ITTO950025A1 - Composizione generatrice di gas "airbag" per autoveicoli. - Google Patents
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Abstract
Una composizione che genera azoto gassoso per impiego in airbag viene preparata da una azide di metallo alcalino e da un solfuro di metallo pesante. La produzione di gas viene iniziata mediante accensione della composizione e porta a pochi residui di materiale particellare solido.
Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per Invenzione Industriale
L’invenzione sì riferisce a composizioni che generano un gas per erogare un gas non tossico, quale azoto, allo scopo di riempire airbag di dispositivi di sicurezza a trattenuta per automobili. Più in particolare , l’invenzione sì riferisce ad una composizione di una azide di metallo alcalino in combinazione con un solfuro di metallo pesante e a ossidanti iniziatori per riempire con azoto gassoso l’airbag.
Lo sviluppo di airbag per automobili al fine ci trattenere gli occupanti durante l’urto in una collisione è una pietra migliare nel campo della sicurezza per gli occupanti di un’automobile. I dispositivi sono progettati per spiegarsi quando veicoli che viaggiano a 12 miglia/ora (19,3 kg/ora) o superiore subiscono un urto improvviso. L’airbag viene gonfiato e provvede una barriera mobile tra l’occupante e l’interno del veicolo, evitando così lesioni gravi o fatali per l’occupante.
Tìpicamente, il sistema di airbag disposto in un’automobile é costituito da un sensore, che rileva l’impulso dell’urto e per mezzo di una composizione ausiliaria innesca una composizione generatrice di gas alloggiata in un modulo. Il gas liberato riempie un cuscino di tessuto formante una barriera tra l’occupante e l’interno del veicolo. I sensori impiegati funzionano su principi sia meccanici, sìa elettromeccanici. In un sensore meccanico, viene avviato un innesco , mentre in un sensore elettromeccanico viene avviato un dispositivo elettroesplosivo (cioè una carica di accensione). A sua volta la carica di accensione innesca una composizione ausiliaria (boro-KNO 7) che attiva la composizione generatrice di gas. Le prime composizioni generatrici di gas generavano anidride carbonica, ma lo stato dell'arte è di generare azoto come gas preferito di riempimento dell’airbag. Rappresentative delle prime composizioni generatrici di azoto gassoso per airbag di automobili sono quelle descritte nel brevetto statunitense 3.741.585 di Hendrickson ed al Lo stato dell’arte delle composizioni generatrici di gas attuali comprende una azide di metallo alcalino, un ossidante e altri additivi. Le composizioni generatrici di gas in uso generalmente utilizzano azide di sodio come combustibilepreferito. E’ pure stata utilizzata una varietà di ossidanti.
Teoricamente, una composizione generatrice di gas per l’impiego in airbag dovrebbe essere un materiale solido, sagomabile facilmente in pastiglie. Inoltre, questa dovrebbe essere non igroscopica e formata da costituenti che siano ottenibili con un grado di purezza relativamente elevato. La reazione generatrice di gas dovrebbe essere facilmente controllabile e generare il gas alle velocità e pressioni richieste. Inoltre, il gas dovrebbe produrre una quantità minima di residui di gas tossici quali ossido di carbonio e ossidi di azoto. I solidi o i residui di scorie formati durante la reazione dovrebbero essere minimi e essere sostanzialmente trattenuti nella zona di combustione. Le particelle dei residui solidi dovrebbero essere in grado di venire arrestate nel sistema filtrante del dispositivo. In modo più importante, i residui di scorie dovrebbero essere non tossici e essere prodotti in quantità minime per la eliminazione finale.
La reazione generatrice di gas dovrebbe inoltre essere in grado di venire modificata per differenti applicazioni particolari sia mediante il cambiamento dei parametri fisici dei costituenti, sia mediante l’impiego di adatti additivi.
L’invenzione comprende una composizione solida che, dopo accensione, si decompone in azoto gassoso e in particelle solide non tossiche, e che comprende:
una azide metallica;
un peso equivalente di un solfuro di metallo pesante; e
un agente ossidante scelto dal gruppo costituito da un ossido metallico, un nitrato di metallo alcalino o un perclorato di metallo alcalino.
