Неазидные газообразующие композиции с включенным катализатором

 

Изобретение относится к газообразующим композициям, используемым для заполнения средств защиты пассажиров в моторных транспортных средствах, а именно к неазидным газообразующим композициям. Композиции согласно изобретению дают высокий выход газа и свободные от токсичных веществ продукты горения. Предлагаемые композиции включают горючее, состоящее из тетразолов, битетразолов или триазолов в количестве от примерно 26 до примерно 32 мас.%, окислитель, выбранный из нитратов, хлоратов или перхлоратов щелочных или щелочноземельных металлов, в количестве от примерно 52 до примерно 58 мас.%, шлакообразователь, выбранный из оксидов, гидроксидов, перхлоратов, нитратов или хлоратов щелочных, щелочноземельных или переходных металлов, силикатов, боратов или карбонатов щелочных металлов, диоксида кремния или природных или искусственных силиката магния или алюминия, в количестве от примерно 2 до примерно 10 мас.% и катализатор, выбранный из солей щелочных, щелочноземельных или переходных металлов тетразолов, битетразолов, или триазолов, или оксидов переходных металлов, в количестве от примерно 5 до примерно 15 мас. %. 6 з.п.ф-лы.

Настоящее изобретение относится в целом к газообразующим композициям, используемым для наполнения средств защиты пассажиров в моторных транспортных средствах, более конкретно к неазидным газообразователям, которые дают продукты горения, имеющие приемлемые уровни токсичности в случае воздействия на пассажиров транспортного средства.

Наполняемые средства защиты для моторных транспортных средств разрабатывались во всем мире в течение многих лет, включая разработку газообразующих композиций для наполнения средств защиты. Поскольку наполняющие газы, произведенные газообразователем, должны удовлетворять строгим требованиям по токсичности, большинство, если не все, газообразователи, используемые в настоящее время, основаны на азидах щелочных или щелочноземельных металлов, особенно азиде натрия. При взаимодействии с окислителем азид натрия образует относительно нетоксичный газ, состоящий главным образом из азота. Более того, горение газообразователей на основе азида протекает при относительно низких температурах, которые позволяют получать нетоксичные наполняющие газы без необходимости в добавках, чтобы понизить температуру горения.

Однако газообразователи на основе азида по своему существу трудны в обращении и влекут за собой относительно высокий риск в производстве и устранении. В то время как наполняющие газы, произведенные газообразователями на основе азида, относительно нетоксичны, сами азиды металлов, наоборот, высокотоксичны, что приводит к высокой стоимости и риску в производстве газообразователя, хранении и устранении. В дополнение к прямому загрязнению окружающей среды, азиды металлов также легко реагируют с кислотами и тяжелыми металлами с образованием высокочувствительных соединений, которые могут самопроизвольно воспламеняться или детонировать.

В противоположность, неазидные газообразователи дают значительные преимущества над газообразователями на основе азида в отношении опасности, связанной с токсичностью во время производства и при устранении. Более того, большинство композиций неазидных газообразователей, как правило, дают более высокий выход газа (моли газа на грамм газообразователя), чем обычные газообразователи на основе азида для надуваемых средств безопасности.

Однако неазидные газообразователи, известные и используемые до сих пор, дают неприемлемо высокие уровни токсичных веществ при горении. Наиболее трудно регулируемые токсичные газы - это различные оксиды азота (NO_x) и оксид углерода (CO).

Оказалось, что уменьшение токсичности NO_x и CO при горении неазидных газообразователей является трудной проблемой. Например, манипулирование отношением окислитель/топливо только снижает либо NO_x, либо CO. Более конкретно, увеличение отношения окислителя к топливу минимизирует содержание CO при горении, поскольку избыток кислорода окисляет CO в CO₂. К сожалению, однако этот подход приводит к увеличенным количествам NO_x. Альтернативно, если отношение окислитель/топливо снижают, чтобы удалить избыточный кислород и уменьшить количество производимого NO_x, получают повышенное количество CO.

