專利名稱:通過元素碳基組合物的氣體生成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及氣體生成，特別涉及為可充氣設(shè)備，例如各個充氣約束系統(tǒng)的充氣式車輛乘客約束器進行充氣的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，會使用墊子或袋子，例如一種“氣囊墊”，該氣囊墊能夠在比如說當車輛面對突然減速，例如在碰撞事件中時用氣體進行充氣或膨脹，以保護車輛乘客。在這種系統(tǒng)中，氣囊墊通常處于未充氣的和折疊狀態(tài)，以將其的空間需要最小化。一旦該系統(tǒng)被致動，氣囊墊在不到幾毫秒的時間內(nèi)，開始用由通常被稱為“氣體發(fā)生器”或“充氣機”的設(shè)備生成或提供的氣體進行充氣。本領(lǐng)域中已經(jīng)披露了許多種充氣機設(shè)備，用于一或多種充氣約束系統(tǒng)氣囊墊的充氣?，F(xiàn)有技術(shù)的充氣機設(shè)備包括壓縮儲藏氣體充氣機、煙火充氣機和混合充氣機。不幸的是，這些類型的充氣機設(shè)備的每一種均面臨著某些缺點，例如一種或多種超過了預(yù)期的重量，需要多于預(yù)期的空間或容積，且產(chǎn)生了例如不希望的或不喜歡的多于預(yù)期量的燃燒產(chǎn)物。
車輛的充氣約束系統(tǒng)和它們的制造商一般會面對增加氣囊性能和安全性能的目的，同時也有尋找減少或最小化費用的目的。為此，已投入了大量的研究工作和開支，用于增加燃料或氣體發(fā)生劑材料應(yīng)用在氣囊充氣機上的性能，并且減少費用，其最終目標為對于完整的充氣約束系統(tǒng)同時改善性能并降低費用。
可以通過多種方式實現(xiàn)對于含煙火的氣體發(fā)生器或充氣機性能的改善，其中很多方式最終取決于提供預(yù)期性質(zhì)的氣體發(fā)生劑的配方或組合物。較為理想的是，氣體發(fā)生劑能夠在希望的時間間隔內(nèi)提供或生成足夠流量的氣體，以為相連的充氣設(shè)備達到所需要的工作推動力。生成的氣體的溫度會影響生成劑氣體所能產(chǎn)生的工作的量。傳統(tǒng)來說，高溫氣體產(chǎn)物會較為麻煩，例如一般會在充氣時需要熱能上的處理。
通常，氣體發(fā)生劑組合物的燃燒速率可由下列的式(I)所表示
Rb = k (P)n(I)
其中，
Rb=燃燒速率(線性)
k =常數(shù)
P =壓力
η =壓力指數(shù)，其中壓力指數(shù)指的是通過燃燒速率對壓力的Iog-Iog所畫出的線性回歸線的斜率。
在這一燃燒速率等式中，壓力指數(shù)“η”可以作為燃燒速率壓力敏感度的一個指標。即，表現(xiàn)出較大壓力指數(shù)的組合物意味著該組合物的燃燒速率對周圍的壓力更加高度敏感。
生成高溫氣體的氣體發(fā)生劑材料或組成，例如以具有較高燃燒溫度的組合物作為證明，其較高的氣體產(chǎn)量相對于應(yīng)用在利用另一種工作流體，比如在多種混合充氣機中應(yīng)用的例如儲藏氣體或液體的充氣機較為有利。更多特別地，在這種充氣機應(yīng)用中，僅需要有相對少量的高溫、高氣體生成的氣體發(fā)生劑材料或組合物用于將工作流體加熱到所希望的和有用的溫度，使得充氣機和充氣約束系統(tǒng)作為一個整體，與使用常規(guī)較冷的燃燒氣體發(fā)生器組合物的充氣機和系統(tǒng)相比，其總成本和重量有所降低。
因此，需要一種氣體發(fā)生劑組合物，特別是能夠在高溫下產(chǎn)生高產(chǎn)量的氣體，并且具有快速的燃燒速率以將該組合物的體積性能最大化的氣體生成煙火組合物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了改進的氣體生成煙火組合物，以及伴隨的或相應(yīng)的用于生成例如用在機動車的乘客約束系統(tǒng)中的氣體的方法。
一方面，提供了氣體生成的煙火組合物，包括主燃料組分、主氧化劑組分、以相對 量為組合物重量的1-10%存在的元素碳；以相對量為大于組合物重量的2%至組合物重量的15%存在的氧化銅。
在一個實施例中，這種氣體生成組合物包括含硝酸胍的主燃料組分，其相對量為組合物重量的10-40%，含高氯酸銨的主氧化劑組分，其相對量為組合物重量的25-75%，元素碳，存在的相對量為組合物重量的3-10% ;以及氧化銅，存在的相對量為組合物重量的3-15%。
