DE102011100113A1 - Gas generator fuel composition on the basis of guanyl urea dinitramide, useful e.g. for hydraulic systems, comprises fuel- and/or explosive material and additional fuel- and/or explosive material, polymer binder, and combustion modifier - Google Patents
Gas generator fuel composition on the basis of guanyl urea dinitramide, useful e.g. for hydraulic systems, comprises fuel- and/or explosive material and additional fuel- and/or explosive material, polymer binder, and combustion modifier Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid (GUDN, FOX 12), ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.The invention relates to a gas generator fuel composition based on guanyl urea dinitramide (GUDN, FOX 12), a process for their preparation and their use.
Bei Gasgeneratortreibstoffen, welche beispielsweise für Turbinenantriebe, hydraulische Aggregate, Rettungssysteme oder pyrotechnische Aktuatoren eingesetzt werden, ist es erwünscht, dass sie sehr hohe Gasausbeuten in Kombination mit möglichst geringen Abbrand- bzw. Abgastemperaturen besitzen. Ebenso sollten sie keinen Ruß und im Übrigen auch nur sehr geringe Anteile an festen Partikeln im Abgas enthalten. Eine weitere Forderung besteht in einer hinreichend hohen Abbrandgeschwindigkeit, um die benötigte Menge der zu liefernden Gase mit einer einfachen Treibsatzgeometrie erzeugen zu können. Gleichwohl müssen die Abbrandgeschwindigkeiten geringer sein als z. B. im Falle von Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen für Airbags von Kraftfahrzeugen, welche dort in der Regel etwa 30 mm/s oder mehr betragen, weil das erzeugte Gas über einen längeren Zeitraum zur Verfügung stehen muss. Des Weiteren sollten eine gute mechanische und chemische Stabilität sowie eine sowohl thermisch als auch mechanisch geringe Empfindlichkeit, verbunden mit einer hoher Anwendungssicherheit und Lagerfähigkeit bzw. Langlebigkeit gegeben sein.In gas generator fuels, which are used for example for turbine drives, hydraulic units, rescue systems or pyrotechnic actuators, it is desirable that they have very high gas yields in combination with the lowest possible combustion or exhaust gas temperatures. Likewise, they should not contain soot and, moreover, only very small proportions of solid particles in the exhaust gas. Another requirement is a sufficiently high burn rate to generate the required amount of gases to be supplied with a simple propellant geometry. Nevertheless, the burning rates must be lower than z. Example, in the case of gas generator fuel compositions for airbags of motor vehicles, which are there usually about 30 mm / s or more, because the generated gas must be available over a longer period of time. Furthermore, good mechanical and chemical stability as well as low sensitivity, both thermally and mechanically, combined with high application safety and shelf life should be ensured.
Traditionelle niederenergetische Doublebase-Treibstoffe, welche auf der Basis von Cellulosenitrat in Verbindung mit flüssigen Salpetersäureestern als Weichmacher sowie gegebenenfalls Polyurethanbindern aufgebaut sind, vermögen die genannten Anforderungen insbesondere in Bezug auf eine geringe thermische und mechanische Empfindlichkeit sowie auch hinsichtlich einer hohen chemischen Stabilität nicht zu erfüllen. Während die relativ hohe thermische und/oder mechanische Empfindlichkeit von Doublebase-Treibstoffen hinsichtlich der hiermit verbundenen Massendetonationsfähigkeit ein erhebliches Gefährdungspotenzial darstellen kann, neigen Doublebase-Treibstoffe überdies bei Temperaturen unterhalb etwa –30°C oft zur Versprödung, was mit einer Beeinträchtigung der Funktionssicherheit der jeweiligen Anwendung einhergeht. Gasgeneratortreibstoffe auf der Basis von Ammoniumnitrat (AN) mit inerten Polyurethanbindern weisen zwar hohe Gasausbeuten und niedrige Abbrandtemperaturen auf, besitzen jedoch gravierende Nachteile aufgrund ihrer sehr niedrigen Abbrandgeschwindigkeiten und des hygroskopischen Charakters von Ammoniumnitrat, verbunden mit dessen Eigenschaft, kristalline Phasenübergänge mit Volumenänderungen einzugehen (vgl. z.
Guanylharnstoffdinitramid (GUDN, FOX 12) eignet sich aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung mit einem sehr hohen Stickstoffanteil, einer Sauerstoffbilanz von –19%, seiner Dichte von etwa 1,75 g/cm3 bei 20°C sowie seiner günstigen Zersetzungskinetik in Verbindung mit einer sehr hohen thermischen Stabilität und geringen mechanischen Empfindlichkeit potenziell gut für die Formulierung von Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen der eingangs genannten Art (vgl. z. B.
Genutzt wurde dieses Verhalten von Guanylharnstoffdinitramid bisher praktisch ausschließlich in kurzzeitig abbrennenden Airbag-Formulierungen mit Abbrandgeschwindigkeiten in den oben genannten Bereichen. Solche Formulierungen enthalten üblicherweise neben Guanylharnstoffdinitramid als Stickstoff liefernde Komponente stets Oxidationsmittel in Gestalt von Kalium-, Natrium, Ammonium- oder Strontiumnitrat, Kalium- oder Ammoniumperchlorat, zuweilen Chlorate, sowie häufig auch basisches Kupferhydroxynitrat als Sauerstofflieferant.Up to now, this behavior of guanylurea dinitramide has been used almost exclusively in short-term burning airbag formulations with burning rates in the abovementioned ranges. In addition to guanylurea dinitramide, such formulations usually contain as nitrogen-supplying component oxidizing agents in the form of potassium, sodium, ammonium or strontium nitrate, potassium or ammonium perchlorate, sometimes chlorates, and frequently also basic copper hydroxynitrate as an oxygen source.
Die
Ferner sind Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen bekannt, welche Abbrandmodifikatoren in Form von Seltenerdmetallverbindungen für von Guanylharnstoffdinitramid freie Treib- und/oder Explosivstoffe enthalten und welche wiederum speziell in schnell abbrennenden Airbagformulierungen zum Einsatz gelangen sollen. So beschreibt die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine detonationsunempfindliche Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid vorzuschlagen, welche eine hohe Gasausbeute bei geringen Abbrand- bzw. Abgastemperaturen, einen sehr geringen Anteil an partikulären Produkten im Abgas sowie eine im Vergleich mit Airbag-Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen relativ geringe Abbrandgeschwindigkeit aufweist, welche für einen verhältnismäßig langzeitigen Abbrand und eine hiermit verbundene, relativ langwährende Druckgasentwicklung sorgt. Sie ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung sowie auf deren Verwendung gerichtet.It is an object of the present invention to propose a detonation-insensitive gas generator propellant composition based on guanyl urea dinitramide having high gas yield at low burnout temperatures, a very low particulate content in the exhaust, and one compared to airbag inflator fuel compositions has relatively low burning rate, which ensures a relatively long-term burning and a related, relatively long-term pressure gas development. It is further directed to a method of making such a gas generator fuel composition and to the use thereof.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid gelöst, welche
- – wenigstens einen Treib- und/oder Explosivstoff in Form von Guanylharnstoffdinitramid oder einer Mischung aus Guanylharnstoffdinitramid und wenigstens einem weiteren Treib- und/oder Explosivstoff;
- – wenigstens einen Polymerbinder; und
- – wenigstens einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe der Oxide der Metalle Cer, insbesondere Cer(IV)oxid (CeO2), Lanthan (La2O3), Yttrium (Y2O3) und/oder Thorium (ThO2)
- - At least one propellant and / or explosive in the form of guanyl urea dinitramide or a mixture of guanyl urea dinitramide and at least one other propellant and / or explosive;
- - at least one polymer binder; and
- At least one burn-up modifier from the group of the oxides of the metals cerium, in particular cerium (IV) oxide (CeO 2 ), lanthanum (La 2 O 3 ), yttrium (Y 2 O 3 ) and / or thorium (ThO 2 )
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung bestehen insbesondere in sehr niedrigen Abgastemperaturen (siehe hierzu weiter unten), wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Abbrandmodifikatoren trotz eines auch relativ hoch wählbaren Anteils an dem Polymerbinder nicht nur eine einwandfreie Entzündlichkeit, sondern insbesondere auch ein praktisch vollständiger Abbrand sichergestellt wird, welcher für ein Ab- bzw. Druckgas sorgt, das im Wesentlichen frei von partikulären Rückständen einschließlich Ruß ist. Hierbei vermag es die Treibstoffzusammensetzung auch zu verhindern, dass infolge einer unvollständigen Verbrennung dampfförmige und später kondensierte Kohlenwasserstoffverbindungen entstehen, welche andernfalls die geforderte Gasreinheit beeinträchtigen und gleichzeitig die Gasausbeute wesentlich einschränken können. Die gegenüber herkömmlichen Airbag-Treibstoff-Zusammensetzungen relativ geringe Abbrandgeschwindigkeit vermag für Abbrandzeiten im Sekunden- bis in den Minutenbereich und für eine dadurch bedingte relativ lange, fortwährende Gasentwicklung zu sorgen (siehe hierzu ebenfalls weiter unten), wobei die Abbrandgeschwindigkeit gleichwohl höher ist als bei herkömmlichen Gasgeneratortreibstoffen auf der Basis von Ammoniumnitrat (AN). Die erfindungsgemäßen Abbrandmodifikatoren aus der Gruppe der Oxide der Metalle Cer, insbesondere Cer(IV)oxid (CeO2), Lanthan (La2O3), Yttrium (Y2O3) und/oder Thorium (ThO2) können hierbei separat oder in Form von Gemischen zum Einsatz gelangen. Sie bewirken beim Abbrand der Treibstoffzusammensetzung auch dann eine praktisch vollständige rückstandsfreie Umsetzung derselben, wenn die Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid mit einer Sauerstoffbilanz von etwa –55% bis etwa –30% unterbilanziert ist. In diesem Zusammenhang wird vermutet, dass die erfindungsgemäß zugesetzten Abbrandmodifikatoren die Bildung der thermodynamisch errechneten gasförmigen Endprodukte bei niedriger Abbrandtemperatur katalysieren.The advantages of the gas generator fuel composition according to the invention are in particular in very low exhaust gas temperatures (see below), which is due to the Abbrandmodifikatoren invention despite a relatively high selectable portion of the polymer binder not only flawless flammability, but in particular a virtually complete burn is ensured which provides a vent gas that is substantially free of particulate residue including soot. In this case, it is also possible to prevent the fuel composition from producing, as a result of incomplete combustion, vaporous and later condensed hydrocarbon compounds which otherwise could impair the required gas purity and at the same time substantially limit the gas yield. The relative to conventional airbag fuel compositions relatively low burning rate can provide for burning times in the second to minutes range and for a consequent relatively long, continuous gas evolution (see also below), the burnup rate is nevertheless higher than in conventional Gas generator fuels based on ammonium nitrate (AN). The burn-off modifiers according to the invention from the group of the oxides of the metals cerium, in particular cerium (IV) oxide (CeO 2 ), lanthanum (La 2 O 3 ), yttrium (Y 2 O 3 ) and / or thorium (ThO 2 ) can hereby be separate or come in the form of mixtures used. They also cause virtually complete residue-free conversion of the fuel composition upon combustion of the fuel composition, even if the guanylurea dinitramide based gas-generator fuel composition is under-balanced with an oxygen balance of about -55% to about -30%. In this connection, it is assumed that the burn-up modifiers added according to the invention catalyze the formation of the thermodynamically calculated gaseous end products at a low burnup temperature.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung das wenigstens eine Oxid der Metalle Cer, Lanthan, Yttrium und/oder Thorium einzeln oder in Form einer Mischung in einem Anteil zwischen etwa 0,1 Mass.-% und etwa 5 Mass.-%, insbesondere in einem Anteil zwischen etwa 0,2 Mass.-% und etwa 4 Mass.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung enthält. Ein solcher Anteil hat sich als hinreichend erwiesen, um die ihm zugedachten Funktionen vollständig zu erfüllen.In an advantageous embodiment it can be provided that the gas generator fuel composition, the at least one oxide of the metals cerium, lanthanum, yttrium and / or thorium singly or in the form of a mixture in an amount between about 0.1 Mass .-% and about 5 mass. %, in particular in a proportion between about 0.2% by mass and about 4% by mass, based on the total composition. Such a proportion has proven to be sufficient to fulfill its intended functions completely.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung das wenigstens eine Oxid der Metalle Cer, Lanthan, Yttrium und/oder Thorium einzeln oder in Form einer Mischung mit einer Partikelgröße zwischen etwa 10 nm und etwa 10 μm, insbesondere zwischen etwa 20 nm und etwa 1 μm, vorzugsweise zwischen etwa 20 nm und etwa 500 nm, enthält. Auf diese Weise ist eine sehr feine Verteilung der erfindungsgemäßen Abbrandmodifikatoren bei einer großen, katalytisch wirksamen Oberfläche derselben sichergestellt. Die genannten Partikelgrößen beziehen sich hierbei auf die mittlere Korngröße (mps, median particle size) der Cer-, Lanthan-, Yttrium- und/oder Thoriumoxidpartikel.In a further advantageous embodiment, it may be provided that the gas generator fuel composition, the at least one oxide of the metals cerium, lanthanum, yttrium and / or thorium singly or in the form of a mixture having a particle size between about 10 nm and about 10 .mu.m, in particular between about 20 nm and about 1 μm, preferably between about 20 nm and about 500 nm. That way is a very fine distribution of Abbrandmodifikatoren invention ensures a large, catalytically active surface thereof. The particle sizes mentioned here relate to the mean particle size (mps, median particle size) of the cerium, lanthanum, yttrium and / or thorium oxide particles.
In Bezug auf den Treib- und/oder Explosivstoff auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn der wenigstens eine Treib- und/oder Explosivstoff im Wesentlichen reines Guanylharnstoffdinitramid oder eine Mischung aus Guanylharnstoffdinitramid und 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen (FOX 7), insbesondere in einem Massenverhältnis von Guanylharnstoffdinitramid zu 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen zwischen etwa 1:9 und etwa 9:1, vorzugsweise zwischen etwa 2:8 und etwa 8:2, ist. Ein besonders bevorzugtes Massenverhältnis liegt hierbei zwischen etwa 20 Mass.-% 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen/80 Mass.-% Guanylharnstoffdinitramid und etwa 70 Mass.-% 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen/30 Mass.-% Guanylharnstoffdinitramid.With regard to the guanylurea dinitramide-based propellant and / or explosive, it has proven particularly advantageous if the at least one propellant and / or explosive substance is essentially pure guanylurea dinitramide or a mixture of guanylurea dinitramide and 1,1-diamino-2-one , 2-dinitroethylene (FOX 7), in particular in a mass ratio of guanyl urea dinitramide to 1,1-diamino-2,2-dinitroethylene between about 1: 9 and about 9: 1, preferably between about 2: 8 and about 8: 2, is. A particularly preferred mass ratio here is between about 20 mass% 1,1-diamino-2,2-dinitroethylene / 80 mass% guanyl urea dinitramide and about 70 mass% 1,1-diamino-2,2-dinitroethylene / 30 mass% guanyl urea dinitramide.
Die erfindungsgemäße Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung enthält vorzugsweise wesentliche Anteile des wenigstens einen Polymerbinders, wobei sie den wenigstens einen Treib- und/oder Explosivstoff vorzugsweise in einem Anteil zwischen etwa 50 Mass.-% und 95 Mass.-%, insbesondere zwischen etwa 60 Mass.-% und etwa 90 Mass.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung enthalten kann.The gas generator fuel composition according to the invention preferably contains substantial proportions of the at least one polymer binder, wherein it preferably contains the at least one propellant and / or explosive in a proportion of between about 50% by mass and 95% by mass, in particular between about 60% by mass. % and about 90% by mass, based on the total composition.
Der wenigstens eine Treib- und/oder Explosivstoff auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid kann vorzugsweise eine Partikelgröße zwischen etwa 1 μm und etwa 1000 μm, insbesondere zwischen etwa 2 μm und etwa 500 μm, vorzugsweise zwischen etwa 5 μm und etwa 400 μm, aufweisen.The at least one blowing and / or explosive based on guanyl urea dinitramide may preferably have a particle size of between about 1 μm and about 1000 μm, in particular between about 2 μm and about 500 μm, preferably between about 5 μm and about 400 μm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Polymerbinder ein inerter oder energetischer Polymerbinder aus der Gruppe der Polyurethane, der Epoxy- und der Acrylatpolymeren ist. Als besonders bevorzugt haben sich hierbei Polymerbinder aus der Gruppe
- – der Polyester- und/oder Polyetherurethane, insbesondere der Isocyanat-gehärteten Polyester- und/oder Polyetherurethane,
- – der Azid-substituierten Polyether, insbesondere der Isocyanat- oder Acetylen-gehärteten Azid-substituierten Polymeren, vorzugsweise der Glycidylazidopolymere (GAP),
- – der Nitratester-substituierten Polyether, insbesondere der Isocyanat-gehärteten Nitratester-substituierten Polyether, vorzugsweise Polyglycidylnitrat (PolyGLYN) und/oder Polynitratomethylmethyloxetan (PolyNIMMO),
- – der Epoxypolymere, und
- – der Acrylatpolymere
- The polyester and / or polyether urethanes, in particular the isocyanate-cured polyester and / or polyether urethanes,
- The azide-substituted polyether, in particular the isocyanate- or acetylene-cured azide-substituted polymers, preferably the glycidyl azido copolymers (GAP),
- The nitrate ester-substituted polyether, in particular the isocyanate-cured nitrate ester-substituted polyether, preferably polyglycidyl nitrate (PolyGLYN) and / or polynitratomethylmethyloxetane (PolyNIMMO),
- - the epoxy polymers, and
- - The acrylate polymers
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Polymerbinder ferner wenigstens einen Sauerstoff enthaltenden, insbesondere sauerstoffreichen, Weichmacher enthält. In Bezug auf vorteilhafte Gewichtsanteile eines solchen, Sauerstoff enthaltenden Weichmachers ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Polymerbinder den wenigstens einen Sauerstoff enthaltenden Weichmacher in einem Anteil zwischen 5 Mass.-% und 75 Mass.-%, insbesondere zwischen 10 Mass.-% und 70 Mass.-%, vorzugsweise zwischen 20 Mass.-% und 60 Mass.-%, bezogen auf die Masse des Polymerbinders enthält.According to a particularly preferred embodiment, it is provided that the at least one polymer binder further contains at least one oxygen-containing, especially oxygen-rich, plasticizer. With regard to advantageous proportions by weight of such an oxygen-containing plasticizer, it is preferably provided that the polymer binder contains the plasticizer containing at least one oxygen in a proportion of between 5 mass% and 75 mass%, in particular between 10 mass% and 70 mass .-%, preferably between 20 Mass .-% and 60 Mass .-%, based on the mass of the polymer binder contains.
Im Zusammenhang mit einem sauerstoffreichen Weichmacher der vorgenannten Art kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Sauerstoff enthaltende Weichmacher aus der Gruppe Bisdinitropropylformal/-acetal (BDNPF/A), Metrioltrinitrat (TMETN), 1,2,4-Butantrioltrinitrat (BTTN), 2-Nitratesterethylnitroamin (NENA), n-Alkyl-2-nitratesterethylnitroamin, insbesondere Methyl-2-nitratesterethylnitroamin (MeNENA), Ethyl-2-nitratesterethylnitroamin (EtNENA), n-Butyl-2-nitratesterethylnitroamin (BuNENA) oder deren Gemische, wie Me/EtNENA, Triacetin (TA), Alkylcitrat, insbesondere Ethylcitrat oder Butylcitrat, und Dinitrodiazaalkane, insbesondere fünf- bis siebengliedrige Dinitrodiazaalkane oder deren Gemische, gewählt ist.In connection with an oxygen-rich plasticizer of the aforementioned type, it can be provided in an advantageous embodiment that the plasticizer comprising at least one oxygen from the group bis-dinitropropyl formal / acetal (BDNPF / A), metrioltrinitrate (TMETN), 1,2,4-butanetriol trinitrate (BTTN ), 2-nitrate ester ethylnitroamine (NENA), n-alkyl-2-nitrate ester ethylnitroamine, especially methyl 2-nitrate ester ethylnitroamine (MeNENA), ethyl 2-nitrate ester ethylnitroamine (EtNENA), n-butyl 2-nitrate ester ethylnitroamine (BuNENA) or mixtures thereof, as Me / EtNENA, triacetin (TA), alkyl citrate, in particular ethyl citrate or butyl citrate, and Dinitrodiazaalkane, in particular five- to seven-membered Dinitrodiazaalkane or mixtures thereof is selected.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Gasgenerator-Zusammensetzung wenigstens einen Stabilisator enthalten, wie er als solches insbesondere zur chemischen Stabilisierung von Nitratester- oder Polyetherurethanen bekannt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass der wenigstens eine Polymerbinder wenigstens einen solchen Stabilisator in einem Anteil zwischen etwa 0,1 Mass.-% und etwa 5 Mass.-%, vorzugsweise zwischen etwa 0,2 Mass.-% und etwa 2 Mass.-%, bezogen auf die Masse der Polymerbinders, enthält.In addition, the gas generator composition according to the invention may contain at least one stabilizer, as it is known as such, in particular for the chemical stabilization of nitrate ester or polyether urethanes. A preferred embodiment in this context may provide that the at least one polymer binder comprises at least one such stabilizer in a proportion of between about 0.1 mass% and about 5 mass%, preferably between about 0.2 mass% and about 2 Mass .-%, based on the mass of the polymer binder contains.
Vorteilhafte Vertreter solcher Stabilisatoren umfassen Phenol-substituierte Harnstoffe, insbesondere Centralite und Akardite, Phenylamine, insbesondere Diphenylamin (DPA), Triphenylamin (TPA), 2-Nitrodiphenylamin (2NDPA) und N-Methyl-4-nitroanilin (MNA), organische Thioether, Magnesiumoxid (MgO), 3-Aminotriazol und Schwefel (S), insbesondere in feinkristalliner Form. Advantageous representatives of such stabilizers include phenol-substituted ureas, especially centralites and acardites, phenylamines, especially diphenylamine (DPA), triphenylamine (TPA), 2-nitrodiphenylamine (2NDPA) and N-methyl-4-nitroaniline (MNA), organic thioethers, magnesium oxide (MgO), 3-aminotriazole and sulfur (S), especially in fine crystalline form.
Darüber hinaus ist es denkbar, dass die erfindungsgemäße Gasgenerator-Zusammensetzung ferner wenigstens einen Abbrandkatalysator, insbesondere aus der Gruppe der Kupferverbindungen und/oder der Übergangsmetalloxide, enthält. Eine bevorzugte Ausführungsform kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass die Gasgenerator-Zusammensetzung den wenigstens einen Abbrandkatalysator in einem Anteil zwischen etwa 0,1 Mass.-% und etwa 5 Mass.-%, insbesondere zwischen etwa 0,2 Mass.-% und etwa 3 Mass.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung enthält. Der wenigstens eine Abbrandkatalysator kann dabei vorzugsweise eine Partikelgröße von höchstens etwa 100 μm, insbesondere von höchstens etwa 50 μm, vorzugsweise von höchstens etwa 10 μm, aufweisen, wobei sich die Partikelgröße wiederum auf die mittlere Korngröße (mps, median particle size) der Abbrandkatalysatoren bezieht.Moreover, it is conceivable that the gas generator composition according to the invention further contains at least one burn-off catalyst, in particular from the group of the copper compounds and / or the transition metal oxides. A preferred embodiment may provide in this regard that the gas generator composition comprises the at least one burnup catalyst in an amount between about 0.1 mass% and about 5 mass%, in particular between about 0.2 mass% and about 3 Mass .-%, based on the total composition contains. The at least one burnup catalyst may preferably have a particle size of at most about 100 .mu.m, in particular of at most about 50 .mu.m, preferably of at most about 10 .mu.m, wherein the particle size again refers to the average particle size (mps, median particle size) of the burnup catalysts ,
Vorteilhafte Vertreter solcher Abbrandkatalysataren umfassen Kupferoxid (CuO), Kupferphthalocyanat, Kupfersalicylat, Kupferchromit, Kupfernitrat, insbesondere basisches Kupfernitrat, Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)oxid (Fe2O3) und/oder Fe3O4, Cobaltoxid, insbesondere Cobalt(III)oxid (Co2O3), Manganoxid, insbesondere Mangan(IV)oxid (Braunstein, MnO2), Chromoxid, insbesondere Chrom(VI)oxid (CrO3), Vanadiumoxid, insbesondere Vanadium(V)oxid (V2O5), Molybdänoxid, insbesondere Molybdän(VI)oxid (MoO3), und Mischoxide hiervon, wie beispielsweise V6Mol15O60.Advantageous representatives of such Abbrandkatalysataren include copper oxide (CuO), copper phthalocyanate, copper salicylate, copper chromite, copper nitrate, in particular basic copper nitrate, iron oxide, in particular iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ) and / or Fe 3 O 4 , cobalt oxide, in particular cobalt (III ) oxide (Co 2 O 3 ), manganese oxide, in particular manganese (IV) oxide (manganese dioxide, MnO 2 ), chromium oxide, in particular chromium (VI) oxide (CrO 3 ), vanadium oxide, in particular vanadium (V) oxide (V 2 O 5 ), Molybdenum oxide, especially molybdenum (VI) oxide (MoO 3 ), and mixed oxides thereof, such as V 6 moles of 15 O 60 .
Mittels solcher Abbrandkatalysatoren kann z. B. das Abbrandverhalten der Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung variiert und kann insbesondere die Abbrandgeschwindigkeit erhöht und exakt an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Des Weiteren kann beispielsweise der Druckexponent entsprechend den jeweiligen Anforderungen vermindert werden.By means of such burnup catalysts z. B. the burning behavior of the gas generator fuel composition varies and in particular the burning rate can be increased and adapted exactly to the respective needs. Furthermore, for example, the pressure exponent can be reduced according to the respective requirements.
Wie bereits erwähnt, bietet die erfindungsgemäße Gasgenerator-Zusammensetzung insbesondere die Möglichkeit, für geringe Abbrand- bzw. Abgastemperaturen sowie für praktikable Abbrandgeschwindigkeiten bei niedrigen Drucken zu sorgen. In bevorzugter Ausführung kann daher vorgesehen sein, dass
- – die Abgastemperatur (gemessen nach 70:1-Entspannung) der Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung höchstens etwa 400°C, insbesondere höchstens etwa 350°C, vorzugsweise höchstens etwa 300°C, oder weniger beträgt; und/oder
- – die Abbrandgeschwindigkeit (gemessen bei 10 MPa) der Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung zwischen etwa 1 mm/s und etwa 12 mm/s, insbesondere zwischen etwa 2 mm/s und etwa 10 mm/s, vorzugsweise zwischen etwa 4 mm/s und etwa 8 mm/s,
- The exhaust gas temperature (measured after 70: 1 relaxation) of the gas generator fuel composition is at most about 400 ° C, more preferably at most about 350 ° C, preferably at most about 300 ° C, or less; and or
- The burnup rate (measured at 10 MPa) of the inflator fuel composition is between about 1 mm / s and about 12 mm / s, in particular between about 2 mm / s and about 10 mm / s, preferably between about 4 mm / s and about 8 mm / s,
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Eigenschaftsprofile von verschiedenen ausgehärteten Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung exemplarisch zusammengestellt. Die Treibstoffzusammensetzungen enthalten jeweils einen Anteil zwischen 70 Mass.-% und 78 Mass.-% Guanylharnstoffdinitramid sowie vier unterschiedliche, mit Isocyanat gehärtete und mit einem energetischen Weichmacher versetzte Polymerbindersysteme auf der Basis von Glycidylazidpolymer (GAP)/Triacetin (TA) (dritte Spalte), Polyesterurethan(PU)/Bisdinitropropylformal/acetal-Gemisch (BDNPF/A) (vierte Spalte), Glycidylazidpolymer GAP/Polyesterurethan (PU)/Bisdinitropropylformal/-acetal-Gemisch (BDNPF/A) (fünfte Spalte) und Polyetherurethan (PEtherU)/Bisdinitropropylformal/-acetal-Gemisch (BDNPF/A)/Triacetin (TA) (sechste und letzte Spalte). Tabelle 1: Exemplarisch zusammengestellte Eigenschaften von Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid (GUDN) mit variierten Polymerbindersystemen.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, werden ja nach Zusammensetzung des Polymerbindersystems Abbrandtemperaturen von 1240 K < Tc < 1730 K und Abgastemperaturen von 170°C < Te < 360°C bei einer Entspannung von 70:1 beobachtet. Die auf das Treibstoffgewicht bezogenen spezifischen Gasausbeuten (Normalvolumen, NV = Gasvolumen unter Standardbedingungen) bewegen sich zwischen 1060 Nl/kg (Normliter pro Kilogramm) und 1115 Nl/kg; die auf das Treibstoffvolumen bezogenen Werte bewegen sich zwischen 1650 Nl/dm3 und 1770 Nl/dm3. Die Abbrandgeschwindigkeiten bei 10 MPa bewegen sich zwischen 3 mm/s < r10 < 8,5 mm/s und sind damit mehr als doppelt so groß wie bei vergleichbaren Treibstoffen mit Ammoniumnitrat (AN) als Oxidator, aber geringer als die Abbrandgeschwindigkeiten herkömmlicher Airbag-Gasgenerator-Zusammensetzungen. Die Druckexponenten sind bei mit Polyetherurethan (PEtherU) gebundenen Treibstoffen mit n = 0,3 bis 0,5 im Druckbereich von 5 bis 13 MPa am besten eingestellt.As can be seen from Table 1, after the composition of the polymer binder system, burnup temperatures of 1240 K <Tc <1730 K and exhaust gas temperatures of 170 ° C. <Te <360 ° C. are observed at a relaxation of 70: 1. Specific gas yields based on fuel weight (normal volume, NV = gas volume under standard conditions) range between 1060 Nl / kg (standard liters per kilogram) and 1115 Nl / kg; The fuel volume values range from 1650 Nl / dm 3 to 1770 Nl / dm 3 . The burnup rates at 10 MPa range between 3 mm / s <r 10 <8.5 mm / s and are thus more than twice as high as comparable fuels with ammonium nitrate (AN) as an oxidizer, but lower than the burning rates of conventional airbag gas generator compositions. The pressure exponents are best adjusted for polyetherurethane (PEtherU) bound fuels with n = 0.3 to 0.5 in the pressure range of 5 to 13 MPa.
Sämtliche erfindungsgemäß formulierten Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen liefern chlorfreie und partikelarme Abgase mit einem weitaus höheren elementaren Stickstoffanteil (N2) als herkömmliche Doublebase- oder Ammoniumnitrat enthaltende Formulierungen. Sie sind kaum reib- und schlagempfindlich und nicht oder nur in begrenztem Umfang detonationsempfindlich. Thermische Empfindlichkeit und chemische Stabilität variieren mit der Zusammensetzung des Binders und lassen sich gegebenenfalls durch den Zusatz von an sich bekannten Stabilisatoren, insbesondere solcher der weiter oben genannten Art, über die in Tabelle 1 dargestellten Werte hinaus verbessern.All gas generator fuel compositions formulated according to the present invention provide chlorine-free and low-particle exhaust gases having a much higher elemental nitrogen content (N 2 ) than conventional double base or ammonium nitrate-containing formulations. They are hardly susceptible to friction and impact and are not or only to a limited extent sensitive to detonation. Thermal sensitivity and chemical stability vary with the composition of the binder and may be improved beyond the values shown in Table 1 by the addition of known stabilizers, in particular those of the type mentioned above.
Die in Tabelle 1 wiedergegebenen Eigenschaftsprofile schaffen folglich hervorragende Voraussetzungen, dass Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid in den beschriebenen Zusammensetzungen für eine über mehrere Sekunden bis zu Minuten anhaltenden, mehr oder minder kontinuierlichen Druckgaserzeugung geeignet sind.The property profiles presented in Table 1 thus provide excellent conditions for guanyl urea dinitramide based gas generator fuel compositions in the described compositions to be suitable for sustained, more or less continuous, pressurized gas production lasting for several seconds to minutes.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Gasgenerator-Zusammensetzung auf der Basis von Guanylharnstoffdinitrarnid (GUDN, FOX 12) der vorgenannten Art, indem der wenigstens eine Treib- und/oder Explosivstoff in Form von Guanylharnstoffdinitramid oder einer Mischung aus Guanylharnstoffdinitramid und wenigstens einem weiteren Treib- und/oder Explosivstoff, insbesondere 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen (FOX 7), und der wenigstens eine Abbrandmodifikator aus der Gruppe der Oxide der Metalle Cer, insbesondere Cer(IV)oxid (CeO2), Lanthan (La2O3), Yttrium (Y2O3) und/oder Thorium (ThO2) sowie gegebenenfalls wenigstens ein Stabilisator und/oder Abbrandkatalysator in wenigstens einen Polymerbinder, welcher insbesondere wenigstens einen Sauerstoff enthaltenden Weichmacher enthält, eingemischt wird, wobei der Polymerbinder insbesondere durch Extrudieren, Strangpressen oder Gießen verarbeitet wird. Bei den vorzugsweise eingesetzten Polymerbindern, Weichmachern, Abbrandkatalysatoren und/oder Stabilisatoren handelt es sich um die oben genannten Vertreter derselben. Entsprechendes gilt für deren prozentualen Anteile und deren Partikelgröße.The invention also relates to a process for the preparation of a gas generator composition based on guanyl urea dinitramide (GUDN, FOX 12) of the aforementioned type, by the at least one propellant and / or explosive in the form of guanyl urea dinitramide or a mixture of guanyl urea dinitramide and at least one other Propellant and / or explosive, in particular 1,1-diamino-2,2-dinitroethylene (FOX 7), and the at least one Abbrandmodifikator from the group of oxides of the metals cerium, in particular cerium (IV) oxide (CeO 2 ), lanthanum (La 2 O 3 ), yttrium (Y 2 O 3 ) and / or thorium (ThO 2 ) and optionally at least one stabilizer and / or combustion catalyst in at least one polymer binder, which contains in particular at least one oxygen-containing plasticizer is mixed, wherein the Polymer binder is processed in particular by extrusion, extrusion or casting. The polymer binders, plasticizers, burn-off catalysts and / or stabilizers preferably used are the abovementioned representatives thereof. The same applies to their percentages and their particle size.
Die in erfindungsgemäßer Zusammensetzung formulierten Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen lassen sich bis hierbei vorzugsweise bis zu einem Feststoffanteil von etwa 80 Mass.-% mit (pre)polymeren Kunststoffbindern vorteilhaft in einem Slurry-Gießverfahren und bis zu einem Feststoffanteil von etwa 90 Mass.-%, gegebenenfalls auch mit geringen Anteilen an Lösungsmitteln, durch Extrusion oder Strangpressen verarbeiten.The gas generator fuel compositions formulated in accordance with the invention can be advantageously up to a solids content of about 80% by weight with (pre) polymeric plastic binders in a slurry casting process and up to a solids content of about 90% by weight, if appropriate even with small amounts of solvents, by extrusion or extrusion process.
Die Erfindung betrifft schließlich auch die Verwendung einer Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung auf der Basis von Guanylharnstoffdinitramid (GUDN, FOX 12) der vorgenannten Art für hydraulische Systeme, z. B. zum Antrieb von internen Kraftwerken und/oder Förderpumpen in Raketen, zum Fördern von Druckgas für (Gel-)treibstoffe und dergleichen, für pyrotechnische Aktuatoren, z. B. zum Aufblasen von Hubkissen von Bergungseinrichtungen und dergleichen, für Turbinenantriebe, für Förder- und Steuersysteme, insbesondere in Raketenantrieben, für Rettungssysteme etc. Dabei sei darauf hingewiesen, dass sich die erfindungsgemäßen Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen grundsätzlich in besonderer Weise für solche Anwendungsfälle eignen, bei welchen eine hohe Gasausbeute bei geringen Abbrand- bzw. Abgastemperaturen, bei geringen Anteilen an Schadgasen und partikulären Produkten im Abgas sowie insbesondere bei gegenüber Airbag-Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen geringen Abbrandgeschwindigkeiten und hiermit einhergehenden, relativ langen Abbrandzeiten bzw. langwährenden Druckgasentwicklungen erwünscht ist. Finally, the invention also relates to the use of a gas generator propellant composition based on guanyl urea dinitramide (GUDN, FOX 12) of the aforementioned type for hydraulic systems, eg. As for driving internal power plants and / or feed pumps in rockets, for conveying pressurized gas for (gel) propellants and the like, for pyrotechnic actuators, z. As for inflating lifting cushion of salvaging equipment and the like, for turbine drives, for conveying and control systems, especially in rocket engines, rescue systems etc. It should be noted that the gas generator fuel compositions according to the invention are in principle particularly suitable for such applications, in which is a high gas yield at low Abbrand- or exhaust gas temperatures, low levels of noxious gases and particulate products in the exhaust gas and especially low compared to airbag gas generator fuel compositions Abbrandgeschwindigkeiten and associated, relatively long combustion times or long-lasting pressure gas developments is desired.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur
ein Abbranddiagramm für drei Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen gemäß den nachfolgenden Beispielen 1 bis 3, wobei die lgr = f(lgp) Diagramme der in der Crawford-Bombe unter Stickstoffdruck (N2) gemessenen Abbrandgeschwindigkeiten durch Crawfordmessungen erhalten worden sind;
r = lineare Abbrandgeschwindigkeit (Burning Rate) in
[mm/s] und
p = Druck in [MPa]The invention is explained in more detail by means of exemplary embodiments with reference to the drawing. The only figure shows
a burn-off diagram for three embodiments of gas generator fuel compositions according to the invention according to the following examples 1 to 3, wherein the lgr = f (lgp) diagrams of burning rates measured in the Crawford bomb under nitrogen pressure (N 2 ) were obtained by Crawford measurements;
r = linear burning rate (burning rate) in
[mm / s] and
p = pressure in [MPa]
Fünf exemplarische Formulierungen von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzung sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengefasst.Five exemplary formulations of embodiments of the inventive gas generator fuel composition are summarized in Table 2 below.
Sämtliche dieser Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen verbrennen bei Umgebungsdruck rauchfrei mit kleiner Flamme und erzeugen geringe lockere, weiße Reste aus Cer-/Yttriumoxiden (CeO2/Y2O3). Beim Abbrand unter Stickstoffdruck (N2) in der Crawford-Bombe verbrennen sie ohne jegliche organische Rückstände und lediglich unter Rückstand von oxidischen Pulvern in sehr geringer Menge. Ähnlich aufgebaute Treibstoffzusammensetzungen ohne CeO2 und Y2O3 erzeugen beim Abbrand unter Stickstoffdruck (N2) in der Bombe schmierige ölige Rückstände. Bei Umgebungsdruck verbrennen letztere entweder weitgehend rauchfrei mit Flamme und Kohlenstoffgerüst als Rückstand, oder sie pyrolysieren ohne Flamme, jedoch unter Bildung von grauem Rauch.All of these gas generator fuel compositions burn smoke-free with low flame at ambient pressure and produce small, loose, white residues of cerium / yttrium oxides (CeO 2 / Y 2 O 3 ). When burned under nitrogen pressure (N 2 ) in the Crawford bomb they burn without any organic residues and only under residue of oxidic powders in very small quantities. Likewise constructed fuel compositions without CeO 2 and Y 2 O 3 produce greasy oily residues when burned under nitrogen pressure (N 2 ) in the bomb. At ambient pressure, the latter either burn largely smoke-free with flame and carbon skeleton as residue, or they pyrolyze without flame, but with the formation of gray smoke.
Von besonderem Vorteil für das Abbrandverhalten im Hinblick auf eine Reduzierung des Druckexponenten bei Drucken oberhalb 100 bar erweist sich eine Mischung von Guanylharnstoffdinitramid (GUDN, FOX 12) und 1,1 Diamino-2,2-dinitroethylen (FOX 7) mit Anteilen von 20 Mass.-% FOX 7 bis zu 70 Mass.-% FOX 7 bezogen auf den Gesamtanteil der Mischung beider energetischer Feststoffkomponenten (Beispiel 5 der Tabelle 2, rechte Spalte). Tabelle 2: Beispielhafte Formulierungen erfindungsgemäßer Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen (alle Prozentangaben in [Mass.-%].
In der Tabelle 2 sind die thermodynamischen Daten und die Abbrandgeschwindigkeit der exemplarischen Formulierung dargestellt. Nach dem Vieille'schen Gesetz manifestiert sich der Druckexponent für die Abhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit vom Druck dieses Gasgenerator-Treibstoffzusammensetzungen bei n = 0,45 für den Druckbereich von 100 bar ≤ p ≤ 250 bar. Zugleich ergeben sich die gezeigten niedrigen Abbrand- und Abgastemperaturen in Verbindung mit einer guten Abbrandgeschwindigkeit von 10 mm/s ≥ r ≥ 4 mm/s bei 100 bar.Table 2 shows the thermodynamic data and burnup rate of the exemplary formulation. According to Vieille's law, the pressure exponent for the dependency of the combustion rate on the pressure of these gas generator fuel compositions manifests itself at n = 0.45 for the pressure range of 100 bar ≤ p ≤ 250 bar. At the same time, the low combustion and exhaust gas temperatures shown in conjunction with a good combustion rate of 10 mm / s ≥ r ≥ 4 mm / s at 100 bar result.
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