DE3935869C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gaserzeugende Masse, insbesondere zum Aufblasen von Luftsäcken (Airbag) für Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, welche wenigstens ein Alkali- oder Erdalkaliazid, ein Oxydationsmittel in mindestens einer zur Oxydation des Alkali- bzw. Erdalkalimetalls des Alkali- bzw. Erdalkaliazids stöchiometrischen Menge sowie einen Schlackenbildner enthält.

Derartige gaserzeugende Massen bzw. Treibstoffe sind bekannt. Die momentan verwendeten serienmäßigen Treibstoffe zum Aufblasen des Airbag enthalten dabei als Oxydationsmittel ein stark oxydierendes sauerstoffhaltiges Salz, wie Kaliumnitrat, oder ein Übergangsmetalloxid, wie Kupfer- bzw. Eisenoxid.

Auch ist es aus der US-PS 42 96 084 bekannt, Molybdändisulfid als Oxydationsmittel einzusetzen, wobei bis zu 4 Gew.-% Schwefel zugesetzt werden, um die Abbrandeigenschaften zu beeinflussen. Die Oxydationswirkung des Molybdändisulfids beruht darauf, daß das 4wertige Molybdän durch Elektronenaufnahme in 0-wertiges, metallisches Molybdän übergeführt wird, während das Sulfid-Anion des Molybdändisulfids als Natriumsulfid gebunden wird, also die Oxydationszahl des Sulfids (-II) nicht geändert wird. Bei der bekannten Masse ist der Molybdänsulfid-Gehalt unterbilanziert, so daß Natrium-Metall gebildet wird. Bei einer Erhöhung des Molybdänsulfid-Gehalts läßt andererseits die Gasausbeute zu wünschen übrig.

Obgleich sich die serienmäßigen Treibstoffe in der Praxis im großen und ganzen bewährt haben, sind sie noch verbesserungsbedürftig. So ist zwar eine hohe Abbrandtemperatur erwünscht, um das zum Aufblasen des Airbags erforderliche Gasvolumen mit einer möglichst geringen Treibstoffmenge zu erhalten, jedoch ist die Abbrandtemperatur mitunter so hoch, daß zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung einer zu starken thermischen Belastung des im allgemeinen aus Aluminium bestehenden Generatorgehäuses getroffen werden müssen. Auch darf die Temperatur des erzeugten Gases nicht so hoch sein, daß das verwendete Sackmaterial in Mitleidenschaft gezogen wird.

Ferner besteht der Wunsch, die Gasausbeute, bezogen auf das Gewicht der Masse, weiter zu erhöhen. Auch müssen bei den bekannten Treibstoffen zum Teil aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um zu verhindern, daß Alkalimetall-Oxide aus dem Airbag austreten, die einerseits zu einer unerwünschten Rauchbildung führen und andererseits eine stark ätzende, toxische Wirkung besitzen.

Aus der US-PS 37 79 823 ist eine gaserzeugende Masse bekannt, die aus einem Metallazid, Schwefel als Oxydationsmittel zur Oxydation des Metallazids sowie einem polymeren organischen Bindemittel besteht, das den Pellets die erforderliche Festigkeit verleihen soll. Durch ein solches Bindemittel werden jedoch toxische Gase, wie Kohlenmonoxid, in einer für Airbags nicht zu akzeptierenden Menge erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gaserzeugende, zu stabilen Pellets verpreßbare Masse, insbesondere für einen Airbag-Gasgenerator, bereitzustellen, welche ohne starke thermische Belastung von Gasgeneratorgehäuse oder Sackmaterial in relativ geringer Menge ein einwandfreies Aufblasen des Airbags ohne Bildung toxischer Gase gewährleistet, wobei auf aufwendige Maßnahmen zur Verhinderung des Austretens von Alkalioxiden verzichtet werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Masse erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Masse ist eine ausreichend niedrige Abbrandtemperatur erreichbar, weil sowohl die Bildungswärme des entstehenden Natriumsulfids als auch der zusätzliche Energiegewinn durch die Reaktion mit dem Schlackenbildner geringer ist als bei Natriumoxid, das in den serienmäßigen Treibstoffen durch das darin enthaltene sauerstoffhaltige Salz, wie Kaliumnitrat oder auch die Übergangsmetalloxide, wie Eisen- oder Kupferoxid, gebildet wird.

Weiterhin ist die Gasausbeute, bezogen auf das Gewicht der Masse, bei der erfindungsgemäßen Masse größer als bei den bekannten Treibstoffen, weil das Oxydationsmittel (Schwefel) keine Inertmaterialien bildet, wie beispielsweise Kaliumoxid, das aus dem Kaliumkation des Kaliumnitrats bzw. Eisen oder Kupfer, das aus den Übergangsmetalloxiden der bekannten serienmäßigen Treibstoffe bzw. das metallische Molybdän, das aus dem Molybdändisulfid der Masse nach der US-PS 42 96 084, gebildet wird

Ferner weisen die aus der erfindungsgemäßen Masse hergestellten Pellets eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit auf.

