高性能气体发生组合物的制作方法

专利名称:高性能气体发生组合物的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及充气约束系统，更具体地涉及在这样的系统中使用的烟火型气体 发生组合物。
背景技术：
本部分的说明提供涉及本发明的背景信息，可能不构成现有技术。
被动充气约束系统被用在多种应用中，如机动车辆。例如，一些类型的被动充气系 统通过使用烟火型气体发生剂以对安全气囊垫充气(如气体引发剂和/或充气机)或驱动 安全带张紧轮(如微小气体发生器)，从而将对使用者的伤害降至最小。汽车安全气囊的充 气机性能和安全要求不断地提高以增强乘客的安全。
气体发生剂和引发剂材料的选择包括考虑不同要素，在其它的考虑中，包括满足 目前工业设备规范、指导方针和标准，产生安全气体或流出物，气体发生剂材料的处理安全 性，材料的持续稳定性，和制造的成本效率。优选地，在操作、储藏和处理过程中，烟火型组 合物是安全的。更近一步地，更优选地烟火型材料组合物是无叠氮化物的。
与产气率相关的改进的气体发生剂性能、由观测的燃烧速率决定的相对灵敏度和 成本在充气机气体发生剂设计中是重要的变量。例如，气体发生剂的燃烧速率或产气率的 增加可以通过合并新的和/或特殊高能组合物而实现，它们通常是昂贵的。这样的组合物 典型地通过混合精细研磨的微粒来加工以生产气体发生剂，气体发生剂然后进一步被做成 小球或相反地塑造成细粒以用于控制弹道输出量。
期望生产一种气体发生剂，该气体发生剂具有高的产气率和高的燃烧速率(例 如，在3000磅/平方英寸下大于或等于1英寸/秒)而不采用昂贵成分如四唑、双四唑等 等，始终采用传统的制作和加工方法。相对高的燃烧速率的进一步优势是这个性质使得气 体发生剂被用在需要非常高速反应的充气机应用中，例如侧面碰撞应用。此外，高燃烧速率 气体发生剂能够使得细粒设计具有合适的弹道性能以用于高级充气机应用中，例如要求用 于不在适当位置的使用者的那些，以及相似的需求。

发明内容
在多个方面，本发明提供用于制备气体发生剂的方法和由此生产的组合物。在一 些方面，制备气体发生剂的方法包括喷雾干燥水混合物以生产粉末。所述水混合物包含硝 酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约至大约30%的次级氧化剂。然后所述粉末被压制成 气体发生剂细粒。在一些方面，所述方法进一步包括在喷雾干燥之前通过结合硝酸胍、碱式
4硝酸铜和次级氧化剂形成水混合物。根据本发明的方法制备的气体发生剂细粒的燃烧速率 比对比气体发生剂细粒的对比燃烧速率至少高20%，所述对比气体发生剂细粒具有基本上 相同的组合物并通过选自以下方法组成的组中的方法生产轧辊压制、研磨和/或机械混
I=I O
在多个方面，形成的气体发生剂细粒包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约 至大约30%的包括高氯酸钾的次级氧化剂。所述气体发生剂细粒的平均线性燃烧速率大于 或等于大约1. 5英寸/秒(大约38. Imm/秒)。进一步地，依照本发明，气体发生剂的产气 率相对地高。
在其它方面，用于制备气体发生剂的方法包括通过单孔喷射喷嘴(fountain nozzle)喷雾干燥水混合物以生产粉末。所述水混合物包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计 大约至大约30%的次级氧化剂。然后压制所述粉末以生产气体发生剂细粒，所述气体 发生剂细粒的平均线性燃烧速率在大约3000磅/平方英尺的压力(大约20685kPa)下大 于或等于大约1. 5英寸/秒(大约38. Imm/秒)。
