一种用于安全气囊的产气药及其制备方法和一种汽车安全气囊用气体发生器

摘要

本发明提供了一种用于安全气囊的产气药及其制备方法，所述产气药中含有燃料、氧化剂和添加剂；所述添加剂为层状结构的硅铝酸盐，其中Al为AlO

说明书

技术领域

本发明属于汽车安全气囊技术领域，尤其涉及一种用于安全气囊的产气药及其制备方法和一种汽车安全气囊用气体发生器。

背景技术

一般情况下，汽车安全气囊的作用原理是：通过引发烟火产气填料，使气体发生器在非常短的时间内产生一定量的气体，从而使安全气囊膨胀。

目前现有市场上的产气药主要为硝酸胍型，主要采用碱式硝酸铜为氧化剂，由于硝酸胍类产气药燃速较低，一般使用一定量的过渡金属氧化物作为其燃速催化剂，同时采用高氯酸盐为辅助氧化剂，增加燃速达到使用要求。为了解决硝酸胍类产气药燃速慢的问题，同时采用了金属氧化物催化剂和高氯酸盐辅助氧化剂，这两者的大量使用降低了产气药的产气效率，反应后固体残渣量较多，高氯酸盐的使用还会增加燃温，产生刺激性气体HCl。因此，提供一种成分简单、燃烧性能良好、高产气量且残渣少的产气药已成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的至少一个上述技术问题，提供一种成分简单、燃烧性能良好、产气量高且少残渣、环保无毒的产气药及其制备方法，其非常适合用于汽车安全气囊用气体发生器中，也利于气体发生器的小型化发展。

具体地，本发明的技术方案为：

一种用于安全气囊的产气药，所述产气药中含有燃料、氧化剂和添加剂；所述添加剂为层状结构的硅铝酸盐，其中Al为AlO₄四配位结构。

本发明还提供了所述产气药的制备方法，包括将燃料、氧化剂和添加剂混合得到混合物，然后将混合物造粒、烘干、压制，得到所述产气药。

最后，本发明还提供了一种汽车安全气囊用气体发生器，所述气体发生器中含有产气药；其中，所述产气药为本发明提供的产气药或者由本发明提供的制备方法制备得到。

本发明提供的产气药，其成分简单、绿色环保，具体通过采用层状结构的硅铝酸盐作为添加剂，其中Al为AlO₄四配位结构，即使得该添加剂具有较高活性，可有效催化产气药氧化还原反应的进行，使得所述产气药具有良好的燃烧性能。同时，该添加剂在产气药高温反应后，转化为稳定结构的硅铝化合物，能用作成渣材料。因此，该添加剂集催化剂和成渣剂于一体，使得体系中非产气组分含量降低，产气效率增加的同时固体残渣含量减少。具体地，本发明中提供的产气药，其起压时间快，燃速快，达到最大压力的时间短，产气效率高，且固体残渣量少，易过滤。

附图说明

图1为实施例1制得的产气药S1的压强-时间曲线。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种用于安全气囊的产气药，所述产气药中含有燃料、氧化剂和添加剂；所述添加剂为层状结构的硅铝酸盐，其中Al为AlO₄四配位结构。

本发明中，所述燃料为硝酸胍，其热稳定性能好，感度低、不吸潮，有利于安全稳定生产及使用。更优选情况下，所述燃料的平均粒径为1~10μm，颗粒小，利于原料的充分混合均匀且易于燃烧。

所述氧化剂优选采用现有技术中常见的各种碱式硝酸盐。例如，所述氧化剂可选自碱式硝酸铜、碱式硝酸钴和碱式硝酸锌中的至少一种，但不局限于此。进一步地，所述氧化剂优选采用碱式硝酸铜。所述氧化剂的平均粒径为1~6μm，氧化剂粒径小，利于混合均匀，且增大药剂着火性和提高燃速。

目前，现有技术中为了解决硝酸胍类产气药的燃速慢的问题，一般会采用金属氧化物作为催化剂和辅助氧化剂高氯酸盐（例如高氯酸钾），而这两者的使用会降低产气药的产气效率，且反应后固体残渣量较多，同时高氯酸盐的使用还会增加燃温，并产生刺激性气体HCl。

需要指出地是，现有的产气药有采用高岭土、二氧化硅、云母等含硅氧或铝氧化合物的高熔点物质作为成渣剂，其主要作用是对含金属成分的燃烧产物进行凝固成渣。但此类成渣剂的使用会进一步降低产气效率，增加残渣量，加大对气体的过滤和降温难度，不利于气体发生器的小型化。

而本发明提供的产气药，其成分简单、绿色环保，具体通过采用层状结构的硅铝酸盐作为添加剂，其中Al为AlO₄四配位结构，即使得该添加剂具有较高活性，可有效催化产气药氧化还原反应的进行，使得所述产气药具有良好的燃烧性能。同时，该添加剂在产气药高温反应后，转化为稳定结构的硅铝化合物，即可作为常规的成渣材料使用。因此，该添加剂集催化剂和成渣剂于一体，不影响其成渣作用，还能使得体系中非产气组分量降低，产气效率增加的同时固体残渣含量减少。具体地，本发明中提供的产气药，其起压时间快，燃速快，达到最大压力的时间短，产气效率高，且固体残渣量少，易过滤。

进一步地，本发明中，所述添加剂为活化高岭土。本发明中，所述活化高岭土可通过焙烧制备得到。具体地，所述添加剂为经过600~700℃焙烧的高岭土。其中，焙烧时的升温速率为5~15℃/min，焙烧时间为1-2.5h。本发明中，还包括将高温焙烧后的高岭土缓慢冷却至室温的步骤。

普通的高岭土其主要成分为含水硅铝酸盐，为硅氧四面体和铝氧八面体通过共用氧原子以1:1的比例层叠堆砌而成的稳定的高岭石结构，如前所述，一般为烟火药剂中常用的成渣剂之一。而本发明的发明人发现，将高岭土经600~700℃高温焙烧后，其中Al-O八面体结构中惰性的六配位Al（即AlO₆）经高温焙烧转变为活化的四配位Al（即AlO₄）结构，而该四配位的Al结构中含有未配位的电子空轨道，利于氧化还原反应中电子的转移，促进燃料和氧化剂的燃烧反应进行；同时，在燃烧反应完成后该添加剂依然可作为成渣材料，不影响原本的成渣作用。但通过该添加剂的使用，能减少非产气组分（例如常规催化剂金属氧化物和常规辅助氧化剂高氯酸盐）的加入量，提高产气效率，减少固体残渣，不产生刺激性气体HCl，降低燃温，使产气药的成分简单化，绿色环保。

优选情况下，本发明中，以100重量份的所述产气药为基准，所述燃料的含量为40-65重量份，所述氧化剂的含量为30-55重量份，所述添加剂的含量为3-6重量份。

本发明中，所述产气药中还可含有现有技术中常见的各种粘合剂。例如，所述粘合剂选自羧甲基纤维素钠盐、羧甲基纤维素钾盐、羧甲基纤维素铵盐、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇和氟橡胶中的至少一种，但不局限于此。

所述粘合剂的用量在本领域常规范围内即可，本发明没有特殊限定。例如，以100重量份的所述产气药为基准，所述产气药中还含有0.4~1重量份的粘合剂。

本发明还提供了所述产气药的制备方法，包括将燃料、氧化剂和添加剂混合得到混合物，然后将混合物造粒、烘干、压制，得到所述产气药。

如前所述，所述产气药中还可含有现有技术中常见的各种粘合剂，因此，所述制备方法中还包括往混合物中加入粘合剂的步骤。优选情况下，为便于粘合剂与药剂中其它组分均匀混合，所述粘合剂优选以溶液形式加入，例如可先将粘合剂溶解于溶剂中，然后再加入至混合物中。优选情况下，以100重量份的粘合剂溶液为基准，其中溶剂的用量为98重量份。所述溶剂可以为现有技术中常见的各种有机溶剂，例如选自丙酮、乙醇、工业酒精中的至少一种，但不局限于此。

需要指出地是，本发明中，所述添加剂通过自己制备得到。优选情况下，所述添加剂可以通过焙烧高岭土制备得到。如前所述，优选情况下，所述添加剂为经过600~700℃焙烧的高岭土。

最后，本发明还提供了一种汽车安全气囊用气体发生器，所述气体发生器中含有产气药；其中，所述产气药为本发明提供的产气药或者由本发明提供的制备方法制备得到。

本发明提供的产气药，起压时间快，燃速快，达到最大压力的时间Tp_max短，产气效率高，固体残渣少，易过滤，且成分简单，成本低，环保无毒。本发明提供的产气药适用于汽车安全气囊用气体发生器，有利于气体发生器小型化发展。

以下结合实施例对本发明作进一步解释说明。实施例及对比例中所采用原料均通过商购得到。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

先将商购高岭土在以10℃/min的升温速率条件下升温至650℃下焙烧2h，缓慢冷却至室温，得到本实施例的添加剂。

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）52重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）45重量份，添加剂3重量份，将各成分先干混均匀，再添加40mL含有0.64重量份的羧甲基纤维素钠的粘合剂溶液（其中溶剂为乙醇），湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为S1。

实施例2

先将商购高岭土在以10℃/min的升温速率条件下升温至650℃下焙烧2h，缓慢冷却至室温，得到本实施例的添加剂。

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）54重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）42重量份，添加剂4重量份，将各成分先干混均匀，再添加40mL含有0.64重量份的羧甲基纤维素钠的粘合剂溶液（其中溶剂为丙酮和工业酒精混合溶液），湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为S2。

实施例3

先将商购高岭土在以5℃/min的升温速率条件下升温至650℃下焙烧1.5h，缓慢冷却至室温，得到本实施例的添加剂。

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）50重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）46重量份，添加剂5重量份，将各成分先干混均匀，再添加50mL含有0.8重量份的羧甲基纤维素钠的粘合剂溶液（其中溶剂为丙酮和乙醇的混合溶液）湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为S3。

实施例4

先将商购高岭土以5℃/min的升温速率条件下升温至600℃下焙烧2.5h，缓慢冷却至室温，得到本实施例的添加剂。

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）45重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）48重量份，添加剂6重量份，将各成分先干混均匀，再添加30mL含有0.48重量份的聚乙烯醇的粘合剂溶液（其中溶剂为乙醇），湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为S4。

实施例5

先将商购高岭土以15℃/min的升温速率条件下升温至700℃下焙烧1h，缓慢冷却至室温，得到本实施例的添加剂。

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）65重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）30重量份，添加剂3重量份，将各成分先干混均匀，再添加50mL含有0.8重量份的聚乙烯醇缩丁醛的粘合剂溶液（其中溶剂为乙醇），湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为S5。

实施例6

先将商购高岭土以10℃/min的升温速率条件下升温至650℃下焙烧2h，缓慢冷却至室温，得到本实施例的添加剂。

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）40重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）55重量份，添加剂2重量份，将各成分先干混均匀，再添加40mL含有0.64重量份的聚乙二醇的粘合剂溶液（其中溶剂为工业酒精和丙酮混合溶液），湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为S6。

比较例1

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）52重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）45重量份，直接商购的高岭土3重量份，将各成分先干混均匀，再添加40mL含有0.64重量份的羧甲基纤维素钠的粘合剂溶液（其中溶剂为乙醇），湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为DS1。

比较例2

称取燃料硝酸胍（平均粒径为1~10μm）52重量份，氧化剂碱式硝酸铜（平均粒径为1~6μm）42重量份，辅助氧化剂高氯酸钾3重量份，三氧化二铝3重量份，以及直接商购的高岭土3重量份作为成渣剂，将各成分先干混均匀，再添加50 mL含有0.8重量份的羧甲基纤维素钠的粘合剂溶液（其中溶剂为乙醇）湿混造粒，55℃干燥后得到产气药粒子，然后将其压制成直径为6mm，厚度为1.7mm的药片，记为DS2。

产气性能测试

采用《GBT 19949.3-2005道路车辆 安全气囊部件 第3部分—气体发生器总成试验》中7.3 压力容器试验方法，在一密闭的60L钢制压力容器罐中测定常温下气体发生器点火时气体输出性能，通过传感器采集各产气药的压强-时间曲线，记录各产气药的TTFG，Tp_max和P_max；其中，TTFG为罐内压强为1Kpa时的时间，又称为点火时间；P_max为最大压强值；Tp_max为到达最大压强的时间。各产气药的用量和测试结果如表1所示。其中，产气药S1的压强-时间曲线如图1所示。

表1

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由上表1可以看出，本发明提供的产气药S1-S6的点火时间短，最大压强在合理范围内，同时达到最大压强时间较短，即其具有良好的产气效率和燃烧性能，非常适用于汽车安全气囊用气体发生器，有利于气体发生器小型化发展。比较例1中的产气药DS1其点火时间和达到最大压强时间均较长，即其燃速低；而比较例2中即使增加产气药的用量仍然无法克服燃速低的缺陷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。