La composizione è un esplosivo a bassa potenza, utile come mezzo generatore di azoto gassoso per gonfiare i componenti dell’airbag in sistemi di sicurezza a trattenuta per l’autista/passeggeri di automobili.
Il termine esplosivo a bassa potenza quale impiegato qui, significa una composizione che subisce una autocombustione a velocità che sono basse rispetto alle velocità didetonazione degli esplosivi ad alta potenza.
L’impiego delle composizioni secondo l’invenzione permette la modifica, il controllo e l’attivazione della reazione di produzione del gas. Le particelle di residui solidi trasportate nella corrente di gas rientrano in limiti accettabili.
Le azidi metalliche che possono essere impiegate nel preparare le composizioni secondo l’invenzione sono ben note, come lo sono i metodi per la loro preparazione. Rappresentative delle azidi metalliche sono le azidi di metalli alcalini, quali azide di litio, azide di sodio, azide di potassio; e le azidi di metalli alcalino-terrosi, quali azide di calcio, azide di bario, azide di magnesio e simili. L’azide metallica funziona come un combustibile, che per accensione libera azoto gassoso.
L'azide metallica preferita impiegata come combustibile è l’azide di sodio che contiene 63% in peso di azoto non tossico. L’azide di sodio è un solido che può essere macinato in dimensioni vantaggiose di particelle con macchine di frantumazione ottenibili commercialmente. Vantaggiosamente, l’azide metallica- ha dimensioni delle particelle nell’intervallo da 5 a 100 micron, preferibilmente da 10 a 25 micron.
Sebbene si possano impiegare parecchi solfuri di metalli pesanti, i solfuri di metalli pesanti preferiti sono i solfuri di ferro, quali solfuro ferroso, disolfuro di ferro e simili. Viene preferito il solfuro ferroso. Per ottenere le composizioni più vantaggiose dell ’invenzione, il solfuro di ferro dovrebbe avere dimensioni di particelle nell ’ intervallo da circa 1 a circa 50 micron, preferibilmente da 1 a 20 micron.
Il controllo della dimensione delle particelle degli ingredienti costituenti utilizzati nelle composizioni secondo l’invenzione si focalizza sulla prestazione globale della composizione generatrice di gas particolarmente in relazione con la velocità di combustione e con il profilo tempo/pressione del rilascio del gas. Le dimensioni più piccole dei grani hanno un’area superficiale aumentata e bruciano più rapidamente. L’area superficiale e la densità delle composizioni possono essere controllate per soddisfare a diversi impieghi finali che dovrebbero avere residui solidi minimi.
Quando avviata la combustione, i due ingredienti descritti sopra reagiscono liberando azoto gassoso e un residuo di materiale particellare non tossico finemente suddiviso che viene facilmente escluso dalla corrente di azoto gassoso.
La reazione può essere avviata dall’energia provvista da un adatto materiale di innesco quale boro-KNO3. Poiché la reazione è esotermica, è autosopportante . Con azide di sodio come azide rappresentativa, la reazione può essere illustrata schematicamente dall’equazione
Il sodio metallico viene eliminato in una seconda fase mediante il solfuro di metallo pesante, per esempio solfuro ferroso.
Nella seconda fase, il solfuro di ferro reagisce con il sodio metallico per formare solfuro di sodio non tossico e ferro metallico secondo la formula schematica:
Nel caso del disolfuro di ferro, la reazione ha luogo secondo l’equazione seguente:
Utilizzando i reagenti azide e solfuro in proporzioni stechiometriche, cioè pesi equivalenti uguali, i prodotti finali della reazione (II) formano una miscela solida ad elevata densità di particelle non tossiche finemente suddivise che vengono facilmente trattenute nella camera di combustione. Soltanto una quantità minima di questo residuo solido è in grado di sfuggire nella corrente di azoto gassoso ad elevata velocità, ed anche in questo caso i solidi che sfuggono possono essere contenuti entro la camera di combustione mediante una serie di filtri convenzionalmente impiegati per circondare la zona di combustione. Ciò porta a tenori molto bassi di particelle di scorie che entrano nll'airbag ed è uno dei vantaggi della presente invenzione. Viceversa, nella maggior parte delle composizioni generatrici di gas utilizzate precedentemente in airbag il sodio metallico viene trasformato in ossido di sodio, che si combina con additivi per formare una grande quantità di scoria. E’ difficile fare in modo che questa reazione si verifichi con elevata efficienza mentre si arrestano i grandi residui di particelle di ossido di metallo nel sistema filtrante.
