整体式气体发生剂晶粒的制作方法

专利名称:整体式气体发生剂晶粒的制作方法
技术领域：
本发明公开的内容涉及可充气的约束系统，更具体而言，涉及用于该系统的烟火气体发生剂材料。
背景技术：
这部分的陈述仅提供了涉及本发明的背景技术信息，其可以不构成现有技术。
被动式可充气的约束系统经常在诸如汽车的各种应用中使用。当车辆由于碰撞而减速时，可充气的约束系统展开气囊垫以防止驾乘者和车辆之间的接触，由此使驾乘者受到的伤害最小。这样的装置通常利用可以包括烟火气体发生剂的充气机。该气体发生剂燃烧非常迅速以产生给气囊充气的加热的气体。该可充气的装置在气囊中通常需要持续的气压(通常在至少40到150毫秒的时间内每平方英寸超过5-10磅)以相对于车辆约束驾乘者。因此，气体发生剂提供符合这些要求的气体。
有时，车辆驾乘者不在由于气囊展开而获益的预定的位置。如果气囊内压力增大的速度太快且通过气体发生剂产生的压力过大，那么不在合适位置的驾乘者可能不会得到希望的气囊的益处。
一直希望改善气体发生剂的性能。定制诸如气囊的可充气的装置系统内气体发生剂的性能，可能不仅需要气体发生剂，而且还需要控制气流的硬件系统的复杂设计。优选的是，用于可充气的约束装置的充气机的气体发生剂在燃烧过程中以希望的压力水平且以希望的速度迅速地产生气体，以获得优异的性能且改善不在合适位置时的性能。同样地，气体发生剂材料优选地操 作安全，具有高气体产生率以及适合的火焰温度，燃烧速度适于发生剂腹板厚度。非常需要满足这些要求的、且使通过气囊排放的废气中产生的副产物成分最少的气体发生剂。

发明内容
根据各个方面,本发明的公开内容提供了一种气体发生剂。在某些实施方案中，该气体发生剂包含置换的碱性金属硝酸盐反应产物，其是通过带有杂环的含氮化合物的酸性有机混合物与碱性金属硝酸盐的反应而形成的。在各种实施方案中，该气体发生剂具有在每平方英寸约3，000磅的压力下大于或等于每秒约1.6英寸的线性燃烧速度。此外，所述气体发生剂优选地基本上不含有聚合物粘合剂。
在其它方面，本发明的公开内容提供一了种用于可充气的约束装置的压制的整体式气体发生剂，其包括具有多个孔的圆盘。所述多个孔的长度与直径的比率为约3.5到约
8。所述圆盘的初始表面区域小于约13，000mm2。所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸约3，000磅的压力下大于或等于约1.6英寸每秒。此外，所述气体发生剂的质量密度和气体产率的乘积大于或等于约5.0摩尔/100cm3。所述气体发生剂基本上不含有聚合物粘合剂。
根据其它方面，本发明的公开内容提供了一种可充气的约束装置。所述可充气的约束装置包括气囊和用于给所述气囊充气的气体发生剂。所述气囊约束车辆驾乘者的移动。所述装置包括至少一具有多个孔的整体式圆盘形式的气体发生剂，并且在每平方英寸约3，OOO磅的压力下具有大于或等于每秒约1.6英寸的线性燃烧速率。此外，所述气体发生剂基本上不含有聚合物粘合剂。
根据本发明公开内容的一些方面，一种用于可充气的约束装置的气体发生包括具有多个孔的圆盘，其中所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸约3，000磅的压力下大于或等于每秒约1.6英寸。所述气体发生剂基本上不含有聚合物粘合剂。在一些方面，所述气体发生剂还优选地基本上不含有含高氯酸盐的氧化剂。在某些方面，所述气体发生剂的质量密度和气体产率的乘积大于或等于约5.0摩尔/100cm3。
此外，根据本发明公开内容的其它方面，一种用于可充气的约束装置的压制的整体式气体发生剂包括具有多个孔的圆盘。所述多个孔中的每一个孔的长度与直径的比率为约3.5到约8。所述圆盘的初始表面区域优选地小于约13，000mm2，并且所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸约3，000磅的压力下大于或等于每秒约1.6英寸。此外，所述气体发生剂的质量密度和所述发生剂(每IOOg)的气体产率的乘积优选地为大于或等于约5.0摩尔/100cm3。所述气体发生剂优选地基本上不含有聚合物粘合剂。
此外，在其它方面，本发明的公开内容提供了一种用于可充气的约束装置的气体发生剂，该气体发生剂包括具有多个孔的圆盘。所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸约3，000磅的压力下大于或等于每秒约1.6英寸。所述气体发生剂的质量密度和气体产率的乘积大于或等于约5.0摩尔/100cm3。所述气体发生剂基本上不含有聚合物粘合剂和含高氯酸盐的氧化剂。
