 bar. Die Schwadenzusammensetzung ist
vollständig
partikelfrei. Die Gasausbeute, berechnet als Verhältnis des
Gewichts der gasförmigen
Verbrennungsprodukte zum Gewicht der eingesetzten gaserzeugenden
Zusammensetzung, beträgt
100 %. Kondensierte Feststoffe sind nicht nachweisbar.
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Der
berechnete Gew.-Anteil an Kohlenmonoxid in der Schwadenzusammensetzung
beträgt
in diesem Fall etwa 1,16 ‰,
der Stickoxidanteil etwa 0,07 ‰.
Im Temperaturlagertest bei 110°C über 408
Stunden ergab sich in der DSC-Messung
keine Veränderung
des Zersetzungspunktes der Mischung.
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Beispiel 3
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62,0
Gew.-Teile 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on (NTO), 10 Gew.-Teile TNEOC
und 28 Gew.-Teile Natriumnitrat wurden gemahlen, miteinander vermischt
und zu Treibstofftabletten verpreßt. Die theoretische Dichte
des Preßkörpers beträgt 1,99
g/cm3. Aus thermodynamischen Berechnungen
ergibt sich für
das Gemisch eine Verbrennungstemperatur von 2.748 K bei einem Verbrennungsdruck
von ca. 300 bar.
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Die
Gasausbeute des Gemischs, berechnet als Verhältnis des Gewichts der gasförmigen Verbrennungsprodukte
zum Gewicht der eingesetzten gaserzeugenden Zusammensetzung, beträgt 83,2
%. Die kondensierten Produkte sind überwiegend Natriumcarbonat.
Der berechnete Kohlenmonoxidanteil in der Schwadenzusammensetzung
beträgt
etwa 12,7 ‰,
der Stickoxidanteil liegt unterhalb der Nachweisgrenze. Im Temperaturlagertest
bei 110°C über 408
Stunden zeigte die Zusammensetzung in der DSC-Messung keine Veränderung
des Zersetzungspunktes. Das Gemisch war somit ausreichend stabil.
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Weitere
Brennstoffe, die zusammen mit TNEOC als Oxidator stabile gaserzeugende
Zusammensetzungen ergeben, sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Die Brennstoffe werden vorzugsweise in einem stöchiometrischen Gemisch mit
TNEOC eingesetzt.
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