DE69817874T2

DE69817874T2 - Sauerstoff erzeugende zusammensetzungen mit niedriger temperaturempfindlichkeit

Info

Publication number: DE69817874T2
Application number: DE69817874T
Authority: DE
Inventors: Yunchang Zhang; C. James CANNON
Original assignee: BE Intellectual Property Inc
Current assignee: BE Intellectual Property Inc
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: EP1049648B1; US6054067A; US20010030311A1; EP1049648A1; WO1999038798A1; US6352652B2; DE69817874D1; CA2318810C; AU1932999A; CA2318810A1; US6231816B1; AU739293B2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen, und sie betrifft insbesondere verbesserte Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen mit geringer Temperaturempfindlichkeit, umfassend Alkalimetallsilikat, -stannat, -titanat oder -zirkonat als einen Reaktionsraten- und Rheologiemodifikator und Chlorsuppressor.
Beschreibung der verwandten Technik
Chemische Sauerstofferzeugungsvorrichtungen werden typischerweise in Situationen verwendet, welche die Erzeugung von ergänzendem Sauerstoff erfordern, wie beispielsweise etwa in der Luftfahrt und in Unterseebooten, und in anderen, ähnlichen Situationen, bei denen es nützlich ist, eine praktische und zuverlässige Versorgung mit Sauerstoffgas in atembarer Qualität bereitzustellen. Sauerstoff-erzeugende chemische Zusammensetzungen, die auf der Zersetzung von Alkalimetallchloraten oder -perchloraten beruhen, wurden lange Zeit als eine Notfallsquelle für atembaren Sauerstoff verwendet, beispielsweise in Passagierflugzeugen. Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen, die Alkalimetallchlorate oder -perchlorate verwenden, sind in den US Patenten Nr. 5,198,147; 5,279,761 und 5,298,187 offenbart.
Eine Flugzeug-Sauerstofferzeugungsvorrichtung ist üblicherweise entsprechend dem Abstiegsprofil eines gegebenen Flugzeugtyps vorprogrammiert, und muss die Minimalerfordernisse des Sauerstoffflusses zu jedem Zeitpunkt während eines Abstiegs erfüllen. Wenn die Sauerstoff-erzeugende Reaktion an einem Ende des Kerns initiiert wird, pflanzt sich die Reaktionsfront entlang der Längsachse in Richtung des anderen Endes des Kerns fort, während Sauerstoff erzeugt wird.
Idealerweise bewegt sich die Reaktionszone mit einer gleichmäßigen, wiederholbaren Geschwindigkeit, welche bestimmt wird durch die Mengen an Brennstoff und Katalysator, die an einem gegebenen Punkt entlang der Länge des Kerns vorhanden sind. Sauerstoffgas, das im Inneren eines chemischen, Sauerstoff-erzeugenden Kerns oder einer Kerze erzeugt wird, muss jedoch einen ausreichenden Druck entwickeln, um aus dem Kern zu entweichen. Dieser Effekt kann einen ungleichmäßigen und unberechenbaren Sauerstofffluss aus einem aktivierten Sauerstoff-erzeugenden Kern verursachen.
Um trotz derartiger Variationen des Sauerstoffflusses aus dem Kern die Minimalfließerfordernisse zu erfüllen, wird üblicherweise ein Gewicht der Sauerstoff-erzeugenden chemischen Zusammensetzung im Überschuss verwendet. Typischerweise müssen auch schwerere Kerne verwendet werden, um eine ausreichende Betriebsdauer der Kerne zu gewährleisten, da sich während des Betriebs derartiger Sauerstoff-erzeugender Kerzen relativ große Hohlräume entwickeln können, was zu unregelmäßigem Sauerstofffluss führen kann, wenn Sauerstoff-erzeugende Kerzen mit derartigen Zusammensetzungen bei hohen Temperaturen betrieben werden. Ein Schmelzen des Sauerstoff-erzeugenden Kerns unter derartigen Bedingungen kann den Kern auch gegenüber starken Vibrationen anfällig machen. Um unnötiges Gewicht zu minimieren, insbesondere in Flugzeugen, wäre es wünschenswert, Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen bereitzustellen, die den Sauerstofffluss aus einem aktivierten Sauerstoff-erzeugenden Kern erleichtern können. Es wäre ebenfalls wünschenswert, Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen bereitzustellen, die im Wesentlichen frei sind von Kohlenstoff und organischen Kontaminationen, welche zu inakzeptablen Gehalten an Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidkontaminationen in dem erzeugten Sauerstoff führen können, die eine niedrigere Empfindlichkeit gegenüber Umgebungstemperaturen aufweisen, und die von der Struktur her robuster sind, um den hohen Vibrationsniveaus während des Betriebs standzuhalten.
Wenn Rückstände von verbrauchten chemischen Kernen visuell untersucht werden, können mehrere Zustände beobachtet werden, die das Verhalten anzeigen, welches während der Sauerstoff-erzeugenden Reaktion stattgefunden hat. Wenn sich der Sauerstoff in einer gleichmäßigen und gleichförmigen Rate entwickelt hat, sind die im Rückstand verbleibenden Poren typischerweise klein und gleichmäßig. Die Gegenwart von großen Hohlräumen zeigt typischerweise die Bildung von sehr großen Blasen an, was mit sehr starken Eruptionen der Sauerstofffreisetzung assoziiert ist. Derartige große Blasen tendieren dazu, den Wärmetransfer zu anderen Bereichen des Kerns zu stören, und können zu einer starken Eruption der Sauerstofffreisetzung, gefolgt von einem kurzzeitigen scharfen Abnehmen oder Abfallen der Sauerstoffentwicklung, führen.
Eine starke physische Verwindung der Form des Rückstands, im Vergleich zu der Form des nicht-abreagierten Kerns, kann ein Hinweis auf eine sehr schnell laufende Reaktionszone sein, was zu einem möglichen mechanischen Versagen des Kerns führen kann, wenn der Kern während des Betriebs der Sauerstofferzeugungsvorrichtung starken Vibrationen ausgesetzt wird. Andererseits legen relativ gleichmäßige laminare Porenmuster im Rückstand eine gut geordnete Reaktionszone nahe. Die Gegenwart von unregelmäßigen Wirbeln im Rückstand kann anzeigen, dass die Reaktionszone schwerwiegend gestört war und mechanisch kollabiert haben mag, was ebenfalls mit einem unregelmäßigen Sauerstofffluss korreliert sein kann.
Die verschiedenen Reaktionsverhalten, die in den Rückständen von Sauerstoff-erzeugenden Kernen beobachtet werden können, stehen mit den Schmelzeigenschaften des chemischen Kerns in Zusammenhang. Während des Betriebs beträgt die Reaktionstemperatur innerhalb des chemischen Kerns annähernd 500°C oder darüber. Da Natriumchlorat bei etwa 265°C schmilzt, während des Betriebs der Sauerstofferzeugungsvorrichtung, kann Natriumchlorat auf unkontrollierte Weise schmelzen und Lachen bilden, welche ein Kollabieren des Kerns verursachen können. Unkontrolliertes Schmelzen, Lachenbildung und Kollabieren des Kerns können zu einer desorganisierten, unregelmäßigen Reaktionsfront und zu einer unregelmäßigen Sauerstofferzeugungsrate führen, was zu einer Variation im Leistungsverhalten von einem Kern zum anderen führt, und können die Sauerstofferzeugungsrate und die Geschwindigkeit, mit der sich die Reaktionszone bewegt, stärker temperaturabhängig machen, insbesondere dahingehend, dass die Sauerstofferzeugungsrate bei niedrigeren Temperaturen aufgrund von Eruptionen und Abfällen erheblich niedriger wird. Festphase- Zersetzung des Sauerstoff-erzeugenden Reaktionsgemisches kann auch dazu führen, dass der nicht-zersetzte Anteil des Kerns Risse ausbildet, was eine unberechenbare Sauerstofferzeugungsrate zur Folge hat. Dieses Phänomen ist insbesondere bei niedrigeren Umgebungstemperaturen wahrscheinlich. Da bei allen Betriebstemperaturen ein minimaler Sauerstofffluss und eine minimale Betriebsdauer erforderlich sind, wird üblicherweise ein schwererer herkömmlicher Sauerstoff-erzeugender Kern benötigt, um sicherzustellen, dass die Kurve des Sauerstoffflusses unter kalten Bedingungen nicht unter die Betriebsspezifikationen des Anwenders fällt, und dass die Betriebsdauer länger ist als die Spezifikation für warme Bedingungen.
