專利名稱:高性能氣體發(fā)生組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及充氣約束系統(tǒng)，更具體地涉及在這樣的系統(tǒng)中使用的煙火型氣體 發(fā)生組合物。
背景技術(shù)：
本部分的說明提供涉及本發(fā)明的背景信息，可能不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
被動充氣約束系統(tǒng)被用在多種應(yīng)用中，如機(jī)動車輛。例如，一些類型的被動充氣系 統(tǒng)通過使用煙火型氣體發(fā)生劑以對安全氣囊墊充氣(如氣體引發(fā)劑和/或充氣機(jī))或驅(qū)動 安全帶張緊輪(如微小氣體發(fā)生器)，從而將對使用者的傷害降至最小。汽車安全氣囊的充 氣機(jī)性能和安全要求不斷地提高以增強(qiáng)乘客的安全。
氣體發(fā)生劑和引發(fā)劑材料的選擇包括考慮不同要素，在其它的考慮中，包括滿足 目前工業(yè)設(shè)備規(guī)范、指導(dǎo)方針和標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生安全氣體或流出物，氣體發(fā)生劑材料的處理安全 性，材料的持續(xù)穩(wěn)定性，和制造的成本效率。優(yōu)選地，在操作、儲藏和處理過程中，煙火型組 合物是安全的。更近一步地，更優(yōu)選地?zé)熁鹦筒牧辖M合物是無疊氮化物的。
與產(chǎn)氣率相關(guān)的改進(jìn)的氣體發(fā)生劑性能、由觀測的燃燒速率決定的相對靈敏度和 成本在充氣機(jī)氣體發(fā)生劑設(shè)計中是重要的變量。例如，氣體發(fā)生劑的燃燒速率或產(chǎn)氣率的 增加可以通過合并新的和/或特殊高能組合物而實現(xiàn)，它們通常是昂貴的。這樣的組合物 典型地通過混合精細(xì)研磨的微粒來加工以生產(chǎn)氣體發(fā)生劑，氣體發(fā)生劑然后進(jìn)一步被做成 小球或相反地塑造成細(xì)粒以用于控制彈道輸出量。
期望生產(chǎn)一種氣體發(fā)生劑，該氣體發(fā)生劑具有高的產(chǎn)氣率和高的燃燒速率(例 如，在3000磅/平方英寸下大于或等于1英寸/秒)而不采用昂貴成分如四唑、雙四唑等 等，始終采用傳統(tǒng)的制作和加工方法。相對高的燃燒速率的進(jìn)一步優(yōu)勢是這個性質(zhì)使得氣 體發(fā)生劑被用在需要非常高速反應(yīng)的充氣機(jī)應(yīng)用中，例如側(cè)面碰撞應(yīng)用。此外，高燃燒速率 氣體發(fā)生劑能夠使得細(xì)粒設(shè)計具有合適的彈道性能以用于高級充氣機(jī)應(yīng)用中，例如要求用 于不在適當(dāng)位置的使用者的那些，以及相似的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在多個方面，本發(fā)明提供用于制備氣體發(fā)生劑的方法和由此生產(chǎn)的組合物。在一 些方面，制備氣體發(fā)生劑的方法包括噴霧干燥水混合物以生產(chǎn)粉末。所述水混合物包含硝 酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約至大約30%的次級氧化劑。然后所述粉末被壓制成 氣體發(fā)生劑細(xì)粒。在一些方面，所述方法進(jìn)一步包括在噴霧干燥之前通過結(jié)合硝酸胍、堿式
4硝酸銅和次級氧化劑形成水混合物。根據(jù)本發(fā)明的方法制備的氣體發(fā)生劑細(xì)粒的燃燒速率 比對比氣體發(fā)生劑細(xì)粒的對比燃燒速率至少高20%，所述對比氣體發(fā)生劑細(xì)粒具有基本上 相同的組合物并通過選自以下方法組成的組中的方法生產(chǎn)軋輥壓制、研磨和/或機(jī)械混
I=I O
在多個方面，形成的氣體發(fā)生劑細(xì)粒包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約 至大約30%的包括高氯酸鉀的次級氧化劑。所述氣體發(fā)生劑細(xì)粒的平均線性燃燒速率大于 或等于大約1. 5英寸/秒(大約38. Imm/秒)。進(jìn)一步地，依照本發(fā)明，氣體發(fā)生劑的產(chǎn)氣 率相對地高。
在其它方面，用于制備氣體發(fā)生劑的方法包括通過單孔噴射噴嘴(fountain nozzle)噴霧干燥水混合物以生產(chǎn)粉末。所述水混合物包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計 大約至大約30%的次級氧化劑。然后壓制所述粉末以生產(chǎn)氣體發(fā)生劑細(xì)粒，所述氣體 發(fā)生劑細(xì)粒的平均線性燃燒速率在大約3000磅/平方英尺的壓力(大約20685kPa)下大 于或等于大約1. 5英寸/秒(大約38. Imm/秒)。
本發(fā)明的方法和氣體發(fā)生劑細(xì)粒提供了許多優(yōu)勢和好處。非限定性地，這些包括 產(chǎn)生的氣體發(fā)生劑可以是無疊氮化物的，因此將與疊氮化合物相關(guān)的潛在的毒性最小化。 本發(fā)明同樣提供了使用更低成本、較低廉的材料的快速燃燒氣體發(fā)生劑，其具有與用更昂 貴的成分如四唑和雙四唑制備的氣體發(fā)生劑相當(dāng)?shù)娜紵俾屎彤a(chǎn)氣率。此外，使用本發(fā)明 方法制備的噴霧干燥的粉末可以更容易地被壓制成復(fù)合細(xì)粒，以及片狀物或小球，并且得 到的細(xì)粒可能具有較少的屑片和孔隙。
其它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑼ㄟ^本發(fā)明的說明書而顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解說明書和具體實施 例僅僅是出于說明的目的，而不限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細(xì)的描述和附圖將更充分地理解本發(fā)明的內(nèi)容，其中
圖1是乘客側(cè)安全氣囊模塊的實施方式的局部橫截面視圖，所述安全氣囊模塊包 括用于充氣安全氣囊約束裝置的充氣機(jī)；
圖2是示例性的噴霧干燥過程的簡化示意圖；
圖3說明了通過㈧雙噴嘴的噴霧干燥、⑶軋輥壓制和共研磨、以及(C)噴射噴 嘴噴霧干燥產(chǎn)生的氣體發(fā)生劑粉末；
圖4A和4B是根據(jù)圖3的方法㈧和(C)加工的粉末的詳細(xì)視圖(50倍放大倍 率)，比較各自粉末的相對尺寸、外觀和形狀；以及
圖5說明了使用通過圖3中的方法㈧和(C)形成的粉末制備的氣體發(fā)生劑細(xì)粒。
具體實施方式
以下的描述在一個或多個發(fā)明的主體的性質(zhì)、加工和應(yīng)用方面僅僅是示例性的， 并且并不限制在本申請中要求保護(hù)的或在可能提交要求本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)的這樣其它申請、 或從而授權(quán)的專利的任何具體發(fā)明的范圍、應(yīng)用或用途。
本發(fā)明涉及用于制備氣體發(fā)生劑的組合物和方法。包括硝酸胍、堿式硝酸銅和按 重量計大約至30%的次級氧化劑，以及任選的熔渣促進(jìn)劑如二氧化硅的水混合物被噴霧干燥以生產(chǎn)粉末。壓制所述粉末以生產(chǎn)氣體發(fā)生劑細(xì)粒。在一些實施方式中，所述方法 進(jìn)一步包括形成水混合物，所述水混合物包括硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約至 30%的次級氧化劑，所述方法包括在水介質(zhì)中添加硝酸胍使其充分地溶解。在一些實施方 式中，堿式硝酸銅和次級氧化劑然后被添加至水介質(zhì)中，混合以形成用于噴霧干燥的水混 合物。
用于制備氣體發(fā)生劑的方法包括形成水混合物，所述水混合物包括硝酸胍、堿式 硝酸銅和按重量計大約至30%的次級氧化劑。在一些方面，所述水混合物還包括大約 0. 1 %至大約5. 0%的熔渣促進(jìn)劑，如二氧化硅。噴霧干燥水混合物以生產(chǎn)粉末，并壓制所述 粉末以生產(chǎn)氣體發(fā)生劑細(xì)粒。次級氧化劑可以是高氯酸鹽，如高氯酸鉀。與通過機(jī)械混合 所述成分，然后軋輥壓制并研磨同樣量的硝酸胍、堿式硝酸銅和次級氧化劑所生產(chǎn)的氣體 發(fā)生劑，或者通過機(jī)械混合同樣量的次級氧化劑至同樣量的堿式硝酸銅和硝酸胍的噴霧干 燥混合物中所生產(chǎn)的氣體發(fā)生劑相比，本發(fā)明的氣體發(fā)生劑細(xì)?？梢蕴峁┲辽俑?0%的燃 燒速率。例如，本發(fā)明的氣體發(fā)生劑可以用在對安全氣囊墊充氣或驅(qū)動安全帶張緊輪的裝 置和系統(tǒng)中。
充氣約束裝置用在多種類型的約束系統(tǒng)中，包括安全帶預(yù)拉伸系統(tǒng)和安全氣囊模 塊集合。這些裝置和系統(tǒng)可以用在汽車交通工具的多種應(yīng)用中，如司機(jī)側(cè)、乘客側(cè)、側(cè)面碰 撞、窗簾和地毯安全氣囊集合。其它類型的交通工具包括，例如，船、飛機(jī)和火車可能使用充 氣約束。另外，其它類型的安全或保護(hù)裝置同樣可以使用多種形式的充氣約束。
充氣約束裝置典型地包括一系列反應(yīng)，推動氣體的生產(chǎn)，以啟動安全氣囊或驅(qū)動 活塞。在安全氣囊的例子中，所述安全氣囊集合系統(tǒng)驅(qū)動時，所述安全氣囊墊應(yīng)當(dāng)在幾毫秒 內(nèi)開始充氣。參考圖1，典型的安全氣囊模塊30包括乘客車廂充氣機(jī)集合32和覆蓋的模塊 34以存儲安全氣囊36。當(dāng)感覺快速減速和/或碰撞時這樣的裝置經(jīng)常使用電點火的引爆 管或引發(fā)劑40。引爆管40的釋放經(jīng)常點燃快速并放熱燃燒的引發(fā)劑或點火材料42，依次 點燃?xì)怏w發(fā)生劑材料50。所述氣體發(fā)生劑材料50燃燒以生產(chǎn)灌注至安全氣囊36的氣體產(chǎn) 物的大部分以提供充氣。
氣體發(fā)生劑同樣已知是點火材料、火藥、發(fā)生氣體材料和煙火型材料。所述氣體發(fā) 生劑可以是固體細(xì)粒、小球、小塊等等的形式。通常，在燃燒時在所述氣體發(fā)生劑附近形成 熔渣或渣塊。所述熔渣/渣塊用于隔絕氣體發(fā)生劑在燃燒時產(chǎn)生的多種微粒和其它混合 物。在氣體發(fā)生劑和安全氣囊之間可以設(shè)置過濾器以移除在氣體中產(chǎn)生的微粒以及在進(jìn)入 安全氣囊之前降低氣體溫度。
所述氣體發(fā)生劑包括燃料、氧化劑，以及可以包括其它小量成分，一旦被點燃，快 速燃燒以形成氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物(如，C02、H2(^PN2)。一種或多種化合物經(jīng)受快速燃燒以形成熱 和氣態(tài)產(chǎn)物；如所述氣體發(fā)生劑燃燒以產(chǎn)生用于充氣約束裝置或驅(qū)動活塞的加熱的充氣氣 體。所述氣體發(fā)生劑可以包括具有至少一種燃料成分的氧化還原對(redox-couple)。取決 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)， 所述氣體發(fā)生組合物可以包括一種或多種氧化成分，其中所述氧化成分與燃料成分反應(yīng)以 產(chǎn)生氣體產(chǎn)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鹽(如氨基四唑、四 唑的礦物鹽)、雙四唑、1，2，4_三唑-5-酮、硝酸胍、硝基胍、氨基硝酸胍、金屬硝酸鹽等等。
6由于它們相對低的燃燒速率，這些燃料通常被分類為氣體發(fā)生劑燃料，并且經(jīng)常與一種或 多種氧化劑結(jié)合以獲得期望的燃燒速率和氣體生產(chǎn)。在不同方面，所述氣體發(fā)生劑至少包 含硝酸胍作為燃料。
用于氣體發(fā)生劑組合物的氧化劑非限制性地包括堿金屬、堿土金屬和銨的硝酸 鹽、亞硝酸鹽和高氯酸鹽；金屬氧化物；堿性金屬硝酸鹽；硝酸銨的過渡金屬絡(luò)合物；和它 們的組合。選擇的氧化劑與燃料成分一起形成氣體發(fā)生劑，其燃燒時從燃料中產(chǎn)生達(dá)到有 效地高燃燒速率以及產(chǎn)氣率。合適的氧化劑的具體例子包括堿性金屬硝酸鹽如堿式硝酸 銅。堿式硝酸銅具有高的氧-金屬比例和燃燒時良好的熔渣形成能力。這樣的氧化劑的量 可以是小于或等于按產(chǎn)氣組合物的重量計大約50%。
其它氧化劑包括水溶性氧化化合物，如硝酸鹽或高氯酸鹽，如硝酸銨、硝酸鈉、硝 酸鍶或硝酸鉀，和高氯酸銨、高氯酸鈉或高氯酸鉀。還包括二硝酰胺銨和無高氯酸鹽的氧化 劑。所述氣體發(fā)生劑可以包括氧化劑的組合，如所述氧化劑可以名義上被認(rèn)為是初級氧化 劑、次級氧化劑等等。例如，至少一種燃料成分(如硝酸胍)可以與氧化劑的組合(如堿式 硝酸銅和高氯酸鉀)混合以形成氣體發(fā)生劑。
所述氣體發(fā)生組合物可以由氧化還原對的水分散液形成，其中一種或多種燃料 成分添加至水溶液中以充分溶解，所述氧化劑成分在燃料溶液中分散并穩(wěn)定，氧化劑成分 溶解在溶液中，或者作為固體顆粒穩(wěn)定分散在溶液中。所述溶液或分散液可以是懸浮液 (slurry)形式。所述水分散液或懸浮液通過將混合物從噴霧嘴穿過以形成液滴流而噴霧干 燥。所述液滴與熱空氣接觸以從液滴中有效移除水分和任何其它溶劑并且隨后生產(chǎn)氣體發(fā) 生劑組合物的固體顆粒。
形成水分散液的成分混合物還可以是懸浮液形式，其中所述懸浮液是懸浮在液 體媒介或載體中的精細(xì)(相對小的微粒尺寸)且基本不溶解的微粒固體的易流動的或可 泵吸的混合物。同樣可以考慮懸浮在載體中的固體材料的混合物。在一些實施方式中，所 述懸浮液包含微粒，該微粒的平均最大微粒尺寸小于大約500 μ m，可選地小于或等于大約 200 μ m，以及在一些例子中，小于或等于大約100 μ m。
所述懸浮液包含在載體中易流動的和/或可泵吸的懸浮的固體和其它材料。合適 的載體包括通?？赡苁撬乃芤?。但是，所述載體同樣可以包含一種或多種有機(jī)溶劑或 醇。在一些實施方式中，所述載體包括共沸混合物，所述共沸混合物指的是期望在特定溫度 和壓力下以恒定的化學(xué)計量比蒸發(fā)的兩種或多種液體如水和某些醇的混合物。應(yīng)當(dāng)選擇與 燃料和氧化劑成分具有兼容性的載體以避免有害反應(yīng)，并進(jìn)一步最大化形成懸浮液的幾種 成分的可溶性。合適的載體的非限定的例子包括水、異丙醇、正丙醇和它們的組合。
所述懸浮液的粘度滿足在噴霧干燥過程中它可以被注射或泵吸。在一些實施方式 中，保持相對高的粘度以最小化水和/或溶劑含量，例如，在噴霧干燥中需要較少的能量移 除載體。但是，可以降低所述粘度以促進(jìn)提高的泵吸速率用于更高壓力的噴霧干燥。當(dāng)選 擇和調(diào)整噴霧以及期望的噴霧干燥液滴和微粒尺寸時可以采用這樣的調(diào)節(jié)。
在一些實施方式中，所述懸浮液的水含量高于或等于按重量計大約15%以及可能 高于或等于按重量計大約20 %、30 %或40 %。在一些實施方式中，所述懸浮液的水含量按 重量計大約15%至85%。隨著水含量增加，所述懸浮液的粘度降低，因此泵吸和處理變得 容易。在一些實施方式中，所述懸浮液的粘度范圍在大約50000至250000厘泊。這樣的粘度被認(rèn)為是期望的，它提供了合適的流變學(xué)性能，使得懸浮液在施加的壓力下流動，但同樣 允許所述懸浮液保持穩(wěn)定。
在一些實施方式中，一定量的二氧化硅(SiO2)包含在水分散液中，二氧化硅作為 氧化劑成分但是同樣使分散液變厚并減少或阻止固體氧化劑微粒在分散液和液滴主體中 的移動。在氧化還原反應(yīng)中，所述二氧化硅同樣可以與氧化劑反應(yīng)以形成玻璃狀的熔渣，所 述熔渣可以從在氣體發(fā)生劑燃燒時產(chǎn)生的氣體中容易地濾除。所述二氧化硅優(yōu)選地是非 常精細(xì)的。在一些實施方式中，優(yōu)選等級的二氧化硅包括具有微粒尺寸在大約7nm至大約 20nm的那些，盡管在一些方面，微粒尺寸上至大約50 μ m的二氧化硅同樣可以使用。等同物 和同樣有用的熔渣和粘度改性劑/增進(jìn)劑包括氧化鈰、氧化鐵、氧化鋅、氧化鈦、氧化鋯、氧 化鉍、氧化鉬、氧化鑭等等。這樣的氧化還原惰性氧化物可以單獨(dú)使用或作為兩種或多種單 獨(dú)成分的混合物使用。例如，當(dāng)一種氧化物具有對改進(jìn)混合物懸浮液的粘度有用的非常精 細(xì)的形式(例如，微粒尺寸小于大約20nm)時，可以向混合物提供具有更大微粒尺寸的另一 種更粗糙的氧化物以改進(jìn)熔渣性質(zhì)而不妨礙或負(fù)面影響燃燒速率。
在一些方面，所述氣體發(fā)生劑可以包括按重量計大約30至70份、更優(yōu)選地按重量 計40至50份的至少一種燃料(例如，硝酸胍)，按重量計大約30至60份的氧化劑(例如， 堿式硝酸銅和高氯酸鉀)，和按重量計大約0至5份的形成熔渣試劑如二氧化硅(SiO2)或 其等同物。在形成水分散液時，在噴霧溫度下所述的組合物與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，期望將水的量限定至合適的最小值以最小化在噴霧 干燥過程中將被蒸發(fā)的水的量。例如，對于按重量計大約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計大約100份的水。
所述氧化劑成分可以通過劇烈攪動均一地分散在燃料溶液中以形成分散液，其中 氧化劑的微粒被充分地分開以形成穩(wěn)定的分散液。在不溶于水的氧化劑的例子中，在達(dá)到 完全或基本完全分散的狀態(tài)時，粘度將達(dá)到最低值?？梢允褂酶呒魬?yīng)力攪拌器以獲得氧化 劑微粒的有效分散液。所述分散液的粘度應(yīng)當(dāng)是足夠高以防止所述固體微粒在混合物中的 任何實質(zhì)移動(即，散落或沉淀)。
噴霧干燥過程用于形成顆粒和干燥材料。它適于使用氧化還原對成分的液體給料 以連續(xù)生產(chǎn)粉末、顆?；虼髩K微粒形式的干燥固體，以制備氣體發(fā)生劑。噴霧干燥可以應(yīng)用 于液體溶液、分散液、乳狀液、懸浮液和可泵吸的懸浮液?？梢愿淖儑婌F干燥參數(shù)以調(diào)整干 燥的終端產(chǎn)品至精準(zhǔn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和物理特性。這些標(biāo)準(zhǔn)和特性包括微粒尺寸分布、剩余濕 氣含量、固體密度和微粒形態(tài)。
噴霧干燥包括水混合物的霧化，例如，氧化還原對成分的液體分散液霧化成液滴 噴霧。所述液滴然后在干燥倉中與熱空氣接觸。濕氣從液滴中的蒸發(fā)和干燥微粒的形成在 控制的溫度和氣流條件下進(jìn)行。使用例如旋風(fēng)過濾或口袋過濾將粉末連續(xù)地從干燥倉中排 出和從尾氣中回收。整個過程可能不超過幾秒鐘。在一些實施方式中，在霧化前加熱所述 液體分散液或懸浮液。
噴霧干燥儀器典型地包括用于液體分散液的給料泵、噴霧器、空氣加熱器、空氣分 散器、干燥倉、用于粉末回收的系統(tǒng)、尾氣清潔系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)個別規(guī)定調(diào) 整裝備、過程特性和品質(zhì)需要。霧化包括形成具有期望的液滴尺寸分布的噴霧以滿足對生 成的粉末的要求。噴霧器可以使用多種方式形成液滴，包括旋轉(zhuǎn)的(輪式)噴霧器和多種類型的噴霧噴嘴。例如，旋轉(zhuǎn)的噴嘴使用離心能提供霧化，壓力噴嘴使用壓力能提供霧化， 雙流噴嘴使用動能提供霧化。
可以使用氣流調(diào)節(jié)控制噴霧液滴和干燥空氣的初始接觸以控制蒸發(fā)速率和干燥 機(jī)中的產(chǎn)品溫度。同向氣流移動干燥空氣和液滴/微粒以相同的方向通過干燥倉。在同向 氣流中，從干燥機(jī)中排出的產(chǎn)品溫度比尾氣溫度低，因此所述方法對于干燥熱敏感產(chǎn)品非 常有用。反向氣流移動干燥空氣和液滴或微粒以相反的方向通過干燥倉，并且對于在干燥 中需要熱處理的產(chǎn)品有用。離開反向氣流干燥的粉末的溫度通常高于尾氣溫度?；旌系牧?動結(jié)合同向氣流和反向氣流，因此液滴或微粒經(jīng)歷兩種類型的氣流?；旌狭鲃拥姆椒ㄓ糜?熱穩(wěn)定產(chǎn)品，其中較粗糙的粉末要求需要使用噴嘴噴霧器?；旌狭鲃拥姆椒òㄏ蛏蠂婌F 至引入的氣流內(nèi)，或者對于熱敏感微粒，所述噴霧器向下噴霧朝向集成的流化床，典型地， 所述空氣入口和出口定位在干燥倉的頂部。
所述氣體發(fā)生劑成分的水分散液可以使用噴霧噴嘴噴成霧狀通過在壓力下從噴 嘴處對液滴施加壓力以形成直徑為大約40 μ m至200 μ m的液滴，其中所述噴嘴具有一個或 多個直徑大約0. 5mm至2. 5mm的孔。所述液滴可以通過使得液滴落入熱空氣流或與熱空氣 流在大約80°C至250°C，優(yōu)選地大約80°C至180°C的溫度下接觸而噴霧干燥。空氣流的出 口溫度和入口溫度可以不同以完成干燥液滴所需要的熱轉(zhuǎn)移。前述舉例說明的空氣溫度范 圍進(jìn)一步分別表示出口溫度和入口溫度的溫度范圍。
本發(fā)明方法可以使用多種本領(lǐng)域已知的噴霧干燥機(jī)。例如，合適的噴霧干燥儀器 和附加設(shè)備，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 合適的噴霧干燥方法包括在Chan等的美國專利5，756，930中描述的那些方法，相關(guān)部分通 過引用的方式結(jié)合至本文。
從噴霧干燥的液滴生產(chǎn)的微粒可以包括氣體發(fā)生劑成分的非常精細(xì)的混合晶體 的聚集體，具有最薄尺寸為大約0. 5 μ m至大約5 μ m的初級晶體尺寸，優(yōu)選地大約0. 5 μ m 至大約1 μ m。但是，水不溶性氧化劑成分優(yōu)選地是以非常小的微粒尺寸獲得的這些，并融合 在溶解的燃料成分的水溶液中以形成分散液，因此減少水介質(zhì)需要的水含量。
氣體發(fā)生劑的干燥微粒可以是燃料晶體(如硝酸胍晶體)的基本上球形微孔聚集 體的形式，所述燃料晶體在需要與氧化劑充分完全反應(yīng)的范圍內(nèi)具有窄的尺寸分布。例如， 球形微孔聚集體直徑可以是大約20μπι至大約100 μ m，所述初級燃料晶體最薄的尺寸是大 約0. 5 μ m至大約5 μ m并通常是大約0. 5 μ m至大約1 μ m。通常，固體氧化劑微粒被燃料晶 體封裝，其中氧化劑微粒作為燃料成分晶體的晶體生長位點。所述噴霧干燥方法產(chǎn)生了很 少的可能在后來的處理操作中很危險的超細(xì)灰塵。
氣體發(fā)生劑的干燥的微?？梢匀菀椎貕褐瞥尚∏蚧蚣?xì)粒用于充氣約束如安全氣 囊中的氣體發(fā)生裝料(charge)。壓制操作通過混合噴霧干燥的氣體發(fā)生劑微粒和一些水 或其它壓制助劑而變得容易，其它壓制助劑，非限定地如石墨粉末、硬脂酸鈣、硬脂酸鎂和 /或石墨氮化硼。水可以以水和疏水性氣相二氧化硅的混合物的形式提供，可以使用高剪 應(yīng)力混合器將其與微?；旌稀Ｋ鼋M合物然后可以被壓制成多種形式，如小球和細(xì)粒。在 一些實施方式中，合適的氣體發(fā)生劑細(xì)粒密度高于或等于大約1. 8g/cc而小于或等于大約2. 2g/cc。這些小球或粒狀形式通過點火器如電火花塞很容易地點燃，或在一些方面，更有 效地，通過包含煙火型片狀材料的燃爆(igniferous)助推器。所述的煙火型片狀材料可 以由氧化膜形成，例如，覆蓋有可氧化的金屬層的聚四氟乙烯膜，可氧化的金屬如鎂，如在 Graham等的歐洲專利申請0505024中描述的，相關(guān)部分通過引用的方式結(jié)合至本文。
在一些實施方式中，制備氣體發(fā)生劑的方法使用處理器(如混合桶)以制備隨后 由噴霧干燥處理的氣體發(fā)生劑制劑。例如，處理器可裝有水、硝酸胍和氧化劑，所述氧化劑 包括堿式硝酸銅和高氯酸鉀，它們被混合以形成水分散液。所述懸浮液的溫度可以平衡在 大約80°C -90°C大約1小時。添加劑和成分(如額外的燃料成分、氧化劑成分、成渣助劑等 等)可以在這個時候添加至反應(yīng)混合物。得到的水分散液然后泵吸至噴霧干燥機(jī)以形成干 燥的粉末或微粒的氣體發(fā)生劑產(chǎn)物。更多的處理步驟如混合、壓制、涂覆點火器等或其它步 驟可以然后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)過程實施。
本發(fā)明的噴霧干燥方法使氣體發(fā)生劑組合物產(chǎn)生出乎意料高的燃燒速率，其中氣 體發(fā)生劑組合物包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約至大約15%的共氧化劑如高 氯酸鉀。與通過使用相同成分并具有基本上相同組合物但使用不同的方法制備的對比氣體 發(fā)生劑相比，這些燃燒速率是令人驚訝的。例如，這些混合物的噴霧干燥可能導(dǎo)致組合物表 現(xiàn)的燃燒速率至少比具有基本上相同的組合物的對比氣體發(fā)生劑的對比燃燒速率高20%， 其中所述對比氣體發(fā)生劑通過以下方法制備機(jī)械混合，然后軋輥壓制單獨(dú)成分，研磨和/ 或機(jī)械混合高氯酸鉀至堿式硝酸銅和硝酸胍的噴霧干燥混合物中，它們是形成氣體發(fā)生劑 細(xì)粒的常用方法。在一些方面，通過本發(fā)明噴霧干燥方法制備的氣體發(fā)生劑組合物可以利 用便宜成分，而表現(xiàn)出的燃燒速率與之前僅通過合并昂貴成分如雙四唑和氨基四唑得到的 燃燒速率相當(dāng)。本發(fā)明的方法和制劑還包括用于在氣體發(fā)生劑燃燒時促進(jìn)熔渣形成的額外 的添加劑如二氧化硅或相似的惰性氧化物。
因此，在多個方面，本發(fā)明的教導(dǎo)提供了包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約 至大約30%的次級氧化劑的氣體發(fā)生劑細(xì)粒，其中在壓力是大約3000磅/平方英寸
(大約20. 7MPa)時所述氣體發(fā)生劑細(xì)粒的線性燃燒速率大于或等于大約1英寸/秒(大約 38. Imm/秒)。在一些方面，在壓力是大約3000磅/平方英寸(psi)(大約20. 7MPa)時，所 述氣體發(fā)生劑的線性燃燒速率大于或等于大約1. 1英寸/秒(大約28mm/秒)；任選地大于 或等于大約1. 2英寸/秒(大約30. 5mm/秒)；任選地大于或等于大約1. 3英寸/秒(大約 33mm/秒)；任選地大于或等于大約1. 4英寸/秒(大約36mm/秒)；任選地大于或等于大約 1. 5英寸/秒(大約38mm/秒)；任選地大于或等于大約1. 6英寸/秒(大約41mm/秒)； 任選地大于或等于大約1. 7英寸/秒(大約43mm/秒)；任選地大于或等于大約1. 8英寸/ 秒(大約46mm/秒)；任選地大于或等于大約1. 9英寸/秒(大約48mm/秒)。在一些實施 方式中，在壓力是大約3000psi (大約20. 7MPa)時，所述氣體發(fā)生劑的線性燃燒速率大于或 等于2. 0英寸/秒(大約51mm/秒)。在一些方面，在壓力是3000psi (大約20. 7MPa)時， 所述氣體發(fā)生劑的燃燒速率小于或等于大約2. 1英寸/秒(大約53mm/秒)。
此外，根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容，氣體發(fā)生劑的產(chǎn)氣率相對地高。例如，在一些實施方 式中，產(chǎn)氣率大于或等于大約3摩爾/IOOg氣體發(fā)生劑。在一些實施方式中，產(chǎn)氣率大于或 等于大約3. 1摩爾/IOOg氣體發(fā)生劑，以及任選地大于或等于大約3. 2摩爾/IOOg氣體發(fā) 生劑。[0051]考慮到制備氣體發(fā)生劑的其它常規(guī)方法，觀察到的噴霧干燥組合物的線性燃燒速 率的增加是令人驚訝且意想不到的。當(dāng)比較從使用三種不同方法制備的氣體發(fā)生劑制劑獲 得的數(shù)據(jù)時可以觀察到這些基于方法的改進(jìn)，三種不同方法體現(xiàn)在兩個對比實施例和根據(jù) 本發(fā)明公開內(nèi)容的實施例(1)中。所述三種方法包括
(1)干混硝酸胍、堿式硝酸銅和高氯酸鉀成分，然后軋輥壓制并研磨氣體發(fā)生劑產(chǎn) 物(對比實施例1)；
(2)噴霧干燥硝酸胍和堿式硝酸銅成分，然后機(jī)械混合高氯酸鉀至混合物以形成 氣體發(fā)生劑產(chǎn)物(對比實施例2)；
(3)噴霧干燥作為單一水混合物的硝酸胍、堿式硝酸銅和高氯酸鉀成分以形成氣 體發(fā)生劑產(chǎn)物(實施例1)。
三種方法的結(jié)果總結(jié)在表1和表2中?？梢钥闯觯豢紤]水溶性燃料或主要氧化 劑是否噴霧干燥，上面列出的實施例方法(1)和(2)給出幾乎相同的結(jié)果。雖然可能期望 與方法(1)的干混過程相比，方法(2)中的噴霧干燥提高線性燃燒速率，僅在微量氧化劑成 分高氯酸鉀包括在含有其它成分并噴霧干燥的水性混合物中時，即按照本發(fā)明方法(3)的 教導(dǎo)，達(dá)到燃燒速率的明顯提高。這更加想不到，因為高氯酸鉀在水中僅具有較少的可溶性 并且根據(jù)方法(3)的實施例(1)中噴霧干燥的水性混合物同樣是硝酸胍飽和。
表一、方法對比實施例1
權(quán)利要求
一種制備氣體發(fā)生劑的方法，包括噴霧干燥水混合物以生產(chǎn)粉末，其中所述水混合物包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約1％至大約30％的次級氧化劑；以及壓制所述粉末以生產(chǎn)氣體發(fā)生劑細(xì)粒。
2.根據(jù)權(quán)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計大約至大 約15%的所述次級氧化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次級氧化劑是高氯酸鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次級氧化劑包括高氯酸鉀。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次級氧化劑包括選自高氯酸銨、硝酸 鉀、硝酸鍶、硝酸鈉和其組合組成的組的化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述水混合物進(jìn)一步包含至少一種添加劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于，所述添加劑是金屬氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的方法，其特征在于，所述金屬氧化物包括選自氧化銅、氧化 鉬、氧化鐵、氧化鉍和其組合組成的組的化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述水混合物進(jìn)一步包含少于或等于按 重量計大約5%的熔渣促進(jìn)劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的方法，其特征在于，所述熔渣促進(jìn)劑包括選自二氧化硅、氧 化鋅、氧化銨、氧化鈰和其組合組成的組的化合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，進(jìn)一步包括在壓制前將少于或等于按重量計大約5% 的熔渣促進(jìn)劑添加至粉末中。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，所述熔渣促進(jìn)劑包括選自二氧化硅、氧 化鋅、氧化鋁、氧化鈰和其組合組成的組的化合物。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法制備的氣體發(fā)生劑細(xì)粒，其特征在于，所述氣體發(fā) 生劑細(xì)粒的燃燒速率比對比氣體發(fā)生劑細(xì)粒的對比燃燒速率至少高大約20%，所述對比氣 體發(fā)生劑細(xì)粒具有基本上相同的組合物并通過選自以下方法組成的組的方法生產(chǎn)軋輥壓 制、研磨、和/或機(jī)械混合。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括在噴霧干燥之前， 通過將硝酸胍添加至水介質(zhì)中；將堿式硝酸銅和次級氧化劑添加至水介質(zhì)中；并混合所述 水介質(zhì)以形成水混合物而形成包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約至大約30%的 所述次級氧化劑的混合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的方法，其特征在于，所述水介質(zhì)包含水。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法制備的氣體發(fā)生劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述生產(chǎn)粉末的水混合物的噴霧干燥使 用單孔噴射噴嘴完成。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求
17所述的方法制備的氣體發(fā)生劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述粉末的壓制形成具有選自小塊或圓 柱體的形狀的氣體發(fā)生劑細(xì)粒。
20.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述壓制前將壓制劑添加至所述粉末以形成氣體發(fā)生劑細(xì)粒。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的方法，其特征在于，所述壓制劑選自硬脂酸鈣、硬脂酸鎂、 石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、氮化硼和其組合組成的組。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法制備的氣體發(fā)生劑。
23.一種氣體發(fā)生劑細(xì)粒，包含硝酸胍、堿式硝酸銅和按重量計大約至大約30%的包括高氯酸鉀的次級氧化劑， 其中在大約3000磅/平方英寸的壓力(大約20685kPa)時所述氣體發(fā)生劑細(xì)粒具有大于 或等于大約1. 5英寸/秒(大約38. Imm/秒)的線性燃燒速率。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求
23的氣體發(fā)生劑，具有大于或等于大約3摩爾/IOOg氣體發(fā)生 劑的產(chǎn)氣率。
25.一種制備氣體發(fā)生劑的方法，包括通過單孔噴射噴嘴噴霧干燥水混合物以生產(chǎn)粉末，其中所述水混合物包含硝酸胍、堿 式硝酸銅和按重量計大約至大約30%的次級氧化物；以及壓制粉末以生產(chǎn)氣體發(fā)生劑細(xì)粒，在大約3000磅/平方英寸的壓力(大約20685Kpa) 時，所述氣體發(fā)生劑細(xì)粒具有大于或等于大約1. 5英寸/秒(大約38. Imm/秒)的平均線 性燃燒速率。
專利摘要
本發(fā)明涉及在充氣約束系統(tǒng)中使用的氣體發(fā)生劑的組合物和方法。通過本發(fā)明公開的噴霧干燥技術(shù)形成的氣體發(fā)生劑細(xì)粒提供了優(yōu)良的性能，包括高的燃燒速率和高的產(chǎn)氣率。進(jìn)一步，所述氣體發(fā)生劑細(xì)粒產(chǎn)物的制備非常有效率。這樣的氣體發(fā)生劑包含，非限定性地，硝酸胍、堿式硝酸銅和次級氧化劑，如高氯酸鉀。
文檔編號C06B47/08GKCN101952227SQ200980105805
公開日2011年1月19日 申請日期2009年4月8日
發(fā)明者加里·K.·倫德, 羅杰·布雷德福德 申請人:奧托里夫Asp股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan