DE4423088A1 - Gaserzeugendes, azidfreies Stoffgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein gaserzeugendes Stoffgemisch, insbesondere zur Erzeugung von Treibgas für Insassen­ schutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, insbesondere für Airbag-Systeme.

Passive Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Airbag-Systeme, dienen dazu, im Falle einer Kollision des Fahrzeuges die Fahrzeuginsas­ sen vor Verletzungen zu schützen. Hierzu enthält ein Gaserzeuger in einem Brennraum ein gaserzeugendes Stoffgemisch in Form von Tabletten, Pellets oder Granu­ lat, das nach einer elektrischen Aktivierung ein Treib­ gas erzeugt, das seinerseits einen Gassack aufbläst, wodurch vermieden wird, daß der Fahrzeuginsasse bei­ spielsweise auf die Windschutzscheibe, das Lenkrad oder das Armaturenbrett aufschlägt.

Als gaserzeugende Stoffgemische sind verschiedene Stoffgemische bekannt. So wird beispielsweise Natri­ umazid als gasliefernde Hauptkomponente, Kaliumnitrat als Oxydator und Siliziumdioxyd eingesetzt, wobei das Siliziumdioxyd die bei der Reaktion des Azids mit dem Nitrat gebildeten Stoffe Natrium und Kalium als Schlacke bindet. Ein wesentlicher Nachteil der Verwen­ dung von natriumazidhaltigen Treibstoffen liegt in de­ ren hohen Toxizität, was besondere Maßnahmen unter an­ derem bei der Herstellung, dem Transport und der Ent­ sorgung erfordert. Nachteilig sind auch die alkalisch reagierenden Verbrennungsrückstände, die eine Ver­ ätzungsgefahr hervorrufen können.

Ferner sind gaserzeugende Massen bekannt, die aus einem Alkalimetallazid und einem Metalloxyd, meist aus Eisen­ oxyd, bestehen (vgl. DE-OS 24 59 667). Diese bekannten Stoffgemische weisen jedoch eine geringe Abbrandge­ schwindigkeit und eine schlechte Anzündwilligkeit auf.

Weiterhin ist aus der DE-OS 43 17 727 ein Stoffgemisch aus Nitrozellulose und Nitroglyzerin bekannt. Solche Treibstoffgemische auf der Basis von Nitrozellulose weisen eine schlechte Temperaturstabilität auf, mit der Folge einer begrenzten Lebensdauer und der Unmöglich­ keit diesen Stoff zu recyceln. Darüber hinaus enthalten diese Treibstoffgemische Schwermetallsalze als Abbrand­ regler, was zusätzlich die Entsorgung erschwert. Von größtem Nachteil dagegen sind die beim Abbrand entste­ henden enormen Mengen an Kohlenstoffmonoxyd.

Nun sind in den letzten Jahren natriumazidfreie Treib­ stoffmischungen vorgeschlagen worden (US 4 948 439), die als Hauptkomponente stickstoffreiche organische Verbindungen wie Tetrazole bzw. Tetrazolderivate oder Tetrazolate enthalten. Solche stickstoffhaltige, orga­ nische Treibstoffgemische besitzen dagegen den Nach­ teil, daß bei der Verbrennung neben Kohlenstoffmonoxyd in beträchtlichen Mengen auch nitrose Gase NO_x freige­ setzt werden, so daß die Gefahr einer kombinierten Ver­ giftung nicht ausgeschlossen werden kann.

Schließlich offenbart die Druckschrift US 3 880 595 Stoffgemische, die auf einer stickstofffreien organi­ schen Verbindung, wie zum Beispiel Zitronensäure, ba­ sieren. Der Nachteil dieser Treibstoffe liegt in deren niedrigen thermischen Stabilität und deren hohen Hygro­ skopizität sowie in der schlechten Verarbeitbarkeit, insbesondere die nur unter großen Schwierigkeiten durchzuführende Verpressung zu Tabletten bzw. Pellets.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gaserzeugendes, azidfreies Treibstoffgemisch bereitzu­ stellen, das aus ungiftigen Komponenten besteht, eine hohe thermische und chemische Stabilität aufweist, gut verarbeitbar und nicht hygroskopisch ist und schließ­ lich auch eine ausreichende Abbrandgeschwindigkeit so­ wie eine gute Anzündwilligkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, wonach das erfindungsge­ mäße gaserzeugende Stoffgemisch aus einer Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenden organischen Verbindung mit einem Anteil von 20 bis 45 Gew.-% sowie einem anorganischen Oxydator aus der Gruppe der Per­ chlorate mit einem Anteil von 55 bis 80 Gew.-% besteht, wobei die organische Verbindung einen O-Gehalt von mehr als 35% und einen über 170°C liegenden Schmelzpunkt aufweist.

Diese Treibstoffkomponenten sind ungiftig und preiswert sowie recyclingfähig und zudem sehr gut verarbeitbar. Ferner wird mit diesem erfindungsgemäßen Treibstoffge­ misch eine hohe Abbrandgeschwindigkeit erzielt, wobei jedoch die Verbrennungsrückstände ungiftig sind. Zudem weist das Treibgas selbst nur einen minimalen Schadgas­ gehalt auf. Schließlich ist das erfindungsgemäße Treib­ stoffgemisch schwermetallfrei und ist mit geringen Her­ stellkosten zu fertigen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stoffgemisches kann zusätzlich ein Metalloxyd in einer Menge von höchstens 20 Gew.-% enthalten. Dieses Metall­ oxyd dient zum einen als Kühlmittel zum anderen u. U. als ballistisches Additiv.

Vorzugsweise können als organische Verbindung monomere Verbindungen wie Carbonsäuren, bevorzugt Fumarsäure (C₄H₄O₄), Anhydride, Ester, Aldehyde, Keto- und Hydro­ xyverbindungen eingesetzt werden. Weiterhin sind auch Polymere wie Polyoxymethylen, Polyglykole, Polyester, Zelluloseazetat und Polyacrylate als organische Verbin­ dungen geeignet. Auch entsprechende Salze der monomeren Verbindungen, insbesondere Natrium-, Kalium-, Kalzium-, Magnesiumcarboxylate können mit Vorteil als organische Verbindung eingesetzt werden.

Schließlich kann als Metalloxyd eine Auswahl aus den Gruppen Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂, TiO₂, MnO₂, CuO, Fe₂O₃ und ZnO getroffen werden oder eine Mischung derselben ver­ wendet werden.

Die nachfolgenden Beispiele dienen im Zusammenhang mit den Zeichnungen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm eines Stabilitätstests für den Vergleich der thermischen Stabilität eines erfindungsgemäßen Stoffgemisches mit einem bekannten Treibstoffgemisch,

Fig. 2 ein Diagramm eines Hygroskopizitätstests für den Vergleich eines erfindungsgemäßen Stoff­ gemisches mit dem bekannten Treibstoffgemisch aus Fig. 1 und

Fig. 3 eine die Schadgasgehalte enthaltenden Tabelle eines erfindungsgemäßen Stoffgemisches und eines weiteren bekannten Treibstoffgemisches.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel besteht das Stoffgemisch aus 34,4 Gew.-% Fumarsäure und 65,6 Gew.-% Kaliumperchlorat. Dieses Treibgasgemisch wurde bezüg­ lich der thermischen Stabilität als auch der Hygro­ skopizität mit einem aus der schon genannten Druck­ schrift US 3 880 595 bekannten Stoffgemisch aus 35,3 Gew.-% Zitronensäure und 64,7 Gew.-% Kaliumperchlorat verglichen. Die Ergebnisse dieser Vergleichsversuche sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Nach Fig. 1 wurde der Stabilitätstest (Holland-Test) bei einer Temperatur von 110°C über eine Zeitdauer von mehr als 70 Stunden durchgeführt. Dabei zeigte das be­ kannte Stoffgemisch (Bezugszeichen 1) eine Gewichtsab­ nahme von fast 0,8%, während das erfindungsgemäße Stoffgemisch (Bezugszeichen 2) weniger als 0,01% Ge­ wichtsabnahme aufweist.

Der Hygroskopizitätstest wurde bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 86% über eine Zeitdauer von nahezu 100 Stunden durchgeführt. Gemäß Fig. 2 beträgt beim bekannten Stoffgemisch (Bezugszeichen 1) die Gewichtszunahme 13%, während bei dem erfindungsgemäßen Stoffgemisch (Bezugszeichen 2) keine Gewichtsaufnahme meßbar ist.

