CHARGEMENTS PYROTECHNIQUES SOLIDES GENERATEURS DE GAZ A BASE DE COMPOSITION CONTENANT DE L'EAUSOLID PYROTECHNIC LOADS GAS GENERATORS BASED ON COMPOSITION CONTAINING WATER
La présente invention se rapporte au domaine des compositions pyrotechniques génératrices de gaz froids, non toxiques et exempts de résidus solides. Plus précisément 1 ' invention concerne le domaine des compositions pyrotechniques composites à structure amorphe comprenant un ou plusieurs oxydants et un liant organique à l'état de gel. Les compositions selon 1 » invention conviennent bien pour constituer des chargements destinés à gonfler des coussins de protection ou à assurer le fonctionnement d'un extincteur pyrotechnique.The present invention relates to the field of pyrotechnic compositions generating cold gases, non-toxic and free of solid residues. More precisely, the invention relates to the field of composite pyrotechnic compositions with an amorphous structure comprising one or more oxidants and an organic binder in the gel state. The compositions according to 1 'invention are well suited to form loads to inflate protective cushions or to ensure the operation of a pyrotechnic extinguisher.
Pour de nombreuses applications comme la sécurité automobile ou la lutte contre les incendies sont recherchées des compositions pyrotechniques génératrices de gaz froids, non toxiques et exempts de résidus solides. On entend par gaz "froids" des gaz qui sont produits à une température inférieure à environ 1800°C.For many applications such as automobile safety or fire fighting, pyrotechnic compositions are sought which generate cold gases, non-toxic and free of solid residues. The term "cold" gases means gases which are produced at a temperature below about 1800 ° C.
Par ailleurs l'homme de métier souhaite, dans ces domaines d'applications, pouvoir disposer de compositions pouvant être fabriquées et mises en forme par des procédés continus.Furthermore, those skilled in the art wish, in these fields of application, to be able to have available compositions which can be manufactured and shaped by continuous processes.
Pour obtenir des gaz froids et exempts de résidus solides, l'homme de métier a recherché à développer des propergols liquides constitués par des solutions aqueuses de composés comme le nitrate d'hydroxylammonium, le nitrate de triéthanolammonium, le nitrate d'aminotétrazole, le nitrate d'aminotriazole, le nitrate d'urée, le nitrate de biuret, etc..
De tels propergols liquides sont par exemple décrits dans les brevets US 5,060,973 et US 5,684,269.To obtain cold gases and free of solid residues, the skilled person sought to develop liquid propellants consisting of aqueous solutions of compounds such as hydroxylammonium nitrate, triethanolammonium nitrate, aminotetrazole nitrate, nitrate aminotriazole, urea nitrate, biuret nitrate, etc. Such liquid propellants are for example described in US Patents 5,060,973 and US 5,684,269.
Néanmoins ces propergols liquides nécessitent des générateurs de gaz adaptés, dont la structure est complexe et qui sont d'un prix de revient élevé.However, these liquid propellants require suitable gas generators, whose structure is complex and which are of a high cost price.
Dans le domaine des chargements solides l'homme de métier a cherché à développer dans ce but des compositions composites constituées par un liant comme l'alcool polyvinylique et par des eutectiques solides à base de nitrate d'ammonium et de nitrates de guanidine ou d'aminoguanidine en présence de nitrate ou de perchlorate de potassium. Ces compositions qui sont par exemples décrites dans la demande PCT WO 97/46502 présentent cependant le double inconvénient de ne pas se prêter à une mise en oeuvre en continu puisqu'elles sont mises en forme par compression et, par ailleurs, de fournir des gaz encore relativement chauds.In the field of solid loads, the skilled person has sought to develop for this purpose composite compositions constituted by a binder such as polyvinyl alcohol and by solid eutectics based on ammonium nitrate and guanidine nitrates or aminoguanidine in the presence of potassium nitrate or perchlorate. These compositions, which are for example described in PCT application WO 97/46502, however have the double drawback of not being suitable for continuous use since they are shaped by compression and, moreover, to supply gases. still relatively warm.
Enfin dans le domaine de la propulsion solide il a été proposé, par exemple par le brevet US 5,386,777, des chargements solides constitués par un enroulement de feuilles d'alcool polyvinylique imprégnées par un eutectique liquide à base des nitrates précédemment cités, les dits chargements contenant en plus de l'aluminium comme réducteur. Comme la technique précédemment mentionnée, cette solution fournit des gaz trop chauds et ne se prête pas à une mise en oeuvre en continu.Finally, in the field of solid propulsion, solid loads consisting of a winding of polyvinyl alcohol sheets impregnated with a liquid eutectic based on the abovementioned nitrates have been proposed, for example by US Pat. No. 5,386,777, said loads containing in addition to aluminum as a reducing agent. Like the previously mentioned technique, this solution provides excessively hot gases and is not suitable for continuous use.
