KR20020059426A - 가스 발생 조성물 - Google Patents

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Abstract

자동 방호 장치 (예를 들면, 자동차 에어백, 비행기 탈출용 슈트, 구명 땟목 등)의 팽창기에서 특히 유용한 가스발생 조성물은 질소-함유 연료, 및 산화 구리(Ⅱ) (CuO), 질산 제2 철, 염기성 질산구리 질산염 (Cu(NO)3)2.3Cu(OH)2), 질산스트론튬 (Sr(NO3)2) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화제를 포함한다. 가장 바람직한 질소-함유 연료는 아조디카르본아미딘 디나이트레이트(AZODN) 및/또는 2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소부르치탄 (CL-20)이다. 본 발명의 조성물은 저압에서 작동할 수 있을 정도로 허용가능한 연소율 압력 지수를 갖는 연소율을 제공함으로써 팽창기 압력 용기를 디자인하고 제조할때 저가, 저중량 및 저강도 물질을 사용할 수 있다.

Description

가스 발생 조성물 {Gas generative compositions}
발명의 배경기술 및 개요
자동차에서 사용되는 자동 방호 장치 또는 에어백, 비행기 탈출용 슈트, 구명 땟목 등과 같은 여러 가지 장치는 통상 수축된 상태에서 보관되다가 필요시 가스에 의해 자발적으로 팽창된다. 이러한 장치는 통상 사람 가까이에서 보관되었다가 사용되기 때문에 예상될 수 있는 어떠한 주변 상황 하에서도 효과적인 안전 요소들을 고려해서 디자인하여야 한다.
팽창은 대개 가스 발생 조성물에 의해서만 이루어진다. 다른 경우에, 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 등과 같은 가스에 의해 팽창되는데, 이러한 가스는 가압하에서 저장되며 가스 발생 조성물이 연소되면서 발생시키는 고온 연소 가스 생성물의 첨가에 의해 사용시 더 가압되고 보강된다.
가스 발생 조성물은 자동차의 구동 온도나 기타 보관 환경 온도에서 분해되거나 점화되지 않고 안전하고 믿을만하게 보관될 수 있어야 한다는 것이 중요한 것은 당연하다. 예를 들면, 약 107℃ (225℉)와 같이 높은 온도도 해당될 수 있다. 특히, 팽창 장치가 자동차의 승차석과 같이 밀폐된 환경에서 사용되는 경우에 사용중 발생하는 실질적으로 모든 연소 생성물은 무독성, 비부식성, 비화염성이어야 한다는 것이 중요하다.
광의적으로 보면, 본 발명은 저농도의 불용성 연소 생성물을 나타내는 가스 발생 조성물에 관한 것이다. 이 점에 있어서, 본 발명의 가스 발생 조성물은 질소-함유 연료와, 구리의 산화물, 구리와 스트론튬의 질산염 및 이들의 혼합물로부터 선택된 산화제의 고체 혼합물로서 구현된다. 보다 바람직하게는, 질소-함유 연료는 아조디카르본아미딘 디나이트레이트(AZODN) 및/또는 2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소부르치탄(hexaazaisowurtzitane) (통상은 "CL-20"으로 알려져 있음)이다. 산화제는 가장 바람빅하게는 산화구리(Ⅱ) (CuO) 및/또는 염기성 질산구리 (또는 구리 트리히드록시나이트레이트(Cu(NO3)2 3Cu(OH)2로 알려져 있음) 및/또는 질산스트론튬 (Sr(NO3)2이다.
본 발명의 조성물은 저압에서 작동할 수 있을 정도로 허용가능한 연소율 압력 지수를 갖는 연소율을 제공함으로써 팽창기 압력 용기를 디자인하고 제조할때 저가, 저중량 및 저강도 물질을 사용할 수 있다는 것을 발견하게 되었다. 본 발명에 따라서, 아조디카르본아미드의 질산염 및 과염소산염, 특히 아조디카르본아미딘 디나이트레이트 또는 헥사니트로헥사아자이소부르치탄 (CL-20) 및 그의 혼합물을,산화구리, 염기성 질산구리, 질산스트론튬 또는 그의 혼합물과 같은 산화물 및 임의로는 구조적 일체성(structural integrity)을 제공하는 바인더와 합하여 사용하면, 상기 산화제를 구아니딘 나이트레이트, 아미노구아니딘 나이트레이트, 니트로구아니딘, 에틸렌디아민 디나이트레이트, 싸이클로트리메틸렌트리나이트라민(RDX), 사이클로테트라메틸렌테트라나이트라민(HMX), 및 5-아미노테트라졸, 디암모늄 비테트라졸 및 포타슘 5-아미노테트라졸과 같은 각종 테트라졸 유도체와 같은 종래의 연료와 함께 사용하는 경우에 비하여 총 가스 생성량이 더 많고 불용성 고체 연소 생성물의 농도는 더 낮은 이종 추진제 조성물(heterogeneos propellant composition)이 얻어진다.