Schließlich wurde mit dem gleichen erfindungsgemäßen Treibstoffgemisch (Stoffgemisch 2) ein Vergleich mit einem weiteren bekannten Treibstoffgemisch (Stoffgemisch 1), bestehend aus 30,8 Gew.-% 5-Aminote­ trazol, 36,1 Gew.-% Natriumnitrat und 33,1 Gew.-% Ei­ sen-(III)-Oxyd (vgl. US 4 948 439) durchgeführt. Dabei erfolgte der Abbrand der Treibstoffe in einem üblichen Gasgenerator. Hierzu wurden die Treibstoffkomponenten fein aufgemahlen und zu Tabletten verpreßt. Die er­ zeugte Gasmenge und der entstehende Gasdruck waren aus­ reichend zur Füllung eines 65 Liter-Sackes. Die gemes­ senen Schadgaskonzentrationen beziehen sich dabei auf ein Meßvolumen von 60 l. Das Ergebnis des Versuches ist in Fig. 3 dargestellt. Hiernach erzeugt das bekannte Stoffgemisch 1 15.000 ppm Kohlenmonoxyd (CO), 500 ppm Stickoxyde (NO_x) sowie 3.000 ppm Ammoniak (NH₃), wo­ gegen das erfindungsgemäße Stoffgemisch 2 lediglich 3.000 ppm Kohlenmonoxyd, jedoch kein Stickoxyd und kein Ammoniak erzeugt.

Ein erfindungsgemäßes Treibstoffgemisch als zweites Ausführungsbeispiel enthält 30,2 Gew.-% Fumarsäure, 63,6 Gew.-% Kaliumperchlorat und 6,2 Gew.-% Eisenoxyd. Dieses Eisenoxyd dient dabei als Kühlreagenz und setzt die Abbrandtemperatur um ca. 7% herab. Auch dieses er­ findungsgemäße Treibstoffgemisch erzeugt nach einem Ab­ brand lediglich einen Schadgasgehalt von ca. 3.000 ppm Kohlenmonoxyd.

Claims (7)

1. Gaserzeugendes Stoffgemisch, insbesondere zur Erzeu­ gung von Treibgas für Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Stoffgemisch im wesentlichen besteht aus

• a) einer Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauer­ stoff (0) enthaltenden organischen Verbindung mit einem Anteil von 20 bis 45 Gew.-%, wobei diese or­ ganische Verbindung einen Sauerstoff-Gehalt von mehr als 35% und einen über 170°C liegenden Schmelzpunkt aufweist und
• b) einem anorganischen Oxydator aus der Gruppe der Perchlorate, insbesondere Kaliumperchlorat, Chlo­ rate, Peroxyde oder Mischungen aus diesen, mit ei­ nem Anteil von 55 bis 80 Gew.-%.

2. Gaserzeugendes Stoffgemisch nach Anspruch 1, daß dieses Stoffgemisch zusätzlich ein Metalloxyd, insbe­ sondere aus den Gruppen Al₂O₃, B₂O₃, SiO₂, TiO₂, MnO₂, CuO, Fe₂O₃, ZnO oder Mischungen aus denselben mit einem Anteil von höchstens 20 Gew.-% enthält.

3. Gaserzeugendes Stoffgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Verbindung monomere Verbindungen, insbesondere Carbonsäuren, Anhy­ dride, Ester, Aldehyde, Keto- und Hydroxyverbindungen, vorgesehen sind.

4. Gaserzeugendes Stoffgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Verbindung die monomere organische Verbindung Fumarsäure einge­ setzt wird.

5. Gaserzeugendes Stoffgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Verbindung Polymere, insbesondere Polyoxymethylen, Polyglykole, Polyester, Zelluloseazetat und Polyacrylate, vorgesehen sind.

6. Gaserzeugendes Stoffgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Verbindung Salze von monomeren Verbindungen, insbesondere Karbon­ säuren, eingesetzt werden.

7. Gaserzeugendes Stoffgemisch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Salze Natrium-, Kalium-, Kal­ zium- oder Magnesiumkarboxylate eingesetzt werden.