根据本发明的描述，其它领域的应用将是显而易见的。应该理解，说明书以及具体的实施例仅是以举例说明为目的，而并不打算限制本发明公开内容的范围。


本发明中所描述的附图仅是以举例说明为目的，而并不打算以任何方式限制本发明公开内容的范围。
图1为有驾乘者的车辆中的示例性的被动式可充气的气囊装置系统的简化的局部侧视图；
图2为用于可充气的气囊约束装置的包括充气机的乘客侧气囊模块的示例性局部剖视图；
图3为用于可充气的气囊约束装置的包括充气机的驱动侧气囊模块的示例性局部剖视图；
图4为根据本发明公开内容的某些实施方案的原理的压制的整体式气体发生剂的等轴视图；
图5为燃烧压力相对于时间的图形，其将根据本发明公开内容的某些实施方案的压制的整体式气体发生剂晶粒与相应的传统气体发生剂球团进行比较；
图6示出了根据本发明公开内容的某些实施方案的整体式气体发生剂晶粒与常规的气体发生剂球团进行比较的粘度伤害标准(V*c)不在合适位置(OOP)的测试结果；[0021]图7对根据本发明公开内容的某些实施方案的整体式气体发生剂晶粒与常规的气体发生剂球团的线性碰撞力G进行了比较；以及[0022]图8示出了与常规的气体发生剂球团相比，根据本发明公开内容的某些实施方案的整体式气体发生剂晶粒的OOP最大力G的结果。
具体实施方式
以下描述在性质上仅仅是举例说明，并不打算限制本发明的公开内容、应用或用途。应该理解，在附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。虽然该描述以及任何具体的实施例说明了本发明公开内容的实施方案，但是其仅为举例说明的目的，并不打算限制本发明公开内容的范围。此外，具有所描述特征的多个实施方案的叙述不打算排除具有附加特征的其它实施方案，或者具有所述特征的不同组合的其它实施方案。
可充气的约束装置优选地在原处通过包含在其中的烟火气体的反应而产生气体。根据本发明的各个方面，提供了具有希望的在可充气的约束装置中可产生优异的性能特征的组成和形状的气体发生剂。在优选实施方案中，该气体发生剂具有高燃烧速率(即，燃烧反应的速率)、高气体产生率(发生剂的摩尔质量)、获得的高质量密度、高的理论密度、高的装填密度，基本上不含粘合剂，并且形成使包含在其中的材料的弹道燃烧特征最优化的独特形状。
作为背景技术，可充气的约束装置可应用于用于汽车的各种类型的气囊模块装置，例如，驾驶侧、乘客侧、侧面撞击、门帘和地毯气囊装置，以及其它类型的包括诸如船、飞机及火车的交通工具。此种烟火气体发生剂还可用于需要快速产生气体的其它应用中，例如座椅安全带约束装置。
鉴于举例说明的目的，如本申请中所描述的，示例性的可充气的约束装置将被称为气囊装置。图1示出了示例性的驾驶侧前面的气囊可充气的约束装置10。在该驾驶侧，可充气的约束装置通常包括存放在车辆16的驾驶杆14内的气囊垫12。装在位于驾驶杆14里面的充气机(未示出)内的气体发生剂快速地产生使气囊12充气的膨胀气体18。气囊12在车辆16减速的检测的毫秒内展开，并且在车辆驾乘者20和车辆部件22之间产生阻挡物,从而使伤害最小化。
可充气的约束装置通常包括一系列反应，其有助于充气气体的产生以展开气囊。整个气囊装置系统刚一启动，气囊垫就应该在几毫秒的过程内开始充气。
图2示出了一简化的示例性的气囊模块30，其包括乘客车厢充气机装置32和遮住的隔间34以存放气囊36。该装置通常使用一个在感应到快速减速和/或碰撞时用电点火的点火管或引发器40。点火管40的放电通常点燃快速及放热性地燃烧的燃烧材料42，然后点燃气体发生剂材料50。气体发生剂材料50燃烧以产生直接供气囊36充气的大多数气体产物。
在各种实施方案中，气体发生剂50为包含烟火材料的固体晶粒。该烟火材料包括燃料、氧化剂以及其它微量成分，其在点燃后快速燃烧以形成气体反应产物(例如，co2、h2o和队)。气体发生剂作为点火剂和/或推进剂在本技术领域：
中也是公知的。因此，气体发生剂材料包括点燃的并经过形成热和气体产物的快速的燃烧反应的一种或多种化合物，即，气体发生剂50燃烧产生用于可充气的约束装置的加热的充气气体。
在各种实施方案中，气体发生剂50为包含烟火材料的固体晶粒。气体发生剂50内存在的杂质和其它材 料在燃烧反应过程中有助于各种其它化合物的形成，包括附加气体、烟雾剂和微粒。通常，在燃烧过程中，炉渣或熔渣形成在气体发生剂50的附近。该炉渣/熔渣通常用于隔离各种微粒和其它化合物。然而，通常在气体发生剂50和气囊36之间附加地设置过滤器52以除去承载在气体中的微粒以及降低气体在进入气囊36之前的气体温度。气体发生剂50产生的气体成分的质量和毒性，也称为排放物，是非常重要的，这是因为车辆的驾乘者潜在地与这些化合物相接触。希望使排放物内的潜在地有害的化合物的浓度最小化。
图3示出了简化的示例性的驾驶侧的气囊模块60，其具有遮住的隔间62以存放气囊64。一导火管66居中地放置在快速及放热性地燃烧的点火材料68内，然后点燃气体发生剂材料70。提供过滤器72以减少在气囊64充气时进入气囊64的排放气体内的微粒。
各种不同的气体发生剂组合物(50或70)用于对车辆驾乘者的可充气的约束系统中。如上文所述，气体发生剂材料的选择包括各种因素，除了其它需要考虑的因素外，包括满足当前的工业性能规范、指南和标准，产生安全的气体或排放物，以及制造中的成本效用。优选的是，该气体发生剂组合物在操作、存放以及处理过程中是安全的，并且优选为无叠氮化物。
诸如图2和3所示的50或70的气体发生剂的弹道特性通常由气体发生剂材料的组成、形状和表面区域以及材料的燃烧速率来控制。常规的气体发生剂材料包含至少一种燃料、一种氧化剂和至少一种粘合剂。粘合剂通常与气体发生剂的各种组分混合。粘合剂用于保持气体发生剂固形物的形状，尤其是当其通过挤压和/或模制形成时。例如，各种气体发生剂成分的干混混合物可以与液体粘合剂树脂混合、挤压，然后固化(cured)。可选地，固体聚合粘合剂微粒可以在溶剂内溶解或加热至熔点，然后与其它气体发生剂成分混合，并挤压或模制。 然而，由于制造方法的性质以及施加的相对的压缩力，通过此种方法形成的气体发生剂固形物仅能承受相对较低至适中的压缩力。因此，需要存在粘合剂以在存放和使用过程中保留形状和防止破裂。
大多数上文所述的形成方法要求诸如聚合物粘合剂类的粘合剂，包括有机成膜齐U、无机聚合物、热塑性和/或热固性聚合物。通常的聚合物粘合剂的示例包括，但不限于:天然树胶、纤维脂、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、硅树脂、聚酯、聚醚、聚丁二烯，以及类似物。
然而，在常规气体发生剂中存在的聚合物粘合剂会引发几个潜在的问题。第一，在燃料和氧化剂的燃烧过程中，粘合剂同样地燃烧和/或挥发，这在气体/排放物中会潜在地产生不希望的副产物。因此，这些副产物的产生需要适当的处理和/或隔离。第二，粘合齐 树脂是一种稀释剂，此外会降低气体发生剂中的化学材料的快速反应。在一些情形中，具有某些粘合剂的气体发生剂的燃烧速率受到如此严重地损害(compromised)，以致整体形状过早地不具有工业实用性。由于粘合剂的存在降低了气体发生剂的反应速率，经常添加其它化合物以补偿粘合剂(从而加快反应速率)。这些添加剂包括共氧化剂，其既增加了成本也潜在地在排放物中产生不希望的物质。例如，含高氯酸盐的氧化剂产生排放物副产物中的不希望的含氯化物的气体副产物(例如，HCl、NaCl或KCl)。一些通常所使用的共氧化剂还增加了制剂(formulation)的燃烧火焰的温度,其可能增加不希望的气体排放物的数量，并且需要另外冷却气体。此外，获得的盐通常会产生不希望的排放物微粒。
根据本发明公开的内容，气体发生剂材料基本上不含有聚合物粘合剂。本发明中所使用的术语“基本上不含有”意指化合物的不存在达到避免了不希望的和/或有害的影响的程度。在本发明的实施方案中，“基本上不含有”粘合剂的气体发生剂包含少于约5%重量的粘合剂，更优选地少于约4%的重量，可选地少于约3%的重量，可选地少于约2%的重量，可选地少于约I %重量的粘合剂，以及在某些实施方案中包含0%重量的粘合剂。因此，本发明公开内容中的气体发生剂的组成避免了在气体发生剂燃烧时通过粘合剂树脂的燃烧和/或挥发在排放物中潜在地产生的不希望的副产物物质的产生。此外，基本上不含有粘合剂的气体发生剂已经显著地改善了燃烧特性(即较高的燃烧速率)。
在方面，某些气体发生剂材料具有压缩的整体式晶粒形状并且还具有大于或等于约90%的最大理论密度的实际密度。根据本发明公开内容的某些方面，实际密度大于或等于约93%，更优选地大于约95%的最大理论密度，并且甚至更优选地大于约97%的最大理论密度。在一些实施方案中，实际密度超过约98%的气体发生剂材料的最大理论密度。根据本发明公开内容的各个方面，通过某些形成气体发生剂晶粒的方法而获得气体发生剂材料中的如此高的实际密度，此时高的压缩力被施加于基本上不含有粘合剂的气体发生剂原材料上。
