JP2009536145A - ガス生成組成物 - Google Patents

Abstract

たとえばガス生成燃料として使用される新規な化合物であって、Ｒ３−Ｒ１−Ｒ２の構造式を有する化合物として定義される。ここでＲ１は尿素基であり、Ｒ２は尿素基へのＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリル基であり、Ｒ３は尿素基上の遊離窒素に結合した非テトラゾリル、トリアゾリル、複素環、複素環式アミン、脂肪族、脂肪族アミン、アリール基、アルキル、水素あるいは窒素である。化合物の製造方法も提供される。燃料として該新規化合物と酸化剤を含むガス生成組成物（１２）も提供される。この新規な化合物はガス生成組成物（１２）はガス生成装置（１０）内に提供される。ガス生成装置（１０）はたとえばエアーバックインフレーター（１０）またはシートベルトアセンブリ（１５０）のようなガス生成システム、または他のより広範な乗り物乗員保護システム（１８０）内に含まれる。

Description

関連出願
この出願は、２００６年５月５日に出願された米国仮出願番号６０／７９８，２０６の利益を要求する。

技術分野
本発明は、ガス生成システムに一般に関する。および、例えば自動車の拘束システムのためのガス生成装置に使用されるようなガス生成組成物に関する。

本発明の背景
本発明は、ガス燃焼の際に比較的少量の固体と比較的豊富な量のガスを生産するガス生成組成物に関する。固体の量を減らし、ガスの量を増加させ、インフレーター用のフィルターの必要性を減少させることは進行中の挑戦である。その結果、フィルタはサイズが低減されるか、あるいは全く除去することができ、それによりインフレーターの重量および／またはサイズを低減することができる。さらに、燃焼固体の減少は、ガス生成組成物の１グラム当たりまたはユニット当たりの比較的大量のガス生成物を提供する。従って、ガス生成組成物の１グラム当たりでガスのより大きなモル数が生成され、必要なガス生成組成物の量は低減される。結果として、低減された生産の複雑性のために、典型的にはより小さくより安価なインフレーターが得られる。

別の課題は、組成物が乗り物乗員保護システムでの使用に関して十分な燃焼速度を示さなければならないということである。特に、相安定化された硝酸アンモニウムを含む組成物は、比較的小さな燃焼速度を示し、燃焼速度を改善する様々な手段を必要とすることがある。従って、相安定化された硝酸アンモニウムのような好ましい酸化剤が適合され補償される、それほど激しくない燃焼特性のエネルギー燃料の開発が研究されている。

発明の要約
上記の課題は、新規なガス生成組成物内に新規な燃料成分を含む、ガス生成装置またはガス生成システムによって解決される。新規な燃料成分または化合物は、Ｒ３−Ｒ１−Ｒ２の構造式を有する分子として定義される。ここでＲ１は尿素基であり、Ｒ２は、尿素基へのＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリル基であり、Ｒ３は、尿素基上の遊離窒素に結合したＣ−テトラゾリル、Ｎ−テトラゾリル、トリアゾール、複素環式−トリアジン、複素環式アミン、脂肪族、脂肪族アミン、芳香族、芳香族アミン、アリール基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、水素、あるいはニトロアミン基である。Ｒ３は、好ましくは尿素基へのＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリルまたはトリアゾリル基である。本発明に従って形成された新規な化合物がガス生成成分以外の用途を有することがあることは認識される。

任意の第二の燃料は、テトラゾール類およびその塩類、トリアゾール類およびその塩類、アゾール類およびその塩類、グアニジン類およびその塩類、グアニジン誘導体、アミド類およびそれらの混合物から選ばれることができる。酸化剤は、金属および非金属の、硝酸塩、亜硝酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、酸化物、他の公知の酸化剤およびそれらの混合物から選ばれる。