本发明的方法和气体发生剂细粒提供了许多优势和好处。非限定性地，这些包括 产生的气体发生剂可以是无叠氮化物的，因此将与叠氮化合物相关的潜在的毒性最小化。 本发明同样提供了使用更低成本、较低廉的材料的快速燃烧气体发生剂，其具有与用更昂 贵的成分如四唑和双四唑制备的气体发生剂相当的燃烧速率和产气率。此外，使用本发明 方法制备的喷雾干燥的粉末可以更容易地被压制成复合细粒，以及片状物或小球，并且得 到的细粒可能具有较少的屑片和孔隙。
其它的应用领域将通过本发明的说明书而显而易见。应当理解说明书和具体实施 例仅仅是出于说明的目的，而不限制本发明的范围。


通过详细的描述和附图将更充分地理解本发明的内容，其中
图1是乘客侧安全气囊模块的实施方式的局部横截面视图，所述安全气囊模块包 括用于充气安全气囊约束装置的充气机；
图2是示例性的喷雾干燥过程的简化示意图；
图3说明了通过㈧双喷嘴的喷雾干燥、⑶轧辊压制和共研磨、以及(C)喷射喷 嘴喷雾干燥产生的气体发生剂粉末；
图4A和4B是根据图3的方法㈧和(C)加工的粉末的详细视图(50倍放大倍 率)，比较各自粉末的相对尺寸、外观和形状；以及
图5说明了使用通过图3中的方法㈧和(C)形成的粉末制备的气体发生剂细粒。
具体实施方式
以下的描述在一个或多个发明的主体的性质、加工和应用方面仅仅是示例性的， 并且并不限制在本申请中要求保护的或在可能提交要求本发明的优先权的这样其它申请、 或从而授权的专利的任何具体发明的范围、应用或用途。
本发明涉及用于制备气体发生剂的组合物和方法。包括硝酸胍、碱式硝酸铜和按 重量计大约至30%的次级氧化剂，以及任选的熔渣促进剂如二氧化硅的水混合物被喷雾干燥以生产粉末。压制所述粉末以生产气体发生剂细粒。在一些实施方式中，所述方法 进一步包括形成水混合物，所述水混合物包括硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约至 30%的次级氧化剂，所述方法包括在水介质中添加硝酸胍使其充分地溶解。在一些实施方 式中，碱式硝酸铜和次级氧化剂然后被添加至水介质中，混合以形成用于喷雾干燥的水混 合物。
用于制备气体发生剂的方法包括形成水混合物，所述水混合物包括硝酸胍、碱式 硝酸铜和按重量计大约至30%的次级氧化剂。在一些方面，所述水混合物还包括大约 0. 1 %至大约5. 0%的熔渣促进剂，如二氧化硅。喷雾干燥水混合物以生产粉末，并压制所述 粉末以生产气体发生剂细粒。次级氧化剂可以是高氯酸盐，如高氯酸钾。与通过机械混合 所述成分，然后轧辊压制并研磨同样量的硝酸胍、碱式硝酸铜和次级氧化剂所生产的气体 发生剂，或者通过机械混合同样量的次级氧化剂至同样量的碱式硝酸铜和硝酸胍的喷雾干 燥混合物中所生产的气体发生剂相比，本发明的气体发生剂细粒可以提供至少高20%的燃 烧速率。例如，本发明的气体发生剂可以用在对安全气囊垫充气或驱动安全带张紧轮的装 置和系统中。
充气约束装置用在多种类型的约束系统中，包括安全带预拉伸系统和安全气囊模 块集合。这些装置和系统可以用在汽车交通工具的多种应用中，如司机侧、乘客侧、侧面碰 撞、窗帘和地毯安全气囊集合。其它类型的交通工具包括，例如，船、飞机和火车可能使用充 气约束。另外，其它类型的安全或保护装置同样可以使用多种形式的充气约束。
充气约束装置典型地包括一系列反应，推动气体的生产，以启动安全气囊或驱动 活塞。在安全气囊的例子中，所述安全气囊集合系统驱动时，所述安全气囊垫应当在几毫秒 内开始充气。参考图1，典型的安全气囊模块30包括乘客车厢充气机集合32和覆盖的模块 34以存储安全气囊36。当感觉快速减速和/或碰撞时这样的装置经常使用电点火的引爆 管或引发剂40。引爆管40的释放经常点燃快速并放热燃烧的引发剂或点火材料42，依次 点燃气体发生剂材料50。所述气体发生剂材料50燃烧以生产灌注至安全气囊36的气体产 物的大部分以提供充气。
