DE69531935T2

DE69531935T2 - Gaserzeugender treibstoff

Info

Publication number: DE69531935T2
Application number: DE69531935T
Authority: DE
Inventors: H. Guy HENRY; S. Matthew SOLVERSON
Original assignee: Automotive Systems Laboratory Inc
Current assignee: Automotive Systems Laboratory Inc
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JPH09510429A; WO1995025709A3; EP0750599A4; EP0750599B1; US5538567A; WO1995025709A2; AU2091395A; DE69531935D1; JP3592329B2; EP0750599A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein gaserzeugendes Treibmittel, das zur Verwendung für Airbags geeignet ist. Genauer erzeugt ein Gemisch aus Guanidinnitrat und einem speziellen Oxidationsmittel, Kaliumperchlorat oder Ammoniumperchlorat, wenn es gezündet wird, Stickstoff, Kohlendioxid und Dampf.
Gaserzeugende Verbindungen entwickeln ein reichliches Volumen an Gas, wenn sie gezündet werden. Eine Kategorie gasentwickelnder Verbindungen verwendet eine Verbindung auf Guanidin (HN=C(NH₂)₂)-Basis, gemischt mit einem Sensibilisierungsmittel und/oder Oxidationsmittel. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 2 165 236 von Holm eine gaserzeugende Verbindung, die Nitroguanidin in einem Bindemittel enthält. Ein Teil des Nitroguanidins kann durch Guanidinnitrat (H₂NC(NH)NH₂·HNO₃) ersetzt werden. Zu typischen Bindemitteln gehören Nitrocellulose und Celluloseacetat.
Das US-Patent Nr. 3 719 604 von Prior et al. offenbart ein Gemisch aus einer Sauerstoff freisetzenden Verbindung wie Kaliumchlorat und einer gasentwickelnden Verbindung wie Ammoniumnitrat oder Guanidinnitrat.
Das US-Patent Nr. 3 739 574 von Godfrey offenbart einen Gaserzeuger, der ein Gemisch aus Guanidinnitrat und Ammoniumnitrat enthält, das in Anwesenheit eines Chrom(III)-oxid-Katalysators zersetzt wird.
Die obigen Gemische entwickeln eine reichliche Menge an Sauerstoff- und Stickstoff-Gas. Das Gasvolumen und die Gastemperatur sind jedoch ungeeignet zur Verwendung in verbesserten Airbags, wie sie in Kraftfahrzeug-Passagier-Rückhaltesystemen verwendet werden. In einem ersten Teilraum eines solchen Airbags wird durch Zünden eines Gemisches aus einem Azid und einem Oxidationsmittel Stickstoffgas erhöhter Temperatur erzeugt. Ein offenbartes Gemisch ist Natriumazid und Kaliumperchlorat. Der erzeugte Stickstoff tritt durch eine perforierte Platte hindurch in einen zweiten Teilraum ein, der ein druckbeaufschlagtes Gas enthält, das sich ausdehnt, wenn es dem in dem ersten Teilraum erzeugten heißen Stickstoffgas ausgesetzt wird. In einem dritten Teilraum blasen die Gase einen Airbag auf, um einen Kraftfahrzeugpassagier zurückzuhalten.
Natriumazid ist schwer sicher zu handhaben und ist toxisch. Der Zusammenbau der Airbags muss in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt werden, und die Entsorgung nicht aufgeblasener Airbagzylinder ist schwierig.
Guanidinnitrat ist leichter zu handhaben und nicht so toxisch wie Natriumazid. Die Entwicklung eines Airbag-Bestandteils auf Guanidinnitrat-Basis würde die Sicherheit von Herstellung und Transport verbessern und die Umweltprobleme bei der Entsorgung verringern.
EP-A-0 607 446 offenbart zur Verwendung für Airbags geeignete gaserzeugende Zusammensetzungen, die Nitroguanidin und ein Perhalogenat, beispielsweise Kaliumperchlorat, aufweisen.
DE-C-884 170 offenbart, dass Nitroguanidin durch Guanidinnitrat ersetzt werden kann oder umgekehrt. Die entsprechende Zusammensetzung ist jedoch geeignet für pneumatisch betriebene mechanische Vorrichtungen und für Sprengkörper.
DE-U-9 416 112 offenbart zur Verwendung für Airbags geeignete gaserzeugende Zusammensetzungen, die Guanidinnitrat und als Oxidationsmittel ein Nitrat aufweisen.
Ein gaserzeugendes Treibmittel, das zur Verwendung für Airbags geeignet ist und Guanidinnitrat in Kombination mit Kaliumperchlorat oder Ammoniumperchlorat enthält, ist im Stand der Technik nicht offenbart.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein zur Verwendung für Airbags geeignetes gaserzeugendes Treibmittel bereitzustellen, das eine große Menge nicht-toxischer Gase bei erhöhter Temperatur entwickelt. Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, das Treibmittel-Gemisch in einen verbesserten Airbag zu inkorporieren. Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass das Treibmittel ein Gemisch aus Guanidinnitrat und einem Oxidationsmittel ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Oxidationsmittel entweder Kaliumperchlorat oder Ammoniumperchlorat. Noch ein anderes Merkmal der Erfindung ist, dass ein Fließfähigkeitsförderer wie Grafit oder Ruß zu dem Treibmittel-Gemisch zugegeben werden kann. Noch ein weiteres Merkmal ist, dass ein Bindemittel wie Calciumresinat zu dem Treibmittel-Gemisch zugegeben werden kann.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass das Treibmittel-Gemisch, wenn es gezündet wird, ein Ausstoßgas mit einer Temperatur über etwa 800°C erzeugt, was die Ausdehnung von Stickstoff in dem zweiten Teilraum des verbesserten Gaserzeugers vermehrt. Noch ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass sich das entwickelte Gas mit einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 530 m/s bewegt, was die Geschwindigkeit der Airbagentfaltung erhöht. Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die zu dem Treibmittel-Gemisch zugegebenen Bestandteile weniger toxisch als Natriumazid, leichter zu handhaben und sicherer zu entsorgen sind.
Dementsprechend wird ein gaserzeugendes Treibmittel, das zur Verwendung für Airbags geeignet ist, bereitgestellt. Das Treibmittel besteht im wesentlichen aus von 55 Gew.-% bis 75 Gew.-% Guanidinnitrat, von 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% eines Oxidationsmittels, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Kaliumperchlorat und Ammoniumperchlorat, von 0,5 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% eines Fließfähigkeits-Verbesserungsmittels und bis zu 5 Gew.-% eines Bindemittels.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Bestandteil für einen verbesserten Airbag bereitgestellt. Dieser Bestandteil enthält ein primäres gaserzeugendes Treibmittel-Gemisch wie oben angegeben, das dahingehend wirksam ist, einer sekundären Gasquelle ein Gemisch aus Stickstoff, Kohlendioxid und Dampf zuzuführen. Das Gemisch wird bei einer Temperatur von über etwa 800°C zugeführt.
Die oben angegebenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung und der Zeichnung, die folgen, deutlicher.
Die Figur veranschaulicht in Schnittdarstellung einen verbesserten Airbag, der das gaserzeugende Treibmittel der Erfindung verwendet.
Die Figur veranschaulicht in Schnittdarstellung einen verbesserten Airbag 10. Der verbesserte Airbag 10 hat ein starres metallisches Gehäuse 12, wie einen Kohlenstoffstahl, das zu einem an einem Ende geschlossenen Zylinder geformt ist. Der Zylinder ist in eine Mehrzahl von Teilräumen eingeteilt. Ein erster Teilraum 14 enthält das Treibmittel-Gemisch der Erfindung und wird unten genauer beschrieben. Ein zweiter Teilraum 16 enthält ein komprimiertes Gas wie Stickstoff unter einem Druck von 17,2 MPa (2500 psi). Die Gase treten in einen dritten Teilraum 20 ein, wobei sie einen Airbag 22 aufblasen.
Das Treibmittel-Gemisch 24 der Erfindung ist in dem ersten Teilraum 14 enthalten. Der erste Teilraum 14 wird definiert durch das geschlossene Ende des zylindrischen Gehäuses 12 und eine Platte 26 mit Perforationsöffnungen 28. Das Treibmittel-Gemisch 24 besteht im wesentlichen aus von 55 Gew.-% bis 75 Gew.-% Guanidinnitrat; von 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% eines Oxidationsmittels, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Kaliumperchlorat und Ammoniumperchlorat; von 0,5 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% eines Fließfähigkeits-Verbesserungsmittels und bis zu 5 Gew.-% eines Bindemittels. Unter den geeigneten Fließfähigkeits-Verbesserungsmitteln sind Grafit und Ruß. Ein geeignetes Bindemittel ist Calciumresinat.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Treibmittel-Gemisch im wesentlichen aus von 57 Gew.-% bis 71 Gew.-% Guanidinnitrat; von 28 Gew.-% bis 42 Gew.-% Kaliumperchlorat; und von 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Grafit. Von 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% Calciumresinat als ein Bindemittel kann ebenfalls anwesend sein.
In einer am meisten bevorzugten Zusammensetzung besteht das Treibmittel-Gemisch im wesentlichen aus von 61 Gew-% bis 67 Gew.-% Guanidinnitrat, von 32 Gew.-% bis 38 Gew.-% Kaliumperchlorat; und von 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Grafit. Wie oben kann von 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% Calciumresinat anwesend sein.
Wenn Guanidinnitrat über dem Zusammensetzungs-Höchstwert der Erfindung liegt, tritt eine unvollständige Oxidation auf, und in dem austretenden Gas kann übermäßig Kohlenmonoxid vorhanden sein. Wenn der Guanidinnitrat-Gehalt unter der Grenze der Erfindung liegt, gibt es eine unzureichende Energieproduktion, um die zur Steigerung des Ausstoßes von Stickstoff aus dem zweiten Teilraum 16 erforderlichen Temperaturen zu erzeugen. Zusätzlich wird das Gas langsamer erzeugt, was die Entfaltungsgeschwindigkeit des Airbags 22 verringert.
Wenn der Kaliumperchlorat-Gehalt über der Grenze der Erfindung liegt, ist die entwickelte Gasmenge unzureichend, um den Airbag 22 vollständig zu entfalten. Wenn der Kaliumperchlorat-Gehalt unter der Grenze der Erfindung liegt, tritt eine unvollständige Oxidation auf, was zu der Möglichkeit führt, dass übermäßig Kohlenmonoxid in dem austretenden Gas ist.
Das Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel ist bevorzugt auf der Basis von Kohlenstoff und so ausgewählt, dass es Grafit oder Ruß ist. Wenn der Gehalt an Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel über der Grenze der Erfindung liegt, gibt es eine schlechte Oxidation von Kohlenstoff, was zu verringerter Energieproduktion und zu der Möglichkeit führt, dass in dem austretenden Gas übermäßig Kohlenmonoxid ist. Wenn der Gehalt an Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel unterhalb der Grenze der Erfindung liegt, ergibt sich eine schlechte Verarbeitbarkeit. Das Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel verbessert das Fließen von Guanidinnitrat und dem Oxidationsmittel in eine Form und, nach dem Pressen, aus der Form heraus. Wenn unzureichend Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel vorhanden ist, ist es schwierig, die Form genau zu füllen und das gepresste Treibmittel-Gemisch zu entfernen.
Zusätzlich zur Zusammensetzung ist auch die Teilchengröße wichtig. Die durchschnittliche Teilchengröße des Guanidinnitrats ist zwischen 75 μm und 350 μm, und bevorzugt von etwa 100 μm bis etwa 200 μm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Oxidationsmittels ist von etwa 50 μm bis etwa 200 μm, und bevorzugt von etwa 75 μm bis etwa 125 μm. Die durchschnittliche Teilchengröße des Fließfähigkeits-Verbesserungsmittels ist von etwa 7 μm bis etwa 70 μm, und bevorzugt von etwa 15 μm bis etwa 35 μm.
Wenn die Teilchengröße des Guanidinnitrats oder des Oxidationsmittels über der Höchstgrenre der Erfindung liegt, ist die Verbrennungsgeschwindigkeit des Treibmittels zu langsam, und die Entfaltung des Airbags 22 wird verzögert. Wenn die Teilchengröße unterhalb der Untergrenze der Erfindung liegt, ist die Verbrennungsgeschwindigkeit zu schnell, und anstatt kontrollierter Gasentwicklung kann ein explosives Bersten des Gehäuses 12 auftreten. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Fließfähigkeits-Verbesserungsmittels über dem Maximum der Erfindung liegt, ist eine schlechte Gleitfähigkeit das Ergebnis, und die Vorteile des Fließfähigkeits-Verbesserungsmittels gehen verloren. Eine übermäßig kleine Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel-Teilchengröße beeinträchtigt nicht das Brennverhalten oder die Verarbeitbarkeit des Treibmittels, ist aber schwierig zu handhaben.
Das Treibmittel-Gemisch 24 wird gezündet durch einen elektrischen Zünder 30, der durch einen elektrischen Sensor (nicht gezeigt) ausgelöst wird, wenn ein Zusammenstoß festgestellt wird. Der Zünder 30 kann irgendein pyrotechnisch gezündeter Standard-Initialsprengstoff sein wie der Holex 1196A-Zünder (hergestellt von Wittaker Ordnance of Holister, Kalifornien, Vereinigte Staaten von Amerika). Wenn das Treibmittel-Gemisch 24 gezündet wird, erzeugt es exotherm ein Gemisch aus Stickstoff, Kohlendioxid und Dampf. Das gasförmige Gemisch wird durch die Öffnungen 28 dem zweiten Teilraum 16 zugeführt. Zur Maximierung der Sauerstoffentwicklung in dem zweiten Teilraum 16 wird das gasförmige Gemisch bei einer Temperatur von über etwa 800°C, und bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1050°C, zugeführt.