Auch bedarf die erfindungsgemäße Masse eines erheblich geringeren Aufwandes an Maßnahmen, um ein Austreten von Alkali- bzw. Erdalkalioxid aus dem Generator zu verhindern.

Wie bei Verwendung von Natriumazid als Alkaliazid experimentell festgestellt worden ist, wird mit der erfindungsgemäßen Masse die Bildung von Natriumoxid gegenüber der serienmäßigen Masse mit Kaliumnitrat als Oxydationsmittel um den Faktor 5 bis 10 herabgesetzt, also fast vollständig unterbunden.

Dies dürfte damit zusammenhängen, daß bei dem bekannten Treibstoff sich das Natriumoxid in der gebildeten flüssigen Schlacke durch die hohe Abbrandtemperatur in geringer Menge zu metallischem Natrium zersetzt, das verdampft und in der Gasphase durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff feinste Natriumoxid-Partikel bildet.

Da bei der erfindungsgemäßen Masse die Abbrandtemperatur niedriger ist, wird die Bildung von metallischem Natrium entsprechend zurückgedrängt. Darüber hinaus reagiert bei der erfindungsgemäßen Masse der Schwefel bei der zwar geringeren, aber dennoch im allgemeinen deutlich über 1000°C liegenden Abbrandtemperatur zumindest teilweise im gasförmigen Zustand, so daß er etwaiges verdampftes metallisches Natrium sofort als Natriumsulfid bindet.

Um alle festen Abbrandprodukte zu binden, und damit zu verhindern, daß aus dem Airbag Partikel austreten, wird der Masse ein Schlackenbildner zugegeben.

Der Schlackenbildner kann dabei ein glasbildendes Oxid sein, beispielsweise Siliciumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Boroxid (B₂O₃). Als Azid wird vorzugsweise Natriumazid verwendet.

Wenn Natriumazid und Siliciumoxid als Schlackenbildner verwendet wird, reagiert die erfindungsgemäße Masse nach folgender Reaktionsgleichung:

10 NaN₃ + x SiO₂ + 5 S → 5 Na₂S · x SiO₂ + N₂ (I)

Die Menge des Siliciumoxids wird dabei so gewählt, daß einerseits die Menge der Schlacke und damit deren Vermögen, die festen Abbrandprodukte zu binden, ausreichend ist, während andererseits eine Verminderung des Siliciumoxid-Anteils eine Erhöhung der Gasausbeute, bezogen auf das Gewicht der Masse, bewirkt. Im allgemeinen beträgt daher die Mol-Zahl des Siliciumoxids, also x in der Gleichung (I) 3-5, vorzugsweise 4-5.

Weiterhin ist es vorteilhaft, den Schwefel in einem geringen Überschuß zu verwenden, d. h. anstelle von 5 Mol (Gramm-Atom) Schwefel nach der Gleichung (I) 5-6 Mol (Gramm-Atom) Schwefel zu verwenden, da durch den überschüssigen Schwefel die Bildung von metallischem Natrium durch Zersetzung des Na₂S-Anteils der Schlacke (Na₂S · x SiO₂) zurückgedrängt wird.

Damit ergeben sich in Gewichtsprozenten folgende bevorzugte Gewichtsverhältnisse für eine aus Natriumazid, Siliciumoxid und Schwefel bestehende erfindungsgemäße Masse: 56 bis 66% Natriumazid, 18 bis 27, vorzugsweise 22 bis 27% Siliciumoxid und 14 bis 17% Schwefel.

Wenn statt Siliciumoxid (SiO₂) beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Schlackenbildner verwendet wird, beträgt dessen Anteil vorzugsweise 3/2 bis 5/2 Mol pro 10 Mol Natriumazid, d. h. das Verhältnis des Glasbildners zu 10 Mol Alkali- bzw. 5 Mol Erdalkaliazid ist vorzugsweise 3 bis 5 Mol, geteilt durch die Anzahl der Metall- bzw. Siliciumatome im Molekül (bei SiO₂ = 1 bzw. bei Al₂O₃ = 2)

Anstelle der glasbildenden Oxide sind bei der erfindungsgemäßen Masse als Schlackenbildner auch Nitride mit Vorteil einsetzbar, insbesondere Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumnitrid (Si₃N₄) sowie Übergangsmetallnitride oder Nitride anderer Metalle.

Aus diesen Nitriden entstehen feste Sinterstoffe, die gleichfalls ein Austreten von Partikeln aus dem Airbag verhindern. Darüber hinaus weisen insbesondere Bornitrid, Aluminiumnitrid und Siliciumnitrid ein relativ niedriges Molekulargewicht auf, so daß die Gasausbeute, bezogen auf das Gewicht der Masse, hoch ist.

