JP2009536146A - 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、Ｒ_３−Ｒ_１−Ｒ_２（ここでＲ_１はニトロ置換基を有するベンゼン環であり、Ｒ_２は、ベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基であり、Ｒ_３は、ベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基）で表される構造を有する化合物。本発明のガス生成組成物において使用される他の燃料としては、メチレンビ（テトラゾール）および２，３−ビス（テトラゾロ）ピラジンが含まれる。化合物を含む製造する方法も提供される。これらの燃料を含むガス生成組成物（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（２００）、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

関連する出願
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、およびたとえば自動車拘束システムのためのガス生成デバイスに使用されるガス生成組成物に関する。

背景技術
本発明は、燃焼に際して比較的少量の固体と、比較的豊富な量のガスを生成するガス生成組成物に関する。進行中の挑戦は、固体の量を減らし、ガスの量を増加させ、それによりインフレーターの濾過の必要条件を低下させるというものである。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。

しかし、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。新規な燃料成分あるいは化合物は、Ｒ_３−Ｒ_１−Ｒ_２（ここでＲ_１はニトロ置換基を有するベンゼン環であり、Ｒ_２は、ベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基であり、Ｒ_３は、ベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基）で表される分子；メチレンビ（テトラゾール）；および２，３−ビス（テトラゾロ）ピラジンである。

任意の第２の燃料は、テトラゾール類およびそれらの塩、トリアゾール類およびそれらの塩、アゾール類およびそれらの塩、グアニジン類およびそれらの塩、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、金属と非金属の硝酸塩、亜硝酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、酸化物、他の既知の酸化剤およびそれらの混合物から選ばれる。

本発明はさらに、ガス生成装置またはガス生成システム、並びに該ガス生成組成物を組み込んだ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、たとえば、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。本発明の方法は次の工程によって記述されることができる：
１．以下の成分を混合するために、完全な混合／溶解のための十分な量の水を反応容器内に提供し、ついで所定モル量のジシアノニトロベンゼン化合物を反応容器内に提供し、成分を混合する。
２． 反応容器内にジシアノニトロベンゼンと等モルの臭化亜鉛を提供し混合する。
３． 反応容器内にジシアノニトロベンゼンの２倍ないし３倍のモル量のアジ化ナトリウムを提供し混合する。
４． 容器内の成分を混合し、約３６時間還流する。
５． 溶液を室温に冷却し、３Ｎ塩酸を加えて酸性化し、白い固体を生成する。
６． 最終の窒素含有化合物は、ＩＲとＤＳＣによって確認されたところ、Ｒ_３−Ｒ_１−Ｒ_２（ここでＲ_１はニトロ置換基を有するベンゼン環であり、Ｒ_２はベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基であり、Ｒ_３はベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基である）の構造を有する分子であると特定された。

以下に示される反応ＩおよびＩＩは、燃料の２つの変化する形態を示す。工程１−３をすべて同時に行うことができることは認識されるだろう。したがって、本発明は燃料の製造を簡単にする１工程反応を企図し、それにより複雑さとコストを減少させる。

次の例は本発明の反応を例証する。
Ｉ） ２，３−ビ（テトラゾロ）ニトロベンゼン

２，３−ビス（テトラゾロ）ニトロベンゼンの合成のための実験手順
２、３−ジシアノニトロベンゼン（約１ｇあるいは約５．７７６ｍｍｏｌ）、アジ化ナトリウム（約．９３８ｇあるいは１４．４４ｍｍｏｌ）および臭化亜鉛（約１．５１３３ｇあるいは５．７７６ｍｍｏｌ）を水の３０ｍＬ中で混合し、混合物を３６時間還流した。
反応物を室温に冷却し、反応混合物を３Ｎ ＨＣｌによって酸性化し、白い固体を生成した。固体をろ過し、次に、１０５℃で乾燥した。下に示されるように、反応生成物の構造はＩＲとＤＳＣによって確認された。当該技術分野において公知の方法で評価した時、反応生成物は比較的高エネルギーで、毎秒０．４インチを越える良好な燃焼速度を示した。
赤外線（ＩＲ）データはテトラゾール環の１５３９ｃｍ^−１、ＮＯ_２の１３４５ｃｍ^−１、ＣＨ_２の２６００−２８００ｃｍ^−１、およびＮ−Ｈストレッチングの３１００ｃｍ^−１を示し、それによって、反応生成物の構造を確認した。示差走査熱量測定法（ＤＳＣ）評価は２４４℃で鋭い発熱を示した。

理論計算：
本発明の燃料／ＰＳＡＮの重量％で、１８／８２の燃料／酸化剤比率とした時、プロペラント酸素バランスは−０．６６であった。この酸素バランスは９６．２％のガス収率に帰着し、プロペラントの１００ｇｍ当たりガス４．０６モルを生産する。

ＩＩ） ３，４−ビ（テトラゾロ）ニトロベンゼン

３，４−ビス（テトラゾロ）ニトロベンゼンの合成のための実験手順
３，４−ジシアノニトロベンゼン（約１ｇあるいは約５．７７６ｍｍｏｌ）、アジ化ナトリウム（約．９３８ｇあるいは１４．４４ｍｍｏｌ）および臭化亜鉛（約１．５１３３ｇあるいは５．７７６ｍｍｏｌ）を水の３０ｍＬ中で混合し、混合物を３６時間還流した。
反応物を室温に冷却し、反応混合物を３Ｎ ＨＣｌによって酸性化し、白い固体を生成した。固体をろ過し、次に、１０５℃で乾燥した。下に示されるように、反応生成物の構造はＩＲとＤＳＣによって確認された。当該技術分野において公知の方法で評価した時、反応生成物は比較的高エネルギーで、毎秒０．４インチを越える良好な燃焼速度を示した。
赤外線（ＩＲ）データはテトラゾール環の１５２９ｃｍ^−１、ＮＯ_２の１３４６ｃｍ^−１、ＣＨ_２の２６００−２８００ｃｍ^−１、およびＮ−Ｈストレッチングの３１００ｃｍ^−１を示した。示差走査熱量測定法（ＤＳＣ）評価は２０９℃で鋭い融点を示し、２１５℃で比較的大きな吸熱を示した。

理論計算：
本発明の燃料／ＰＳＡＮの重量％で、１８／８２の燃料／酸化剤比率の時、プロペラント酸素バランスは−０．３４であった。この酸素バランスは９６．２％のガス収率に帰着し、プロペラントの１００ｇｍ当たりガス４．０６モルを生産する。

ＩＩＩ） メチレン ビ（テトラゾール）

ビス（テトラゾリル）メタン（ＢＴＭ）の合成のための実験手順
マロン酸ニトリル（２０ｇ、３０２．７５ｍｍｏｌ）、アジ化ナトリウム（５９．０３ｇ、９０８．２５ｍｍｏｌ）および臭化亜鉛（７９．０８ｇ、３０２．７５ｍｍｏｌ）が、１Ｌの圧力容器に加えられた。
その後、Ｈ_２Ｏ（４００ｍｌ）およびイソプロパノール（７０ｍｌ）が圧力容器に加えられた。混合物は１７０℃の温度に熱され、８〜１６時間その温度で維持した。
その後、反応混合物は室温に冷却された。その後、混合物は２．５当量のＮａＯＨの追加によって塩基化された。混合物はろ過された。また、得られた濾液はＢＴＭを生成するためにＨＣｌの追加によって酸性化された。物質は文献値を参照して、ＩＲおよびＤＳＣによって確認された。
赤外線（ＩＲ）評価は、テトラゾール環の１５５９ｃｍ^−１、ＣＨ_２の２９１１、２９４１ｃｍ^−１およびＮ−Ｈストレッチングの３０００−３２００ｃｍ^−１を示した。示差走査熱量測定法（ＤＳＣ）の評価は大きな発熱とともに、２１０℃で鋭い融点を示した。

理論計算：
本発明の燃料／ＰＳＡＮの重量％で、２０／８０の燃料／酸化剤比率の時、プロペラント酸素バランスは０．７３であった。この酸素バランスは９６．３％のガス収率に帰着し、プロペラントの１００ｇｍ当たりガス４．０５モルを生産する。

ＩＶ） ２，３−ビス−（１Ｈ−テトラゾール−５−イル）−ピラジン

２，３−ビス−（テトラゾロ）−ピラジンの合成のための実験手順
１００ｍＬ水の中のピラジンジカルボニトリル（２ｇ、１５．３７１６ｍｍｏｌ）、アジ化ナトリウム（２．９９７ｇ、４６．１１４８ｍｍｏｌ）および臭化亜鉛（４．０１５２ｇ、１５．３７１６ｍｍｏｌ）の混合物は、３６時間還流された。
反応物を室温に冷却し、反応混合物を３Ｎ ＨＣｌによって酸性化し、白い固体を生成した。固体をろ過し、次に、１０５℃で乾燥した。反応生成物はＩＲによって確認され、ニトリル基の消失とテトラゾール環の形成を示した。
赤外線（ＩＲ）評価は１４２５ｃｍ^−１（テトラゾール）、Ｃ−Ｈ環の２６００−２８００ｃｍ^−１およびＮ−Ｈストレッチングの３１００ｃｍ^−１を示した。
示差走査熱量測定法（ＤＳＣ）評価は、２７１℃での鋭い発熱を示し、それによりこの化合物の比較的高いエネルギーを確認した。

本発明では、それぞれの燃料は窒素リッチであり、それにより全ガス生成組成物の非金属要素を最大限にする。
反応の中で示されるように、それぞれの燃料は窒素リッチであり、それにより全ガス生成組成物の非金属要素を最大限にする。示された反応生成物は、比較的高エネルギーであり、以下に示される酸化剤と組み合わされたときに、当該技術分野において公知の方法で測定されたときに、毎秒０．４インチを越える良好な燃焼速度を示す。

理論計算：
本発明の燃料／ＰＳＡＮの重量％で、１８／８２の燃料／酸化剤比率の時、プロペラント酸素バランスは−０．６６であった。この酸素バランスは９６．２％のガス収率に帰着し、プロペラントの１００ｇｍ当たりガス４．０６モルを生産する。
従って、本発明はＲ_３−Ｒ_１−Ｒ_２（ここでＲ_１はニトロ置換基を有するベンゼン環であり、Ｒ_２は、ベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基であり、Ｒ_３は、ベンゼン環へＣ−Ｃ結合したテトラゾリル基）の構造を有する化合物；メチレンビ（テトラゾール）；および２，３−ビス（テトラゾロ）ピラジン；である、高エネルギー、窒素リッチな燃料を含むガス生成組成物を包含する。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の金属塩；５，５’−ビス−１Ｈ−テトラゾールのアンモニウム塩のようなアゾールの非金属塩：５−アミノテトラゾールのようなアゾールの硝酸塩；５−アミノテトラゾールのようなアゾール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のニトロ誘導体；アゾジカルボンアミジンのようなアゾアミド類；アゾジカルボンアミド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。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組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 (4)

1. 約５−５０重量%の量で提供される、２，３−ビス（テトラゾロ）ニトロベンゼン、２，３−ビス（テトラゾロ）ニトロベンゼン、ビス（テトラゾール）メタン、および２，３−ビス（テトラゾロ）ピラジンから選択される第１の燃料；
   約５０−９５重量%の量で提供される、塩基性金属硝酸塩、並びに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、酸化物および過酸化物から選択される酸化剤；を含む組成物。
2. カルボン酸類；アミノ酸類；テトラゾール類；トリアゾール類；グアニジン類；アゾアミド類；それらの金属または非金属塩；並びにそれらの混合物から選択される第２の燃料を、約０．１−４５％でさらに含む、請求項４記載の組成物。
3. 請求項１記載の組成物を含むガス生成システム。
4. 請求項１記載の組成物を含む乗り物乗員保護システム。

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