DE4401213C1 - Gaserzeugende Mischung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gaserzeugende Mischung aus einem Brennstoff, einem Oxidator, einem Katalysator und einem Kühlmittel.

Gaserzeugende Mischungen der vorgenannten Art - auch Gasgeneratorsätze genannt - zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei Verbrennung eine hohe Gasausbeute (< 14 mol/kg) ermöglichen. Sie werden für Raketen- und Rohrwaffenantrie­ be sowie für aufblasbare Rückhalte- (Airbag) und Rettungs­ systeme verwendet. Besonders im zivilen Bereich werden thermisch-mechanische Unempfindlichkeit und Ungiftigkeit der Ausgangsmischungen, aber auch fehlende Toxizität bei den entstehenden Gasen gefordert. Viele im Einsatz befind­ lichen Systeme erfüllen diese Forderungen nicht oder nur sehr unzulänglich.

Die Reaktion dieser Brennstoffe mit den bisher eingesetzten Katalysatoren und Oxidatoren zeigen eine unbefriedigende Gaszusammensetzung und/oder ein ungenügendes Abbrandverhalten. Hinzu kommt, daß viele Reaktionsmischungen eine so hohe Verbrennungstemperatur besitzen, daß - bei Airbag-Anwendungen - die thermisch empfindlichen Sackmaterialien geschädigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Mi­ schung des eingangs genannten Aufbaus, die Verbrennungs­ temperatur abzusenken und die Abbrandgeschwindigkeit zu erhöhen.

Diese an sich konträren Anforderungen werden erfin­ dungsgemäß dadurch erfüllt, daß der Oxidator Cu(NO₃)₂·3Cu(OH)₂ und der Katalysator aus einem Metalloxid besteht.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Oxidator ergibt sich eine kalte und schnelle Verbrennung. Der Maximal­ druck wird innerhalb Millisekunden erreicht, wobei die Gastemperatur unterhalb schädlicher Grenzen bleibt. Bisher notwendige Schlackenbildner, die bei bekannten Systemen zur Bindung von Schadstoffen, z. B. Alkalioxiden, benötigt werden, können bei der erfindungsgemäßen Mischung entfal­ len, so daß eine höhere Gasausbeute erzielbar ist.

Der weiterhin erfindungsgemäß eingesetzte Katalysator dient vornehmlich der Schadgasreduzierung (CO und NO), wobei hier der Begriff "Katalysator" im erweiterten Sinn einen aktiven Reaktionsbestandteil bezeichnet, der selbst umgesetzt werden kann und reaktionslenkend und/oder reaktionsbeschleunigend wirkt. In einer durch die thermi­ sche Stabilität der Metalloxide bestimmten Phase der Reaktion wirken diese Oxide als Sauerstoff-Donatoren. Die katalytische Wirkung in der Schadgaskonvertierung CO + 1/2 O₂ → CO₂ läßt sich durch die Kornverteilung bzw. die mittlere Korngröße der Oxide, die unterhalb 2,5 µm liegen sollte, beeinflussen. Nicht nur der Metalloxid­ katalysator, sondern auch der Oxidator sind thermisch und mechanisch stabil und insbesondere auch nicht hygrosko­ pisch.

Besonders geeignet als Katalysator sind Oxide oder Misch­ oxide der Übergangsmetalle, vorzugsweise aber werden V₂O₅/MoO₃-Mischoxide eingesetzt, die Anteile der thermisch instabilen Phase V₂O₄ enthalten, die durch Teilreduktion von V₂O₅ darstellbar ist. Weitere Oxide, z. B. TiO₂, können als Promotoren eingesetzt werden.

Bei insbesondere zivilen Anwendungen werden ungiftige Ausgangsverbindungen und ungiftige Reaktionsprodukte gefordert. Diese Forderungen werden von N-reichen und C-armen Brennstoffen erfüllt. Hierzu zählen die bekannten Brennstoffe TAGN (triaminoguanidinnitrat), NIGU (Nitrogua­ nidin), NTO (3-Nitro-1,2,3-triazol-5-on) und das sich durch besonders hohen Stickstoffgehalt auszeichnende GZT (Diguanidinium-5,5′-azotetrazolat) (DE 41 08 225). Es werden deshalb im Rahmen der erfindungsgemäßen Mischung bei Verwendung für Rettungs- und Rückhaltesysteme vorzugs­ weise TAGN, NIGU, NTO, insbesondere aber GZT eingesetzt.

Eine bevorzugte Mischung besteht aus GZT und Cu(NO₃)₂·3Cu(OH)₂ mit ausgeglichener Sauerstoffbilanz und bis zu 30 Masse-% des Katalysa­ tors.

Das Kühlmittel kann ganz oder teilweise aus Fe₂O₃ bestehen, dessen oxidative Eigenschaften in der Reaktions­ mischung zusätzlich genutzt werden können (DE 41 33 655, EP 0 536 525).

Beispiel

Es wird eine Mischung bestehend aus GZT, einem Mischoxid aus V₂O₅ und MoO₃ mit der Summenformel V₆Mo₁₅O₆₀ als Katalysator und Cu(NO₃)₂·3Cu(OH)₂ als Oxidator im Ver­ hältnis 24,64 : 15,07 : 60,29 Masse-% hergestellt. Diese Formulierung wird bezüglich ihres Anzünd- und Verbren­ nungsverhaltens experimentell in der ballistischen Bombe untersucht. Dabei wird ein Druckverlaufsdiagramm gemäß Anlage erhalten. Das Diagramm zeigt, daß die Mischung gute Anzünd- und Verbrennungseigenschaften besitzt. Bei einer Ladedichte von 0,1 g/cm³ liegt der maximale Druck im Bereich von 310 bar (31 MPa), der nach etwa 28 ms erreicht wird (t(pmax) = 28 ms). Die Druckanstiegszeit zwischen 30 bis 80% des Maximaldrucks beträgt t_30-80 = 5,52 ms.

Die Verbrennungstemperatur läßt sich sehr exakt durch thermodynamische Berechnung ermitteln. Sie liegt bei 2122 K. Bei gleichem Brennstoff GZT und ausgeglichener Sauer­ stoffbilanz liefern andere Oxidatoren höhere Verbrennungs­ temperaturen. Beispielsweise liegen sie bei KNO₃ bei - 2501 K, bei NH₄NO₃ bei 2850 K und bei KClO₃ bei 3248 K.

Claims (12)

1. Gaserzeugende Mischung aus einem Brennstoff, einem Oxidator, einem Katalysator und einem Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator Cu(NO₃)₂·3Cu(OH)₂ und der Katalysator ein Me­ talloxid ist.

2. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine Metalloxidmischung ist.

3. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein Metallmischoxid ist.

4. Mischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Katalysator ein Gemisch aus Übergangsme­ talloxiden ist.

5. Mischung nach Anspruch I oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Katalysator ein Übergangsmetallmischoxid ist.

6. Mischung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus V₂O₅/MoO₃-Mischoxiden besteht.

7. Mischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator Anteile der thermodynamisch instabi­ len V₂O₄-Phase enthält.

8. Mischung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator zusätzlich TiO₂ enthält.

9. Mischung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine mittlere Korngröße < 2,5 µm aufweist.

10. Mischung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff TAGN (Triaminogua­ nidinnitrat), NIGU (Nitroguanidin), NTO (3-Nitro-1,- 2,3-triazol-5-on) oder GZT (Diguanidinium-5,5′- azotetrazolat) dient.

11. Mischung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bestehend aus einem Gemisch von GZT, Cu(NO₃)₂·3Cu(OH)₂ mit ausgeglichener Sauerstoffbilanz und einem Kata­ lysator-Gehalt an der Reaktionsmischung bis zu 30 Masse-%.

12. Mischung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel ganz oder teilwei­ se aus Fe₂O₃ besteht.