Относительно высокие уровни NO_x и CO, производимые при горении неазидных газообразователей, в противоположность газообразователям на основе азида, обусловлены, главным образом, относительно высокими температурами горения, проявляемыми неазидными газообразователями. Например, температура горения газообразователя азид натрия/оксид железа составляет 969^oC (1776^oF), в то время как неазидные газообразователи проявляют значительно более высокие температуры горения, такие как 1818^oC (3304^oF). Использование низкоэнергетических неазидных топлив для снижения температуры горения неэффективно, поскольку низкоэнергетические неазидные топлива не обеспечивают достаточно высокую скорость горения газообразователя для использования в системе средств безопасности пассажиров транспортных средств. Скорость горения газообразователя важна, чтобы гарантировать, что наполнитель будет действовать быстро и должным образом.

Другие недостатки, создаваемые высокими температурами горения неазидных газообразователей, - это трудность в образовании твердых частиц горения, которые легко соединяются в шлак. Образование шлака желательно, поскольку шлак легко фильтруется, приводя к относительно чистым наполняющим газам. У газообразователей на основе азида более низкие температуры горения приводят к образованию твердого материала. Однако многие обычные твердые продукт горения, которые можно было бы ожидать неазидных газообразователей, являются жидкостями при более высоких температурах горения, проявляемых неазидными газообразователями и, следовательно, представляют трудность для отфильтровывания от газового потока.

В патенте США N 5139588 раскрывается неазидная газообразующая композиция для наполнения транспортных средств защиты, содержащая горючее, окислитель и шлакообразователь, а также химическую добавку. Раскрывается восстановление оксидов азота с использованием органических солей щелочных металлов и предпочтительно солей щелочных металлов органических кислот. Однако щелочные металлы, содержащиеся в таких композициях, способствуют увеличению щелочности твердых веществ, образующихся при горении.

Следовательно, существует необходимость в неазидном газообразователе, который может производить наполняющие газа, в которых содержание токсичных газов, таких, как NO_x и CO, минимизировано без ущерба для скорости горения газообразователя.

КОРОТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Вышеизложенные проблемы решаются, в соответствии с настоящим изобретением, неазидной газообразующей композицией, которая нетоксична сама по себе и также производит при горении наполняющие газы с пониженными уровнями NO_x и CO. Опасности производства, хранения и устранения, связанные с негорящими азидными наполнителями, решаются при помощи газообразователей настоящего изобретения.

Пониженное содержание токсичных газов, образующихся при горении, позволяет использовать газообразователи настоящего изобретения в наполняемых системах безопасности пассажиров транспортных средств при защите пассажиров транспортных средств от воздействия токсичных наполняющих газов, таких как NO_x и CO, которые выделялись ранее неазидными газообразователями.

Конкретно, настоящее изобретение содержит четыре компонента газообразователя включая неазидное горючее, окислитель, шлакообразователь и включенный катализатор. Неазидное горючее выбирают из группы, состоящей из тетразолов, битетразолов и триазолов. Окислитель предпочтительно выбирают из группы, состоящей из неорганических нитратов, хлоратов или перхлоратов щелочных или щелочноземельных металлов. Шлакообразующие соединения выбирают из оксидов, гидроксидов, перхлоратов, нитратов, хлоратов, силикатов, боратов или карбонатов щелочных металлов, или из гидроксидов, перхлоратов, нитратов или хлоратов щелочноземельных и переходных металлов, или из диоксида кремния, оксидов щелочноземельных металлов и природных и синтетических силикатов магния и алюминия, таких как природные или синтетические глина и тальк.

В соответствии с настоящим изобретением включенный катализатор активно промотирует превращение NO_x и CO в N₂ и CO₂ соответственно для того, чтобы снизить токсичность наполняющих газов, образуемых газообразователями. Включенный катализатор выбирают из группы, состоящей из солей щелочного металла, щелочноземельного металла и солей переходных металлов, тетразолов, битетразолов и триазолов и оксидов переходных металлов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА(ОВ) В соответствии с настоящим изобретением горючее, используемое в неазидном газообразователе, предварительно выбирают из соединений, которые приводят к максимальному содержанию азота топлива и регулируют в нем содержание углерода и водорода до средних величин. Такие горючие обычно выбирают из соединений азола, особенно соединений тетразола, таких как аминотетразол, тетразол, 5-нитротетразол, 5-нитроаминотетразол, битетразол и соединений триазола, таких как 1,2,4-триазол-5-он или 3-нитро-1,2,4-триазол-5-он. Предпочтительно вариант изобретения использует 5-аминотетразол в качестве горючего из-за его стоимости, доступности и безопасности.

Окислители обычно дают весь или большую часть кислорода, присутствующего в системе. Окислитель активно поддерживает горение, а также подавляет образование CO. Используемые относительные количества окислителя и горючего выбирают так, чтобы обеспечить небольшой избыток кислорода в продуктах горения для ограничения образования CO посредством окисления CO в CO₂. Содержание кислорода в продуктах горения должно быть в интервале от 0,1 до примерно 5%, предпочтительно от примерно 0,5 до 2%. Окислитель выбирают из нитратов, хлоратов и перхлоратов щелочных и щелочноземельных металлов. Нитраты стронция и бария легко получить в безводном состоянии и они являются превосходными окислителями. Нитраты стронция и бария особенно предпочтительны, поскольку они образуют более легко фильтруемые твердые продукты, как описано ниже.

Шлакообразователь включают в газообразователь для того, чтобы облегчить образование твердых частиц, которые затем могут быть отфильтрованы от газового потока. Обычный способ введения шлакообразователя в газообразователь состоит в использовании окислителя или горючего, которое служит также как шлакообразователь. Наиболее предпочтительным окислителем, который также усиливает шлакообразование, является нитрат стронция, но нитрат бария также эффективен. Обычно шлакообразователи могут быть выбраны из многочисленных соединений, включая гидроксиды, нитраты, хлораты и перхлораты щелочных, щелочноземельных и переходных металлов, а также силикаты, бораты, оксиды и карбонаты щелочных металлов в дополнение к диоксиду кремния, оксидам щелочноземельных металлов и природным и синтетическим силикатам магния и алюминия, таким как глина и тальк.

В соответствии с настоящим изобретением, включенный катализатор содержит соль щелочного металла, соль щелочноземельного металла или соль переходного металла тетразолов, битетразолов и триазолов или оксид переходного металла. Катализатор, который смешивают непосредственно в газообразующей композиции, промотирует превращение CO и NO_x в CO₂ и N₂. Более конкретно, металлы, которые присутствуют в форме солей тетразола, битетразола или триазола, или в форме оксида переходного металла, катализируют две реакции. Например, типичная основная реакция следующая: 2CO + 2NO ---> 2CO₂ + N₂ Полагают также, что включенный катализатор также промотирует вторичную реакцию разложения, такую как: 2NO ---> N₂ + O₂ Количество катализатора, которое включают в газообразующие смеси изобретения, составляет предпочтительно от примерно 5 до примерно 15 мас.% газообразующей смеси. Обычно, горючее присутствует в газообразователе настоящего изобретения в концентрации от примерно 22 до примерно 50 мас.%, окислитель присутствует в концентрации от примерно 30 до примерно 66 мас.%, и шлакообразователь в концентрации от прмерно 2 до примерно 10 мас.%.

Специалист в данной области легко оценит способ, в котором приведенные комбинации компонентов соединяют с образованием газообразующих композиций настоящего изобретения. Например, материалы могут быть смешаны в сухом состоянии, растерты в шаровой мельнице и затем гранулированы прессованием в формах. Настоящее изобретение иллюстрируют следующие примеры, компоненты которых приведены в массовых процентах.

ПРИМЕР 1.

Готовят смесь 5-аминотетразола (5-AT), нитрата стронция Sr (NO₃)₂, медной соли 5-AT и глины следующего состава в массовых процентах: 28,62% 5-AT, 57,38% Sr(NO₃)₂, 8,00% глины и 6,00% медной соли 5-AT. Все материалы смешивают в сухом состоянии, растирают в шаровой мельнице и гранулируют прессованием в формах.

ПРИМЕР 2.

Готовят смесь 5-AT, Sr(NO₃)₂, талька и цинковой соли 5-AT состава: 28,62% 5-AT, 57,38% Sr(NO₃)₂, 6,00% талька и 8,00% цинковой соли 5-AT, как описано в Примере 1.

ПРИМЕР 3.

Готовят смесь 5-AT, Sr(NO₃)₂, оксида меди и медной соли 5-AT состав: 28,62% 5-AT, 57,38% Sr(NO₃)₂ 6,00% оксида меди и 8,00% талька, как описано в Пример 1.

ПРИМЕР 4.

Готовят смесь 5-AT, Sr(NO₃)₂, оксида цинка и медной соли 5-AT состава: 28,62% 5-AT, 57,38% Sr(NO₃)₂, 8,00% оксида цинка и 6,00% глины, как описано в Примере 1.

ПРИМЕР 5.

Готовят смесь 5-AT, Sr(NO₃)₂, оксида цинка и цинковой соли 5-AT состава: 28,62% 5-AT, 57,38% Sr(NO₃)₂, 6,00% оксида цинка и 8,00% талька, как описано в Примере 1.

В то время как приведен предпочтительный вариант изобретения, следует понимать, что изобретение допускает модификацию без отступления от объема формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Неазидная газообразующая композиция, которая при горении образует газы, полезные для наполнения средств защиты пассажира транспортного средства, содержащая горючее, окислитель, шлакообразователь и катализатор, который промотирует превращение токсичных оксидов азота и оксида углерода в азот (N₂) и диоксид углерода соответственно, отличающаяся тем, что катализатор выбирают из группы, состоящей из солей щелочных, щелочноземельных или переходных металлов тетразолов, битетразолов или триазолов или оксидов переходных металлов, причем горючее присутствует в количестве от примерно 26 до примерно 32 мас. %, окислитель присутствует в количестве от примерно 52 до примерно 58 мас.%, шлакообразователь присутствует в количестве от примерно 2 до примерно 10 мас.% и катализатор присутствует в количестве от примерно 5 до примерно 15 мас.%.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что горючее выбирают из группы, состоящей из тетразолов, битетразолов или триазолов, окислитель выбирают из группы, состоящей из нитратов, хлоратов или перхлоратов щелочных или щелочноземельных металлов, и шлакообразователь выбирают из группы, состоящей из оксидов, гидроксидов, перхлоратов, нитратов или хлоратов щелочных, щелочноземельных или переходных металлов, силикатов, боратов или карбонатов щелочных металлов, диоксида кремния, или природных или искусственных силиката магния или алюминия.

3. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что горючее представляет собой 5-аминотетразол, окислитель представляет собой нитрат стронция, шлакообразователь представляет собой глину и катализатор представляет собой цинковую соль 5-аминотетразола.

4. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что горючее представляет собой 5-аминотетразол, окислитель представляет собой нитрат стронция, шлакообразователь представляет собой тальк, катализатор представляет собой медную соль 5-аминотетразола.

5. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что горючее представляет собой 5-аминотетразол, окислитель представляет собой нитрат стронция, шлакообразователь представляет собой глину, катализатор представляет собой медную соль 5-аминотетразола.

6. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что горючее представляет собой 5-аминотетразол, окислитель представляет собой нитрат стронция, шлакообразователь представляет собой глину, катализатор представляет собой оксид меди.

7. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что горючее представляет собой 5-аминотетразол, окислитель представляет собой нитрат стронция, шлакообразователь представляет собой тальк и катализатор представляет собой оксид цинка.