MXPA02004435A

MXPA02004435A - Composiciones generadoras de gas.

Info

Publication number: MXPA02004435A
Application number: MXPA02004435A
Authority: MX
Inventors: Robert S Scheffee
Original assignee: Atlantic Res Corp
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2002-09-02
Also published as: CA2389001A1; US6156137A; EP1240119A1; KR20020059426A; WO2001034536A1; JP2003519613A

Abstract

Se proporcionan composiciones generadoras de gas especialmente utiles como infladores para dispositivos inmovilizadores pasivos protectores (por ejemplo bolsas de aire para vehiculos de motor, rampas de deslizamiento para escape, balsas salvavidas y similares) que incluyen un combustible que contiene nitrogeno y un oxidante que se selecciona de oxido de cobre (II) (CuO), nitrato cuprico, nitrato basico de cobre (Cu (NO3) 2 ? 3Cu (OH) 2), nitrato de estroncio (Sr (NO3) 2) y mezclas de los mismos. De manera mas preferible, el combustible que contiene nitrogeno es dinitrato de azodicarbonamidina (AZODN) o 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitano (CL-20) o ambos. Las composiciones de la presente invencion proporcionan velocidades altas de quemado con exponentes de presion de tasa de quemado aceptables que permiten su operacion a presiones menores, por lo que resulta en el uso de materiales menos costosos, de un peso menor y menor resistencia para diseno y manufactura del recipiente de presion inflador.

Description

COMPOSICIONES GENERADORAS DE GAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona generalmente con infladores para dispositivos tales como inmóvilizadores pasivos protectores o bolsas de aire utilizadas en vehículos de motor, rampas para deslizamiento de escape, balsas para salvar la vida y similares. Más particularmente, la presente invención se relaciona con composiciones generadoras de gas que muestran pocos productos de combustión insolubles.

ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN Muchos dispositivos, tales como los inmóvilizadores pasivos protectores o bolsas de aire utilizados en vehículos de motor, rampas de deslizamiento para escape, balsas para salvar la vida y similares, habitualmente se almacenan en un estado desinflado y se inflan con gas de manera sustancialmente instantánea en el momento en' que se necesita. Tales dispositivos generalmente se almacenan y utilizan cercanos a los humanos, por lo tanto se deben diseñar con un factor alto de seguridad que sea efectivo bajo todas las condiciones ambientales posibles. El inflado a veces está acompañado únicamente por medio de una composición generadora de gas. En otras veces, el inflado es acompañado por medio de un gas, tal como aire, nitrógeno, dióxido de carbono, helio y similar, el cual se almacena bajo presión y presuriza adicionalmente y se suplementa en el momento de uso por la adición de productos de gas de combustión de alta temperatura que se generan por el quemado de una composición generadora de gas . Por supuesto, resulta crítico que la composición generadora de gas sea capaz de almacenamiento seguro y confiable sin descomposición o ignición a temperaturas las cuales probablemente se encuentren en un vehículo de motor u otro ambiente de almacenamiento. Por ejemplo, se han experimentado razonablmente temperaturas tan altas como aproximadamente 107°C (225°F) . También es importante que sustancialmente todos los productos de combustión generados durante el uso sean no tóxicos, no corrosivos, inflamables, particularmente cuando el dispositivo inflador se utiliza en un ambiente cerrado, por ejemplo en un compartimiento de pasajeros de un A* vehículo de motor.