Wenn chemische Kerne in unkontrollierbarer Weise schmelzen, kann zusätzlich das geschmolzene Material mit dem Gehäuse der Sauerstofferzeugungsvorrichtung in Kontakt kommen, was zu heißen Bereichen auf der Wand der Erzeugungsvorrichtung führt, und zu Temperaturen führen kann, die anwendbare Ausführungsspezifikationen übersteigen. Die Dauer der Sauerstofferzeugung kann bei höheren Temperaturen auch erheblich kürzer sein, aufgrund einer schlecht organisierten Reaktionszone, die ein größeres Reaktionsvolumen haben kann als erwartet. Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen müssen üblicherweise auch innerhalb eines breiten Bereichs an Umgebungstemperaturen, beispielsweise von nur –30°C bis hin zu 60°C, funktionieren. Da die Zersetzungsrate von Natriumchlorat temperaturabhängig ist, wird üblicherweise ein Gewicht der Sauerstoff-erzeugenden chemischen Zusammensetzung im Überschuss verwendet, um sicherzustellen, dass sowohl die Spezifikationen der erforderlichen minimalen Fließraten bei kälteren Temperaturen als auch der minimalen Betriebsdauer bei höheren Temperaturen erfüllt werden. Es wäre wünschenswert, Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen bereitzustellen, welche keine Erhöhung des Kerngewichts erfordern, und eine gleichmäßigere Sauerstofferzeugungsrate über einen Betriebsbereich an Temperaturen bereitstellen können.
Es besteht ein Bedarf, Sauerstoff-erzeugende Kerne bereitzustellen, die nicht in einer unkontrollierbaren Weise unter Bildung von Lachen schmelzen, und die ihre strukturelle Integrität und Form während des Betriebs der Sauerstofferzeugungsvorrichtung beibehalten, wodurch eine Verringerung oder Beseitigung von vorgeformten Isolationsschichten, welche zur Erhöhung der mechanischen Integrität der Kerns während des Betriebs verwendet werden, ermöglicht wird. Es besteht weiterhin ein Bedarf, die Wahrscheinlichkeit von lokal auftretenden Hochtemperaturbereichen auf der Wand der Erzeugungsvorrichtung zu verringern, um die maximale Wandtemperatur während des Betriebs zu erniedrigen. Es wäre weiter wünschenswert, Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen bereitzustellen, die glattere Kurven des Sauerstoffflusses erzeugen und eine geringere Temperaturempfindlichkeit haben. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In kurzen und allgemeinen Worten stellt die vorliegende Erfindung verbesserte Chlorat/Perchlorat-Sauerstofferzeugungszusammensetzungen, umfassend ein Alkalimetallsilikat, -stannat, -titanat oder -zirkonat als einen Reaktionsraten- und Rheologiemodifikator und Chlorsuppressor, bereit. Die Zusammensetzungen erzeugen eine gleichförmigere, gleichmäßigere Sauerstofferzeugungsrate und haben eine geringere Temperaturempfindlichkeit. Chemische Kerne aus diesen Zusammensetzungen verändern während des Betriebs nicht ihre Form und sind gegenüber Vibrationen beständiger.
Die Erfindung stellt somit eine Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung zur Herstellung eines atembaren Sauerstoffgases nach Zündung der Zusammensetzung bereit, umfassend etwa 0,5–15 Gew.-% eines im Wesentlichen Kohlenstoff-freien Kupfermetallbrennstoffs, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% eines Übergangsmetalloxid-Katalysators, etwa 0,1–20 Gew.-% eines Additivs, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Alkalimetallsilikat, einem Alkalimetallstannat, einem Alkalimetalltitanat, einem Alkalimetallzirkonat, und Gemischen davon, wobei der Rest im Wesentlichen eine Sauerstoffquelle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkalimetallchloraten, Alkalimetallperchloraten, und Gemischen davon, umfasst. Gegebenenfalls kann auch ein Presshilfsmittel wie etwa Glaspulver oder Glasfasern verwendet werden, um die Bildung von Sauerstoff-erzeugenden Kernen durch Verdichten oder Formen unter Druck zu erleichtern.