さらに本発明は、該ガス生成組成物を組込むガス生成装置またはガス生成システム、および乗り物乗員保護システムも包含する。

発明の詳細な説明
本発明の第一の態様は、例えばガス生成システム内の燃料として有用な、窒素含有化合物を形成する新規な方法を提供する。本発明の方法は以下の工程によって記載されることができる：
１． アセトニトリル中の５−アミノテトラゾールおよびトリエチルアミンの溶液を提供する工程、ここで５−アミノテトラゾールおよびトリエチルアミンは、ほぼ等モル量で提供され、アセトニトリルはこの方法の反応物を溶解するのに十分な量で提供される。
アセトニトリルに溶かされた時、混合物は透明溶液になる。
２． トリエチルのアミンの約０．３〜０．４のモル量のトリホスゲンを、約０−１０℃で、冷やされた溶液に加える工程。
３．
４． 混合物を撹拌し、それをゆっくりと室温にする工程。
５． 約４時間撹拌し、反応中間体のテトラゾールイソシアネートを形成する工程。これはＩＲ分光分析により決定されることができる。
６． １当量の５−アミノテトラゾール／トリエチルアミンを加える工程。
７． 室温より高い温度に、室温から摂氏約８０度まで加熱する工程。
８． 撹拌を継続し、十分な時間反応させ、尿素誘導体を形成する。ＩＲ分光分析により、尿素の１７２０、１６５４ｃｍ^−１、およびＮ−Ｈ伸縮の３２００ｃｍ^−１により確認される。
９． 室温まで溶液を冷やし、約１０−３０分間窒素ガスをバブリングして十分に反応させ、すべての未反応ホスゲンガスを除く工程。
１０． 好ましくは真空条件の下で、残りの溶剤を回収する工程。
１１． 水で固体を洗う工程。
１２． 固体を乾かす工程。

以下に示される反応ＩおよびＩＩは、本発明による燃料の２つの種類の形成を例証する。
下記は本発明の反応を例証し、またその青写真を提供する。

１，３−ビス−（１Ｈ−テトラゾール−５−イル）−尿素

Ｉ）ビス（テトラゾール）尿素の合成のための実験手順：
５−アミノテトラゾール（５ｇ、５８．７８２０ ｍｍｏｌ）が乾燥アセトニトリル（７５ ｍＬ）に溶解された。その後、トリエチルアミン（８．２４ ｍＬ、５９．３６９２ ｍｍｏｌ）が加えられ、混合物は５分間室温で撹拌された。その後、その混合物は０℃に冷却された。その後、トリホスゲン（６．４５４ｇ、２１．７４９３ ｍｍｏｌ）は、２０分にわたりゆっくり加えられた。その後、その溶液は約４時間室温で撹拌された。

テトラゾールイソシアネート（中間物）の形成は２１７０ｃｍ^−１の赤外スペクトルによってモニタされた。次に、５−アミノのテトラゾール／トリエチルアミンの１当量が溶液に加えられ、混合物は７５℃に加熱された。その後溶液が、尿素誘導体の形成が、赤外分光法（尿素の１７２０、１６５４ｃｍ^−１およびＮ−Ｈ伸縮の３２００ｃｍ^−１）によって観察されるまで一晩反応された。

その後、その反応物は室温にされた。また、窒素ガスがすべての未反応ホスゲンガスを除去するために約２０分間バブリングされた。白い固体のコンパウンドが生じた。溶剤は減圧下で回収された。得られた固体は水（２ｘ２００ｍＬ）で洗浄され、１０５℃でオーブンの中で一晩乾燥され、ＢＴＵを７５％で生成した。

ＢＴＵは熱水から再結晶された。純粋なＢＴＵは比較的大きな発熱を有して、２６８℃で分解する。この合成方法論は様々な他の尿素誘導体を作るために拡張できる。

理論計算：
ＢＴＵ／ＰＳＡＮの重量%である２８／７２の燃料／酸化剤比で、プロペラント酸素バランスは−０．１９である。この酸素バランスは９６．６％のガス収率に帰着し、プロペラントの１００ｇｍ当たりガスを４．０３モル生産する。従って、多くの尿素誘導体のための一般的な合成戦略は次の反応によって画定されることができる；

ＩＩ） テトラゾロ、（トリアゾロ尿素）

１−トリアゾリル−３−テトラゾリル尿素の合成のための実験手順：
５−アミノテトラゾール（１０ｇ、１１７．５６ ｍｍｏｌ）がアセトニトリル（１５０ ｍＬ）に溶解された。その後、トリエチルアミン（１７．９５ ｍＬ、１２９．３１６ ｍｍｏｌ））が加えられ、混合物は５分間室温で撹拌された。その後、その混合物は０℃に冷却された。その後、トリホスゲン（１２．９ｇ、４３．４９８７ ｍｍｏｌ）は、２０分の間にわたりゆっくりと加えられた。その後、その溶液は約４時間室温で撹拌された。

テトラゾールイソシアネート（中間物）の形成は２１７０ｃｍ^−１で赤外分光法によってモニタされた。その混合物に、４−アミノテトラゾール （９．９８３ｇ、 １１８．７３５６ ｍｍｏｌ）／トリエチルアミン（ １７．９５ｍｌ、 １２９．３１６ ｍｍｏｌ） の１当量が加えられ、混合物は７５℃で４時間、尿素誘導体の形成が、赤外分光法（尿素の１７３０、１５９９ｃｍ^−１およびＮ−Ｈ伸縮の３１９８、３１４０ｃｍ^−１）によって観察されるまで加熱された。

その後、その反応物は室温にされた。また、窒素ガスがすべての未反応ホスゲンガスを除去するために約２０分間バブリングされた。 白い固体の化合物が生じた。溶剤は減圧下で回収された。得られた固体は水（２ｘ２００ｍＬ）で洗浄され、１０５℃でオーブンの中で一晩乾燥され、１５ｇまたは６０％の純粋なテトラゾロ，トリアゾロ尿素（ＴＴＵ）が得られた。ＴＴＵは試験され、反応生成物は大きな発熱をして２５０℃で分解した。

赤外線（ＩＲ）評価は尿素の１７３０、１５９９ｃｍ^−１、Ｎ−Ｈ伸縮の３１９８、３１４０ｃｍ^−１を示し、それにより反応生成物の構造を確認した。示差走査熱量計（ＤＳＣ）評価は、比較的高エネルギーを示し、２５０℃で鋭い発熱を示す。

反応で示されるように、燃料はそれぞれ窒素豊富で、それによって、ガス生成組成物の合計の非金属構成物質を最大限にする。反応生成物は比較的高エネルギーを示し、以下に記載される酸化剤と組み合わされたとき、公知技術により測定されたときに毎秒０．４インチ以上の良好な燃焼速度を示す。

理論計算：
ＴＴＵ／ＰＳＡＮの重量%である２２／７８の燃料／酸化剤比で、プロペラント酸素バランスは−０．０２である。この酸素バランスは９６．６％のガス収率に帰着し、プロペラントの１００ ｇｍについてガスを４．０５モル生産する。

従って、本発明はＲ３−Ｒ１−Ｒ２の構造式を有する化合物として定義される高エネルギーの、窒素豊富な燃料を含むガス生成組成物に関する。ここでＲ１は尿素基であり、Ｒ２は尿素基へ結合したＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリル基であり、Ｒ３は、尿素基上の遊離窒素に結合したＣ−テトラゾリル、Ｎ−テトラゾリル、トリアゾリル、複素環トリアジン、複素環式アミン、脂肪族、脂肪族アミン、芳香族、芳香族アミン、アリール、アルキル、アルケニル、アルキニル、水素あるいはニトロアミン基である。Ｒ３は、好ましくは尿素基へ結合したＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリルまたはトリアゾリル基である。

燃料はガス生成組成物の約５−５０重量%、より好ましくは約１５−３０重量%で提供される。

任意の第２の燃料としては、５−アミノテトラゾールのようなテトラゾール類；カリウム５−アミノテトラゾールのようなアゾール類の金属塩；５，５’−ビス−１Ｈ−テトラゾールのジアンモニウム塩のようなアゾール類の非金属塩：５−アミノテトラゾールのようなアゾール類の硝酸塩；５−アミノテトラゾールのようなアゾール類のニトロアミン誘導体；ジカリウム ５−アミノテトラゾールのようなアゾール類のニトロアミン誘導体の金属塩；ジカリウム ５−アミノテトラゾールのようなアゾール類のニトロアミン誘導体の金属塩；モノアンモニウム５−アミノテトラゾールのようなアゾール類のニトロアミン誘導体の非金属塩；およびジシアンジアミドのようなグアニジン類；グアニジン硝酸塩のようなグアニジンの塩；ニトログアニジンのようなグアニジン類のニトロ誘導体；アゾジカルボンアミドのようなアゾアミド類；アゾジカルボンアミジン二硝酸塩のようなアゾアミド類の硝酸塩；およびそれらの混合物があげられる。第２の燃料は主要な燃料の共燃料としてこのシステム内で使用することができる。使用される場合には、主要な燃料と組み合わされた第２の燃料はガス生成組成物の約５−５０重量%を構成する。使用される場合には、第２の燃料自身は０−４５重量%、より好ましくは約１５−３０重量％を構成する。

酸化剤成分は、塩基性金属硝酸塩、金属および非金属の硝酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、亜硝酸塩、酸化物、および塩基性銅（ＩＩ）硝酸塩のような過酸化物、硝酸ストロンチウム、硝酸カリウム、亜硝酸カリウム、酸化鉄および酸化銅から選ばれた少なくとも１つの典型的な酸化剤から選ばれる。当業者によって認識されるような他の酸化剤も使用できる。酸化剤はガス生成組成物の約５０−９５重量%で一般に提供される。

ヒュームドシリカ、窒化ホウ素および黒鉛のような加工助剤も使用できる。従って、ガス生成組成物は安全に圧縮されてタブレットにされるか、あるいは強打され粒状にされることができる。加工助剤は、約０−１５重量%、より好ましくは約０−５重量％で一般に提供される。

スラグ形成剤も提供されることができ、シリコン原子のようなシリコン化合物；二酸化ケイ素；ポリジメチルシロキサンのようなシリコーン；ケイ酸カリウムのようなケイ酸塩；タルクおよびクレイのような天然の鉱物および他の既知のスラグ形成剤、から選択することができる。スラグ形成剤は、約０−１０重量%、より好ましくは約０−５重量％で典型的に提供される。

本発明の組成物は、アルドリッチまたはフィッシャーケミカル社のような既存のサプライヤによって提供されるような成分から形成される。組成物は粒状の形態で提供され、公知の方法で乾燥混合し圧縮することができ、または公知の異なる方法で混合することができる。組成物は、エアバッグ装置、乗員保護システム、安全ベルト装置中に典型的に使用されるガス生成装置に使用することができ、または乗り物乗員保護システムのようなガス生成システムで典型的に使用されることができる。すべては公知の方法により製造することができ、また当業者に理解される方法より製造することができる。

図１を参照する。例示的なインフレーターまたはガス生成システム１０は、デュアルチャンバーデザインを有し、本明細書に記載されたようにして生成される主ガス生成組成物１２を含むようにあつらえられる。これは公知の方法で製造することができる。米国特許６，４２２，６０１、６，８０５，３７７、６，６５９，５００、６，７４９，２１９および６，７５２，４２１は典型的なエアバッグインフレーター設計を開示し、それぞれの全体の記載は参照され、本明細書の一部とされる。

図２を参照する。例示的なインフレーターまたは上記のガス生成システム１０は、エアバッグシステム２００内に組み込まれることができる。エアバッグシステム２００は少なくとも１つのエアバッグ２０２、および本発明のガス生成物質組成物１２を含むインフレータ１０を含み、該インフレータはエアバッグの内部と流体連絡可能にエアバッグ２０２と組み合わされる。エアバッグシステム２００は、衝突センサー２１０を含むか、またはこれと接続される。衝突センサー２１０は既知のクラッシュセンサーアルゴリズムを含み、衝突の場合に例えばエアバッグインフレーター１０の活性化によってエアバッグシステム２００の起動の信号を送る。

図２を参照する。エアバッグシステム２００は、安全ベルトアセンブリー１５０のような追加の要素を含む、より広範な、より包括的な乗り物乗員拘束システム１８０に組み入れられることができる。図２は、そのような拘束システムの１つの典型的な実施態様の概略図を示す。安全ベルトアセンブリー１５０は、安全ベルトハウジング１５２および、ハウジング１５２から伸びる安全ベルト１００を含む。安全ベルトリトラクタメカニズム１５４（例えば、ばね式のメカニズム）は、ベルトの端部分に連結されることができる。さらに、衝突の際にリトラクタメカニズムを始動させるために、ガス生成組成物／自動点火組成物１２を含む安全ベルトプリテンショナー１５６がベルトリトラクターメカニズム１５４に連結されることができる。本発明の安全ベルト実施態様と共に使用されることができる典型的なシートベルトリトラクタメカニズムは、米国特許番号５，７４３，４８０、５，５５３，８０３、５，６６７，１６１、５，４５１，００８、４，５５８，８３２および４，５９７，５４６に開示されている。これらの特許は参照され、本明細書の一部として組み込まれる。本発明の安全ベルトの実施態様が組み合わされることができる典型的なプリテンショナーの例は、米国特許番号６，５０５，７９０および６，４１９，１７７に開示されている。これらの特許は参照され、本明細書の一部として組み込まれる。

安全ベルトアセンブリ１５０は、例えばプリテンショナーに組み入れられた火工品イグナイタ（図示せず）の起動によって、ベルトプリテンショナー１５６の起動の信号を発生する既知のクラッシュセンサーアルゴリズムを含む、衝突センサ１５８（例えば慣性センサあるいは加速度計）を含むか、またはこれと接続されることができる。先に参照され、本明細書の一部として組み込まれた米国特許番号６，５０５，７９０および６，４１９，１７７は、そのような方法で始動するプリテンショナーの例を提供する。

安全ベルトアセンブリ１５０、エアバッグシステム２００、およびより広範な乗り物乗員保護システム１８０が例示されるが、本発明により意図されるガス生成システムはこれらに限定されるものではない。

上記の記載は本発明の種々の態様の詳細な説明にすぎず、開示された態様の種々の変更を、本発明の技術範囲を逸脱することなく詳細な説明の記載に基づいて行うことができる。したがって、本明細書の記載は本発明の範囲を何ら制限するものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲およびそれらの均等物により決定される。

図１は、本発明のインフレーターの一般的な構造を示す側断面図である。 図２は、本発明のガス生成組成物を含む典型的な乗り物乗員拘束装置の概要図である。

Claims (14)

1. Ｒ３−Ｒ１−Ｒ２の構造式を有する化合物：
   ここでＲ１は尿素基であり、Ｒ２は尿素基へのＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリル基であり、Ｒ３は尿素基上の遊離窒素に結合した非テトラゾリル、トリアゾリル、複素環、複素環式アミン、脂肪族、脂肪族アミン、アリール基、アルキル、水素あるいは窒素である。
2. 化合物がテトラゾロ尿素または、トリアゾロ尿素である、請求項１記載の化合物。
3. 以下を含む組成物：
   Ｒ３−Ｒ１−Ｒ２の構造式を有する化合物として定義される第一の燃料、ここでＲ１は尿素基であり、Ｒ２は尿素基へのＣ−Ｎ結合を有するテトラゾリル基であり、Ｒ３は尿素基上の遊離窒素に結合されたＣ−テトラゾリル、Ｎ−テトラゾリル、トリアゾリル、複素環トリアジン、複素環式アミン、脂肪族、脂肪族アミン、芳香薬、芳香族アミン、アーリル基、アルキル、アルケニル、アルキニル、水素、またはニトロアミン基であり、
   該燃料は約５−５０重量パーセントで提供される；
   約５０−９５重量パーセントで提供される、塩基性金属硝酸塩、および金属または非金属の硝酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、亜硝酸塩、酸化物および過酸化物から選ばれた酸化剤。
4. さらに以下のものを含む請求項３記載の組成物：
   カルボン酸；アミノ酸；テトラゾール；トリアゾール；グアニジン；アゾアミド；それらの金属と非金属の塩類；およびそれらの混合物から選択される第二の燃料を、約０．１−４５パーセント。
5. 請求項１記載の化合物を含むガス生成システム。
6. 化合物１を含む乗り物乗員保護システム。
7. 請求項３記載の化合物を含むガス生成システム。
8. 請求項３記載の組成物を含む乗り物乗員保護システム。
9. 請求項１記載の化合物を含む組成物。
10. 以下の工程を含む化合物の製造方法：
    ５−アミノテトラゾールおよびトリエチルアミンのアセトニトリル中の溶液を提供する工程であって、５−アミノテトラゾールおよびトリエチルアミンは、ほぼ等モル量で提供され、アセトニトリルは本方法の反応物を可溶するのに十分な量で提供される；
    ０−１０℃に冷却された溶液に、トリエチルアミンの約０．３〜０．４のモル量のトリホスゲンを加える工程；
    混合を撹拌して反応中間体、テトラゾールイソシアネートを形成する工程；
    １当量の５−アミノテトラゾール／トリエチルアミンを加える工程；
    室温から摂氏約８０度まで、室温より高い温度に加熱する工程；
    十分な期間反応物を撹拌し、化合物を形成する工程。
11. 請求項１０記載の方法により形成された化合物。
12. 請求項１１記載の化合物を含むガス生成組成物。
13. 請求項１１記載の化合物を含むガス生成システム。
14. 請求項１１記載の化合物を含む乗り物乗員保護システム。

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