气体发生剂同样已知是点火材料、火药、发生气体材料和烟火型材料。所述气体发 生剂可以是固体细粒、小球、小块等等的形式。通常，在燃烧时在所述气体发生剂附近形成 熔渣或渣块。所述熔渣/渣块用于隔绝气体发生剂在燃烧时产生的多种微粒和其它混合 物。在气体发生剂和安全气囊之间可以设置过滤器以移除在气体中产生的微粒以及在进入 安全气囊之前降低气体温度。
所述气体发生剂包括燃料、氧化剂，以及可以包括其它小量成分，一旦被点燃，快 速燃烧以形成气态反应产物(如，C02、H2(^PN2)。一种或多种化合物经受快速燃烧以形成热 和气态产物；如所述气体发生剂燃烧以产生用于充气约束装置或驱动活塞的加热的充气气 体。所述气体发生剂可以包括具有至少一种燃料成分的氧化还原对(redox-couple)。取决 于所述燃料是否完全氧化或自我氧化(self-oxidized)，或氧化不足(under-oxidized)， 所述气体发生组合物可以包括一种或多种氧化成分，其中所述氧化成分与燃料成分反应以 产生气体产物。
所述燃料成分可以是含氮化合物。典型的燃料包括四唑或其盐(如氨基四唑、四 唑的矿物盐)、双四唑、1，2，4_三唑-5-酮、硝酸胍、硝基胍、氨基硝酸胍、金属硝酸盐等等。
6由于它们相对低的燃烧速率，这些燃料通常被分类为气体发生剂燃料，并且经常与一种或 多种氧化剂结合以获得期望的燃烧速率和气体生产。在不同方面，所述气体发生剂至少包 含硝酸胍作为燃料。
用于气体发生剂组合物的氧化剂非限制性地包括碱金属、碱土金属和铵的硝酸 盐、亚硝酸盐和高氯酸盐；金属氧化物；碱性金属硝酸盐；硝酸铵的过渡金属络合物；和它 们的组合。选择的氧化剂与燃料成分一起形成气体发生剂，其燃烧时从燃料中产生达到有 效地高燃烧速率以及产气率。合适的氧化剂的具体例子包括碱性金属硝酸盐如碱式硝酸 铜。碱式硝酸铜具有高的氧-金属比例和燃烧时良好的熔渣形成能力。这样的氧化剂的量 可以是小于或等于按产气组合物的重量计大约50%。
其它氧化剂包括水溶性氧化化合物，如硝酸盐或高氯酸盐，如硝酸铵、硝酸钠、硝 酸锶或硝酸钾，和高氯酸铵、高氯酸钠或高氯酸钾。还包括二硝酰胺铵和无高氯酸盐的氧化 剂。所述气体发生剂可以包括氧化剂的组合，如所述氧化剂可以名义上被认为是初级氧化 剂、次级氧化剂等等。例如，至少一种燃料成分(如硝酸胍)可以与氧化剂的组合(如碱式 硝酸铜和高氯酸钾)混合以形成气体发生剂。
所述气体发生组合物可以由氧化还原对的水分散液形成，其中一种或多种燃料 成分添加至水溶液中以充分溶解，所述氧化剂成分在燃料溶液中分散并稳定，氧化剂成分 溶解在溶液中，或者作为固体颗粒稳定分散在溶液中。所述溶液或分散液可以是悬浮液 (slurry)形式。所述水分散液或悬浮液通过将混合物从喷雾嘴穿过以形成液滴流而喷雾干 燥。所述液滴与热空气接触以从液滴中有效移除水分和任何其它溶剂并且随后生产气体发 生剂组合物的固体颗粒。
形成水分散液的成分混合物还可以是悬浮液形式，其中所述悬浮液是悬浮在液 体媒介或载体中的精细(相对小的微粒尺寸)且基本不溶解的微粒固体的易流动的或可 泵吸的混合物。同样可以考虑悬浮在载体中的固体材料的混合物。在一些实施方式中，所 述悬浮液包含微粒，该微粒的平均最大微粒尺寸小于大约500 μ m，可选地小于或等于大约 200 μ m，以及在一些例子中，小于或等于大约100 μ m。
所述悬浮液包含在载体中易流动的和/或可泵吸的悬浮的固体和其它材料。合适 的载体包括通常可能是水的水溶液。但是，所述载体同样可以包含一种或多种有机溶剂或 醇。在一些实施方式中，所述载体包括共沸混合物，所述共沸混合物指的是期望在特定温度 和压力下以恒定的化学计量比蒸发的两种或多种液体如水和某些醇的混合物。应当选择与 燃料和氧化剂成分具有兼容性的载体以避免有害反应，并进一步最大化形成悬浮液的几种 成分的可溶性。合适的载体的非限定的例子包括水、异丙醇、正丙醇和它们的组合。
所述悬浮液的粘度满足在喷雾干燥过程中它可以被注射或泵吸。在一些实施方式 中，保持相对高的粘度以最小化水和/或溶剂含量，例如，在喷雾干燥中需要较少的能量移 除载体。但是，可以降低所述粘度以促进提高的泵吸速率用于更高压力的喷雾干燥。当选 择和调整喷雾以及期望的喷雾干燥液滴和微粒尺寸时可以采用这样的调节。
在一些实施方式中，所述悬浮液的水含量高于或等于按重量计大约15%以及可能 高于或等于按重量计大约20 %、30 %或40 %。在一些实施方式中，所述悬浮液的水含量按 重量计大约15%至85%。随着水含量增加，所述悬浮液的粘度降低，因此泵吸和处理变得 容易。在一些实施方式中，所述悬浮液的粘度范围在大约50000至250000厘泊。这样的粘度被认为是期望的，它提供了合适的流变学性能，使得悬浮液在施加的压力下流动，但同样 允许所述悬浮液保持稳定。
在一些实施方式中，一定量的二氧化硅(SiO2)包含在水分散液中，二氧化硅作为 氧化剂成分但是同样使分散液变厚并减少或阻止固体氧化剂微粒在分散液和液滴主体中 的移动。在氧化还原反应中，所述二氧化硅同样可以与氧化剂反应以形成玻璃状的熔渣，所 述熔渣可以从在气体发生剂燃烧时产生的气体中容易地滤除。所述二氧化硅优选地是非 常精细的。在一些实施方式中，优选等级的二氧化硅包括具有微粒尺寸在大约7nm至大约 20nm的那些，尽管在一些方面，微粒尺寸上至大约50 μ m的二氧化硅同样可以使用。等同物 和同样有用的熔渣和粘度改性剂/增进剂包括氧化铈、氧化铁、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氧 化铋、氧化钼、氧化镧等等。这样的氧化还原惰性氧化物可以单独使用或作为两种或多种单 独成分的混合物使用。例如，当一种氧化物具有对改进混合物悬浮液的粘度有用的非常精 细的形式(例如，微粒尺寸小于大约20nm)时，可以向混合物提供具有更大微粒尺寸的另一 种更粗糙的氧化物以改进熔渣性质而不妨碍或负面影响燃烧速率。
在一些方面，所述气体发生剂可以包括按重量计大约30至70份、更优选地按重量 计40至50份的至少一种燃料(例如，硝酸胍)，按重量计大约30至60份的氧化剂(例如， 碱式硝酸铜和高氯酸钾)，和按重量计大约0至5份的形成熔渣试剂如二氧化硅(SiO2)或 其等同物。在形成水分散液时，在喷雾温度下所述的组合物与充足的水溶液混合以充分溶 解全部的燃料成分；但是，在一些方面，期望将水的量限定至合适的最小值以最小化在喷雾 干燥过程中将被蒸发的水的量。例如，对于按重量计大约30至45份的燃料成分，所述分散 液可能具有小于或等于按重量计大约100份的水。
所述氧化剂成分可以通过剧烈搅动均一地分散在燃料溶液中以形成分散液，其中 氧化剂的微粒被充分地分开以形成稳定的分散液。在不溶于水的氧化剂的例子中，在达到 完全或基本完全分散的状态时，粘度将达到最低值。可以使用高剪应力搅拌器以获得氧化 剂微粒的有效分散液。所述分散液的粘度应当是足够高以防止所述固体微粒在混合物中的 任何实质移动(即，散落或沉淀)。
喷雾干燥过程用于形成颗粒和干燥材料。它适于使用氧化还原对成分的液体给料 以连续生产粉末、颗粒或大块微粒形式的干燥固体，以制备气体发生剂。喷雾干燥可以应用 于液体溶液、分散液、乳状液、悬浮液和可泵吸的悬浮液。可以改变喷雾干燥参数以调整干 燥的终端产品至精准的质量标准和物理特性。这些标准和特性包括微粒尺寸分布、剩余湿 气含量、固体密度和微粒形态。
喷雾干燥包括水混合物的雾化，例如，氧化还原对成分的液体分散液雾化成液滴 喷雾。所述液滴然后在干燥仓中与热空气接触。湿气从液滴中的蒸发和干燥微粒的形成在 控制的温度和气流条件下进行。使用例如旋风过滤或口袋过滤将粉末连续地从干燥仓中排 出和从尾气中回收。整个过程可能不超过几秒钟。在一些实施方式中，在雾化前加热所述 液体分散液或悬浮液。
喷雾干燥仪器典型地包括用于液体分散液的给料泵、喷雾器、空气加热器、空气分 散器、干燥仓、用于粉末回收的系统、尾气清洁系统和过程控制系统。可以根据个别规定调 整装备、过程特性和品质需要。雾化包括形成具有期望的液滴尺寸分布的喷雾以满足对生 成的粉末的要求。喷雾器可以使用多种方式形成液滴，包括旋转的(轮式)喷雾器和多种类型的喷雾喷嘴。例如，旋转的喷嘴使用离心能提供雾化，压力喷嘴使用压力能提供雾化， 双流喷嘴使用动能提供雾化。
可以使用气流调节控制喷雾液滴和干燥空气的初始接触以控制蒸发速率和干燥 机中的产品温度。同向气流移动干燥空气和液滴/微粒以相同的方向通过干燥仓。在同向 气流中，从干燥机中排出的产品温度比尾气温度低，因此所述方法对于干燥热敏感产品非 常有用。反向气流移动干燥空气和液滴或微粒以相反的方向通过干燥仓，并且对于在干燥 中需要热处理的产品有用。离开反向气流干燥的粉末的温度通常高于尾气温度。混合的流 动结合同向气流和反向气流，因此液滴或微粒经历两种类型的气流。混合流动的方法用于 热稳定产品，其中较粗糙的粉末要求需要使用喷嘴喷雾器。混合流动的方法包括向上喷雾 至引入的气流内，或者对于热敏感微粒，所述喷雾器向下喷雾朝向集成的流化床，典型地， 所述空气入口和出口定位在干燥仓的顶部。
所述气体发生剂成分的水分散液可以使用喷雾喷嘴喷成雾状通过在压力下从喷 嘴处对液滴施加压力以形成直径为大约40 μ m至200 μ m的液滴，其中所述喷嘴具有一个或 多个直径大约0. 5mm至2. 5mm的孔。所述液滴可以通过使得液滴落入热空气流或与热空气 流在大约80°C至250°C，优选地大约80°C至180°C的温度下接触而喷雾干燥。空气流的出 口温度和入口温度可以不同以完成干燥液滴所需要的热转移。前述举例说明的空气温度范 围进一步分别表示出口温度和入口温度的温度范围。
本发明方法可以使用多种本领域已知的喷雾干燥机。例如，合适的喷雾干燥仪器 和附加设备，包括由 Anhydro Inc. (Olympia Fields, IL) ,BUCHI Corporation (New Castle, DE)、Marriott Walker Corporation (Birmingham,MI)>Niro Inc. (CoIumbia，MD)、禾口 Spray Drying Systems, Inc. (Eldersburg，MD)制造的那些。在一些方面，形成粉末或微粒材料的 合适的喷雾干燥方法包括在Chan等的美国专利5，756，930中描述的那些方法，相关部分通 过引用的方式结合至本文。
从喷雾干燥的液滴生产的微粒可以包括气体发生剂成分的非常精细的混合晶体 的聚集体，具有最薄尺寸为大约0. 5 μ m至大约5 μ m的初级晶体尺寸，优选地大约0. 5 μ m 至大约1 μ m。但是，水不溶性氧化剂成分优选地是以非常小的微粒尺寸获得的这些，并融合 在溶解的燃料成分的水溶液中以形成分散液，因此减少水介质需要的水含量。
气体发生剂的干燥微粒可以是燃料晶体(如硝酸胍晶体)的基本上球形微孔聚集 体的形式，所述燃料晶体在需要与氧化剂充分完全反应的范围内具有窄的尺寸分布。例如， 球形微孔聚集体直径可以是大约20μπι至大约100 μ m，所述初级燃料晶体最薄的尺寸是大 约0. 5 μ m至大约5 μ m并通常是大约0. 5 μ m至大约1 μ m。通常，固体氧化剂微粒被燃料晶 体封装，其中氧化剂微粒作为燃料成分晶体的晶体生长位点。所述喷雾干燥方法产生了很 少的可能在后来的处理操作中很危险的超细灰尘。
气体发生剂的干燥的微粒可以容易地压制成小球或细粒用于充气约束如安全气 囊中的气体发生装料(charge)。压制操作通过混合喷雾干燥的气体发生剂微粒和一些水 或其它压制助剂而变得容易，其它压制助剂，非限定地如石墨粉末、硬脂酸钙、硬脂酸镁和 /或石墨氮化硼。水可以以水和疏水性气相二氧化硅的混合物的形式提供，可以使用高剪 应力混合器将其与微粒混合。所述组合物然后可以被压制成多种形式，如小球和细粒。在 一些实施方式中，合适的气体发生剂细粒密度高于或等于大约1. 8g/cc而小于或等于大约2. 2g/cc。这些小球或粒状形式通过点火器如电火花塞很容易地点燃，或在一些方面，更有 效地，通过包含烟火型片状材料的燃爆(igniferous)助推器。所述的烟火型片状材料可 以由氧化膜形成，例如，覆盖有可氧化的金属层的聚四氟乙烯膜，可氧化的金属如镁，如在 Graham等的欧洲专利申请0505024中描述的，相关部分通过引用的方式结合至本文。
在一些实施方式中，制备气体发生剂的方法使用处理器(如混合桶)以制备随后 由喷雾干燥处理的气体发生剂制剂。例如，处理器可装有水、硝酸胍和氧化剂，所述氧化剂 包括碱式硝酸铜和高氯酸钾，它们被混合以形成水分散液。所述悬浮液的温度可以平衡在 大约80°C -90°C大约1小时。添加剂和成分(如额外的燃料成分、氧化剂成分、成渣助剂等 等)可以在这个时候添加至反应混合物。得到的水分散液然后泵吸至喷雾干燥机以形成干 燥的粉末或微粒的气体发生剂产物。更多的处理步骤如混合、压制、涂覆点火器等或其它步 骤可以然后经标准过程实施。
本发明的喷雾干燥方法使气体发生剂组合物产生出乎意料高的燃烧速率，其中气 体发生剂组合物包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约至大约15%的共氧化剂如高 氯酸钾。与通过使用相同成分并具有基本上相同组合物但使用不同的方法制备的对比气体 发生剂相比，这些燃烧速率是令人惊讶的。例如，这些混合物的喷雾干燥可能导致组合物表 现的燃烧速率至少比具有基本上相同的组合物的对比气体发生剂的对比燃烧速率高20%， 其中所述对比气体发生剂通过以下方法制备机械混合，然后轧辊压制单独成分，研磨和/ 或机械混合高氯酸钾至碱式硝酸铜和硝酸胍的喷雾干燥混合物中，它们是形成气体发生剂 细粒的常用方法。在一些方面，通过本发明喷雾干燥方法制备的气体发生剂组合物可以利 用便宜成分，而表现出的燃烧速率与之前仅通过合并昂贵成分如双四唑和氨基四唑得到的 燃烧速率相当。本发明的方法和制剂还包括用于在气体发生剂燃烧时促进熔渣形成的额外 的添加剂如二氧化硅或相似的惰性氧化物。
因此，在多个方面，本发明的教导提供了包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约 至大约30%的次级氧化剂的气体发生剂细粒，其中在压力是大约3000磅/平方英寸
(大约20. 7MPa)时所述气体发生剂细粒的线性燃烧速率大于或等于大约1英寸/秒(大约 38. Imm/秒)。在一些方面，在压力是大约3000磅/平方英寸(psi)(大约20. 7MPa)时，所 述气体发生剂的线性燃烧速率大于或等于大约1. 1英寸/秒(大约28mm/秒)；任选地大于 或等于大约1. 2英寸/秒(大约30. 5mm/秒)；任选地大于或等于大约1. 3英寸/秒(大约 33mm/秒)；任选地大于或等于大约1. 4英寸/秒(大约36mm/秒)；任选地大于或等于大约 1. 5英寸/秒(大约38mm/秒)；任选地大于或等于大约1. 6英寸/秒(大约41mm/秒)； 任选地大于或等于大约1. 7英寸/秒(大约43mm/秒)；任选地大于或等于大约1. 8英寸/ 秒(大约46mm/秒)；任选地大于或等于大约1. 9英寸/秒(大约48mm/秒)。在一些实施 方式中，在压力是大约3000psi (大约20. 7MPa)时，所述气体发生剂的线性燃烧速率大于或 等于2. 0英寸/秒(大约51mm/秒)。在一些方面，在压力是3000psi (大约20. 7MPa)时， 所述气体发生剂的燃烧速率小于或等于大约2. 1英寸/秒(大约53mm/秒)。
此外，根据本发明公开内容，气体发生剂的产气率相对地高。例如，在一些实施方 式中，产气率大于或等于大约3摩尔/IOOg气体发生剂。在一些实施方式中，产气率大于或 等于大约3. 1摩尔/IOOg气体发生剂，以及任选地大于或等于大约3. 2摩尔/IOOg气体发 生剂。[0051]考虑到制备气体发生剂的其它常规方法，观察到的喷雾干燥组合物的线性燃烧速 率的增加是令人惊讶且意想不到的。当比较从使用三种不同方法制备的气体发生剂制剂获 得的数据时可以观察到这些基于方法的改进，三种不同方法体现在两个对比实施例和根据 本发明公开内容的实施例(1)中。所述三种方法包括
(1)干混硝酸胍、碱式硝酸铜和高氯酸钾成分，然后轧辊压制并研磨气体发生剂产 物(对比实施例1)；
(2)喷雾干燥硝酸胍和碱式硝酸铜成分，然后机械混合高氯酸钾至混合物以形成 气体发生剂产物(对比实施例2)；
(3)喷雾干燥作为单一水混合物的硝酸胍、碱式硝酸铜和高氯酸钾成分以形成气 体发生剂产物(实施例1)。
三种方法的结果总结在表1和表2中。可以看出，不考虑水溶性燃料或主要氧化 剂是否喷雾干燥，上面列出的实施例方法(1)和(2)给出几乎相同的结果。虽然可能期望 与方法(1)的干混过程相比，方法(2)中的喷雾干燥提高线性燃烧速率，仅在微量氧化剂成 分高氯酸钾包括在含有其它成分并喷雾干燥的水性混合物中时，即按照本发明方法(3)的 教导，达到燃烧速率的明显提高。这更加想不到，因为高氯酸钾在水中仅具有较少的可溶性 并且根据方法(3)的实施例(1)中喷雾干燥的水性混合物同样是硝酸胍饱和。
表一、方法对比实施例1
权利要求
一种制备气体发生剂的方法，包括喷雾干燥水混合物以生产粉末，其中所述水混合物包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约1％至大约30％的次级氧化剂；以及压制所述粉末以生产气体发生剂细粒。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述水混合物包括按重量计大约至大 约15%的所述次级氧化剂。
3.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次级氧化剂是高氯酸盐。
4.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次级氧化剂包括高氯酸钾。
5.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次级氧化剂包括选自高氯酸铵、硝酸 钾、硝酸锶、硝酸钠和其组合组成的组的化合物。
6.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述水混合物进一步包含至少一种添加剂。
7.根据权利要求
6所述的方法，其特征在于，所述添加剂是金属氧化物。
8.根据权利要求
7所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物包括选自氧化铜、氧化 钼、氧化铁、氧化铋和其组合组成的组的化合物。
9.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述水混合物进一步包含少于或等于按 重量计大约5%的熔渣促进剂。
10.根据权利要求