De manera general, la presente invención se relaciona con composiciones generadoras de gas que muestran bajas concentraciones de productos de combustión insolubles. A este respecto, las composiciones generadoras de gas de la presente invención están constituidas en una mezcla sólida de combustible que contiene nitrógeno y un oxidante que se selecciona de óxido de cobre, nitrato de cobre y estroncio y mezclas de los mismos. De manera más preferible, el combustible que contiene nitrógeno es dinitrato de azodicarbonamidina (AZODN) o 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitano, conocido coloquialmente en la técnica como "CL-20", o ambos. El oxidante de manera más preferible es óxido de cobre (II) (CuO) o nitrato de cobre básico (también conocido como trihidroxinitrato de cobre (Cu (N03) 2 • 3Cu (OH) 2) o nitrato de estroncio (Sr(N03)2) • Se ha descubierto que las composiciones de la presente invención proporcionan altas velocidades de quemado con exponentes de presión de velocidad de quemado aceptables lo que permite su operación a presiones menores, lo que resulta en el uso de materiales menos costosos, de menor peso y menos resistentes para el diseño y manufactura del recipiente de presión inflador. De acuerdo con esta invención, el uso de sales de nitrato o de perclorato de azodicarbonamidina y en particular de dinitrato de azodicarbonamidina o hexanitrohexaazaisowurtzitaño (CL-20) y mezclas de los mismos, en combinación con oxidantes tales como óxido de cobre, nitrato básico de cobre, nitrato de estroncio o mezclas de los mismos, y opcionalmente un aglutinante para proporcionar integridad estructural, resulta en composiciones propelentes heterogéneas que proporcionan un mayor gasto de gas total y una menor concentración de productos de combustión sólidos insolubles, en comparación a cuando se utilizan oxidantes con combustibles de la técnica anterior tales como nitrato de guanídina, nitrato de aminoguanidina, nitroguanidina, dinitrato de etilendiamina, ciclotrimetilentrinitramina (RDX) , ciclotetrametilentetranitramina (HMX) y diversos derivados de tetrazol tales como 5-aminotetrazol, bitetrazol de diaminio y 5-aminotetrazol de potasio. 'Como se discute en lo anterior, y de acuerdo con la presente invención, una ventaja diferente resulta del uso 'de dinitrato de azodicarbonamidina (AZODN) o hexani rohexaazaiso urtzitaño (CL-20), o ambos, como el componente de combustible principal debido a que la sal del ácido nítrico de azodicarbonamidina y CL-20 tienen un equilibrio de oxígeno significtivamente mejor en comparación con los combustibles convencionales. Este equilibrio mejorado de oxígeno por lo tanto permite el uso de una concentración significativamente menor de oxidante para mantener la estequiometría apropiada para quemado a productos de combustión gaseosos sustancialmente inocuos que consisten de dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua. Además, debido a que se requiere una menor concentración de oxidante sólido, se forma una concentración menor asociada de productos de combustión sólidos sustancialmente insolubles y susceptibles de formar clinker cuando se comparan con formulaciones de la técnica anterior. Debido a que se forma una concentración menor de productos de combustión sólidos, se puede llevar a cabo una filtración aceptable de los productos sólidos los cuales no forman clinker y no son atrapados en la cámara de combustión mediante el uso de menos tamices mecánicos u otro medio de filtrado dentro del inflador, y aún así retener una susceptibilidad disminuida para iniciar una reacción asmática por parte del ocupante del vehículo. Las composiciones generadoras de gas de esta invención son particularmente útiles cuando se utilizan en sistemas de inmovilización pasivos inflables para el ocupante del vehículo (por ejemplo sistema de bolsa de aire) . Por lo tanto, las composiciones de esta invención se utilizan como un monopropelente, combustible o ingrediente de combustible parcial para uso en sistemas de inflado híbridos, propelentes de bolsa de aire, combinaciones de propelente de bolsa de aire múltiple, mezclas de ignición y composiciones de pildoras de autoignición (AIP) . Estos y otros aspectos y ventajas de la presente invención se volverán más evidentes después de que se realice una consideración cuidadosa de la siguiente descripción detallada de las modalidades ejemplares preferidas de la misma.

DESCRIPCIÓN BREVE DEL DIBUJO ANEXO La figura 1 muestra los trazos de presión-tiempo balísticos para una composición generadora de gas pirotécnica sólida identificada como Cl en la Tabla 2 que sigue.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las composiciones de la presente invención necesariamente 'incluirán combustible que contiene nitrógeno. De manera más preferible, el combustible es AZODN, CL-20 o una mezcla de los mismos. El combustible estará presente en las composiciones de esta invención en una cantidad entre aproximadamente 5% en peso y aproximadamente 95% en peso y de manera más preferible entre aproximadamente 50% en peso a aproximadamente 90% en peso. Las composiciones de la presente invención también contendrán un oxidante que se selecciona de óxido de cobre (II) (CuO) , nitrato cúprico, nitrato básico de cobre (Cu (N03) 2 • 3Cu (OH) 2) , nitrato de estroncio (Sr(N03)2) y mezclas de los mismos . El oxidante estará presente en las composiciones de esta invención en una cantidad entre aproximadamente 10% en peso y aproximadamente 60% en peso, y de manera más preferible entre aproximadamente 20% en peso y aproximadamente 60% en peso. Se pueden utilizar en las composiciones de esta invención virtualmente cualquier aditivo utilizado convencionalmente en composiciones generadoras de gas tales como _ aglutinantes, auxiliares de procesamiento, aditivos balísticos, catalizadores de velocidad de quemado, refrigerantes, formadores de escoria, oxidantes auxiliares, combustibles múltiples y similares. Los ejemplos de oxidantes auxiliares incluyen nitratos, nitritos, percloratos, cloratos, cloritos, óxidos, peróxidos, superóxidos, carbonatos, hidróxidos, sulfatos, persulfatos, permanganatos, cromatos y dicromatos no metálicos, de metal alcalino, de metal alcalinotérreo, lantánidos, tierras raras, metales de transición y complejos de metales de transición y mezclas de cualquiera de ellos. Un ejemplo específico de un oxidante complejo con un metal de transición incluye nitrato de hexamina cobalto (III) . Los ejemplos de combustibles auxiliares los cuales se pueden utilizar incluyen derivados y sales de guanídina, aminoguanidina, diaminoguanidina, triaminoguanidina, triazinas, triazoles, tetrazoles, bitetrazoles, azotetrazoles, aminas, poliaminas, nitraminas lineales y cíclicas, amidas, poliamidas tales como azodicarbonamida, hidrazidas, tetrazinas tales como 3, 6-dihidrazino-s-tetrazina y mezclas de las mismas. Un ejemplo de una triazina incluye trihidrazinotriazina. Las composiciones de esta invención pueden estar no catalizadas (es decir, la composición carece de un catalizador de combustión) o pueden estar catalizadas. Esto es, la composición puede incluir una cantidad • _. efectiva catalizante de combustión, de un catalizador de combustión. Un catalizador de combustión preferido que se puede utilizar en las composiciones de esta invención es ftalocianina de. cobre (CuP) . Si se utiliza, el catalizador preferiblemente estará presente en un intervalo entre aproximadamente 0.1% en peso y aproximadamente 5.0% en peso.