另一方面涉及為機動車的乘客約束系統(tǒng)生成充氣氣體的方法。根據(jù)這樣一種實施例，這種方法包括點燃一定量的氣體生成煙火組合物，該組合物包括
組合物重量10-40 %的硝酸胍；
組合物重量25-75%的高氯酸銨；
組合物重量3-10 %的元素碳；以及
組合物重量3-15%的氧化銅，
以使生成的氣體具有高產(chǎn)量且燃燒溫度超過2400K。
在本說明書中使用的元素碳應(yīng)當被理解為通常指代未結(jié)合形式的碳。應(yīng)該明白，根據(jù)本發(fā)明的元素碳可以包含或包括少量或微量的雜質(zhì)，例如已知的或通常與碳相關(guān)的雜質(zhì)。
同樣的，本說明書中涉及的對于生成“高氣體產(chǎn)量”的氣體發(fā)生劑和/或煙火組合物，一般指代的是每100毫升組合物能夠生成或產(chǎn)生超過6摩爾氣體的這種組合物。
在本說明書中涉及的對于生成“高溫”氣體的氣體發(fā)生劑和/或煙火組合物，一般指代的是能夠生成或產(chǎn)生超過2400K燃燒溫度的氣體的這種組合物。
在本說明書涉及的對于作為“燃料”的具體的組合物、組分或材料，應(yīng)該被理解為指代的是一般缺少足夠的氧以徹底燃燒成C02、H2O和N2的化學(xué)物質(zhì)。
相應(yīng)地，本說明書涉及的對于作為“氧化劑”的具體的組合物、組分或材料，應(yīng)該被理解為指代的是一般具有多于足夠的氧以徹底燃燒成C02、H20和N2的化學(xué)物質(zhì)。
在本說明書中涉及的對于作為“主”燃料或氧化劑的燃料或氧化劑，應(yīng)該分別被理解為指代的是以最大的相對量分別存在于具體的組合物、組分或材料中的這種燃料或氧化齊IJ。相應(yīng)地，對于涉及的作為“次”燃料或氧化劑的燃料或氧化劑，應(yīng)該分別被理解為指代的是與主燃料或氧化劑相比以較小的相對量分別存在于具體的組合物、組分或材料中的這種燃料或氧化劑。
在本說明書中涉及的對于具有“高”燃燒速率的氣體生成煙火組合物應(yīng)該被理解為指代的是這樣一種組合物，該組合物表現(xiàn)出在使用上面所明確的氣體發(fā)生劑組合物燃燒速率方程式(I)后，計算出的燃燒速率在3000psi (20. 8MPa下25. 4mm/s)時大于I英寸每秒(ips)。在本說明書中涉及的對于具有“低”燃燒速率壓力指數(shù)的氣體生成煙火組合物，應(yīng)該被理解為指代的是這樣一種組合物，該組合物表現(xiàn)出的由上面所明確的氣體發(fā)生劑組合物燃燒速率方程式(I)中的壓力指數(shù)(η)所代表的燃燒速率壓力指數(shù)低于O. 5。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，根據(jù)下列詳細描述，結(jié)合附加的權(quán)利要求
和附圖，其他的目標和優(yōu)勢都是顯而易見的。


附圖為簡化的圖解的、部分散開的視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，安裝在車輛內(nèi)部的氣囊模塊組件的氣囊墊的展開狀態(tài)。
具體實施方式
提供了一種改進的氣體發(fā)生劑或氣體生成煙火組合物，例如用于可充氣部件(例如車輛充氣約束系統(tǒng)的氣囊墊)的充氣。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，這種氣體生成煙火組合物，除主燃料組分和主氧化劑組分外，也特別包括元素碳和氧化銅。更多特別地，這種組合物優(yōu)選包括或包含相對量為組合物重量的1-10%的元素碳，以及相對量為大于組合物重量的2%，至組合物重量的15%的氧化銅，優(yōu)選為組合物重量的3-15%的氧化銅。
在這種組合物中，元素碳作為高溫燃料，在燃燒過程期間，僅生成氣體。多種形式的元素碳，包括石墨，無定形碳和炭黑，均可應(yīng)用。石墨為目前優(yōu)選的用于本發(fā)明實踐的元素碳形式。有利地，石墨與無定形碳相比具有相當高的密度，并且還能夠作為加工助劑(例如，作為潤滑劑)。
如果需要，組合物也能夠包括一或多種例如元素硅、硼、鋁、鈦等等例如能夠進一步增加組合物的燃燒溫度的其他高溫燃料，然而，該組合物不論如何必須含有元素碳。
氧化銅與元素碳的共同存在被發(fā)現(xiàn)很重要，能夠在最小的性能變化下，在大范圍的操作壓力下實現(xiàn)快速的氣體生成。特別地，氧化銅與元素碳的共同存在，對于實現(xiàn)期望的高燃燒速率(即，在3000psi (20. 8MPa下，25. 4mm/s)下大于I英寸每秒(ips)的燃燒速率)，以及具有低的燃燒速率壓力指數(shù)(即，低于O. 5的燃燒速率壓力指數(shù))，被認為是必要的。
除可作為存在元素碳時的彈道調(diào)節(jié)劑(ballistic modifier)外，氧化銅也可作為輔氧化劑。
氣體生成煙火組合物包括作為主氧化劑材料的高氯酸銨。特別是，內(nèi)含物高氯酸銨可期望地促進了所希望的高氣體輸出和高燃燒溫度的實現(xiàn)，同時提供了足夠的燃燒效率，以保證元素碳(尤其是石墨)在燃燒過程中完全反應(yīng)。主氧化劑，尤其是當主氧化劑為高氯酸銨時，其優(yōu)選的相對量是組合物重量的約25%到約75%。[0041]所述組合物也可包括或包含一或多種輔氧化劑，例如硝酸銨、高氯酸鉀、堿金屬硝酸鹽和過氧化物。
正如上面所述的，元素碳能夠并且優(yōu)選作為氣體生成煙火組合物內(nèi)的高溫燃料，硝酸胍是氣體生成煙火組合物中內(nèi)含物的優(yōu)選主燃料組分。具體地，硝酸胍中氧的存在有利地減少或最小化了充分燃燒組合物所需要或要求的氧化劑組分的量。其他可能的和合適的主燃料材料的示例包括硝酸胍基脲、硝酸雙胍和二硝酸雙胍、5-氨四唑和相關(guān)的鹽、雙四唑二銨、二氨二硝酸銅、二銨二硝基乙烷和雙氰胺，其含有的量可與硝酸胍使用的量類似。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，根據(jù)本說明書所提供的教導(dǎo)，在氣體發(fā)生器組合物中的高氯酸銨內(nèi)含物通常會導(dǎo)致所述組合物也會產(chǎn)生或形成氯化氫作為燃燒的氣體副產(chǎn)物。在產(chǎn)生的氣體中存在濃度過大的氯化氫是有毒或腐蝕性的，也可能兩者都有。雖然氯化氫氣體可通過在煙火氣體發(fā)生器組合物中含有清除劑化合物(比如堿或堿土金屬硝酸鹽，例如硝酸鈉或硝酸鉀)使其從可燃氣體流中被“清除”，但含有這類的清除劑會降低組合物的燃燒效率，增加組合物和其應(yīng)用的費用。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員且根據(jù)本說明書提供的教 導(dǎo)，應(yīng)該明白，從排出物的角度來說，氧化劑(例如高氯酸銨)的量最小化是合乎需要的，因為氯化氫(HCl)是在高氯酸銨的燃燒時通常會產(chǎn)生或形成的不希望的燃燒副產(chǎn)物。而且，通過將所需氧化劑的量最小化，碳成分及因此的生成氣體的相對量能夠如需要地得到增加或最大化。
所述組合物也可包括或包含一或多種輔燃料或次級燃料，例如RDX、硝基胍、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯、季戊四醇和比如碳水化合物。
根據(jù)某些實施例，主燃料組分，尤其是當主燃料組分為硝酸胍時的相對量，是組合物重量的約10% -約70%，根據(jù)某些實施例，優(yōu)選所包含的硝酸胍是組合物重量的約10 約40 %。根據(jù)某些優(yōu)選實施例，在不含次級燃料的氣體生成煙火組合物中，主燃料組分，尤其是當主燃料組分為硝酸胍時的優(yōu)選的相對量，是組合物重量的約15% -約40%，高氯酸銨主氧化劑的優(yōu)選相對量為組合物重量的25-70%。
如果需要的話，本說明書所描述的氣體生成煙火組合物可另外包括一或多種氣體生成煙火組合物添加劑，例如本領(lǐng)域所知的添加劑。例如,這類氣體生成煙火組合物可以包含或包括一或多種金屬氧化物燃燒速率增強添加劑和/或成渣添加劑或類似物。合適的金屬氧化物添加劑包括但不局限于氧化鐵、氧化鉍、二氧化硅、氧化鋁、氧化鋅、氧化鋯、二氧化鈦、氧化鑭，各種硅酸鋁中的任何一種，包括粘土、滑石和云母，以及它們的組合。實際上，本說明書所描述的氣體生成煙火組合物在一些實施例中可包括最多約組合物重量10%的至少一種這類金屬氧化物添加劑。根據(jù)某些優(yōu)選實施例，本說明書所描述的氣體生成煙火組合物較為希望包含或包括為組合物重量的約O. 5% -約3%的至少一種這類金屬氧化物添加劑。
考慮到上面所述，一種特別優(yōu)選的氣體生成煙火組合物可以包括、由下列組成或者基本上由下列組成
包括硝酸胍的主燃料組分,其相對量為組合物重量的10-40% ；
包括高氯酸銨的主氧化劑組分,其相對量為組合物重量的25-75% ；
元素碳，其存在的相對量為組合物重量的3-10% ;以及