根据本发明的公开内容，气体发生剂材料为干燥的粉末的和/或雾化的形式。通过施加大于约50，OOOpsi (约350Mpa)的力压缩干燥的粉末，，优选地大于约60，OOOpsi (约400Mpa)，更优选地大于约65，OOOpsi (约450Mpa)，最优选地大于约74，OOOpsi (约500Mpa)。该粉末状材料可以放置在模具(dice)或模型(mould)中，施加的力压缩所述材料以形成需要的晶粒形状。根据本发明公开内容的教导不受限于任何特定的理论，但是认为，由于气体发生剂晶粒在燃烧过程中保持其形状(不破裂和/或研磨成粉)，与理论质量密度比较，高的实际密度是至关重要的，其有助于保持希望的诸如逐步的表面区域接触、燃烧特征、燃烧压力以及类似的性能特征。这些方面的性能既改善了不在适当位置的驾乘者的状况又排除了对两级驱动的可充气的约束装置装配的需要，这在下文将会进行更详细地说明。
此外，优选气体发生剂的装填密度相对较高，否则可能导致特定封装的性能低。装填密度是发生剂材料的实际体积 除以可用的形状的总体积的值。根据本发明公开内容的各个方面，气体发生剂的装填密度优选地大于或等于约60%、甚至更优选地大于或等于约62%。在某些方面，气体发生剂具有约62到63%的装填密度。
本发明公开内容的各个方面提供了一种特制的具有整体式晶粒形状的气体发生剂以产生快速加热气体。该晶粒形状具有希望的表面区域和形状以有利于延长的反应并且在希望的压力下产生优选的气体特征，如下文将会更详细地描述的那样。不存在粘合剂进一步促使希望的燃烧和压力特征的形成。正是整体式气体发生剂晶粒的所选择的气体发生剂材料的组成、初始表面区域、形状和密度的组合使得所希望的性能结果最大化，其通过除去会阻止快速反应的粘合剂而变得容易。
根据本发明公开内容的各个方面，通过某些处理步骤产生整体式气体发生剂以具有能实现此类希望特性的特定形状。在某些实施方案中，气体发生剂为单个大晶粒形式，当该晶粒燃烧时，该晶粒形状提供增大的表面区域。在某些实施方案中，一种或多种这样的整体式晶粒可以应用在可充气的约束装置的充气机内。希望的整体式晶粒的形状与组合物的弹道特征相关联。该整体式晶粒的形状增大且控制该气体发生剂组合物的燃烧速率。来自气体发生剂的气体发生速率能够通过以下公式来表示:mg = P gAbyr，其中“mg”是气体发生速率(单位时间的质量)，“ P g”为气体发生剂的密度，“Ab”等于表面的燃烧面积，“y”是被定义为发生剂气体产率的倍增因子，“r”是质量燃烧速率，也称为表面衰退率(单位时间的长度)。燃烧速率是根据经验确定的气体发生剂晶粒组合物的函数，并取决于包括气体发生剂的初始温度、燃烧压力、固体表面上的气体燃烧产物的速率以及气体发生剂晶粒的形状的各种因素。气体发生剂材料的线性燃烧速率“ιγ”独立于气体发生剂晶粒形状的表面，其也以特定压力时的单位时间的长度表示。
在各种实施方案中，希望的高的燃烧速率可以形成希望的压力曲线以对气囊充气。在这方面，相比于传统的球形和/或圆片形的表面区域，整体式晶粒的初始表面区域相对较小，这在下文将会进行更详细地说明。然而，当本发明公开内容的优选的整体式晶粒形体燃烧时，更多的表面区域逐步接触，因此，燃烧的组合物的数量(Hlg)逐渐变大并且产生更高数量的气体。
根据本发明公开内容的各个方面，该气体发生剂在每平方英寸(psi)约3，000磅压力下的线性燃烧速率大于或等于每秒约1.5英寸。在某些实施方案中，气体发生剂的燃烧速率在约3，OOOpsi压力下大于或等于每秒约1.6英寸。在某些实施方案中,气体发生剂的线性燃烧速率在约3，OOOpsi压力下大于或等于每秒约1.8英寸，可选地大于或等于每秒约2.0英寸。在某些实施方案中,气体发生剂的燃烧速率在约3，OOOpsi压力下小于或等于每秒约2.3英寸。
另外，在各种实施方案中，气体发生剂优选地具有高质量密度。例如，在某些实施方案中，气体发生剂的理论质量密度大于约1.9g/cm3,优选地大于约1.94g/cm3,甚至更优选地大于或等于约2.12g/cm3。
此外，根据本发明的公开内容，气体发生剂的气体产率相对较高。例如，在某些实施方案中，气体产率大于或等于每100克约2.4摩尔的气体发生剂。在其它实施方案中，气体产率大于或等于每100 克约2.5摩尔的气体发生剂。
以其它方式所表明的，以比容表示的特定质量的气体发生剂产生的气体数量相对较高。在这方面，气体产率和密度的乘积对于预测气体发生剂的性能是重要的参数。在各种实施方案中，气体产率和密度(气体发生剂的)的乘积优选地大于约5.0摩尔/IOOcm3,甚至更优选地大于约5.2摩尔/100cm3。
具有包括于本发明公开内容中的气体发生剂的适合的燃烧速率、密度以及气体产率的气体发生剂组合物的适合的实例包括曼登哈(Mendenhall)等人的美国专利N0.6,958, 101中描述的那些气体发生剂组合物，其公开内容通过全部引用并入本发明中。然而，本技术领域：
中已知的或有待开发的可以提供具有上述希望的燃烧速率、气体产率和密度的气体发生剂的任何适合的燃料可以考虑用于本发明的各种实施方案中。
用于本发明公开内容的气体发生剂的适合的烟火材料包括含有可置换的碱性金属硝酸盐的无叠氮化物化合物。该可置换的碱性金属硝酸盐可以包括通过酸性有机化合物与碱性金属硝酸盐起反应而形成的反应产物。该反应认为是在酸性氢和碱性金属硝酸盐之间发生，使得硝酸盐化合物的羟基被部分地置换，然而，碱性金属硝酸盐的结构完整性不会由于置换反应而受到损害。根据本发明公开内容的某些方面，气体发生剂包含包括置换的碱性金属硝酸盐的材料，其是含氮的杂环酸性有机化合物和碱性金属硝酸盐的反应产物。
适合的酸性有机化合物的实例包括但不限于:四唑、咪唑、咪唑啉酮、三唑三氮杂茂、尿嘧啶唑、尿嘧唆、巴比妥酸、乳清酸、肌氨酸酐、尿酸、乙内酰脲、吡唑以及其衍生物和混合物。特别适合的酸性有机化合物包括四唑、咪唑以及其衍生物和混合物。这样的酸性有机化合物的实例包括5-氨基四唑、双四唑二水合物和硝基咪唑。根据本发明的某些方面，优选的酸性有机化合物包括5-氨基四唑。
通常，适合的碱性金属硝酸盐化合物包括:碱性金属硝酸盐、碱性过渡金属硝酸盐羟基重盐、碱性过渡金属硝酸盐层状双氢氧化物和它们的混合物。适合的碱性金属硝酸盐的实例包括但不限于:碱性硝酸铜、碱性硝酸锌、碱性硝酸钴、碱性硝酸铁、碱性硝酸锰和它们的混合物。根据某些优选的实施方案，置换的化合物的碱性金属硝酸盐包括碱性硝酸铜。
因此，在某些实施方案中，提高了燃烧速率的气体发生剂组合物包括诸如碱性硝酸铜、碱性硝酸锌、碱性硝酸钴、碱性硝酸铁和碱性硝酸锰的碱性金属硝酸盐，碱性过渡金属硝酸盐羟基重盐，碱性过渡金属硝酸盐层状双氢氧化物以及其混合物与诸如四唑、四唑衍生物和它们的混合物的酸性有机化合物的反应产物。
具有代表性的置换反应的实例，如下文提供的反应(I)到(4)。置换的碱性金属硝酸盐反应产物在这样的反应中形成，特别地，5-氨基四唑置换了碱性硝酸铜(在方程式I中形成)，双四唑二水合物置换了碱性硝酸铜(在方程式2中形成)，以及硝基咪唑置换了碱性硝酸铜(在方程式3和4中形成)，其都是用于本发明公开内容的各种实施方案的气体发生剂材料的适合的材料，所述反应方程式如下:
3Cu (OH) 2.Cu (NO3) 2+2CH3N5 — 2Cu (OH) 2.Cu (CH2N5) 2.Cu (NO3) 2+2H20
(I)
3Cu (OH) 2.Cu (NO3) 2+C2H2N8.2H20 — 2Cu (OH) 2.Cu (C2N8).(NO3) 2+4H20(2)
3Cu (OH) 2.Cu (NO3) 2+2C3H3N302 — 2Cu (OH) 2.Cu (C3H2N3O2) 2.Cu (NO3) +2H20 (3)
3Cu (OH) 2.Cu (NO3) 2+4C3H3N302 — Cu (OH) 2.2Cu (C3H2N3O2) 2.Cu (NO3) +4H20 (4)
如同本领域技术人员理解的那样，这样的燃料组合物可以与气体发生剂内的附加成分组合，诸如组合燃料(co-fuels)。例如,在某些实施方案中,气体发生剂组合物包括如上所述的可置换的碱性金属硝酸盐燃料，以及含氮的组合燃料。一个适合的含氮的组合燃料的示例是氨基甲脒硝酸盐(quanidine nitrate)。本发明公开内容的气体发生剂组合物希望使用诸如氨基甲脒硝酸盐的各种组合燃料通常是基于诸如燃烧速率、成本、稳定性(例如热稳定性)、可获得性和兼容性(例如，与其它标准的或有用的烟火组合物成分的兼容性)的因素的综合考虑。在一些实施方案中，气体发生剂组合物包括约5到约95重量百分比的可置换碱性金属硝酸盐化合物。例如，提高了燃烧速率的气体发生剂组合物可以包括约5到约95重量百分比的5-氨基四唑可置换的碱性硝酸铜。在某些实施方案中，烟火气体发生剂组合物包括约5到约60重量百分比的组合燃料。一种特别优选的气体发生剂成分包括约5到约60重量百分比的氨基甲脒硝酸盐组合燃料和约5到约95重量百分比的可置换碱性金属硝酸盐。
如上所述，根据本发明公开内容的各个方面，气体发生剂基本不含有聚合粘合剂。基本不含有聚合物粘合剂的气体发生剂材料具有足够的燃烧速率和燃烧气体产物，使得其还可以基本不含含高氯酸盐的氧化剂(例如，高氯酸铵和/或高氯酸钾)。在此类实施方案中，气体发生剂含有少于约5%重量的含高氯酸盐的氧化剂，更优选地少于约4%重量，可选地少于约3%重量，可选地少于约2%重量，可选地少于约1%重量，在某些实施方案中，含有O %重量的含高氯酸盐的氧化剂。
如果希望，根据本发明公开内容的各个方面的气体发生剂组合物可选地包括附加组分，例如:不含高氯酸盐的氧化剂、成渣剂、冷却剂、助流剂、粘度调节剂、挤压剂、分散剂、减敏剂、赋形剂、燃烧速率调节剂以及它们的混合物。此类添加剂通常用于改善存放过程中气体发生剂材料的稳定性；调节气体发生剂组合物的燃烧速率或燃烧特征；改善气体发生剂燃烧后残余渣块的处理或其它材料特性；以及提高处理或加工烟火原材料的能力。
如上文所述，某些不需要的氧化剂可以在气体发生剂组合物中避免，例如，在某些实施方案中，气体发生剂基本不含含有高氯酸盐的氧化剂。在一实施方案中，用于气体发生剂的适合的不含高氯酸盐的氧化剂含有诸如碱性硝酸铜的碱性金属硝酸盐。碱性硝酸铜具有高的氧与金属的比率以及良好的成渣能力。这种不含高氯酸盐的氧化剂存在的量可以少于或等于气体发生剂组合物的约50重量百分比。
其它适合的添加剂包括成渣剂、助流剂、粘度调节剂、挤压剂、分散剂或可以包括在气体发生剂组合物中的减敏剂。气体发生剂组合物可选地包括诸如难熔化合物的成渣齐U，例如，氧化铝和/或二氧化硅。通常，这样的成渣剂可以以气体发生剂组合物的O到约10重量百分比的量包括在气体发生剂组合物中。
用于降低气体温度的冷却剂，诸如碱性碳酸铜或其它适合的碳酸盐，可以O到约20%的重量添加到气体发生剂组合物。类似地，用于压缩处理过程中的挤压剂，其将在下文中更加详细地说明，包括诸如石墨的润滑剂和/或隔离剂，并且可以O到约2%存在于气体发生剂中占。虽然在某些方面气体发生剂组合物优选地基本不含有聚合物粘合剂，但在某些可选择的方面，在没有显著地损害排放物和燃烧特性时，气体发生剂组合物可选地含有低水平的某些可接受的粘合剂或赋形剂以改善压碎强度。举例来说，这些赋形剂包括微晶纤维素、淀粉、诸如羧甲基纤维素(CMC)的羧烷基纤维素，。当存在时，这种赋形剂可以少于10重量％包括在可选的气体发生剂组合物中，优选地少于约5重量％，更优选地少于约
2.8%。另外，可以添加某些成分以通过调节燃烧斜率的压力敏感度来调节烟火燃料材料的燃烧特征。一个这样的实例是铜双-4-硝基咪唑。具有如此影响的调节剂在本发明中被称为压力敏感度调节剂，其可以O到约10%的重量存在于气体发生剂中。Mendenhall等人的、名称为“含有络合的铜的咪唑及其衍生物的气体发生剂”的、序列号为N0.11/385，376的美国专利申请中更详细地描述此类添加剂，其公开内容通过全部引用而并入本发明中。本技术领域：
中已知的或有待开发的用于烟火气体发生剂组合物的其它添加剂也可同样地设想用于本发明公开内容的各种实施方案中，只要其没有不当地减损气体发生剂组合物的希望的燃烧特征。
图4描述了根据本发明公开内容的某些方面的单个整体式气体发生剂晶粒的形体110。由如图4所示的整体式圆盘晶粒形体110的燃烧导致的燃烧压力明显区别于常规的球团(圆柱形)或圆片(环形环形状)。图4所示的整体式晶粒形状110为一圆盘。示例性的晶粒形体110的尺寸为内径“a”约14臟，外径“b”41mm，以及高“c”约22mm。多个孔114从气体发生剂晶粒110的第一侧面116延伸到气体发生剂晶粒110的第二侧面118，从而提供了贯穿延伸通过晶粒110的本体120的开放通道。如图所示，每个通孔114的直径“d”约3_。虽然可以设想不 同结构、尺寸和数量的通孔114，但是所示气体发生剂晶粒110具有30个孔114。当关系到气体发生剂材料的希望的初始表面区域和特定燃烧速率时，可以改变孔114的数量、尺寸和位置。类似地，根据本领域技术人员的理解，圆盘尺寸(a、b和c)也可以改变。例如，当多个圆盘(multiple disk)被用作气体发生剂使用时,可以减小高度“C”。
该晶粒形体110的初始表面区域与常规的球团或圆片形状相比相对较小，然而，气体发生剂材料的燃烧速率却足够地高，以允许在燃烧反应进行时，快速燃烧的小表面区域接触附加的表面区域。图4所示的气体发生剂晶粒110形体的初始表面区域小于12，OOOmm2,特别地小于约11，930mm2。在各种实施方案中，该晶粒形体的初始表面区域小于约13，000mm2。除了别的以外，传统的晶粒形体要求较高的初始表面区域，例如，大于约35，OOOmm2,以达到必需的燃烧速率和气体燃烧压力以对气囊垫适当地充气。
根据本发明公开的内容，每个孔的直径与长度的比率(L/D)优选地从约3.5到约
9。在某些实施方案中，L/D的最大比率为7.5。在图4所示的特定实施例中，每个孔的L/D比率为约7.3。多个孔的L/D的比率与表面区域的级数和气体发生剂的全部燃烧特性相关。孔的数量和每个孔的L/D的比率与气体发生剂材料的燃烧压力曲线的形状或特征相关。
根据本发明公开内容的原理，燃烧压力曲线的特征与改善对驾乘者的保护相关，燃烧压力曲线优选为递增至中央。对应的常规的材料通常具有回归的燃烧压力曲线。压力曲线的特征与和反应的发生剂的质量相互关联的气体发生剂的表面区域的数量相关，由此与质量气体发生速率(Hig)和随着时间产生的气体压力相关。在这方面，与图4所示类似的的整体式气体发生剂晶粒110，提供可控制的燃烧压力，该燃烧压力提供了希望水平的较长的、控制的以及持续不变的燃烧压力，这在气囊垫展开过程中对于改善充气机的排放物特性和驾乘者的安全是重要的。
该概念也可以表示为“上升速率”，其是来自充气机的气体输出增大压力的速率(通常在气体输出导向封闭容积时测量)。通常希望一个可充气的约束气囊垫最初以相对递增的方式进行充气，以减小对驾乘者的伤害(尤其是当驾乘者特别接近气囊或“不在合适位置”时)，然后在一段期间后，充气气体以相对较大的速度或所增加压力速率进入到气囊垫。进行此种充气的气体发生剂在本技术领域：
中通常被称为以“S”曲线进行充气。本发明公开内容的气体发生剂接近具有S曲线的上升速率，这是极其需要的，尤其是对于不在合适位置的驾乘者。本发明公开内容的这些特征将会结合图4进行更详细地说明。
根据本发明公开内容的各个实施方案的方面，整体式晶粒的设计方案提供了较低的上升速率，却提供了较高的平均燃烧压力和对燃烧特性的优异控制。此外，在优选的实施方案中，与常规的挤压的整体式晶粒相比，气体发生剂内不存在聚合物粘合剂改善了燃烧特性。[0071]如上所述，本发明公开内容的各种实施方案的气体发生剂提供改善了的排放物质量。这可归因于本发明公开内容的几个方面，包括气体发生剂组合物基本上不含有聚合物粘合剂并且与提高燃烧火焰温度的诸如高氯酸盐的共氧化剂相关。例如，当燃烧温度较高时，通常已经观察到，较高的燃烧温度导致较大水平或相对数量的一氧化碳(CO)和氧化氮(NOx)燃烧产物。根据本发明公开内容的各种实施方案，最大燃烧温度(也表示为火焰温度)小于约2，300K。在各种实施方案中，燃烧过程中的火焰温度优选为从约1400K到约2，300K。在一些实施方案中，火焰温度小于约2，000K。[0072]表I将常规地成形的以球团为形状的气体发生剂与类似图4所示的压制的整体式圆盘形状的气体发生剂进行了比较，形成的同样的气体发生剂组合物分别具有约28%的氨基甲脒硝酸盐，约13%的碱性硝酸铜，约4%的碱性碳酸铜，约3%的二氧化硅，以及约52%的碱性氨基四唑硝酸铜。美国汽车研究委员会(USCAR)出版了对气囊装置排放物组成的最高推荐水平的指南。理想地是，这些排放物的产生被最小化至或低于这些指南。目前用于所有车辆约束装置的USCAR指南包括在表I中。此外，包括了 1/4的用于排放物组成(所推荐水平的25%)的USCAR指南(用于驾驶员气囊系统的通常的分配)。
表I示出了通过傅里叶变换红外线分析法(FTIR)在气体发生剂的燃烧过程中的排放物分析，其表明包括Ν0、Ν02和NOx的氮氧化物排放物气体的减少，因此得到了改善。正如能够观察到的，排放物中的氧化亚氮总数相比于球团晶粒减少了至少约50%的数量。例如，一氧化氮减少了约68%，二氧化氮减少了至少50%。氧化亚氮对于两种气体发生剂的都保持在检测限度以下。此外，排放物内产生的微粒种类也减少了。
此外，由于气体发生剂基本上不含有含高氯酸盐的氧化剂，排放物基本上不含有氯化物，比如HC1。一氧化碳和氨气的水平基本上相同，其表明了某些排放物组成的改进，而关于其它组分则没有任何有害的增加。如能够从数据中看到的，具有用于发生剂的实质部分的中间至递增表面的整体式晶粒燃烧产生低于1/4的USCAR指南的排放物成分，而具有高回归表面区域的传统的气体发生剂球团则在某些排放物成分上超过1/4的USCAR指南。因此，整体式气体发生剂晶粒表明相比于具有回归表面区域的传统的气体发生剂球团在各种排放物组分方面具有有益的全面的减少，因此具有低的平均燃烧压力。排放物微粒的输出相对于诸如球团的传统气体发生剂形体也实质上减少了。
表I
权利要求
1.一种用于可充气的约束装置的压制的整体式气体发生剂，其特征在于，所述气体发生剂包括具有多个孔的圆盘，其中所述多个孔的长度与直径的比率为3.5到8，所述圆盘的初始表面区域小于13，000mm2，其中压制的整体式气体发生剂的实际密度大于或等于95%的最大理论密度，和其中所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸3，000磅的压力下大于或等于每秒1.6英寸，所述气体发生剂的质量密度和气体产率的乘积大于或等于5.0摩尔/IOOcm3，其中所述气体发生剂包含少于3%重量的聚合物粘合剂和不含有含高氯酸盐的氧化剂，其中压制的整体式气体发生剂在燃烧过程中产生的排放物不含有氯化物。
2.根据权利要求
1所述的气体发生剂，其特征在于，所述气体发生剂的质量密度大于或等于1.9g/cm3。
3.根据权利要求
1所述的气体发生剂,其特征在于,所述气体发生剂的气体产率大于每100克的气体发生剂2.4摩尔。
4.根据权利要求
1所述的气体发生剂，其特征在于，所述气体发生剂的火焰温度小于或等于2300K。
5.根据权利要求
1所述的气体发生剂，其特征在于，所述发生剂为圆盘形式的压制的整体式晶粒，所述整体式晶粒包括一个或多个孔，其中所述圆盘的初始表面区域小于12, 000mm2。
6.根据权利要求
1所述的气体发生剂，其特征在于，所述多个孔中的一个或多个孔的长度与直径的比率小于7.5。
7.一种可充气的约束装置，其特征在于，所述可充气的约束装置包括: 气囊，所述气囊用于约束车辆驾乘者的移动；以及 至少一种气体发生剂，所述气体发生剂`用于给所述气囊充气，所述气体发生剂为具有多个孔的整体式圆盘的形式，此外，所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸3，000磅的压力下大于或等于每秒1.6英寸，其中所述气体发生剂的实际密度大于或等于95%的最大理论密度，其中所述气体发生剂包含少于3%重量的聚合物粘合剂和不含有含高氯酸盐的氧化剂，其中所述可充气的装置中的燃烧压力在至少25毫秒的时间内小于或等于每平方英寸3，500磅而且大于每平方英寸2，000磅，其中压制的整体式气体发生剂产生用于给所述气囊充气的排放物，该排放物不含有氯化物。
8.根据权利要求
7所述的装置，其特征在于，所述多个孔中的一个或多个孔的长度与直径的比率为3.5到8，并且所述圆盘的初始表面区域小于13，000mm2。
9.根据权利要求
8所述的装置，其特征在于，所述气体发生剂为具有包括一个或多个孔的圆盘形式的压制的整体式晶粒，其中，所述圆盘的初始表面区域小于12，000mm2。
10.根据权利要求
7所述的装置，其特征在于，所述气体发生剂的质量密度和气体产率的乘积大于或等于5.2摩尔/100cm3。
11.一种用于可充气的约束装置的气体发生剂，其特征在于，所述气体发生剂包括具有多个孔的压制的整体式圆盘，其中所述气体发生剂的线性燃烧速率在每平方英寸3，000磅的压力下大于或等于每秒1.6英寸，其中所述气体发生剂的质量密度和气体产率的乘积大于或等于5.0摩尔/IOOcm3，其中所述压制的整体式圆盘的实际密度大于或等于95%的最大理论密度，并且其中所述气体发生剂包含少于3%重量的聚合物粘合剂且不含有含高氯酸盐的氧化剂，其中所述可充气的装置中的燃烧压力在至少25毫秒的时间内小于或等于每平方英寸3，500磅而且大于每平方英寸2，000磅，其中压制的整体式圆盘在燃烧过程中产生的排放物不含有氯化物。
12.根据权利要求
11所述的气体发生剂，其特征在于，所述多个孔的长度与直径的比率为3.5到8，并且所述圆盘的初始表面区域小于13，000mm2。
13.根据权利要求
11所述的气体发生剂，其特征在于，所述气体发生剂的质量密度大于或等于1.9g/cm3。
14.根据权利要求
11所述的气体发生剂,其特征在于,所述气体发生剂的气体产率大于每100克的气体发生剂2.4摩尔。
15.根据权利要求
11所述的气体发生剂，其特征在于，所述气体发生剂的装填密度为62% 至 63%。
专利摘要
一种用于可充气的约束装置(例如，用于车辆的气囊系统)的气体发生剂，其线性燃烧速率在每平方英寸约3,000磅的压力下大于或等于每秒约1.6英寸的整体式压缩的固体。该气体发生剂可以为具有多个孔的圆盘形式。该气体发生剂可以基本上不含有粘合剂，且在燃烧过程中可以具有递增的小的初始表面区域。该气体发生剂提供了一种改善包括那些不在合适位置的驾乘者在内的车辆驾乘者的约束的气体发生特征。另外，该形状的气体发生剂减少了驾乘者接触有毒的排放燃烧产物和固体可呼吸的微粒。
文档编号C06B45/10GKCN101506125 B发布类型授权 专利申请号CN 200780031197
公开日2013年7月24日 申请日期2007年5月21日
发明者布雷特·赫西, 伊万·门登霍尔, 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专利引用 (2),