Las composiciones se pueden utilizar en forma de polvos, granulos, granos o pellas moldeadas por compresión. Las composiciones se utilizan de manera más preferible en forma de una mezcla sólida moldeada por compresión de los componentes indicados antes . A este respecto, las composiciones de esta manera incluirán más preferiblemente un aglutinante polimérico en una cantidad suficiente para unir los componentes en una forma sólida (por ejemplo, pella) . El aglutinante por lo tanto, habitualmente estará presente en una cantidad, en base en el peso total de la composición, de entre aproximadamente 1.0 y aproximadamente 6.0% en peso y preferiblemente entre aproximadamente 2.0 y aproximadamente 4.0% en peso. Los ejemplos de aglutinantes incluyen acetato de polivinilo (PVAC) , acetato y butirato de celulosa (CAB) y poli (carbonatos de alquileno) . Los aglutinantes preferidos son aquéllos disponibles comercialmente de poli (carbonatos de alquileno) de Pac Polymers, Inc. como Q-PAC" 40, un copolímero de poli (carbonato de propileno) y Q-PAC" 25, un copolímero de poli (carbonato de etileno), o mezclas de los mismos. La presente invención se comprenderá mejor a partir de los siguientes ejemplos no limitantes.

EJEMPLOS Ejemplo 1 Se combina nitrato de cobre básico (trihidroxi nitrato de cobre) con cada uno de los componentes de combustible que se indican a continuación en la Tabla 1, para obtener composiciones binarias. Se llevan a cabo cálculos teóricos para las composiciones binarias de la Tabla 1 a una presión de combustión de 34,474 kPa (5000 psia) y una relación de 0.95. Los resultados se resumen en la Tabla 1. En la Tabla 1 a continuación, se utilizan las siguientes abreviaturas: PVAC = acetato de polivinilo CAB = acetato y butirato de celulosa „ - QPAC = poli (carbonato de alquileno) 5-AT = 5-aminotetrazol GN = nitrato de guanidina vA_ZODN = dinitrato de azodicarbonamidina - - Tabla 1 La totalidad de las cenizas en las composiciones indicadas en la Tabla 1 anterior es cobre elemental debido a que no es un agente reductor suficientemente fuerte para reducir C02 o H20. Como se puede ver, la composición F es la mejor en términos de alto rendimiento de gas y pocas cenizas.

- - Ejemplo 2 La Tabla 2 a continuación proporciona ejemplos de composiciones propelentes, de acuerdo con la presente invención y algunas de sus propiedades físicas respectivas.

TABLA 2 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DE LOS PROPELENTES GENERADORES DE GAS AZODN DE ALTA VELOCIDAD DE QUEMADO Composición, % en peso Cl C2 C3 Dínitrato de azodicarbo-namidina 68.66 60.15 67.00 Nitrato de estroncio 28.34 óxido de cobre (II) 39.85 Nitrato de cobre básico 31.00 Aglutinante de carbonato de polialquileno 3.00 2.00 Productos de combustión; Productos gaseosos de reacción 83 . 70 72 . 30 83 . 00 Moles de gas por 100 g 3 . 5 2 . 7 3 . 1 Productos de reacción sólidos : 16 . 30 27 . 70 17 . 00 Propiedades balísticas; Velocidad de quemado, 6895 kPa (1000 Psi) , ips 0.50 0.80 0.64 Exponente de presión, n: 0.48 0.63 0.51 Estudios de resistencia a la compresión de pellas; Valores iniciales de tensión, 27220 26386 en kPa (psi) : (3948) (3827) Envejecimiento a 107 °C, 21422 25531 400 h, kPa (psi) (3107) (3703) Temperatura, ciclado, 200 ciclos, 40/l07°C, 36253 28144 kPa (psi) (5258) (4082) Propiedades de peligro: Umbral Línea verde Línea verde Línea verde Impacto: >45 kgcm >50 kgcm >45 kgcm Fricción, ABL: Neg>689kPa Neg>12410 kPa Neg>689 kPa ( 100 psi) @90° (1800 psi) @90° (lG0 Psi) @9Q° Carga electrostática Negativa Negativa Negativa > 1.4 Joules >6 Joules > 1.4 Joules La figura 1 muestra los resultados balísticos de presion-tiempo para la composición generadora de gas pirotécnica sólida que consiste de dinitrato de azodicarbonamidina, nitrato de estroncio y aglutinante de carbonato de polialquileno identificado como composición Cl en la Tabla 2 anterior, cuando se evalúa en una unidad infladora PD-67 "toda piro" (Atlantic Research Corporation, Gainesville, VA) a condiciones de temperatura ambiente (+21°C) y condiciones de baja temperatura (-40°C) . Se observará que el propelente proporciona los resultados deseados respecto al tiempo de ignición, tiempo de acción, presión infladora, presión del tanque, velocidad de producción de gas y producción total de gas . Aunque la invención se ha descrito en relación con lo "que actualmente se considera la modalidad más práctica y preferida, debe entenderse que la invención no se limita a las modalidades descritas, sino por el contrario, se pretende que abarque diversas modificaciones y disposiciones equivalentes incluidas dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas .

Claims

REIVINDICACIONES 1, Una composición generadora de gas, que comprende una mezcla sólida de un combustible que contiene nitrógeno y un oxidante que se selecciona de óxido de cobre (II) , nitrato cúprico, nitrato de cobre básico, nitrato de estroncio y mezclas de los mismos. 2. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el combustible que contiene nitrógeno es dinitrato de azodicarbonamidina o 2, 4 , 6, 8 , 10, 12-hexnitro-2,4, 6, 8, 10, 12-hexaazaisowurtzitano, o ambas. 3. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el oxidante está presente en una cantidad entre aproximadamente 10% en peso y aproximadamente 60% en peso. 4. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque el combustible está presente en una cantidad entre aproximadamente 5% en peso y aproximadamente 95% en peso. -5. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el oxidante está presente en una cantidad entre aproximadamente 20% en peso y aproximadamente 60% en peso. 6. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el combustible está presente en una cantidad entre aproximadamente 50% en peso y aproximadamente 90% en peso. 7. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque comprende además un material aglutinante. 8. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivin _d.icación 7, caracterizado porque el material aglutinante es un poli (carbonato de alquileno)' . 9. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el material aglutinante es poli (carbonato de propileno) o poli (carbonato de etileno) . 10. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque i el material aglutinante está presente en una cantidad entre aproximadamente 1.0 y aproximadamente 60% en peso. 11. Una composición generadora de gas, caracterizada porque comprende una mezcla sólida de: entre aproximadamente 50 y aproximadamente 90% en peso de dinitrato de azodicarbonamidina; entre aproximadamente 20 y aproximadamente 60% en peso de un oxidante el cual es por lo menos uno que se selecciona del grupo que consiste de óxido de cobre (II), nitrato cúprico, nitrato básico de cobre y nitrato de estroncio; y elitre aproximadamente 1.0 y aproximadamente 6.0% de un material aglutinante de poli (carbonato de alquileno) . '12- La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque el material aglutinante es poli (carbonato de propileno) o poli (carbonato de etileno), o ambas. - - 13. La composición generadora de gas, de conformidad __ con la reivindicación 1 u 11,' caracterizada porque comprende además un catalizador de combustible. 14. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el catalizador de combustión es ftalocianina de cobre . 15. La composición generadora de gas, de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque el catalizador de combustión está presente en una cantidad entre aproximadamente 0.1 y aproximadamente 5.0% en peso. 16. Un inflador para un dispositivo inmovilizador pasivo protector, caracterizado porque comprende una composición generadora de gas, de _ •* conformidad con las reivindicaciones 1 u 11.