氧化銅，其存在的相對量為組合物重量的3-15%。[0052]這種氣體生成煙火組合物在被點燃后的供給可期望地產(chǎn)生了高產(chǎn)量且燃燒溫度超過2400K的生成氣體。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，根據(jù)本說明書所提供的教導(dǎo)，這種生成的氣體可被用于與工作流體接觸，形成例如用于為安裝在機動車內(nèi)部的乘客拘束系統(tǒng)充氣的膨脹氣體。
在一個優(yōu)選實施例中，這種氣體生成煙火組合物在20MPa下以超過30毫米/秒的速率燃燒，其燃燒速率壓力指數(shù)低于O. 5。在具體實施例中，氣體生成煙火組合物有利地顯示出燃燒速率壓力指數(shù)不高于O. 4。通常，燃燒速率壓力指數(shù)值低于O. 5是合乎需要的，或者可選地，被視為對于適當?shù)夭僮飨噙B的充氣設(shè)備是必要的，燃燒速率壓力指數(shù)值低于O. 4是希望的，可將性能的變化最小化或盡可能符合愿望地降低與之連接的充氣機設(shè)備所要求的重量，或者兩者同時實現(xiàn)。
應(yīng)當明白，根據(jù)本發(fā)明的氣體生成組合物能夠與多種不同的結(jié)構(gòu)、裝配和系統(tǒng)結(jié)合，進行合并、運用或?qū)嵺`。作為代表，附圖示出了車輛10，具有車內(nèi)部12，其中設(shè)置了一個充氣車輛乘客安全約束系統(tǒng)，大體上由標記數(shù)字14所指代。應(yīng)當明白，對于理解本發(fā)明非 必要的某些標準元件，為了便于圖示和理解，可能已被省略或移除。
車輛乘客安全約束系統(tǒng)14包括開口反應(yīng)罐16，其形成了充氣車輛乘客約束器20 (比如說充氣式氣囊墊)的外罩，還包括一個儀器，大體上由標記數(shù)字22所指代，用于為連接的乘客約束器的充氣生成或提供充氣氣體。如上面所述的，這種氣體生成設(shè)備通常被稱為“充氣機”。
充氣機22包含了大量的根據(jù)本發(fā)明和如上所述的氣體發(fā)生劑組合物。充氣機22也可包括或包含工作流體，例如以儲藏氣體或液體的形式，以及例如本領(lǐng)域所知的形式，以及例如可與生成的氣體接觸，形成例如為充氣車輛乘客約束器20進行充氣的充氣氣體的形式。
充氣機22也包括點火器，例如本領(lǐng)域所知的點火器，用于在將氣體發(fā)生器組合物點火后，使氣體生成組合物開始燃燒。應(yīng)當明白，充氣機設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)不對本發(fā)明的更廣的用途形成限制，這類充氣機設(shè)備可以是不同的結(jié)構(gòu)，例如也為本領(lǐng)域所知的結(jié)構(gòu)。
實際中，展開時的氣囊墊20可符合意愿地，通過限制乘客在車輛向前的方向，也就是在圖中示出的向右的方向上的運動，為車輛乘客24提供保護。
本發(fā)明結(jié)合下列圖解或模擬涉及本發(fā)明運用的各種方面的示例，進行進一步詳細地描述。應(yīng)當理解，所有位于本發(fā)明精神范圍內(nèi)的變化都是希望被保護的，因此本發(fā)明不應(yīng)被解釋為受到這些示例的限制。
實施例1-5
根據(jù)本發(fā)明并且由下列表I所示出的(其中值為組合物重量百分比的形式)氣體生成煙火組合物被制備成實驗室混合物。
權(quán)利要求
1.一種氣體生成煙火組合物，所述組合物包含 主燃料組分； 主氧化劑組分； 元素碳，其存在的相對量為組合物重量的1-10% ;以及 氧化銅，其存在的相對量大于組合物重量的2%，至組合物重量的15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，元素碳以石墨存在。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，所述主燃料組分為硝酸胍。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，硝酸胍存在的相對量為組合物重量的10% -70%。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的氣體生成煙火組合物，還包括從由RDX、硝酸胍、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯和糖類組成的組中選出的至少一種其他的輔燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于主氧化劑組分為高氯酸銨。