Si deve notare che la reazione (II) tra sodio e solfuro ferroso è di per sè generalmente lenta e non sarebbe generalmente adatta per una composizione per il gonfiaggio dell’airbag. Tuttavia, si è trovato che la reazione II può essere iniziata e accelerata in presenza di una piccola quantità di un ossidante, quale un ossido metallico, un nitrato di metallo alcalino, un perclorato di metallo alcalino e simili. Come ossidante, si preferiscono il perclorato di potassio e il perclorato di ammonio. Nel caso del perclorato di ammonio, i prodotti sono tutti gassosi e quindi non contribuiscono a residui particellari. Vantaggiosamente, le dimensioni delle particelle degli ossidi sono nell’intervallo da 2 a 30 micron.
Rappresentativi di perclorati di metalli alcalini vantaggiosi sono perclorato di potassio, perclorato di sodio, perclorato di ammonio e simili.
Rappresentativi di nitrati di metalli alcalini sono nitrato di potassio, nitrato di sodio e simili. L’ossidante preferito è il nitrato di potassio.
Analogamente, si possono impiegare composti ad elevata potenza esplosiva per attivare la reazione. Esplosivi ad elevata potenza con elevata stabilità alla temperatura quali nitroguanidina , ciclonite (RDX) e ciclotetrametilentetranitrammina (HMX) possono essere impiegati (in piccole percentuali) per innescare la reazione tra il sodio e il solfuro di ferro.
Altri additivi che possono essere aggiunti alle composizioni secondo l’invenzione con vantaggio sono proporzioni minori di coadiuvanti di processo che aumentano il flusso e la pastigliatura, quale silicato di magnesio e ossido di alluminio. Lubrificanti vengono aggiunti convenzionalmente. Esempi di lubrificanti solidi sono il disolfuro di molibdeno. Come lubrificante, si preferisce il disolfuro di molibdeno poiché questo reagisce con il sodio dalla fase (I) nella reazione descritta sopra, in modo da produrre molibdeno metallico e solfuro di sodio. Questi prodotti in piccole quantità non sono residui indesiderabili. Altri additivi utili comprendono zolfo macinato e polveri metalliche atomizzate , quali alluminio, per aumentare il calore della reazione e la capacità di accensione . Questi additivi vengono impiegati in proporzioni convenzionali, generalmente non superiori a circa 1-5% in peso della composizione totale.
Gli ingredienti delle composizioni secondo l’invenzione possono essere mescolati in mescolatori commerciali disponibili con accessori a prova di esplosione. Le composizioni possono essere pastigliate in presse per pastiglie rotative a stazioni multiple nel peso, spessore e densità desiderati.
I seguenti esempi e preparazioni descrivono il modo e il processo per la preparazione e l’impiego dell’invenzione e riportano il modo migliore previsto dall’inventore per realizzare l’invenzione, ma non devono essere considerati come limitativi dell’invenzione. Quando riportato, vengono effettuate le seguenti prove.
Un metodo per valutare la composizione generatrice di gas per diversi impieghi finali è di caricarle in involucri del gonfiatore che fanno parte di un modulo di airbag. La prova viene effettuata in un serbatoio a pressione statica di volume noto accendendo la composizione impiegata nel sistema ai airbag. Il profilo pressione/tempo (P-T), come pure la misura dei residui tossici nel gas e delle particelle, vengono ottenuti lavando il serbatoio, filtrando e lavando. Vari produttori hanno utilizzato differenti volumi di serbatoio statico e hanno correlato i risultati in condizioni in tempo reale. In esperimenti effettuati sulle composizioni generatrici di gas secondo l’invenzione, si è impiegato un serbatoio di 1 piede cubo (28,3 dm3). Per rappresentare meglio le condizioni in tempo reale, 100 piedi cubi (2,83 m ) vengono considerati nell’inoustria come rappresentante il volume interno di un’automobile. Perciò il risultato utilizzando un serbatoio di 1 piede cubo (28 ,3 m3 è ridotto di un fattore di 0,01 per approssimarsi ad un volume di 100 piedi cubi (2,83
Tutte le proporzioni sono riportate come percentuale in peso.
PROCEDIMENTO
Azide di sodio e solfuro ferroso vengono macinati ad una dimensione di scelta e mescolati
insieme in proporzioni predeterminate con disolfuro di molibdeno come lubrificante. Si aggiungono silicato di magnesio e ossido di alluminio come agenti per favorire lo scorrimento in modo da ottenere una miscela omogenea . La miscela viene pastigliata in una pressa pastigliatrice ruotante a stazioni multiple e pastigliata ad un peso, una dimensione e una densità desiderati.
Esempi da 1 a 5
Questi esempi illustrano l ’effetto di diversi additivi sulle caratteristiche dì funzionamento della composizione secondo l ’ invenzione . Gli additivi vengono identificati nella seguente tabella I.
TABELLA I
* DNPT = dinitroso-pentametilentetrammina
Esempi da 6 a 8
Le caratteristiche di funzionamento delle composizioni secondo l’invenzione possono essere modificate mediante l’aggiunta di una carica di base ad elevato potere esplosivo per la detonazione . L’effetto dell’impiego di un tipico esplosivo ad alta potenza, quale nitroguanidina , viene illustrate nella seguente tabella II, e tipifica l’effetto di altri esplosivi ad elevata potenza quali ciclotrimetilentrinitrammina o ciclonite (RDX) e cicloetetrametilentetranitrammina ( HMX) . Gli esplosivi ad elevata potenza, quando aggiunti , vengono addizionati in proporzioni da circa 0,1 a 2% in peso.
TABELLA II
1 A
Esempi da 9 a 12
Il controllo della dimensione delle particelle contribuisce a provvedere caratteristiche di funzionamento uniform , ripetibili e desiderate. L’effetto della variazione della dimensione delle particelle dei costituenti principali, cioè azide di sodio e solfuro ferroso , viene illustrato nella seguente tabella III.
TABELLA III
La dimensione delle particelle del componente azide è minore nell ’esempio 9 rispetto agli altri esempi . L’ esempio 9 manifesta pure una risposta pressione/tempo più rapida rispetto agli altri esempi.
La dimensione di particelle minori influisce sul tempo di risposta in un modo favorevole.
Esempi 15-14
Le caratteristiche di funzionamento delle composizioni secondo l ’ invenzione possono essere effettuate modificando l’area superficiale del propellente disponibile per la combustione. L’effetto di questo parametro sulle caratteristiche di funzionamento della composizione secondo l’invenzione viene fornito nella seguente tabella IV.
TABELLA IV
L’area superficiale aumentata porta ad una risposta pressione/tempo più rapida , e perciò influisce sul tempo di risposta in un modo favorevole. Vantaggiosamente, l’area superficiale disponibile è nell’intervallo da circa 200 a 1000 mm/g, preferibilmente 400-800.
Esempi 15-16 La densità delle pastiglie ha un effetto considerevole sulle caratteristiche di funzionamento della composizione. Questo esempio illustra l’effetto di questo parametro sulla composizione dell’invenzione e viene dettagliato nella seguente tabella V.
TABELLA V
Un intervallo di densità da circa 1,5 a 2,75 g/cc è vantaggioso, preferibilmente da 2,0 a 2,15.
Esempi 17-19
Variando il carico del propellente impiegato, si possono modificare le caratteristiche di funzionamento. L'effetto della variazione del carico del propellente viene riportato nella tabella VI.
TABELLA VI
Mentre la risposta pressione/tempo è alquanto più lenta per carichi maggiori, pressioni massime superiori vengono ottenute in periodi di tempo relativamente più brevi.
Esempio 20
Azide di sodio e solfuro ferroso possono essere mescolati insieme in proporzioni in peso equivalenti uguali dopo averli frantumati alla dimensione di particelle desiderate , insieme con disolfuro di molibdeno come lubrificante . Una composizione generatrice di gas di questo tipo ha le seguenti caratteristiche di funzionamento.
TABELLA VII
Esempi 21-24
Il solfuro ferroso può essere sostituito con disolfuro di ferro. La reazione ha luogo in un modo quale indicato precedentemente con la formazione di solido innocuo come scoria contenente ferro e solfuro di sodio. Una composizione tipica preparata in questo modo e provata in differenti cariche e condizioni, fornisce i risultati indicati nella seguente tabella VIII.
TABELLA VIII
* Utilizza un sistema filtrante modificato, differente dagli esempi 21 e 22. Mentre gli esempi 21 e 22 vengono eseguiti con una rete di 25 μ come filtro di controllo finale delle particelle, gli esempi 23 e 24 sono stati eseguiti con un filtro addizionale di 40 μ di fronte al filtro di 25 p.
** MAGNESOL, Reagent Chemical and Research In , 124 River Road , Middlesex, New Jersey, Technical Borchure Rev. 1, July 1986.
Esempi 25-26
L' ossidante di nitrato di potassio impiegato per attivare la composizione può essere sostituito da perclorato di potassio dopo macinazione ad una dimensione desiderata. Una composizione tipica preparata impiegando perclorato di potassio e il suo effetto sulle caratteristiche dì funzionamento a vari carichi vengono illustrati nella seguente tabella IX.
TABELLA IX
Esempi 27-28
L’ossidante nitrato di potassio impiegato per attivare la composizione può essere sostituito da perclorato di ammonio dopo macinazione ad una dimensione desiderata. Una composizione tipica preparata impiegando perclorato di ammonio e il suo effetto sulle caratteristiche di funzionamento a vari carichi vengono illustrati nella seguente tabella X.
TABELLA X
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. - Composizione solida che, per accensione, si decompone in azoto gassoso e in particelle solide non tossiche e che comprende pesi equivalenti di: (a) un azide metallica; e (b) un solfuro di metallo pesante; e una quantità ossidante di un agente ossidante scelto dal gruppo costituito da ossido metallico, nitrato dì metallo alcalino e perclorato di metallo alcalino. 2. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui il solfuro di metallo pesante è un solfuro di ferro. 3. - Composizione secondo la rivendicazione 2, in cui il solfuro di ferro è solfuro ferroso. 4. - Composizione secondo la rivendicazione 2, in cui il solfuro ferroso è disolfuro di ferro. 5. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui è presente un additivo di scorrimento. 6. - Composizione secondo la rivendicazione 5, in cui l’additivo di scorrimento è silicato di magnesio. 7. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui l’agente ossidante è nitrato di potassio. 8. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui l’agente ossidante è perclorato di potassio. 9. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui l’agente ossidante è perclorato di ammonio. 10. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui l’azide metallica è azide di sodio. 11. - Composizione secondo la rivendicazione 1, formata in pastìglie aventi una densità nell’intervallo da 1,5 a 2,75 g/cc. 12. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui l’azide metallica ha una dimensione di particelle nell’intervallo da 5 a 100 micron. 13. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui il solfuro ha una dimensione di particelle nell’intervallo da 1 a 50 micron. 14. - Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui le particelle della composizione hanno un’area superficiale nell’intervallo da 200 a 1000 mm2/g. 15. - Composizione secondo la rivendicazione 1, costituita inoltre da un esplosivo ad elevata potenza scelto dal gruppo costituito da nitroguanidina, ciclonite e ciclotetrametilentetranitrammina. 16. - Composizione secondo la rivendicazione 1, che contiene inoltre una proporzione lubrificante di disolfuro di molibdeno.
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