Il existe donc un besoin non satisfait de compositions pyrotechniques solides qui fournissent par combustion des gaz "froids", non toxiques et exempts de résidus solides et qui puissent être fabriquées et mises en forme en continu.
L'objet de la présente invention est précisément de répondre à ce besoin.There is therefore an unmet need for solid pyrotechnic compositions which supply by combustion "cold" gases, non-toxic and free from solid residues and which can be manufactured and shaped continuously. The object of the present invention is precisely to meet this need.
L'invention concerne donc des compositions pyrotechniques solides produisant par combustion des gaz exempts de résidus solides et constituées par au moins un liant organique à effet gélifiant et par au moins un système oxydant principal en phase liquide absorbée par le dit liant, les dites compositions étant caractérisées en ce que :The invention therefore relates to solid pyrotechnic compositions producing by combustion gases free of solid residues and constituted by at least one organic binder with gelling effect and by at least one main oxidizing system in liquid phase absorbed by said binder, said compositions being characterized in that:
i) le dit liant organique à effet gélifiant est choisi dans le groupe constitué par l'alcool polyvinylique, l'hydroxyéthylcellulose, et la gomme xanthame.i) the said organic binder with gelling effect is chosen from the group consisting of polyvinyl alcohol, hydroxyethylcellulose, and xantham gum.
ii) le dit système oxydant principal en phase liquide est constitué par un mélange d'eau et de nitrate d'hydroxylammonium (HAN) .ii) the said main oxidizing system in the liquid phase consists of a mixture of water and hydroxylammonium nitrate (HAN).
L'alcool polyvinylique est le liant préféré car il améliore la stabilité chimique des compositions selon 1 • invention.Polyvinyl alcohol is the preferred binder because it improves the chemical stability of the compositions according to the invention.
Les compositions solides selon l'invention présentent ainsi une structure amorphe dans laquelle le liant se présente sous forme d'un gel solide imprégné par la phase aqueuse d'hydroxylammonium. Par combustion ces compositions libèrent l'eau incluse dans le gel sous forme de vapeur d'eau qui contribue à abaisser très sensiblement la température des gaz de combustion.The solid compositions according to the invention thus have an amorphous structure in which the binder is in the form of a solid gel impregnated with the aqueous hydroxylammonium phase. By combustion, these compositions release the water included in the gel in the form of water vapor which contributes to very significantly lowering the temperature of the combustion gases.
Avantageusement la teneur pondérale en eau des compositions selon l'invention sera comprise entre 5 et 20%. L'invention permet ainsi de disposer de
compositions qui contiennent des teneurs en eau très supérieures aux teneurs en humidité des compositions antérieurement connues.Advantageously, the water content by weight of the compositions according to the invention will be between 5 and 20%. The invention thus makes it possible to have available compositions which contain water contents much higher than the moisture contents of the previously known compositions.
Avantageusement encore le poids du nitrate d'hyroxylammonium représente au moins 50% du poids total de la composition, la teneur de cette dernière en nitrate d'hydroxylammonium étant préférentiellement comprise entre 60% et 70% .Advantageously also, the weight of the hydroxylammonium nitrate represents at least 50% of the total weight of the composition, the content of the latter in hydroxylammonium nitrate being preferably between 60% and 70%.
Un des avantages de la présente invention réside dans le fait qu'aux teneurs indiquées les mélanges eau/nitrate d'hydroxylammonium demeurent liquides du moment que la température de ces derniers ne descend pas en dessous de zéro degrés Celsius.One of the advantages of the present invention resides in the fact that at the indicated contents the water / hydroxylammonium nitrate mixtures remain liquid as long as the temperature of the latter does not drop below zero degrees Celsius.
Selon une première variante préférée, les compositions selon l'invention contiennent également des oxydants secondaires qui sont avantageusement choisis dans le groupe constitué par le nitrate d'ammonium, l'hexogène (RDX) et 1 'octogène (HMX) . Ces oxydants secondaires permettent d'augmenter le nombre de molécules gazeuses produites par la combustion d'un volume donné de composition sans que la température des gaz de combustion n'augmente trop grâce à l'eau contenue dans la composition.According to a first preferred variant, the compositions according to the invention also contain secondary oxidants which are advantageously chosen from the group consisting of ammonium nitrate, hexogen (RDX) and octogen (HMX). These secondary oxidants make it possible to increase the number of gaseous molecules produced by the combustion of a given volume of composition without the temperature of the combustion gases increasing too much thanks to the water contained in the composition.