Der Übergangsmetalloxid-Katalysator ist bevorzugt aus der Gruppe, bestehend aus Kobaltoxid, Kupferoxid, Nickeloxid, Eisenoxid, Manganoxid, und Gemischen davon ausgewählt. Kobaltoxid, Nickeloxid und Kupferoxid sind derzeit bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung ein Alkalimetallchlorat oder -perchlorat oder ein Gemisch davon als eine Sauerstoffquelle, 0,1 bis 15 Gew.-% eines Übergangsmetalloxids als einen Katalysator, und von 0,1 bis 20 Gew.-% eines Additivs, ausgewählt aus Alkalimetallsilikat, Alkalimetallstannat, Alkalimetalltitanat, Alkalimetallzirkonat, und Gemischen davon, als einen Reaktionsratenmodifikator, Kernrheologiermodifikator und Chlorsuppressor.
Die Sauerstoffquelle ist bevorzugt ausgewählt aus Natriumchlorat, Kaliumperchlorat, Lithiumperchlorat und Gemischen davon. Natriumchlorat ist derzeit bevorzugt. Eine derzeit bevorzugte Ausführungsform verwendet ein Natriumsilikat wie etwa Natriummetasilikat oder Natriumorthosilikat, das bevorzugt etwa 1–10 Gew.-% der Zusammensetzung ausmacht.
Diese und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, welche die Merkmale der Erfindung beispielhaft veranschaulicht, offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Sauerstoff-erzeugenden Kerze, welche aus der Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzung gemäß den Prinzipien der Erfindung gebildet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Sauerstoff-erzeugende chemische Kerne zur Verwendung in Flugzeugsystemen sind erheblichen Belastungen und schwierigen Betriebsumgebungen ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen kann ein Sauerstoff-erzeugender chemischer Kern während des Betriebs teilweise schmelzen. Das Schmelzen kann die Bildung von Lachen verursachen und ein Kollabieren des Kerns verursachen, was zu einer ungleichmäßigen und unberechenbaren Sauerstofferzeugungsrate führen kann, die höchst unerwünscht ist. Chemische Sauerstofferzeugungsvorrichtungen sind auch konstanter Vibration ausgesetzt. Wenn der chemische Kern schmilzt und kollabiert, kann die Vibration das Leistungsverhalten der Erzeugungsvorrichtung unberechenbarer machen und manchmal zu einem Versagen führen. Zusätzlich kann geschmolzenes Salz mit dem Gehäuse der Erzeugungsvorrichtung in Kontakt kommen und in lokal auftretenden heißen Bereichen resultieren, und dazu führen, dass die Wandtemperatur der Erzeugungsvorrichtungen die maximal zulässige Temperatur überschreitet. Es ist daher notwendig, zu verhindern, dass die Sauerstoff-erzeugenden chemischen Kerne schmelzen und kollabieren.
Die vorliegende Erfindung ist verwirklicht mittels verbesserter Sauerstoff-erzeugender Zusammensetzungen, welche einen strukturellen Rheologiemodifikator enthalten, der die Sauerstoff-erzeugenden Blöcke gegenüber Vibration beständig machen kann, und verhindern kann, dass die chemischen Kerne schmelzen und kollabieren. Die Zusammensetzungen erzeugen eine gleichförmigere und gleichmäßigere Sauerstofferzeugungsrate und haben eine geringere Temperaturempfindlichkeit als frühere Formulierungen. Die erfindungsgemäßen Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzungen enthalten ein Additiv, welches als ein Reaktionsraten- und Kernrheologiemodifikator und Chlorsuppressor wirkt. Die Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzungen enthalten bevorzugt etwa 0,1–20 Gew.-% des Additivs, welches aus den Alkalimetallsilikaten, Alkalimetallstannaten, Alkalimetalltitanaten und den Alkalimetallzirkonaten ausgewählt sein kann. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist das Additiv etwa 1–10 Gew.-% Natriummetasilikat oder Natriumorthosilikat oder Gemische davon.