9所述的方法，其特征在于，所述熔渣促进剂包括选自二氧化硅、氧 化锌、氧化铵、氧化铈和其组合组成的组的化合物。
11.根据权利要求
1所述的方法，进一步包括在压制前将少于或等于按重量计大约5% 的熔渣促进剂添加至粉末中。
12.根据权利要求
11所述的方法，其特征在于，所述熔渣促进剂包括选自二氧化硅、氧 化锌、氧化铝、氧化铈和其组合组成的组的化合物。
13.一种根据权利要求
1所述的方法制备的气体发生剂细粒，其特征在于，所述气体发 生剂细粒的燃烧速率比对比气体发生剂细粒的对比燃烧速率至少高大约20%，所述对比气 体发生剂细粒具有基本上相同的组合物并通过选自以下方法组成的组的方法生产轧辊压 制、研磨、和/或机械混合。
14.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在喷雾干燥之前， 通过将硝酸胍添加至水介质中；将碱式硝酸铜和次级氧化剂添加至水介质中；并混合所述 水介质以形成水混合物而形成包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约至大约30%的 所述次级氧化剂的混合物。
15.根据权利要求
14所述的方法，其特征在于，所述水介质包含水。
16.一种根据权利要求
15所述的方法制备的气体发生剂。
17.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述生产粉末的水混合物的喷雾干燥使 用单孔喷射喷嘴完成。
18.一种根据权利要求
17所述的方法制备的气体发生剂。
19.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述粉末的压制形成具有选自小块或圆 柱体的形状的气体发生剂细粒。
20.根据权利要求
1所述的方法，进一步包括在所述压制前将压制剂添加至所述粉末以形成气体发生剂细粒。
21.根据权利要求
20所述的方法，其特征在于，所述压制剂选自硬脂酸钙、硬脂酸镁、 石墨、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和其组合组成的组。
22.一种根据权利要求
1所述的方法制备的气体发生剂。
23.一种气体发生剂细粒，包含硝酸胍、碱式硝酸铜和按重量计大约至大约30%的包括高氯酸钾的次级氧化剂， 其中在大约3000磅/平方英寸的压力(大约20685kPa)时所述气体发生剂细粒具有大于 或等于大约1. 5英寸/秒(大约38. Imm/秒)的线性燃烧速率。
24.一种根据权利要求
23的气体发生剂，具有大于或等于大约3摩尔/IOOg气体发生 剂的产气率。
25.一种制备气体发生剂的方法，包括通过单孔喷射喷嘴喷雾干燥水混合物以生产粉末，其中所述水混合物包含硝酸胍、碱 式硝酸铜和按重量计大约至大约30%的次级氧化物；以及压制粉末以生产气体发生剂细粒，在大约3000磅/平方英寸的压力(大约20685Kpa) 时，所述气体发生剂细粒具有大于或等于大约1. 5英寸/秒(大约38. Imm/秒)的平均线 性燃烧速率。
专利摘要
本发明涉及在充气约束系统中使用的气体发生剂的组合物和方法。通过本发明公开的喷雾干燥技术形成的气体发生剂细粒提供了优良的性能，包括高的燃烧速率和高的产气率。进一步，所述气体发生剂细粒产物的制备非常有效率。这样的气体发生剂包含，非限定性地，硝酸胍、碱式硝酸铜和次级氧化剂，如高氯酸钾。
文档编号C06B47/08GKCN101952227SQ200980105805
公开日2011年1月19日 申请日期2009年4月8日
发明者加里·K.·伦德, 罗杰·布雷德福德 申请人:奥托里夫Asp股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan