Eine gaserzeugende Mischung für Rettungs- und Rückhaltesysteme (Airbag) sowie für Raketen- und Rohrwaffenantriebe, besteht aus den stickstoffreichen und kohlenstoffarmen Brennstoffen GZT, TAGN, NIGU oder NTO, dem kalt- und schnellverbrennenden Oxidator, Cu(NO₃)₂*3Cu(OH)₂ und einem Katalysator zur Schadgasreduzierung, Reaktionsbeschleunigung und Kühlung aus einem pyrophoren Metall oder einer solchen Legierung auf einem Träger.
Die Erfindung betrifft eine gaserzeugende Mischung aus einem Brennstoff, einem Oxidator, einem Katalysator und einem Kühlmittel.
Gaserzeugende Mischungen der vorgenannten Art - auch Gasgeneratorsätze genannt - zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei Verbrennung eine hohe Gasausbeute (> 14 mol/kg) ermöglichen. Sie werden für Raketen- und Rohrwaffenantriebe sowie für aufblasbare Rückhalte- (Airbag) und Rettungssysteme verwendet. Besonders im zivilen Bereich werden thermisch-mechanische Unempfindlichkeit und Ungiftigkeit der Ausgangsmischungen, aber auch fehlende Toxizität bei den entstehenden Gasen gefordert. Viele im Einsatz befindlichen Systeme erfüllen diese Forderungen nicht oder nur sehr unzulänglich.
Die Reaktion dieser Brennstoffe mit den bisher eingesetzten Katalysatoren und Oxidatoren zeigen eine unbefriedigende Gaszusammensetzung und/oder ein ungenügendes Abbrandverhalten. Hinzu kommt, daß viele Reaktionsmischungen eine so hohe Verbrennungstemperatur besitzen, daß - bei Airbag-Anwendungen - die thermisch empfindlichen Sackmaterialien geschädigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Mischung des eingangs genannten Aufbaus, die Verbrennungstemperatur abzusenken und die Abbrandgeschwindigkeit zu erhöhen.
Diese an sich konträren Anforderungen werden erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß der Oxidator Cu(NO₃)₂*3Cu(OH)₂ ist und der Katalysator aus einem Metall oder einer Metallegierung auf einem Träger besteht .
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Oxidator ergibt sich eine halte und schnelle Verbrennung. Der Maximaldruck wird innerhalb Millisekunden erreicht, wobei die Gastemperatur unterhalb schädlicher Grenzen bleibt. Bisher notwendige Schlackenbildner, die bei bekannten Systemen zur Bindung von Schadstoffen, z.B. Alkalioxiden, benötigt werden, können bei der erfindungsgemäßen Mischung entfallen, so daß eine höhere Gasausbeute erzielbar ist.
Der weiterhin erfindungsgemäß eingesetzte Katalysator dient vornehmlich der Schadgasreduzierung (CO und NO), wobei hier der Begriff "Katalysator" im erweiterten Sinn einen aktiven Reaktionsbestandteil bezeichnet, der selbst umgesetzt werden kann und reaktionslenkend und/oder reaktionsbeschleunigend wirkt. Der Träger dient dazu, die Hauptkomponente mit einer großen spezifischen Oberfläche und einer definierten Korngrößenverteilung vorzulegen. Eine weitere Eigenschaft des Trägers besteht darin, durch physikalische und/oder chemische Prozesse - in einer speziellen Phase der Reaktion - eine Kühlwirkung zu entfalten, die über eine reine kapazitive Kühlwirkung hinausgeht. Der Träger kann ferner als Promotor der Hauptkomponente wirken. Nicht nur der Metallkatalysator, sondern auch der Oxidator sind thermisch und mechanisch stabil und insbesondere auch nicht hygroskopisch.
Der Katalysator ist vorzugsweise ein pyrophores Metall oder eine solche Metallegierung auf einem Träger, der nach dem Abbrand als Feststoff verbleibt. Es kann sich hierbei um ein Silikat, vorzugsweise ein Schicht- oder Gerüstsilikat, handeln.
Als Metall hat sich insbesondere Ag hervorragend bewährt. Bei insbesondere zivilen Anwendungen werden ungiftige Ausgangsverbindungen und ungiftige Reaktionsprodukte gefordert. Diese Forderungen werden von N-reichen und C-armen Brennstoffen erfüllt. Hierzu zählen die bekannten Brennstoffe TAGN (Triaminoguanidinnitrat), NIGU (Nitroguanidin), NTO (3-Nitro-1,2,3-triazol-5-on) und das sich durch einen besonders hohen Stickstoffgehalt auszeichnende GZT (Diguanidinium-5,5'-azotetrazolat) (DE 4 108 225). Es werden deshalb im Rahmen der erfindungsgemäßen Mischung bei Verwendung für Rettungs- und Rückhaltsysteme vorzugsweise TAGN, NIGU, NTO, insbesondere aber GZT eingesetzt.
Eine bevorzugte Mischung besteht aus GZT und Cu(NO₃)₂*3Cu(OH)₂ mit ausgeglichener Sauerstoffbilanz und bis zu 30 Mass.-% des Katalysators.
Das Kühlmittel kann ganz oder teilweise aus Fe₂O₃ bestehen, dessen oxidative Eigenschaften in der Reaktionsmischung zusätzlich genutzt werden können (DE 41 33 655, EP 0 536 525).
Es wird eine Mischung bestehend aus GZT, pyrophorem Ag auf einem Schicht- oder Gerüstsilikatträger als Katalysator und Cu(NO₃)₂*3Cu(OH)₂ als Oxidator im Verhältnis 22,05 : 20,0 : 57,95 Mass.-% hergestellt. Diese Formulierung wird bezüglich ihres Anzünd- und Verbrennungsverhaltens experimentell in der ballistischen Bombe untersucht. Dabei wird ein Druckverlaufsdiagramm gemäß Anlage erhalten. Das Diagramm zeigt, daß die Mischung gute Anzünd- und Verbrennungseigenschaften besitzt. Bei einer Ladedichte von 0,1 g/cm³ liegt der maximale Druck im Bereich von 250 bar (25MPa), der nach etwa 21 ms erreicht wird (t(pmax) = 21 ms). Die Druckanstiegszeit zwischen 30 bis 80 % des Maximaldrucks beträgt t₃₀₋₈₀ = 4,35 ms.
Die Verbrennungstemperatur läßt sich sehr exakt durch thermodynamische Berechnung ermitteln. Sie liegt bei 2345 K. Bei gleichem Brennstoff GZT und ausgeglichener Sauerstoffbilanz liefern andere Oxidatoren höhere Verbrennungstemperaturen. Beispielsweise liegen sie bei KNO₃ bei 2501 K, bei N H₄ NO₃ bei 2850 K und bei K Cl O₃ bei 3248 K.