Eine schnelle Zuführung des gasförmigen Gemisches ist wünschenswert für eine schnelle Entfaltung des Airbags 22. Bevorzugt wird das gasförmige Gemisch dem zweiten Teilraum 16 mit einer Geschwindigkeit von etwa 530 m/s bis etwa 650 m/s, und am meisten bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von etwa 560 m/s bis etwa 625 m/s, zugeführt.
Die Vorteile des Treibmittel-Gemisches der Erfindung werden aus dem Beispiel, das folgt, deutlicher werden. Das Beispiel ist veranschaulichend und nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung zu beschränken.
BEISPIEL
Für ein Treibmittel-Gemisch, bestehend aus 64 Gew.-% Guanidinnitrat, 35 Gew.-% Kaliumperchlorat und 1 Gew.-% Grafit wurde ein Computermodell erstellt, um die Ausstoßtemperatur und Ausstoßgeschwindigkeit des entwickelten Gases zu bestimmen. Die Temperatur war 971°C, und die Ausstoßgeschwindigkeit des gasförmigen Gemisches war 593 m/s. Die primären Gase des entwickelten Gemisches waren:
1,44 Mol H₂O
1,05 Mol N₂
0,53 Mol CO₂
0,13 Mol H₂
0,07 Mol CO
Zusätzlich wurden 0,19 Mol Kaliumchlorid als ein Feststoff erzeugt. Die näherungsweise 2% Kohlenmonoxid des entwickelten Gasgemisches werden in dem zweiten Teilraum 16 im wesentlichen zu Kohlendioxid oxidiert, so dass das Gas, das den Airbag 22 entfaltet, im wesentlichen sicher ist.
Die Erfindung wurde zwar als ein Gas entwickelndes Treibmittel-Gemisch für verbesserte Kraftfahrzeug-Airbags beschrieben, aber sie ist gleichermaßen für andere Arten von Airbags sowie für andere Anwendungen, die die schnelle Erzeugung einer großen Menge Gas erfordern, anwendbar und für Anwendungen wie Feuerlöscher und pneumatische Gerätschaften brauchbar.

Claims

Gaserzeugendes Treibmittel (24), das zur Verwendung für Airbags geeignet ist, wobei das Treibmittel im wesentlichen besteht aus: – von 55 Gew.-% bis 75 Gew.-% Guanidinnitrat; – von 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% eines Oxidationsmittels, das ausgewählt ist aus der aus Kaliumperchlorat und Ammoniumperchlorat bestehenden Gruppe; – von 0,5 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% eines Fließfähigkeits-Verbesserungsmittels; und – bis zu 5 Gew.-% eines Bindemittels.
Gaserzeugendes Treibmittel (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließfähigkeits-Verbesserungsmittel ausgewählt ist aus der aus Grafit und Ruß bestehenden Gruppe.
Gaserzeugendes Treibmittel (24) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% Calciumresinat als ein Bindemittel vorhanden sind.
Gaserzeugendes Treibmittel (24) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, das im wesentlichen besteht aus von 57 Gew.-% bis 71 Gew.-% Guanidinnitrat, von 28 Gew.-% bis 42 Gew.-% Kaliumperchlorat und von 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Grafit.
Gaserzeugendes Treibmittel (24) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße des Guanidinnitrats von 75 μm bis 350 μm beträgt, die mittlere Teilchengröße des Kaliumperchlorats von 50 μm bis 200 μm beträgt und die mittlere Teilchengröße des Grafits von 7 μm bis 70 μm beträgt.
Bestandteil eines Airbags (10), gekennzeichnet durch ein primäres gaserzeugendes Treibmittel-Gemisch (24) mit einer Zusammensetzung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht ist, wobei die Zusammensetzung dahingehend wirksam ist, einer sekundären Gasquelle ein Gemisch aus Stickstoff, Kohlendioxid und Dampf zuzuführen, wobei das Gemisch bei einer Temperatur über etwa 800°C zugeführt wird.
Bestandteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch bei einer Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1050°C zugeführt wird.
Bestandteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch mit einer Geschwindigkeit von etwa 530 m/s bis etwa 650 m/s zugeführt wird.