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，高氯酸銨存在的相對量為組合物重量的25% -75%。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的氣體生成煙火組合物，還包括從由硝酸銨、高氯酸鉀、堿金屬硝酸鹽和過氧化物組成的組中選出的至少一種其他的輔氧化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，元素碳存在的相對量為組合物重量的3% -10%。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，所述主燃料組分為硝酸胍,并且硝酸胍存在的相對量為組合物重量的10% -40%。
11.一種氣體生成煙火組合物，所述組合物包含 包括硝酸胍的主燃料組分，其相對量為組合物重量的10-40% ； 包括高氯酸銨的主氧化劑組分，其相對量為組合物重量的25-75% ； 元素碳，其存在的相對量為組合物重量的3-10% ;以及 氧化銅，其存在的相對量為組合物重量的3-15%。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，元素碳以石墨存在。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物，其特征在于，每IOOcc的所述組合物點火后生成的氣體的相對量多于6摩爾氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物,其特征在于，點火后氣體生成的燃燒溫度超過2400K。
15.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物，還包括含硝酸胍的輔燃料。
16.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物，還包括含硝酸銨的輔氧化劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物，還包括含硝酸鈉的輔氧化劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的氣體生成煙火組合物，實質(zhì)上包括 包括硝酸胍的主燃料組分，其相對量為組合物重量的15-40% ； 包括高氯酸銨的主氧化劑組分，其相對量為組合物重量的25-70% ； 元素碳，其存在的相對量為組合物重量的3-10% ;以及氧化銅，其存在的相對量為組合物重量的3-15%。
19.一種為機動車的乘客約束系統(tǒng)生產(chǎn)充氣氣體的方法，所述方法包括 點燃一定量的氣體生成煙火組合物，所述氣體生成煙火組合物包括 組合物重量10-40%的硝酸胍； 組合物重量25-75%的高氯酸銨； 組合物重量3-10%的元素碳；以及 組合物重量3-15%的氧化銅， 以使生成的氣體具有高產(chǎn)量且燃燒溫度超過2400K。
20.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，還包括 將工作流體與生成的氣體接觸，形成充氣氣體。
21.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其特征在于，點燃的氣體生成煙火組合物在20MPa下以超過30毫米/秒的速率燃燒，其燃燒速率壓力指數(shù)低于O. 5。
22.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，其特征在于，點燃的氣體生成煙火組合物其燃燒的燃燒速率壓力指數(shù)不超過O. 4。
專利摘要
一種氣體生成煙火組合物，除主燃料組分和主氧化劑組分外，還包括臨界相對量的元素碳和氧化銅。還提供了一種為機動車的乘客約束系統(tǒng)生產(chǎn)充氣氣體的相關(guān)方法。
文檔編號C06D5/06GKCN102898262SQ201210260535
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月24日
發(fā)明者G·倫德 申請人:奧托里夫Asp股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan