DE3733176C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine gaserzeugende Masse, insbesondere
zum Aufblasen von Luftsäcken für Insassenschutzvorrichtungen in
Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Luftsäcke, die auch als "Airbag" bezeichnet werden, müssen von
der gaserzeugenden Masse innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde
aufgeblasen sein, wobei sie im allgemeinen so ausgebildet sind, daß ihr
Gasinhalt mit gesteuerter Geschwindigkeit abgeblasen wird. Das gebildete
Treibgas darf deshalb keine toxischen Bestandteile enthalten.
Als gasliefernde Komponente derartiger Massen bieten sich insbesondere
Alkali- und Erdalkaliazide an, die mit anorganischen Oxydationsmitteln
ein ungiftiges, im wesentlichen aus Stickstoff bestehendes Treibgas
bilden. Um das hierbei entstehende Alkali- bzw. Erdalkalioxyd, welches
sich relativ schwer abtrennen läßt und damit in den Fahrgastraum
gelangen kann, unschädlich zu machen, ist es bekannt, der gaserzeugenden
Masse Siliciumdioxyd zuzusetzen (DE-AS 22 36 175). Aus dem Silicium
dioxyd und den Alkali- bzw. Erdalkalioxyden entsteht so eine problemlos
abtrennbare glasartige Schlacke.
Bezogen auf das Gewicht enthält die bekannte Masse nach der
DE-AS 22 36 175, wie sie in der Praxis verwendet wird, einen relativ
hohen Anteil an Natriumazid von 56 Gew.%. Natriumazid ist jedoch
hochtoxisch und zwar vergleichbar mit Kaliumzyanid. Durch die ständig
steigenden Stückzahlen von Kraftfahrzeugen, die mit derartigen
Insassenschutzvorrichtungen ausgerüstet sind, ergeben sich damit bei der
Verschrottung erhebliche Entsorgungsprobleme. Diese Probleme bestehen
zum einen in der Umweltbelastung, z.B. der Boden- und Grundwasser
verseuchung durch dieses hochgiftige Salz. Zum anderen kann sich
Natriumazid am Schrottplatz mit Säuren, z.B. durch Kontakt mit Batteriesäure,
zu hoch explosiver und hochtoxischer Stickstoff-
Wasserstoffsäure umsetzen oder mit Schwermetallen, wie Blei, zu
hochexplosiven Schwermetallaziden reagieren.
Man ist daher bestrebt, den Azidgehalt derartiger Massen herabzusetzen
oder ganz ohne Azide auszukommen. So werden z.B. in den DE-AS
23 34 063 und 22 22 506 azidfreie Massen auf der Basis von Raketen
feststofftreibsätzen beschrieben. Diese Massen besitzen jedoch den
gravierenden Nachteil, daß aus den darin enthaltenen kohlenstoffhaltigen
Bestandteilen Kohlenmonoxyd und andere toxische Gase entstehen.
Um die Bildung von Kohlenmonoxyd zu verhindern, ist es aus der EP-PS
00 55 904 bekannt, sauerstofffreie Oxydatoren, wie Chromchlorid,
Molybdändisulfid oder Eisenfluorid, und als Stickstoffquelle Tetrazole
zu verwenden. Dabei wird ein Treibgas gebildet, das die freien Metalle,
also Chrom, Molybdän oder Eisen und zum Teil noch erheblich toxischere
Substanzen, wie Kaliumzyanid, enthält. Im Hinblick auf die lange
Zeitspanne, von z.B. mehr als zehn Jahren, die ein Airbag einsatzfähig
sein soll, läßt ferner die chemische Stabilität der bekannten Masse zu
wünschen übrig.
Aus der DE-OS 24 07 659 geht eine Siliciumnitrid, Natriumazid und
Ammoniumperchlorat enthaltende Masse hervor, deren Umsetzung nach
folgender Gleichung verläuft:
Si₃N₄ + 3NaN₃ + 3NH₄ClO₄ → 3SiO₂ + 3NaCl + 8N₂ + 6H₂O (1)
Mit der bekannten Masse wird eine relativ große Menge Wasser gebildet,
welches im Airbag kondensiert. Durch die entstehende Kondensationswärme
wird der Airbag zusätzlich aufgeheizt. Neben der mechanischen Belastung
hat das Sackmaterial also auch noch eine erhebliche thermische Belastung
auszuhalten. Dies läuft jedoch der Tendenz zuwider, aus Platzgründen das
Sackmaterial möglichst dünn auszubilden.
Nachteilig ist ferner, daß nach der DE-OS 24 07 659 das zusammen mit
Natriumazid verwendete Ammoniumperchlorat in Kontakt mit Wasser sauer
und damit unter Bildung von hochexplosiver und hochtoxischer Stick
stoffwassersäure reagiert. Bei solchen feindispersen Systemen ist in der
Praxis völlige Wasserfreiheit jedoch nicht zu erreichen bzw. mit einem
enormen Aufwand verbunden.
Auch wenn nach der vorstehenden Reaktionsgleichung (1) nicht ersicht
lich, ist es in der Praxis ferner unvermeidbar, daß aus Ammonium
perchlorat Chlorwasserstoffsäure, d.h. eine toxische Komponente gebildet
wird. Schließlich fällt, wie der vorstehenden Gleichung (1) zu ent
nehmen, bei der bekannten Masse Natriumchlorid an, und zwar in fein
verteilter Form, das, wenn es nicht abgetrennt wird, was Schwierigkeiten
bereitet, eine Reizwirkung auf die Insassen des Kraftfahrzeuges ausübt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gaserzeugende Masse mit einem relativ
geringen Azidgehalt und hoher Stabilität bereitzustellen, welche bei
zumindest gleich großer Stickstoffbildung je Volumeneinheit der Masse zu
einem physiologisch unbedenklichen Treibgas und einem leicht
abtrennbaren festen Rückstand führt.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Masse auf der Basis von Alkali- oder
Erdalkaliaziden, einem Alkali- oder Erdalkalisalz als Oxydationsmittel
sowie wenigstens einem Nitrid erreicht, wobei das Nitrid in einer
solchen Menge vorliegt, daß das gesamte Alkali- bzw. Erdalkalimetall als
Schlacke gebunden wird.
Das heißt, z. B. bei Verwendung von Chromnitrid als Nitrid, Natriumazid
als Azid und Kaliumnitrat als anorganischem Oxydationsmittel verläuft
die Umsetzung der erfindungsgemäßen Masse nach folgender Gleichung:
Der gesamte feste Rückstand wird also in Form von K₂O · Cr₂O₃ · Na₂O,
d. h. als glasartige Schlacke gebunden. Ferner wird der
Natriumazidgehalt auf 14 Gew.-% der Masse reduziert, d. h. auf ein
Viertel des Natriumazid-Gehaltes der Masse nach der DE-AS 22 36 175.
Weiterhin wird als Treibgas ausschließlich Stickstoff gebildet, also
insbesondere kein Wasserdampf, der bei Kondensation zum Aufheizen des
Airbags führen würde.
Als Nitride werden erfindungsgemäß bevorzugt Bornitrid (BN),
Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumnitrid (Si3N4) sowie die
Übergangsmetallnitride: Titannitrid (TiN), Zirkoniumnitrid (ZrN),
Hafniumnitrid (HfN), Vanadinnitrid (VN), Niobnitrid (NbN), Tantalnitrid
(TaN) sowie Chromnitrid (CrN) oder Dichromnitrid (Cr2N) verwendet.
Dabei ist von Bedeutung, daß diese erfindungsgemäß bevorzugten Nitride,
bezogen auf das Gewicht, zwar einen erheblich geringeren
Stickstoffanteil aufweisen als Natriumazid, jedoch der Stickstoffanteil
der erfindungsgemäß bevorzugten Nitride, bezogen auf deren Volumen,
vergleichbar ist mit dem von Natriumazid.
So beträgt der gewichtsmäßige Stickstoffanteil von Natriumazid 64,6%
und dessen volumenmäßige Stickstoffanteil 1,2 Nl/cm3, während CrN einen
Stickstoffanteil, bezogen auf das Gewicht, von lediglich 21,2%, bezogen
auf das Volumen, jedoch von 1,02 Nl/cm3 besitzt.
Das heißt, das Gemisch nach Gleichung (2) bildet z.B. je Gramm nur 0,19
Normalliter Stickstoff gegenüber ca. 0,31 Normalliter Stickstoff/Gramm,
welche von der bekannten Masse nach der DE-AS 22 36 175 erzeugt werden.
Jedoch beträgt, bezogen auf einen cm3, das gebildete Stickstoffvolumen
bei der Masse nach Gleichung (2), wegen der hohen Dichte der Über
gangsmetallnitride, 0,72 Normalliter gegenüber 0,65 Normalliter bei der
bekannten Masse, d.h. je Volumeneinheit der Masse (wichtig für die
Baugröße des Gaserzeugers) ist die Stickstoffbildung der erfin
dungsgemäßen Masse trotz stark reduziertem Natriumazidgehalt ver
gleichbar einer hochazidhaltigen, herkömmlichen Masse.
Damit das Nitrid das Alkalimetall bindet, werden die Nitride, Azide und
das als Oxydationsmittel verwendete Alkali- bzw. Erdalkalisalz der
erfindungsgemäßen Masse in stöchiometrischen Verhältnissen eingesetzt,
wie es die Gleichung (2) veranschaulicht. Es versteht sich jedoch von
selbst, daß geringe Abweichungen von den stöchiometrischen Verhält
nissen möglich sind, solange sich der Reaktionsverlauf nicht derart
verändert, daß die festen Stoffe, die bei der Zersetzung der Masse
gebildet werden, nicht mehr in Form einer Schlacke anfallen.
Die erfindungsgemäß bevorzugt verwendeten Nitride, also Bornitrid,
Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid und die erwähnten Nitride der
Übergangsmetalle, zeichnen sich durch eine außerordentlich hohe
Temperaturbeständigkeit und chemische Stabilität aus. Sie werden daher
auch als keramische Werkstoffe verwendet. Demgemäß zeichnet sich die
erfindungsgemäße Masse durch eine hervorragende Stabilität aus.
Die erfindungsgemäße Masse kann neben dem Nitrid auch Siliciumdioxyd
enthalten. D. h. ein Teil des Nitrids kann durch Siliciumdioxyd als
Schlackenbildner ersetzt sein. Die Menge des Nitrids und des Sili
ciumdioxyds ist in diesem Fall also so bemessen, daß beide zusammen das
gesamte Alkali- bzw. Erdalkalimetall als Schlacke binden. So konnte mit
einem Siliciumnitrid/Siliciumdioxyd-Gemisch mit einem Gewichts
verhältnis des Siliciumnitrids zum Siliciumdioxyd von lediglich 10 : 90
gegenüber reinem Siliciumdioxyd zur Bindung des gesamten Alakli- bzw.
Erdalkalimetalls der Masse bei einer nur geringfügigen Reduzierung des
Brennkammerdrucks eine beträchtliche Erhöhung des Luftsackdrucks bei
einer deutlichen Reduzierung der Partikelemission erzielt werden. Ein
Nitrid-Anteil von mindestens 5 Gewichtszeilen gegenüber 95 Gewichts
zeilen Siliciumdioxyd ist allerdings Voraussetzung, um diesen Effekt
feststellen zu können. Aus den erwähnten Gründen ist jedoch der Nitrid-
Anteil in einem solchen Gemisch möglichst hoch, d.h. die Abwesenheit von
Siliciumdioxyd, also die Verwendung ausschließlich von Nitrid zur Bin
dung des gesamten Alkali- bzw. Erdalkalimetalls ist bevorzugt.
Es wurde ein 600 g Gemisch von feingemahlenem Chromnitrid (CrN),
Kaliumnitrat und Natriumazid im Molverhältnis 3 : 2 : 1 hergestellt. Das
Gemisch wurde zu Tabletten mit einem Durchmesser von 6 mm und einer
Dicke von 2,5 mm verpreßt. Cirka 80 g der Tabletten wurden in ein
herkömmliches Gasgenerator-Gehäuse fur einen Airbag eingebracht, wie es
in der DE-PS 29 15 202 beschrieben ist, und mittels eines elek
trischen Anzünders und einer Verstärkerladung auf der Basis Bor/Kalium
nitrat gezündet. Das Metallnitrid verbrannte unter Freisetzung der
theoretischen Menge an N2.
Claims (4)
1. Gaserzeugende Masse, insbesondere zum Aufblasen von Luftsäcken
für Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, welche wenigstens
ein Alkali- oder Erdalkaliazid, ein anorganisches Oxydationsmittel und
ein Nitrid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische
Oxidationsmittel ein Alkali- oder Erdalkalinitrat und das Nitrid
Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid oder ein Nitrid eines
Übergangsmetalls ist, wobei das Nitrid in einer solchen Menge vorliegt,
daß das gesamte Alkali- bzw. Erdalkalimetall als Schlacke gebunden wird.
2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Oxidationsmittel Kaliumnitrat ist.
3. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrid des
Übergangsmetalls Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Hafniumnitrid,
Vanadiumnitrid, Niobnitrid, Tantalnitrid oder Chromnitrid ist.
4. Masse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ihr Siliciumdioxid zugesetzt ist, wobei das Nitrid
und das Siliciumdioxid in einer solchen Menge vorliegen, daß das gesamte
Alkali- bzw. Erdalkalimetall als Schlacke gebunden ist.
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