Die Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzungen enthalten etwa 0,5–15 Gew.-% eines im Wesentlichen Kohlenstoff-freien Kupferpulvers als einen Brennstoff.
Die Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung enthält bevorzugt auch von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% eines Übergangsmetalloxid-Katalysators. Der verwendete Übergangsmetalloxid-Katalysator kann aus der Gruppe, bestehend aus Kobaltoxid (Co₃O₄), Kupferoxid, Nickeloxid, Eisenoxid, Manganoxid, und Gemischen davon ausgewählt werden. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist der Übergangsmetalloxid-Katalysator aus Kobaltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid und Gemischen davon ausgewählt, Kobaltoxid ist jedoch derzeit bevorzugt.
Natriumsilikat ist ein bevorzugtes Additiv, da es als ein Reaktionsratenmodifikator und als ein Bindemittel wirkt, so dass es verwendet werden kann um Calciumhydroxid und Glaspulver in Sauerstoff-erzeugenden chemischen Zusammensetzungen zu ersetzen, wodurch eine Verringerung der Anzahl der in die Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzungen zu mischenden Bestandteile ermöglicht wird, und die Einwiege- und Mischvorgänge vereinfacht werden. Zusätzlich wirkt Natriumsilikat als ein sehr guter Rheologiemodifikator. Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen, die Natriumsilikat als ein Additiv enthalten, haben eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Umgebungstemperaturen, erzeugen den Sauerstoff gleichmäßiger, und sind strukturell robuster, den hohen Vibrationsniveaus während des Betriebs standzuhalten.
Die häufigsten Natriumsilikate sind Natriummetasilikat, Na₂SiO₃, und Natriumorthosilikat, Na₄SiO₄. Wasserfreies Natriummetasilikat in Granulatform, erhältlich von Alfa Chemical, Aldrich Chemical und Van Waters & Rogers, ist geeignet. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform wird wasserfreies Natriummetasilikat in Granulatform gemahlen, so dass es durch ein Sieb mit 60 Öffnungen pro 25,4 mm (d. h. ein Sieb mit Maschenweite 60) durchtritt, um das Mischen zu erleichtern, und obwohl ein feiner gemahlenes Pulver wirksamer sein wird und ein gröber gemahlenes Pulver weniger wirksam sein wird, wird davon ausgegangen, dass feineres oder gröberes wasserfreies Natriummetasilikat in Granulatform funktionieren wird und ebenfalls geeignet sein kann. Wasserhaltiges Natriumsilikat ist teurer, kann aber ebenfalls geeignet sein. Die Na₂O/SiO₂-Verhältnisse für Natriummetasilikat und Natriumorthosilikat betragen 1 : 1 bzw. 2 : 1, und Natriumsilikate mit einem Na₂O/SiO₂-Verhältnis zwischen 1 : 1 und 2 : 1 sollten ebenfalls geeignet sein. Andere Alkalimetallsilikate, wie etwa Lithiummetasilikat und Kaliummetasilikat funktionieren ähnlich wie die Natriumsilikate, obwohl sie weniger erwünscht sind, da sie teurer sind. Alle Alkalimetallsilikate mit einem M₂O/SiO₂-Verhältnis (worin M ein Alkalimetallatom ist) von 1 : 1 bis 2 : 1 sollten ähnlich funktionieren und ebenfalls geeignet sein. Zusätzlich sollten auch Titanat, Zirconat und Stannat von Lithium, Natrium und Kalium in einer zu Natriumsilikat ähnlichen Weise funktionieren.
Natriummetasilikat einer ausreichenden chemischen Reinheit ist frei von organischen Kontaminationen, welche zu inakzeptablen Gehalten an Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidkontamination in dem erzeugten Sauerstoff führen können, und ist relativ kostengünstig. Wenn Natriummetasilikat verwendet wird, schmelzen die Sauerstoff-erzeugenden Kerne nicht in einer unkontrollierbaren Weise, unter Lachenbildung, und sie kollabieren nicht, sogar wenn sie bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden. Die Kerne behalten während des Betriebs der Sauerstofferzeugungsvorrichtung ihre strukturelle Integrität und Form bei, und das Gefahrenspotential eines Versagens aufgrund von Vibration kann vermieden werden. Zusätzlich kann der Bedarf an vorgeformten Isolationsschichten, die für eine Erhöhung der mechanischen Integrität des Kerns während des Betriebs verwendet werden, verringert oder beseitigt werden.
Natriummetasilikat kann auch die Aktivität eines Katalysators wie etwa Kobaltoxid in einer derartigen Weise modifizieren, welche eine Reaktion in Festphase verhindert, während es ermöglicht, dass der Katalysator die Zersetzung von Natriumchlorat in der flüssigen Phase erleichtert. Bei Betrieb in heißen Umgebungen kann Natriummetasilikat andererseits ein Gelnetzwerk bilden, welches das Zusammenschmelzen des Kerns einengt, um zu verhindern, dass der Kern Lachen bildet oder sogar kollabiert. Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen auf Basis von Natriummetasilikat erzeugen glattere Sauerstoffflusskurven und haben eine geringere Temperaturempfindlichkeit. Diese Verringerung der Variabilität des Produktleistungsverhaltens kann zu einem höheren Umsatz bei der Herstellung der Kerne führen, oder kann zu einem leichteren Gewicht der Kerne führen, bei unverändertem Umsatz bei der Herstellung. Die Natriumsilikat-enthaltenden Kerne sind mechanisch robuster und weniger anfällig gegenüber Vibrationen. Die Auftrittswahrscheinlichkeit eines lokal auftretenden Hochtemperaturbereichs auf der Wand der Erzeugungsvorrichtung wird ebenfalls verringert sein, wobei die maximale, während des Betriebs beobachtete Wandtemperatur erniedrigt wird.
Der Rest der Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzungen, typischerweise etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,3 Gew.-% der gesamten Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzung, umfasst im Wesentlichen eine Sauerstoffquelle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkalimetallchloraten, Alkalimetallperchloraten, und Gemischen davon, obwohl auch ein paar Prozent eines Presshilfsmittels wie etwa Glaspulver oder Glasfasern verwendet werden können, um die Bildung von Sauerstoff-erzeugenden Kernen durch Verdichten oder Formen unter Druck zu erleichtern. Die Sauerstoffquelle ist bevorzugt aus Natriumchlorat, Kaliumperchlorat, Lithiumperchlorat und Gemischen davon ausgewählt. Natriumchlorat ist derzeit bevorzugt. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform, bei der die Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung etwa 1–10 Gew.-% Natriummetasilikat oder Natriumorthosilikat oder Gemische davon als das Additiv enthält, macht die Sauerstoffquelle etwa 60 Gew.-% bis etwa 98,4 Gew.-% der gesamten Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzung aus.
Bei der Bildung eines Sauerstoff-erzeugenden Kerns oder einer Kerze werden der Metallpulverbrennstoff, Metalloxidkatalysator, Natriumsilikatmodifikator und gegebenenfalls Glaspulver (falls verwendet) vorgemischt. Die Sauerstoffquellenkomponente Chlorat/Perchlorat wird typischerweise separat mit etwa 1 bis 5 Gew.-% Wasser gemischt. Das vorgemischte Pulver wird danach mit dem nassen Chlorat/Perchlorat gemischt. Die chemischen Sauerstoffkerzen werden durch Verdichten des feuchten Gemisches in einer Form gebildet und werden danach getrocknet, um das Wasser, das während des Mischverfahrens zugegeben worden war, zu entfernen.
Unter Bezugnahme auf 1 hat eine Sauerstoff-erzeugende chemische Kerze 10 typischerweise eine zylindrische Form und ist üblicherweise aus mehreren Schichten zusammengesetzt, wobei jede Schicht eine unterschiedliche Formulierung hat. Die mehreren Schichten mit unterschiedlichen Formulierungen können somit derart ausgelegt werden, so dass sie an die gewünschte Sauerstofferzeugungsrate angepasst sind, auf Basis von spezifizierten Erfordernissen der Anwendung, da unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Erfordernisse bezüglich der Sauerstofferzeugungsrate haben können. Obwohl die in 1 gezeigte Sauerstoff-erzeugende Kerze 5 Schichten hat, kann jede beliebige Anzahl von Schichten verwendet werden um die Sauerstoff-erzeugende Kerze zu bilden. Die verschiedenen in 1 gezeigten Typen an Grenzflächenformen zwischen Schichten werden verwendet um den Übergang der Reaktion zu steuern, während sie von einer Schicht zu einer anderen fortschreitet. Die Grenzflächenformen und die relativen Größen und Reaktivitäten der Schichten können modifiziert werden, in Abhängigkeit von den Erfordernissen der spezifischen Anwendungen der Sauerstoff-erzeugenden Kerzen.
Am oberen Ende der Kerze ist ein Rücksprung zum Halten eines Zündungspellets 12, welches beispielsweise durch Abfeuern eines Aufschlagzünders gezündet werden kann. Die Wärme aus dem Zündungspellet initiiert die Zersetzung der Schichten 14, 16, 18, 20 und 22 der Sauerstoff-erzeugenden Kerze, wobei Sauerstoff freigesetzt wird.
Verbrauchte Sauerstoff-erzeugende Kerne, welche gemäß der Erfindung gebildet und bei heißen, kalten und Raumtemperatur-Umgebungsbedingungen betrieben worden sind, haben jeweils typischerweise eine sehr gleichförmige Beschaffenheit mit kleinen, gleichförmigen Poren, und ohne große Poren oder Hohlräume. Die ursprüngliche Form der Kerne wird während des Betriebs der Sauerstofferzeugungskerne beibehalten, und das physische Aussehen der verbrauchten Kerne, die bei heißen, kalten und Raumtemperatur-Umgebungsbedingungen betrieben worden sind, ist praktisch nicht unterscheidbar. Da kein Zusammenschmelzen oder eine Bildung von Lachen oder großen Hohlräumen auftritt, sind die Sauerstoffflusskurven für die erfindungsgemäßen Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzungen sehr glatt.
Verbesserte Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzungen der Erfindung erzeugen einen erheblich niedrigeren Gehalt an Kohlenmonoxidkontamination im erzeugten Sauerstoff, haben eine glattere, gleichmäßigere Sauerstofferzeugungsrate, eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen, und haben eine niedrigere Betriebstemperatur als eine vergleichbare Sauerstofferzeugungszusammensetzung unter Verwendung von Eisenpulver als Brennstoff. Aus dem Vorstehenden wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung zur Herstellung eines atembaren Sauerstoffgases nach Zündung der Zusammensetzung, umfassend: etwa 0,5–15 Gew.-% eines im Wesentlichen Kohlenstoff-freien Kupfermetallbrennstoffs, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% mindestens eines Übergangsmetalloxid-Katalysators, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% eines Additivs, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Alkalimetallsilikat, einem Alkalimetallstannat, einem Alkalimetalltitanat, einem Alkalimetallzirkonat, und Gemischen davon, und wobei der Rest im Wesentlichen eine Sauerstoffquelle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkalimetallchloraten, Alkalimetallperchloraten, und Gemischen davon umfasst.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Additiv etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzung ausmacht.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffquelle etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,3 Gew.-% der Zusammensetzung ausmacht.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Additiv etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzung ausmacht, und die Sauerstoffquelle etwa 60 Gew.-% bis etwa 98,4 Gew.-% der Sauerstoff-erzeugenden Zusammensetzung ausmacht.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 4, wobei das Additiv ein Alkalimetallsilikat ist.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei der Übergangsmetalloxid-Katalysator Co₃O₄ ist.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Übergangsmetalloxid-Katalysator aus der Gruppe, bestehend aus Kobaltoxid, Kupferoxid, Nickeloxid, Eisenoxid, Manganoxid, und Gemischen davon ausgewählt ist.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Additiv aus der Gruppe, bestehend aus Natriummetasilikat und Natriumorthosilikat ausgewählt ist.
Sauerstoff-erzeugende Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend ein Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Glaspulver, Glasfaser, und Gemischen davon.