Bei Verwendung von Natriumazid und mit Bornitrid als Schlackenbildner reagiert die erfindungsgemäße Masse nach folgender Reaktionsgleichung:

10 NaN₃ + x BN + 5 S → 5 Na₂S · x BN + N₂ (II)

Dabei spaltet das BN unter den drastischen Reaktionsbedingungen zum Teil gasförmigen Stickstoff ab. Das heißt, es sind neben BN auch andere Nitride, wie B₂N, in der Schlacke enthalten. Dies hat als weiteren Vorteil der Verwendung der Nitride zur Folge, daß die Gasausbeute zusätzlich erhöht wird.

Wie vorstehend im Zusammenhang mit der Reaktionsgleichung (I) erläutert, beträgt auch bei der Verwendung von BN die Mol-Zahl, also x, in der Gleichung (II) vorzugsweise 3 bis 5, insbesondere 4 bis 5, bezogen auf 10 Mol Alkaliazid bzw. 5 Mol Erdalkaliazid. Ferner ist es auch bei der nach der Gleichung (II) reagierenden Masse von Vorteil, den Schwefel in geringem Überschuß einzusetzen, also statt 5 Mol (Gramm-Atom) Schwefel, wie in Gleichung (II) angegeben, 5 bis 6 Mol (Gramm-Atom) Schwefel.

Damit ergeben sich in Gew.-% folgende bevorzugte Gewichtsverhältnisse für eine aus Natriumazid, Bornitrid und Schwefel bestehende erfindungsgemäße Masse: 67 bis 74% Natriumazid, 8 bis 14% Bornitrid und 18 bis 20% Schwefel.

Wenn statt Bornitrid (BN) beispielsweise Siliciumnitrid (Si₃N₄) als Schlackenbildner verwendet wird, beträgt dessen Anteil 1 bis 5/3 Mol pro 10 Mol Natriumazid, d. h. 3 bis 5 Mol, geteilt durch die Anzahl der Metall- bzw. Siliciumatome im Molekül (bei BN=1 bzw. bei Si₃N₄=3).

Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Es wurden folgende Gemische hergestellt:

Gemisch A:
61,9 Gew.-% Natriumazid
15,2 Gew.-% elementarer Schwefel
22,9 Gew.-% Siliciumoxid

Gemisch B:
69,6 Gew.-% Natriumazid
17,1 Gew.-% elementarer Schwefel
13,3 Gew.-% Bornitrid

Vergleichs-Gemisch C:
56,4 Gew.-% Natriumazid
18,6 Gew.-% Kaliumnitrat
26,0 Gew.-% Siliciumoxid.

Die Gemische A und B entsprechen dabei der Erfindung, während das Gemisch C zum Vergleich das Gemisch für einen serienmäßigen Treibstoff wiedergibt.

Aus den Gemischen A, B und C wurden jeweils Tabletten gepreßt, die in einem serienmäßigen Generator abgebrannt wurden. Es wurde jeweils die Oberflächentemperatur des Generators nach dem Abbrand bestimmt und der Partikelausstoß gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben.

Wie der Tabelle zu entnehmen, führen die aus den Gemischen A, B hergestellten Tabletten beim Abbrand zu einer deutlich niedrigeren Oberflächentemperatur des Generators als die aus dem Gemisch C hergestellten Tabletten. Ferner wird bei den aus den Gemischen A und B hergestellten Tabletten ein geringerer Partikelausstoß als bei den aus dem Gemisch C hergestellten Tabletten festgestellt und insbesondere bei dem Gemisch B eine höhere Gasausbeute erzielt.

Claims (5)

1. Gaserzeugende Masse, insbesondere zum Aufblasen von Luftsäcken für Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, welche wenigstens ein Alkali- oder Erdalkaliazid, ein Oxydationsmittel in mindestens einer zur Oxydation des Alkali- oder Erdalkalimetalls des Alkali- bzw. Erdalkaliazids stöchiometrischen Menge sowie einen Schlackenbildner enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel ausschließlich aus elementarem Schwefel besteht und das Verhältnis des Alkali- bzw. Erdalkaliazids zu dem Schwefel 10 Mol Alkali- bzw. 5 Mol Erdalkaliazid zu 5 bis 6 Mol Schwefel beträgt.

2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlackenbildner ein glasbildendes Oxid ist.

3. Masse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das glasbildende Oxid Siliciumoxid, Aluminiumoxid und/oder Boroxid ist.

4. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlackenbildner Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid und/oder ein Übergangsmetall-Nitrid ist.

5. Masse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Schlackenbildners zu dem Alkali- bzw. Erdalkaliazid 3-5, vorzugsweise 4-5 Mol Schlackenbildner, geteilt durch die Anzahl der Metall- bzw. Silicium- bzw. Boratome im Molekül des Schlackenbildners zu 10 Mol Alkali- bzw. 5 Mol Erdalkaliazid beträgt.