Selon une seconde variante préférée, lorsque les compositions sont destinées à constituer des chargements pyrotechniques pour des générateurs de gaz devant gonfler des coussins de protection pour les occupants d'un véhicule automobile, on évitera l'emploi du nitrate d'ammonium ou en tout cas on limitera la teneur pondérale de la composition en nitrate d'ammonium à quelques pourcents.
Pour cette application les compositions contiendront le plus souvent des additifs stabilisants qui seront choisis parmi la bipyridine, 1 'hydrogénophosphate d'ammonium et 1 ' acétate d'ammonium. La teneur pondérale de ces stabilisants dans la composition sera voisine de 2%. La bipyridine et 1 'hydrogénophosphate d'ammonium sont des stabilisants préférés.According to a second preferred variant, when the compositions are intended to constitute pyrotechnic charges for gas generators having to inflate protective cushions for the occupants of a motor vehicle, the use of ammonium nitrate will be avoided or in any case the weight content of the ammonium nitrate composition will be limited to a few percent. For this application, the compositions will most often contain stabilizing additives which will be chosen from bipyridine, ammonium hydrogen phosphate and ammonium acetate. The weight content of these stabilizers in the composition will be close to 2%. Bipyridine and ammonium hydrogen phosphate are preferred stabilizers.
Avantageusement encore, pour les applications destinées à la sécurité automobile, les compositions contiendront des additifs épaississants qui seront choisis dans le groupe constitué par les isocyanates hydrodiluables, les résines mélamine-formol et le borax qui est un tétraborate de sodium de formule : Na2B4O7,10H2O.Advantageously also, for applications intended for automotive safety, the compositions will contain thickening additives which will be chosen from the group consisting of water-soluble isocyanates, melamine-formaldehyde resins and borax which is a sodium tetraborate of formula: Na 2 B 4 O 7 , 10H 2 O.
L' invention concerne également un procédé de fabrication en continu de chargements pyrotechniques solides à structure amorphe dont la composition correspond aux compositions décrites ci-dessus et qui est caractérisé en ce que :The invention also relates to a process for the continuous production of solid pyrotechnic charges with an amorphous structure, the composition of which corresponds to the compositions described above and which is characterized in that:
i) on alimente en continu un appareil de malaxage et d'extrusion d'une part avec une phase liquide contenant au moins de l'eau et du nitrate d'hydroxylammonium et d'autre part avec des granulés solides comprenant au moins un liant à effet gélifiant,i) a mixing and extrusion apparatus is fed continuously on the one hand with a liquid phase containing at least water and hydroxylammonium nitrate and on the other hand with solid granules comprising at least one binder gelling effect,
ii) après malaxage on extrude un jonc profilé qui est durci en étuve et découpé à la longueur voulue, par exemple sous forme de tubes ou de couronnes.
Avantageusement l'appareil de malaxage et d'extrusion est une extrudeuse bi-vis.ii) after mixing, a profiled rod is extruded which is hardened in an oven and cut to the desired length, for example in the form of tubes or crowns. Advantageously, the kneading and extrusion apparatus is a twin-screw extruder.
Selon une réalisation préférée du procédé selon l'invention le liant à effet gélifiant est de l'alcool polyvinylique et l'extrudeuse bi-vis est chauffée à une température comprise entre 50°C et 60°C, la température à l'intérieur de l'étuve étant voisine de 80°C. De manière particulièrement préférée tous les consitutants autres que le liant et qui sont solubles dans l'eau seront mélangés à la phase liquide contenant l'eau et le nitrate d'hydroxylammonium avant introduction de cette dernière dans l' extrudeuse bi-vis.According to a preferred embodiment of the process according to the invention, the binder with gelling effect is polyvinyl alcohol and the twin-screw extruder is heated to a temperature between 50 ° C. and 60 ° C., the temperature inside the oven being close to 80 ° C. In a particularly preferred manner all the constituents other than the binder and which are soluble in water will be mixed with the liquid phase containing the water and the hydroxylammonium nitrate before introduction of the latter into the twin-screw extruder.
Les chargements pyrotechniques ainsi obtenus peuvent notamment être utilisés soit dans les extincteurs pyrotechniques pour constituer la source de gaz moteur dans ces extincteurs, soit dans les générateurs pyrotechniques de gaz destinés à gonfler des coussins de protection pour les occupants d'un véhicule automobile.The pyrotechnic charges thus obtained can in particular be used either in pyrotechnic extinguishers to constitute the source of engine gas in these extinguishers, or in pyrotechnic gas generators intended to inflate protective cushions for the occupants of a motor vehicle.
