DE2336853B2

DE2336853B2 - Gaserzeugende masse und deren verwendung

Info

Publication number: DE2336853B2
Application number: DE19732336853
Authority: DE
Inventors: Eric William Otterburn Heights Quebec Sidebottom (Kanada)
Original assignee: Canadian Industries Ltd
Current assignee: PPG Architectural Coatings Canada Inc
Priority date: 1972-07-24
Filing date: 1973-07-19
Publication date: 1976-08-12
Also published as: US3883373A; BE802514A; JPS532156B2; NO136091C; CA997933A; GB1391310A; NL7310133A; NO136091B; FR2193801B1; JPS49131977A; FR2193801A1; DE2336853A1; IT995049B; SE409451B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gaserzeugende Masse, deren feste Reaktionsprodukte nicht toxisch lind nicht korrosiv sind, auf der Basis von Alkali- und Erdalkalimetallaziden und anorganischen Oxidationsmitteln, sowie auf die Verwendung der Masse zum Aufblasen einer Auffangvorrichtung in Kraftfahrzeugen.

Es sind aufblasbare Auffangsysteme zum Schutz von Passagieren in Kraftfahrzeugen im Falle einer Kollision bekannt. Diese Systeme bestehen gewöhnlich aus einem vor den Passagieren angebrachten Sack oder Beutel, welcher als Reaktion auf schnelle Geschwindigkeitsverminderung von Kraftfahrzeugen zum Aufblasen gebracht wird.

Es ist bekannt, den Beutel durch die Wirkung von komprimiertem Gas, welches aus einem Vorratsbehälter freigegeben wird, aufzublasen. Die Verwendung von komprimiertem Gas für diesen Zweck birgt jedoch bestimmte Nachteile in sich. Es ist ein großer schwerwandiger Behälter erforderlich, um das Gas unter Druck von etwa 211 kg/cm² zu lagern. Ferner ist es erforderlich, sicherzustellen, daß der Gaslagerungsbehälter über eine lange Zeitdauer dicht bleibt, d. h. zum Funktionieren bereit im Falle eines Unfalles.

Es ist auch bekannt, den Beutel durch die Wirkung eines Gases aufzublasen, welches durch Zünden einer Treib- oder pyrotechnischen Masse entwickelt wird. Als gaserzeugende Masse ist Schwarzpulver verwendet worden, welches jedoch den Nachteil hat, daß die Verbrennungsprodukte schädlich sind.

Ferner sind Massen bekannt, die Alkali- oder Erdalkaliazide und anorganische Oxidationsmittel in einer zur vollständigen Umsetzung mit dem Azid unter Abgabe von Stickstoffgas ausreichenden Menge enthalten und als Gasquelle zur Druckaufbringung bei Raketentreibmitteltanks dienen.

Nachteilig hieran ist, daß ein Alkalimetallazid und eine sauerstoffhaltige oxidierende Verbindung, außer dem Stickstoff, eine bestimmte Menge toxischen, korrosiven Alkalimetalloxids erzeugt.

Schließlich sind pyrotechnische Massen bekannt, die ein Alkalimetallazid, eine oxidierende Verbindung und

ίο einen Brennstoff, wie Bor oder Silicium, enthalten. Diese pyrotechnischen Massen können jedoch bei der Verwendung als Gasquelle in Abhängigkeit von den Proportionen der Inhaltsstoffe eine hohe ßrenngeschwindigkeit in der Nähe einer Detonation aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gaserzeugende Masse zur Verfügung zu stellen, deren feste Rekationsprodukte nicht toxisch und nicht-korrosiv ist und die sich zum Aufblasen eines Kraftfahrzeug-Auffangbeutels eignet.

Gegenstand der Erfindung ist eine gaserztugende Masse, deren feste Reaktionsprodukte nicht toxisch und nicht-korrosiv sind, auf der Basis von Alkali- und Erdalkalimetallaziden und anorganischen Oxidationsmitteln, wobei letztere in einer zur vollständigen Umsetzung mit dem Azid unter Freigabe von Stickstoffgas ausreichenden Menge vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Oxid aus der Gruppe von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinnoxid, Zinkoxid und/oder mit einer wasserabstoßenden Verbindung überzogenes, gebranntes Siliziumdioxid und/oder ein Metall aus der Gruppe von Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Zink in einer zur Umsetzung mit dem Rückstand aus der Reaktion zwischen Aziden und anorganischen Oxidationsmitteln ausreichenden Menge enthält.

Die Verwendung, eines Gemisches eines Oxides und eines Metalls als Bestandteile der Masse bietet ein Mittel zur Einstellung der Brenngeschwindigkeit. Massen, welche nur Oxid (als 3. Bestandteil) enthalten, brennen langsamer als Massen, welche nur Metall (als 3. Bestandteil) enthalten. Wenn der 3. Bestandteil ein Gemisch aus Siliciumdioxid und Silicium ist, bietet die Veränderung der Anteile dieser beiden Komponenten einen Verbrennungsgeschwindigkeitsbereich, welcher von etwa 110 μϊ^ mit nur Siliciumdioxid bis 11 μ$ΰΰ mit nur Silicium reicht, und zwar in Abhängigkeit von Größe und Form der Treibmasse.

Die Bestandteile der gaserzeugenden Masse können miteinander in Form von festen Teilchen vermischt und mit Hilfe eines heißen Drahtes oder eines Halmzünders gezündet werden. Alternativ kann die Masse in zwei getrennten Portionen verwendet werden, wobei der erste Anteil das Azid und die oxydierende Verbindung enthält und ein zweiter Anteil das Metalloxid enthält. Der zweite Anteil wird dann als Hülle um den ersten Anteil angebracht oder in der Außenzone des Gefäßes, welches die gaserzeugende Masse trägt, plaziert.

Wie in der Technik bekannt ist, wird die gaserzeugende Masse in einem Gefäß eingeschlossen, welches mit dem aufblasbaren Beutel des Auffangsystems verbunden ist. Normalerweise wird eine Puffer- und/oder Filtereinrichtung in der Gasleitung zwischen dem gaserzeugenden Gefäß und dem aufblasbaren Beutel angebracht, um den Fluß von Festprodukten in dem Beutel zu begrenzen.

Die Reaktion der gaserzeugenden Masse kann dargestellt werden durch die Gleichung:

2 NaN + SiO + O ->- Na SiO + 6 N Wenn das Oxid Siliciumdioxid und das Metall Silicium

^{23 2}" ist, werden die gebildeten Verbindungen Silicate sein.

Wenn das Azid Natriumazid ist, ist das Oxid SiIi- Im Falle anderer Oxide und Metalle werden sauer-

ciumdioxid, und es wird Sauerstoff aus einer geeigne- stoffhaltige Verbindungen, wie Aluminate, Titanate,

ten oxydierenden Verbindung erhalten. Wenn das Azid 5 usw. gebildet.

Natriumazid ist, das Oxid Siliciumdioxid ist und die Die Bestandteile der gaserzeugenden Masse werden

oxydierende Verbindung Kaliumperchlorat ist, lautet in dem teilchenförmigen Zustand eingesetzt. Obwohl

die Gleichung wie folgt: die Teilchengröße nicht offensichtlich kritisch ist, ist es

8 NaN + 4 SiO + KClO zweckmäßig, das Material in einer Teilchengröße,

-> 4 Na SiO + 12* N '■ KCl ¹⁰ entsprechend einem Sieb von <100 Maschen (nach

Tyler) zu verwenden.

Wenn ein Gemisch von Siliciumdioxid und Silicium Die gaserzeugenden Massen der Erfindung bieten

als Bestandteil 3 eingesetzt wird, kann die Reaktion Mittel zur Erzeugung eines nicht-toxischen Gases mit

dargestellt werden durch die Gleichung: Hilfe einer Umsetzung, welche nicht-toxische Fest-

8 NaN₃ + mSi + (4 — m) SiO₂ ¹S produkte erzeugt. ,.,,_,

+ (1 + 0,5 m) KClO₁ -> 4 Na₂SiO₃ ^Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher

-Ml 4 0,5 m) KCl + 12 N₂. erläutert:

Das gebildete Silicat hängt von der Zusammen- Beispiel 1

Setzung des eingesetzten Azids ab. Bei Bariumazid ist 20 Drei 40 g-Chargen einer Zusammensetzung, ent-

beispielsweise das Silicat BaSiO₃. Es kann auch erwar- haltend Natriumazid, Siliciumdioxid und Kaliumper-

tet werden, daß in Gegenwart einer oxydierenden Ver- chlorat in molaren Anteilen von 8:4:1 wurden in

bindung die Reaktion komplexe Silicate bildet. Kanister gebracht und in einem Feldtest unter Ver-

Geeignete Azidbestandteile der gaserzeugenden Mas- wendung einer elektrischen Sprengkapsel Nr. 8 zur

sen der Erfindung sind Lithiumazid, Natriumazid, 25 Initiierung der Zündung gezündet. Das Material ver-

Kaliumazid, Ribidiumazid, Cäsiumazid, Calciumazid, brannte in etwas weniger als 1 see.
Magnesiumazid, Strontiumazid und Bariumazid.

Ais Bestandteile der gaserzeugenden Massen geeig- Beispiel 2
nete oxydierende Verbindungen sind Metallperoxide,

wie Natriumperoxid, Kaliumperoxid, Rubidiumper- 30 ^{Eine 20} g-^Cnare^{e des} vorstehenden Ansatzes

oxid, Cäsiumperoxid, Calciumperoxid, Strontiumper- brauchte nach Zündung etwa 3 see zur vollständigen

oxid und Vanadiumperoxid; anorganische Perchlorate, Verbrennung,

wie Lithiumperchlorat, Natriumperchlorat, Kalium- Beispiel 3

perchlorat, Rubidiumperchlorat, Magnesiumperchlo- „.„„,,,

rat, Calciumperchlorat, Strontiumperchlorat, Barium- 35 _u P™ 1? S:^Char8^e"^e,!^ner Zusammensetzung ent-

perchlorat, Ferriperchlorat und Kobaltperchlorat, so- ^haltend Natriumaz.d, Silicium- und Kaliumperchlorat

wie Metallnitrate, wie Lithiumnitrat, Natriumnitrat, ^{m molaren Anteilen v0}"⁸-^{4:3 wurden} '" ^Kamster

Kaliumnitrat, Kupfernitrat, Silbernitrat, Magnesium- S^{ebracht und in} ^^{inem Feldt}<;^st _o ^unter, Verwendung

nitrat, Bariumnitrat, Zinknitrat, Aluminiumnitrat, einer elektrischen Zündkapsel Nr. 8 zur Initiierung der

Thalliumnitrat, Zinn(IV)-Nitrat, Wismutnitrat, Man- 40 ^Zü _u ^ndu,ⁿS .gezündet. Das Material brannte extrem

gannitrat, Ferrinitrat, Ferronitrat und Nickelnitrat. ^{schne11 bei ein}f Geschwindigkeit, die nur Bruchte.le

Als Bestandteile für die gaserzeugenden Massen der 8^enn8^{er war als eine} Detonation.
Erfindung geeignete Oxide sind Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinnoxid und Zinkoxid. Als Beispiel 4
Bestandteile der Massen der Erfindung geeignete 45 Eine 20 g-Charge der Zusammensetzung von BeiMetalle sind Silicium, Aluminium, Titan, Zinn und _spj_el 3 wurde in einem Feldtest gezündet. Das Material Zink. brauchte etwa 2 see zur vollständigen Verbrennung.

Es wurde gefunden, daß die Schlagempfindlichkeit

der Massen reduziert wird, indem als Bestandteil ge- Beispiel 5
branntes Siliciumdixoid, welches mit einem wasserab- 5° _.,. ^₁ . .. .. _n . . . , stoßenden Mittel, wie Silan, beschichtet ist, eingeschlos- ^{Zwei 5} Stangen des Materials von Beispiel 3 sen wird. Dieser Typ von hydrophobem Siliciumdioxid ^wurden '" ^Ka"f ergebrach und m einem geschlosseist auf Seite 39 von Chemical Week, der Ausgabe vom ^nen Hochdruckbehälter gezündet. Die Zündung wurde 8. Sptember 1971 von Bd. 109 beschrieben. Der bevor- ^{mit Hl|}f^{e ei}"^{es heißen D}™^h_^te.^{s bew} ₂ ^rkt· ^{Es wurde ei}" zugte Anteil an beschichtetem gebrannten Siliciumdi- 55 Spitzendruck von etwa 63,3 kg/cm² in 22 μ_5εε nach oxid ist eine Zugabe von 2 Gewichtsprozent. Jedoch der nitiierung der Verbrennung erzielt,
kann das beschichtete gebrannte Siliciumdioxid den ^Dl,^e ^produkte der beiden Verbrennungsversuche gesamten Oxidgehalt der Masse ersetzen. ^wurden *™⁰™™ ^u"^d. . ³⁰³¹V⁵"^. ^{Die Er}f.^ebni.^sse

Die Anteile an Azid und oxydierender Verbindung y» ^{daß 97} % ^des Siliciummetalls in wasserlösliches

werden so ausgewählt, daß das Azid vollständig zur 60 ^Su™* umgewandelt worden waren.

Bildung von gasförmigem Stickstoff umgesetzt wird. . . . ,

Azide sind toxische Materialien, und es ist erwünscht, Beispie

nicht umgesetztes Azid in den aufblasbaren Auffang- Zwei 20 g-Chargen des Materials vom Beispiel 3 beutel einzuspritzen. Der Anteil an Oxid und — sofern wurden in Kanister gebracht und in einem geschlossevorhanden — des Metalls wird so gewählt, daß der 65 nen Hochdruckbehälter gezündet. Die Zündung wurde metallische Rückstand der Umsetzung zwischen dem mit Hilfe eines heißen Drahtes bewirkt. Es wurde ein Azid und der oxydierenden Verbindung unter Bildung Spitzendruck von etwa 633 kg/cm² in 11 μβεο nach der nicht-toxischen festen Verbindungen reagieren. Initiierung der Verbrennung erzielt.

Beispiel 7

Fünf 20 g-Chargen des Materials vom Beispiel 1 wurden in Kanister gebracht und in einem geschlossenen Druckbehälter mit Hilfe eines heißen Drahtes gezündet. Es wurde ein Spitzendruck von 176 kg/cm² in einer Verbrennungszeit von 110 u5ec erzielt. Eine gewisse Zündungsverzögerung wurde bei Verwendung der Heißdraht-Zündungsmethode beobachtet. Die obige Zahl von 110 μβεε ist tatsächliche Verbrennungszeit und enthält nicht die Verzögerungsperiode.

Die Festprodukte der Verbrennung von drei dieser Zündungen wurden gesammelt und analysiert. Die Analyse zeigte, dhü 87% des in dem Treibmittel ursprünglich vorhandenen Siliciumdioxids in ein wasserlösliches Silicat umgewandelt worden waren.

Beispiel 8

Drei 20 g-Chargen einer Zusammensetzung, enthaltend Natriumazid, Aluminium- und Kaliumchlorat in molaren Anteilen von 2:2:1 wurden in Kanister gebracht und in einem geschlossenen Hochdruckbehälter gezündet. Die Zündung wurde mit Hilfe eines heißen Drahtes bewirkt. Die Proben hatten eine durchschnittliche Verbrennungszeit von 14 μβεα Der Verbrennungsrückstand wurde mit Wasser extrahiert, und der Wasserextrakt wurde auf Natrium und Aluminium analysiert. Das Atomverhältnis Al/Na ist in Tabelle 1 angegeben. Es ist ersichtlich, daß der Umsatz von Aluminium zu Natriumaluminat (NaAIC₂) im Durchschnitt 52%ig effizient ist, da vollständige Umwandlung ein Al/Na-Verhältnis von 1,0 ergeben würde.

Tabelle I

	Atomverhältnis	Durchschnitt
	Al/Na	Al/Na
Beispiel 8	0,53
	0,56
	0,47	0,52
Beispiel 9	0,48
	0,44
	0,53	0,48

Beispiel 10

Es wurde die Wirkung eines hydrophoben Siliciumdioxid-Bestandteils auf die Sensitivität folgender Zusammensetzungen: Natriumazid, Silicium, Kaliumperchlorat im Molverhältnis 8:4:3 sowie Natriumazid, Siliciumdioxyd, Kaliumperchlorat im Molverhältnis 8:4:1 gemessen, indem zu den Zusammensetzungen eine weitere 2gewichtsprozentige Zugabe folgender Materialien hinzugegeben wurde:

1. Gebranntes Siliciumdioxid mit einem Silanüberzug (Oberfläche: 225 m²/g, pH: 8 bis 10).

2. gefälltes Siliciumdioxid, beschichtet mit PoIysiloxan.

a) Oberfläche: 130 m²/g, pH: 8,5,

b) Oberfläche: 120 m²/g, pH: 11,0.

Die Sensitivität wurde mit einem Fallhammer gemessen, wobei die Höhe verwendet wurde, bei welcher Null-Zündung in 20 Falltesten auftrat. Die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.

Tabelle!!

Beispiel 9
Drei 20 g-Chargen einer Zusammensetzung, ent-

35 Zusammensetzung

NaN₃/Si/KClO₄
8/4/3

NaNj/SiOj/KCIO,

8/4/1

haltend Natriumazid, Aluminiumoxid (AI₂O₃) und Kaliumperchlorat molaren Anteilen von 8:4:1 wurden in Kanister gebracht und in einem geschlossenen Hoch- 40 Siliciumdioxyd druckbehälter gezündet. Die Zündung wurde mit Hilfe eines heißen Drahtes bewirkt. Die Proben hatten eine durchschnittliche Verbrennungszeit von 130 μβεΰ. Der Rückstand wurde wie im Beispiel 8 analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben. Es ist ersichtlich, daß die Umwandlung zu Natriumaluminat im Durchschnitt 48%ig effizient ist.

Zugabe von	19 cm	19 cm
hydrophobem	31,8 cm	31,8 cm
Siliciumdioxyd	19 cm	19 cm
keines	19 cm	19 cm
2% von 1
2% von 2 a)
2% von 2 b)

Es ist ersichtlich, daß mit Silan beschichtetes, gebranntes Siliciumdioxid als Desensibilisator wirkt.

Claims

Patentansprüche:

1. Gaserzeugende Masse, deren feste Reaktionsprodukte nicht toxisch und nicht -korrosiv sind, auf der Basis von Alkali- und Erdalkalimetallaziden und anorganischen Oxydationsmitteln, wobei letztere in einer zur vollständigen Umsetzung mit dem Azid unter Freigabe von Stickstoffgas ausreichenden Menge vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Oxid aus der Gruppe von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinnoxid, Zinkoxid und/oder mit einer wasserabstoßenden Verbindung überzogenes, gebranntes Siliziumdioxid und/oder ein Metall aus der Gruppe von Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Zink in einer zur Umsetzung mit dem Rückstand aus der Reaktion zwischen Aziden und anorganischen Oxidationsmitteln ausreichenden Menge enthält.

2. Gaserzeugende Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Oxidbestandteil mit Silan überzogenes, gebranntes Siliziumdioxid enthält.

3. Gaserzeugende Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie das gebrannte Siliziumdioxid in einer Menge von 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Masse, enthält.

4. Verwendung der gaserzeugenden Masse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Aufblasen einer Auffangvorrichtung in Kraftfahrzeugen.