전술한 바와 같이, 그리고 본 발명에 따르면, 뚜렷한 잇점은 아조디카르본아미딘 디나이트레이트(AZODN) 및/또는 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(CL-20)을 주요 연료 성분으로서 사용하는데서 비롯되는데, 이는 아조디카르보아미딘과 CL-20의 질산염이 종래의 연료에 비해서 현저하게 높은 산소 발란스를 갖기 때문이다. 이처럼 개선된 산소 발란스로 인해 현저하게 낮은 농도의 산화제로도 이산화탄소, 질소 및 수증기로 이루어진 실질적으로 무독성인 가스상 연소 생성물로 연소시키는 적당한 화학량론을 유지할 수 있다. 또한, 저농도의 고체 산화물이 요구되기 때문에, 이와 연관되어 실질적으로 불용성이고 클링커 형성가능한 고체 연소 생성물이 종래의 제제에 비해 더 낮은 농도로 형성된다. 생성되는 고체 연소 생성물의 총 농도가 더 낮기 때문에, 연소 챔버에서 트랩핑되지 않고 클링크하지도 않는 고체 생성물의 허용가능한 여과는 팽창기 내에 있는 소수의 기계식 스크린 또는 다른 여과매질에의해 쉽게 이루어지며, 차량의 승차석에서 천식 반응이 개시될 가능성도 낮아진다.
본 발명의 가스 발생 조성물은 팽창가능한 자동 방호 시스템 (예를 들면, 에어백 시스템)에 채용할 경우 특히 유용하다. 즉, 본 발명의 조성물은 단일추진제, 하이브리드 팽창 시스템용 연료 또는 일부 연료 성분, 에어백 추진제, 멀티플 에어백 추진성 배합물, 점화제 혼합물 및 자동 점화 필(auto ignition pill: AIP) 조성물로서 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 대한 하기의 상세한 설명을 들어 본 발명의 상기 태양과 잇점 및 기타의 태양과 잇점을 상술할 것이다.
본 발명은 일반적으로는 자동차에서 사용되는 자동 방호 장치 (protective passive restraints) 또는 에어백, 비행기 탈출용 슈트, 구명 땟목 등과 같은 장치의 팽창기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 불용성 연소 생성물의 발생량이 적은 가스 발생 조성물에 관한 것이다.
도 1은 하기 표 2에 개시한 고체형 피로테크닉 가스 발생 조성물에 대한 탄도 압력-시간 기록을 나타낸 것이다.
하기의 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명할 것이나, 이들 실시예가 본 발명을 제한하지는 않는다.
본 발명의 조성물은 질소 함유 연료를 필수성분으로 포함한다. 보다 상세하게는, 상기 연료는 AZODN, CL-20 및 그의 혼합물이다. 이 연료는 약 5중량% 내지 약 95중량%, 보다 바람직하게는 약 50중량% 내지 약 90중량%의 양만큼 본 발명의 조성물에 존재한다.
또한, 본 발명의 조성물은 산화구리(Ⅱ) (CuO), 질산제2철, 염기성 질산구리 (Cu(NO3)2 3Cu(OH)2), 질산스트론튬 (Sr(NO)3)2) 및 그의 혼합물을 포함할 수도 있다. 산화제 함량은 약 10중량% 내지 약 60중량%, 및 보다 바람직하게는 약 20중량% 내지 약 60중량%이다.
바인더, 공정조제(processing aids), 탄도 첨가제, 연소율 촉매, 냉매, 슬래그 형성제, 보조 산화제, 복합 연료 등과 같이 종래로부터 가스 발생 조성물에 사용되는 거의 모든 첨가체를 본 발명의 조성물에도 사용할 수 있다.
보조 산화제의 예로는 비금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 란탄족 원소, 희토류 금속, 전이금속 및 전이금속 복합 질산염, 아질산염, 과염소산염, 염소산염, 아염소산염, 산화물, 과산화물, 초과산화물, 탄산염, 수산화물, 황산염, 과황산염, 과망간산염, 크롬산염, 중크롬산염, 및 이들의 혼합물이 있다. 전이 금속 복합 산화제의 구체적인 일예에는 헥사민 코발트 (Ⅲ) 질산염이 있다.
보조 연료의 예로는 구아니딘, 아미노구아니딘, 디아미노구아니딘, 트리아미노구아니딘, 트리아진. 트리아졸, 테트라졸, 비테트라졸, 아조테트라졸, 아민, 폴리아민, 선형 및 고리형 나이트라민, 아미드, 아조디카르본아미드 같은 폴리아미드, 히드라지드, 3,6-디히드라지노-s-테트라진 같은 테트라진, 및 그의 혼합물이 포함될 수 있다. 트리아진의 예로는 트리히드라지노트리아진이 포함된다.
본 발명의 조성물은 비촉매화 (즉, 조성물에 연소 촉매가 들어있지 않다)되거나 촉매화될 수 있다. 즉, 본 조성물은 연소 촉매화시킬 수 있는 유효한 양의 연소 촉매를 포함할 수 있다. 본 발명의 조성물에서 사용될 수 있는 하나의 바람직한 연소 촉매는 구리 프탈로시아닌(CuP)이다. 사용될 경우에는, 촉매 함량은 약 0.1중량% 내지 약 5.0중량% 범위일 수 있다.
본 조성물은 분말, 과립, 그레인 또는 압착성형된 펠릿의 형태로 사용될 수 있다. 본 조성물은 가장 바람직하게는 전술한 성분들을 압축성형한 고형 혼합물의 형태로 사용될 수 있다. 이와 관련해서 보면, 본 조성물은 가장 바람직하게는 성분들을 고체 형태 (예를 들면, 펠렛)로 결합시키기에 충분한 양의 폴리머 바인더를포함한다. 이 바인더는 조성물의 전체 중량을 기준으로 하여 약 1.0 내지 약 6.0중량%, 바람직하게는 약 2.0 내지 약 4.0중량%의 양만큼 존재할 수 있다. 바인더의 예로는 폴리비닐 아세테이트 (PVAC), 셀룰로스 아세테이트 부티레이트(CAB) 및 폴리(알킬렌 카르보네이트)가 있다. 바람직한 바인더는 Q-PAC40 (Pac Polymers Inc. 제품)이라는 상품명으로 시판되는 폴리(알킬렌 카르보네이트), 폴리(프로필렌 카르보네이트)코폴리머, 및 Q-PAC25, 폴리(에틸렌 카르보네이트)코폴리머, 또는 이들의 혼합물이다.
실시예 1
염기성 질산구리 (트리히드록시질산구리)를 하기 표 1에 나타낸 각 연료 성분과 합하여 2원 조성물을 수득하였다. 5000psia의 연소 압력 및 0.95의 산화율에서 표 1의 2원 조성물의 이론값을 계산하였다. 결과를 하기 표 1에 요약하였다.
하기 표 1에서 사용된 약어의 정의는 다음과 같다:
PVAC = 폴리비닐 아세테이트
CAB = 셀룰로스 아세테이트 부티레이트
QPAC = 폴리(알킬렌 카르보네이트)
5-AT = 5-아미노테트라졸
GN = 아미노구아니딘 나이트레이트
AZODN = 아조디카르본아미딘 디나이트레이트
[표 1]
샘플 바인더 및/또는 연료 함량 (중량%) Tc, °K 가스 (c/cmw) 애쉬, 중량 %
A PVAC 15.152 1542 2.0653 44.9
B CAB 17.669 1544 2.0200 43.6
C QPAC 20.704 1488 2.0606 42.0
D 5-AT 32.773 2023 3.4795 35.6
E GN 57.067 1868 3.1519 22.7
F AZODN 74.091 2575 3.2897 13.7
상기 표 1에 나타낸 조성물 중의 애쉬는 모두 원소 구리인데, 이것은 CO2또는 H2O를 환원시키기에 충분히 강력한 환원제가 아니다. 기체 방출량이 많고 애쉬량은 적다는 점에서 조성물 F가 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다.
실시예 2
하기 표 2는 본 발명에 따른 추진제 조성물의 예들과 그 각각의 물리적 특성을 나타낸다.
[표 2]
고연소율의 AZODN 가스 발생 추진제의 조성과 특성
C1 C2 C3
조성 (중량%)
아조디카르본아미딘 디나이트레이트 68.66 60.15 67.00
질산스트론튬 28.34 ----- -----
산화구리 (Ⅱ) ----- 39.85 -----
염기성 질산구리 ----- ----- 31.00
폴리알킬렌 카르보네이트 바인더 3.00 ----- 2.00
연소 생성물
가스상 반응 생성물 83.70 72.30 83.00
100그램당 가스의 몰수 3.5 2.7 3.1
고체상 반응 생성물 16.30 27.70 17.00
탄도 특성
연소율, 1000psi, ips 0.50 0.80 0.64
압력 지수, n: 0.48 0.63 0.51
펠릿크러쉬 강도 연구
기준선, 응력, psi 3948 ----- 3827
107℃, 400시간에서의 연대 (psi) 3107 3703 -----
싸이클링 온도, 200싸이클, 40/107℃, psi 5258 4082 -----
위험 특성
역치(threshold) 그린 라인 그린 라인 그린 라인
충격 >45㎏㎝ >50㎏㎝ >45㎏㎝
마찰. ABL Neg>100psi@90℃ Neg>1800psi@90℃ Neg>100psi@90℃
정전기 방전 Neg>1.4 joules Neg>6 joules Neg>1.4 joules
도 1은 아조디카르본아미딘 디나이트레이트, 질산스트론튬 및 폴리알킬렌 카르보네이트 바인더로 이루어진 고체형 피로테크닉 가스 발생 조성물 (표 2, Cl)을 주변온도 (+21℃) 및 저온 (-40℃) 조건에서 "얼 피로 (all pyro)" PD-67 인플레이터 유닛 (Atlantic Research Corporation, Gainesville, VA)에서 평가했을 때의 탄도 압력-시간 결과를 나타낸다. 이 추진제는 점화시간, 작용시간, 팽창압력, 탱크압력, 가스생성율, 및 총 가스 생성량의 면에서 바람직한 결과는 나타내는 것을 알 수 있다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 구현예일 것으로 여겨지는 것과 관련하여 개시하였지만, 이들 구현예들로만 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되는 각종 변형예 및 등가물을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (16)

  1. 질소-포함 연료, 및 산화구리(Ⅱ), 질산 제2철, 염기성 질산구리, 질산스트론튬 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산화제의 고체상 혼합물을 포함하는 가스 발생 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질소-함유 연료가 아조디카르본아미딘 디나이트레이트 및/또는 2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소부르치탄인 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 산화제가 약 10중량% 내지 약 60중량%의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연료가 약 5중량% 내지 약 95중량%의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  5. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 산화제가 약 20중량% 내지 약 60중량%의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료가 약 50중량% 내지 약 90중량%의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 바인더 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 바인더 물질이 폴리(알킬렌 카르보네이트)인 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 바인더 물질이 폴리(프로필렌 카르보네이트) 및/또는 폴리(에틸렌 카르보네이트)인 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  10. 제7항에 있어서, 상기 바인더 물질이 약 1.0 내지 약 6.0중량%의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  11. 아조디카르본아미드 디나이트레이트 약 50 내지 약 90중량%;
    산화구리 (Ⅱ), 질산 제2 철, 염기성 질산구리 및 질산스트론튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 산화제 약 20 내지 약 60중량%; 및
    약 1.0 내지 약 6.0중량%의 폴리(알킬렌 카르보네이트)바인더 물질 약 1.0 내지 6.0중량%의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  12. 제11항에 있어서, 상기 바인더 물질이 폴리(프로필렌 카르보네이트) 및/또는 폴리(에틸렌 카르보네이트)인 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  13. 제1항 또는 11항에 있어서, 연소 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 연소 촉매가 구리 프탈로시아닌인 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연소 촉매가 약 0.1 내지 약 5.0중량%의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 발생 조성물.
  16. 제1항 또는 11항에 따른 가스 발생 조성물을 포함하는 자동 방호 장치용 팽창기.
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