On donne ci-après une description détaillée d'une réalisation préférée de l'invention en se référant à la figure 1 qui représente le schéma d'une installation de fabrication en continu de chargements selon l'invention.A detailed description is given below of a preferred embodiment of the invention with reference to FIG. 1 which represents the diagram of an installation for continuously manufacturing loads according to the invention.
L'installation représentée à la figure 1 comprend fondamentalement une boudineuse bi-vis 1 prolongée par une tête d'extrusion 2, une bande transporteuse 3 passant à l'intérieur d'une étuve 4 et un système de découpe 5. Au début de 1 ' extrudeuse sont prévus deux dispositifs d'alimentation.The installation shown in FIG. 1 basically comprises a twin-screw extruder 1 extended by an extrusion head 2, a conveyor belt 3 passing inside an oven 4 and a cutting system 5. At the start of 1 'extruder are provided two feed devices.
Le premier dispositif consiste en un tuyau 6 relié par l'intermédiaire d'un robinet 7 à un bac 8 muni d'un agitateur 9.
En aval dans le sens de fonctionnement de la boudineuse 1 se trouve un second dispositif d'alimentation constitué par une trémie 10 et un tapis transporteur 11.The first device consists of a pipe 6 connected via a tap 7 to a tank 8 provided with an agitator 9. Downstream in the operating direction of the extruder 1 is a second feed device constituted by a hopper 10 and a conveyor belt 11.
Le bac 8 contient un mélange liquide A constitué par de l'eau, du nitrate d'hydroxylammonium et, le cas échéant, les constituants autres que le liant et solubles dans l'eau comme le nitrate d'ammonium. Les constituants réactifs vis-à-vis de l'eau ne sont pas incorporés à cette phase liquide aqueuse.The tank 8 contains a liquid mixture A consisting of water, hydroxylammonium nitrate and, where appropriate, the constituents other than the binder and soluble in water such as ammonium nitrate. The reactive constituents with respect to water are not incorporated into this aqueous liquid phase.
Le tapis transporteur 11 alimente la trémie 10 avec un mélange de granulés B comprenant des granulés de liant et, le cas échéant, des granulés d'additifs non solubles dans l'eau et notamment des granulés d'oxydants non solubles dans l'eau comme l'hexogène ou l'octogène.The conveyor belt 11 feeds the hopper 10 with a mixture of granules B comprising granules of binder and, where appropriate, granules of additives which are not soluble in water and in particular granules of oxidizers which are not soluble in water such hexogen or octogen.
L' extrudeuse 1 est régulée en température pour présenter une température interne comprise entre 50°C et 60°C lorsque le liant est de l'alcool polyvinylique.The extruder 1 is temperature controlled to have an internal temperature between 50 ° C and 60 ° C when the binder is polyvinyl alcohol.
La phase liquide A et les granulés B sont mélangés dans l' extrudeuse l pour former, par gélification du liant, une pâte composite à structure amorphe qui est extrudée au travers de la tête d'extrusion 2 sous forme d'un jonc profilé 12. Ce jonc peut-être un simple brin cylindrique, éventuellement pourvu de canaux internes, pour donner, après découpage, des grains en vrac ou être un jonc de dimensions plus importantes, avec, le cas échéant, un profil extérieur travaillé, pour donner après découpage des blocs pleins ou annulaires.The liquid phase A and the granules B are mixed in the extruder 1 to form, by gelation of the binder, a composite paste with an amorphous structure which is extruded through the extrusion head 2 in the form of a profiled rod 12. This rod may be a simple cylindrical strand, possibly provided with internal channels, to give, after cutting, loose grains or be a rod of larger dimensions, with, if necessary, a worked external profile, to give after cutting. solid or annular blocks.
Ce jonc 12 est conduit par l'intermédiaire de la bande transporteuse 3 au travers d'une étuve chauffée pour provoquer le durcissement du liant gélifié. Lorsque
le liant est l'alcool polyvinylique la température de l'étuve sera voisine de 80°C et le temps de séjour du jonc dans l'étuve sera de quelques minutes.This rod 12 is led via the conveyor belt 3 through a heated oven to cause hardening of the gelled binder. When the binder is polyvinyl alcohol the temperature of the oven will be close to 80 ° C and the residence time of the rod in the oven will be a few minutes.
En sortie d* étuve le jonc 12 est découpé grâce au système de découpe 5 en chargements élémentaires 13 qui sont stockés dans un container 14.On leaving the oven, the rod 12 is cut using the cutting system 5 into elementary loads 13 which are stored in a container 14.
Exemples 1 et 2Examples 1 and 2
On a ainsi fabriqué des chargements en forme de couronnes cylindriques. Ces chargements avaient les compositions suivantes :We thus produced loads in the form of cylindrical crowns. These loads had the following compositions: