Brevet 3902934 – Compositions génératrices de gaz – 1975

 

1. Une composition génératrice de gaz non toxique comprenant une poudre d’acide organique ayant une taille de particule moyenne inférieure à environ 15 microns et choisie dans le groupe constitué par l’acide citrique dans la gamme d’environ 25 à 37% en poids, l’acide tartrique dans la gamme d’environ 20 à 42% en poids, l’acide tartronique d’environ 25 à 49,5% en poids et l’acide malonique d’environ 20 à 36,7% en poids; et

2. Composition selon la revendication 1, comprenant en outre une poudre de décomposition endothermique qui se décompose pour produire un produit de décomposition gazeux choisi dans la classe comprenant le dioxyde de carbone, l’oxygène et la vapeur d’eau.

3. Composition selon la revendication 1, dans laquelle la poudre d’acide organique comprend de l’acide citrique.

4. Une composition génératrice de gaz non toxique comprenant:

5. Composition selon la revendication 4, dans laquelle l’oxydant est le chlorate de potassium.

6. Composition selon la revendication 5, dans laquelle l’acide citrique est présent à raison d’environ 32% en poids et le chlorate de potassium est présent à raison d’environ 68% en poids.

Cette application est une amélioration par rapport aux développements décrits et revendiqués dans la demande de brevet U.S. N ° 167 943, maintenant le brevet U.S. Le brevet US 3 862 866 intitulé «Gas Generator Composition and Method», par Hubert G. Timmerman et Vincent Gatanzarite. Les enseignements de cette demande de brevet sont incorporés ici à titre de référence.

Les exigences gouvernementales pour les systèmes de retenue des passagers d’automobile comprennent un sac gonflable qui retient momentanément et temporairement un passager pendant l’instant critique d’un impact de collision. Pour une utilisation sûre et réussie, le sac doit être gonflé dans un temps très court et ensuite dégonflé pour libérer le passager. Le gaz utilisé pour gonfler le sac doit être suffisamment froid pour éviter d’endommager le sac et de blesser le passager. Pour des raisons similaires, il est important que les particules chaudes n’atteignent pas l’intérieur du sac. Les gaz utilisés doivent avoir une faible toxicité, et pour cette raison, le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote, les composés de soufre et similaires ne sont pas souhaitables. Il est donc souhaitable de fournir des compositions qui brûlent pour produire un grand volume de gaz non toxique relativement frais dans un très court intervalle de temps pour gonfler un coussin à gaz.

La composition doit être suffisamment stable pour supporter la température, les vibrations et les autres caractéristiques environnementales d’une automobile pendant une période prolongée. Un test de criblage spécifié nécessite, par exemple, que la composition soit maintenue à 250 ° F pendant 100 heures sans aucune dégradation des performances. De telles exigences sévères éliminent efficacement de nombreux autres matériaux apparemment appropriés.

BREF RESUME DE L’INVENTION

Ainsi, dans la pratique de cette invention selon un mode de réalisation actuellement préféré, on propose une composition génératrice de gaz non toxique comprenant une poudre d’acide organique choisie dans le groupe constitué de l’acide citrique dans la gamme d’environ 25 à 37% en poids, l’acide tartrique dans la gamme d’environ 20 à 42% en poids, l’acide tartronique dans la gamme d’environ 25 à 49,5% en poids, et l’acide malonique dans la gamme d’environ 20 à 36,7% en poids; et un équilibre d’une poudre oxydante choisie dans le groupe constitué par le chlorate de potassium, le perchlorate de potassium, le chlorate de sodium et le perchlorate de sodium.

DESSIN

Ces caractéristiques et avantages de la présente invention ainsi que d’autres seront appréciés au fur et à mesure que l’on comprendra mieux la description détaillée suivante des modes de réalisation actuellement préférés en relation avec le dessin annexé, qui comprend une section transversale d’une cartouche de générateur de gaz employant une composition mettant en oeuvre les principes de la présente invention.

LA DESCRIPTION

La figure illustre en coupe longitudinale une cartouche de générateur de gaz typique chargée d’une composition mettant en oeuvre les principes de la présente invention. Comme illustré dans ce mode de réalisation actuellement préféré, un boîtier en acier 10 forme une cartouche de générateur de gaz qui peut être enfilée dans un boîtier (non représenté) ou un autre agencement approprié pour transporter des gaz générés vers un sac gonflable. La cartouche de générateur de gaz est ouverte à son extrémité filetée pour permettre aux gaz générés de s’échapper librement de celle-ci. Si on le souhaite, un diaphragme de protection frangible ou fusible peut être prévu sur l’extrémité ouverte de la cartouche. A son extrémité fermée, la cartouche est munie d’un initiateur de fil de pont classique 11 et est enfilée dans une ouverture centrale. L’initiateur 11 est un article classique dans lequel un « fil de pont » (non représenté) est chauffé par un courant électrique lorsque l’on souhaite déclencher la réaction de génération de gaz.

Dans le boîtier 10, dans une couche adjacente à l’initiateur 11, est placé un corps de propulseur 12 décrit plus en détail ci-après. Dans un mode de réalisation typique, la couche 12 peut comprendre environ 10 grammes de propulseur. A côté de la première couche de propulseur 12 se trouve une couche de 18 grammes de réfrigérant 13, décrite plus en détail ci-après. Après la couche de refroidissement 13, une autre couche de propulseur 14, contenant cinq grammes de propulseur comme celui de la première couche 12, est emballée par-dessus. Enfin, une couche de réfrigérant de huit grammes 15 est prévue sur la couche de propulseur 14. Le liquide de refroidissement 15 est de préférence sensiblement identique à la première couche de réfrigérant 13. Les couches de propulseur et de refroidissement sont de préférence poudrées à une pression inférieure à environ 5000 psi.

Les deux couches propulsives 12 et 14 sont formées d’un mélange de poudre de carburant acide organique et d’une poudre oxydante. L’acide organique est sous la forme d’une poudre ayant une taille de particule moyenne maximale inférieure à environ 15 microns. La poudre d’oxydant a de préférence une taille de particule moyenne inférieure à environ 25 microns et est choisie dans la classe constituée par le chlorate de potassium, le perchlorate de potassium, le chlorate de sodium et le perchlorate de sodium. Si la taille des particules de l’acide organique est trop grande, la surface efficace pour la réaction est réduite et la vitesse de réaction peut ne pas être suffisante pour produire des gaz assez rapidement pour gonfler un coussin gonflable dans un système de retenue pour passager automobile. La taille des particules de la poudre d’oxydant est de préférence inférieure à environ 25 microns, de sorte que la vitesse de réaction avec le combustible est rapide et la réaction est complète. Si la taille des particules de l’oxydant est supérieure à environ 25 microns, les particules n’ayant pas réagi peuvent être éjectées avec les produits de réaction gazeux.

Il est particulièrement préféré que l’oxydant ait une taille de particule moyenne inférieure à environ 15 microns, et que l’acide organique ait une taille de particule moyenne inférieure à environ 5 microns afin d’obtenir une réaction très rapide entre eux. De préférence, la granulométrie de l’oxydant et de l’acide organique est à peu près la même, c’est-à-dire qu’ils ne diffèrent pas l’un de l’autre de plus de 100% environ, de sorte qu’un mélange complet et intime des particules est obtenu sans ségrégation substantielle. La ségrégation de l’acide organique et de la poudre oxydante peut entraîner une combustion erratique ou donner une réaction incomplète.

La composition préférée de propulseur comprend environ 32% en poids d’acide citrique et 68% en poids de chlorate de potassium. La réaction stoechiométrique entre l’acide citrique et le chlorate de potassium est C6H8O7 + 3KCl03 = 6CO2 + 4H2O + 3KCl et la proportion stoechiométrique est de 34% en poids d’acide citrique à 66% en poids de chlorate de potassium. Ainsi, on verra que la composition préférée est riche en oxydant 2% en poids par rapport à la proportion stoechiométrique. Cette composition s’est révélée éminemment efficace pour réduire le niveau de monoxyde de carbone dans les gaz résultants à une très faible valeur. Cette composition est préférée car elle fournit une combinaison optimale de faible toxicité, de gaz frais, de haute fiabilité, de vitesse de combustion rapide et reproductible, de stabilité à long terme à 250 ° F sans dégradation des performances et de faible coût. Le problème de gonflage rapide, fiable et sûr d’un sac de retenue de passager d’automobile est sévère, et une variation limitée dans la composition préférée a été trouvée. L’exigence que les matériaux soient vieillis ensemble à 250 ° F pendant 100 heures est sévère et élimine efficacement la plupart des matériaux candidats. Le faible niveau de monoxyde de carbone requis et l’exigence que les températures des gaz dans le sac soient inférieures à environ 135 ° F réduisent davantage les compositions candidates possibles.

L’acide citrique est avantageux car il produit un volume substantiel de gaz avec une chaleur de combustion relativement faible. Ainsi, par exemple, pour produire des quantités molaires égales de gaz, la combustion de l’acide citrique ne produit que 81% de chaleur de la même manière que la combustion du saccharose. Pour cette raison, la température du gaz atteignant le sac de retenue du passager peut être inférieure.

Une certaine variation de la quantité d’acide citrique est acceptable dans des compositions appropriées pour gonfler un sac de retenue de passager automobile. Ainsi, la concentration en acide citrique peut être aussi faible qu’environ 25% en poids et produit toujours un mode de réalisation commercialement acceptable. De préférence, la proportion d’acide citrique ne chute pas en dessous d’environ 25% en poids, car des proportions inférieures ont une production totale de gaz indésirablement faible. La proportion principale de gaz produite par la réaction de l’acide citrique et de l’oxydant provient de l’acide citrique, et une réduction excessive de sa proportion nécessite une quantité totale accrue de propulseur pour fournir suffisamment de gaz pour un système de retenue de passager automobile.

De manière similaire, la proportion d’acide citrique peut être augmentée jusqu’à environ 37% en poids dans un mode de réalisation commercialement acceptable. Si l’acide citrique augmente au-dessus d’environ 37% en poids, le taux de monoxyde de carbone dans les gaz résultants augmente de manière inacceptable.

Quelques autres poudres d’acides organiques peuvent être utilisées dans la pratique de la présente invention, y compris l’acide tartrique, l’acide tartronique et l’acide malonique. L’acide tartrique qui a la formule C4H6O6 réagit stoechiométriquement avec un et deux tiers de mole de chlorate de potassium pour produire du dioxyde de carbone, de la vapeur d’eau et du chlorure de potassium. La proportion stoechiométrique est de 42% en poids d’acide tartrique et de 58% en poids d’oxydant. La proportion peut être réduite à environ 20% en poids d’acide organique et 80% de poudre oxydante avec des performances acceptables dans un générateur de gaz pour le gonflage d’un sac de retenue de passager automobile. De préférence, un tel mélange est inférieur d’environ 5% à la stoechiométrie pour l’acide organique et, de manière correspondante, riche en oxydant pour supprimer la formation de monoxyde de carbone.

L’acide tartronique réagit stoechiométriquement avec une mole de chlorate de potassium pour produire du dioxyde de carbone, de la vapeur d’eau et du chlorure de potassium. La proportion stoechiométrique est d’environ 49,5% d’acide organique et 50,5% d’oxydant. La proportion d’acide tartronique peut être réduite à environ 25% en poids, l’oxydant étant présent à environ 75% en poids. De préférence, la composition est riche en oxydant à environ 5% et, de manière correspondante, en un carburant déficient pour la production d’un excès d’oxygène et la suppression de la formation de monoxyde de carbone.

La réaction stoechiométrique entre l’acide malonique et le chlorate de potassium nécessite un et un tiers de moles de chlorate de potassium pour la production de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau. Ceci correspond à environ 36,7% en poids de l’acide malonique et 63,3% en poids de l’oxydant. Cette proportion peut varier jusqu’à environ 20% en poids d’acide malonique et 80% en poids de poudre d’oxydant. De préférence, la composition est à environ 5% au-dessus de la stoechiométrie dans l’oxydant et environ 5% sont déficients en dessous de la stoechiométrie pour l’acide organique.

Il est particulièrement préféré d’utiliser du chlorate de potassium comme poudre oxydante car les produits de réaction comprennent du chlorure de potassium à une température suffisamment élevée pour qu’il soit fondu ou éventuellement sous forme de vapeur. Un tel chlorure de potassium se dépose principalement dans des parties plus froides d’un système générateur de gaz et, ce faisant, emprisonne des particules qui pourraient autrement atteindre le sac gonflable. Bien que le chlorate de potassium soit plus sensible que le perchlorate de potassium dans les compositions propulsives, aucun risque significatif pour la sécurité associé à son utilisation n’a été identifié. Si une telle sensibilité est un problème dans certaines applications, le perchlorate de potassium peut être utilisé comme poudre d’oxydant dans les principes de la présente invention. Le perchlorate de potassium n’est pas aussi efficace que le chlorate de potassium pour éliminer les particules chaudes du courant gazeux puisque son point de fusion est d’environ 250 ° C supérieur à celui du chlorate de potassium. Lorsqu’on utilise du chlorate de potassium, il apparaît qu’une couche vitreuse se forme sur des surfaces plus froides (non représentées) dans les passages de fluide menant de la cartouche de générateur de gaz au sac gonflable. Ce revêtement vitreux retient efficacement les particules de la cartouche du générateur de gaz et les empêche d’atteindre le sac gonflable. Les sels de sodium peuvent être utilisés mais semblent moins capables d’éliminer les particules chaudes que les sels de potassium.

Bien que la composition du propulseur ait été indiquée comme étant 100% de combustible et d’oxydant, il faut comprendre qu’une certaine dilution avec un réfrigérant de décomposition endothermique ou similaire peut être employée. L’exigence actuelle pour les systèmes de retenue des passagers a un niveau maximal de monoxyde de carbone de 750 ppm dans le gaz de gonflage. Il a été trouvé que jusqu’à environ 5% en poids de la dilution du propulseur avec du carbonate de zinc reste dans cette limite. Si un taux plus élevé de monoxyde de carbone est acceptable, une dilution un peu plus élevée peut être utilisée, par exemple, jusqu’à environ 25%. Il faut donc comprendre que les proportions de combustible et d’oxydant indiquées dans les compositions sont les unes par rapport aux autres et jusqu’à environ 5% d’autres matières peuvent être présentes dans le mélange.

Les couches de refroidissement 13 et 15 sont de préférence un mélange de 20 à 60% en poids de chlorate de potassium et de 40 à 80% en poids de carbonate de zinc, ces deux matériaux se décomposant de manière endothermique lorsque le propulseur est allumé. produire un volume substantiel d’oxygène et de dioxyde de carbone et refroidir les gaz du propulseur. La présence de chlorate de potassium dans le réfrigérant produit des quantités substantielles de chlorure de potassium qui, comme mentionné ci-dessus, forme un dépôt vitreux sur les parois du refroidisseur, piégeant ainsi les particules d’oxyde de zinc et similaires éjectées du réfrigérant. La forte concentration d’oxygène qui en résulte dans le gaz provenant du générateur de gaz est un avantage qui aide à réduire la toxicité et à assurer une réaction complète de l’acide organique. Une certaine variation de la proportion de chlorate de potassium dans le réfrigérant peut être utilisée dans la pratique de cette invention. Ainsi, par exemple, si on le souhaite, le chlorate de potassium peut atteindre 90% en poids sans que l’efficacité de la production de gaz soit sensiblement modifiée. De même, le chlorate de potassium peut être réduit à zéro si désiré; cependant, l’oxygène bénéfique diminue de manière concomitante et le piégeage des poudres d’oxyde de zinc est partiellement sacrifié.

Si on le souhaite, le perchlorate de potassium peut être substitué au chlorate de potassium dans le réfrigérant avec une certaine diminution de la formation d’un dépôt vitreux dans le générateur de gaz, et par conséquent un balayage moins efficace des particules chaudes des gaz. De même, le chlorate de sodium et le perchlorate de sodium peuvent être utilisés.

Une substitution pour le carbonate de zinc peut également être prévue dans le réfrigérant, bien que ceci soit un matériau préféré. D’autres matériaux appropriés peuvent être choisis dans le groupe consistant en carbonate de magnésium, carbonate de manganèse, carbonate de baryum, carbonate de calcium, bicarbonate de potassium, carbonate de magnésium hydraté, oxyde de zirconium hydraté, borax et oxyde de baryum octahydrate. S’il est acceptable d’avoir un hydroxyde caustique comme produit de réaction possible, le carbonate de sodium et le bicarbonate de sodium sont des réfrigérants appropriés. Les oxydes de sodium restant de la décomposition du carbonate de sodium et du bicarbonate de sodium peuvent se combiner avec le chlorure de potassium pour former un laitier qui reste dans le générateur de gaz et ne cause aucun dommage dans le coussin à gaz.

Diverses compositions ont été testées pour déterminer leur aptitude à la pratique de la présente invention. Certains de ces tests ont été de la nature d’essais de criblage où la composition a été brûlée et la réaction observée sans utiliser les gaz générés. Le taux et la complétude de la réaction sont observés dans la combustion non confinée. L’expérience montre que les compositions brûlant de la même manière que les compositions réussies dans les tests de criblage non confinés donneront des résultats satisfaisants dans les tests de gonflement des sacs. D’autres compositions ont été placées dans un générateur de gaz confiné et les gaz utilisés pour gonfler un sac en tissu. Les compositions suivantes ont été testées de la manière suivante:

1. 20% d’acide tartrique, 80% de chlorate de potassium

2. 30% d’acide tartrique, 70% de chlorate de potassium

3. 38% d’acide tartrique, 62% de chlorate de potassium

4. 42% d’acide tartrique, 58% de chlorate de potassium

5. 46,5% d’acide tartrique, 53,5% de perchlorate de potassium

6. 45 pour cent d’acide tartrique, 55 pour cent de perchlorate de potassium

7. 26,6% d’acide tartrique, 55,4% de chlorate de potassium, 18% de carbonate de zinc

8. 22,8% d’acide tartrique, 53,2% de chlorate de potassium, 24% de carbonate de zinc

9. 49,5% d’acide tartronique, 50,5% de chlorate de potassium

10. 36,7% d’acide malonique, 63,3% de chlorate de potassium

11. 34,3% d’acide citrique, 66,7% de chlorate de potassium

12. 32% d’acide citrique, 68% de chlorate de potassium

13. 25 pour cent d’acide citrique, 75 pour cent de chlorate de potassium