Der Zweck für pyrotechnische gaserzeugende Substanzen, die in Airbag-Baugruppen verwendet werden, ist es, den Gewebesack des Airbags schnell mit Gas zu füllen, um ein flexibles Schutzmedium zwischen dem Passagier und der Ausstattung in dem Wagen zu schaffen. Die pyrotechnischen, gaserzeugenden Substanzen und das Gas, das durch sie gebildet wird, muß eine Anzahl von Anforderungen erfüllen, um sicherzustellen, dass die Airbag-Baugruppe funktioniert und zuverlässig ist, und dass die Umwelt nicht beeinträchtigt wird. Die gleichen Anforderungen sind auch an die pyrotechnischen gaserzeugenden Substanzen in anderen gasbetätigten Sicherheitsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen wie beispielweise Sicherheitsgurtspannern, aufblasbaren Kopfstützen etc. zu stellen.

Somit sollte das Gas, das in allen derartigen Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen gebildet wird, keine heißen, festen Teilchen enthalten, die sich durch den Hauptteil des Systems hindurchbrennen könnten und die den gasgefüllten Gewebesack in Brand setzen könnten und die Passagiere verletzen könnten, oder die gesamte Funktion der Sicherheitsvorrichtung gefährden könnten. Natriumazid, das die heute am häufigsten verwendete pyrotechnische, gaserzeugende Substanz für diesen Zweck ist, erfüllt diese Anforderungen nicht vollständig und muß daher mit speziellen verstärkten Gewebesäcken verwendet werden, um die Bewegung der festen Teilchen zu stoppen, die bei der Verbrennung von Natriumazid gebildet werden. Die Notwendigkeit für diese Extraverstärkung bedeutet, dass eine derartige Sicherheitsvorrichtung größer ist und mehr wiegt als dies für ihre Funktion tatsächlich erforderlich ist.

Weiterhin erfordern die Umweltanforderungen, mit denen pyrotechnische, gaserzeugende Substanzen, die für diesen infragestehenden Zweck verwendet werden, beaufschlagt sind, dass diese Substanzen keine gasförmigen Gemische bilden dürfen, die giftige Gase in einer für die Gesundheit beeinträchtigenden Menge enthalten. Die giftigen Gase, die hauptsächlich in diesem Zusammenhang relevant sind, weil sie bei der Verbrennung der gaserzeugenden Substanzen gebildet werden, sind salpeterhaltige Verbindungen, NO_X und Kohlenmonoxid. Wenn die gaserzeugende Substanz Chlor enthält, wird auch Salzsäure gebildet.

Weiterhin müssen die pyrotechnischen, gaserzeugenden Substanzen, die in einer gasbetätigten Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtung verwendet werden, eine hohe Effizienz haben, d.h. sie sollten eine große Menge Gas pro Gewichtseinheit oder Volumen der gaserzeugenden Substanz erzeugen. Die Effizienz von Natriumazid ist jedoch nicht besonders hoch, da es nur in einer Menge von ungefähr 40% der festen Substanz Gas bildet. Diese geringe Effizienz macht es schwierig, die Anforderungen der Kraftfahrzeughersteller an Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen mit einem geringen Gewicht und kleiner Größe zu erfüllen, wenn Natriumazid als eine gaserzeugende Substanz verwendet wird.

Eine weitere Anforderung, die an diese pyrotechnischen gaserzeugenden Substanzen gestellt wird, ist, dass sie alle thermisch stabil sein sollten in dem Sinne, dass sie nicht stark durch die hohen Temperaturen beeinflußt werden, die am Armaturenbrett in Ländern mit warmem Klima auftreten können. Nitrozellulose ist ein weiteres Beispiel einer Substanz, die diese Anforderung nicht erfüllt, aber die ansonsten geeignet wäre und in der Tat wird sie heutzutage zu diesem Zweck verwendet, obwohl sie die Lebensdauer dieser Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen begrenzt.

Zusätzlich zu den vorstehenden Anforderungen muß das Produkt, das in Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen als eine pyrotechnische, gaserzeugende Substanz verwendet wird, auch mehrere Anforderungen bezüglich ihrer Verbrennungseigenschaften erfüllen, wenn ein vollständig zufriedenstellender Betrieb sichergestellt werden soll. Somit sollte die ideale pyrotechnische gaserzeugende Substanz in dieser Hinsicht eine hohe Verbrennungsrate haben und eine Substanz sein, die sich mit dem Druck oder der Temperatur nicht sehr verändert. Natriumazid ist von diesem Standpunkt aus betrachtet eine ideale Substanz, aber sie hat mehrere Nachteile wie dies vorstehend angegeben ist.

Es gibt eine weitere Gruppe von Substanzen, die bei der Verbrennung Gase erzeugen, und die als Gasgeneratoren für Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen versucht worden sind. Diese Gruppe umfaßt auf Nitramin basierende Schießpulververbindungen wie beispielsweise RDX, die beispielsweise in einem Gemisch mit Zelluloseacetylbutyrat verwendet werden. Der Nachteil der auf Nitramin basierenden Schießpulver ist jedoch der, dass die Abbrandgeschwindigkeit zu einem großen Anteil von dem Druck abhängt. Wenn der Druck zu niedrig ist, verlöscht die Verbrennung vollständig, während, wenn der Druck zu hoch ist, die Verbrennung einen explosiven Verlauf hat. Gemäß der US-PS-56952161 können diese Nachteile dadurch korrigiert werden, dass ein starker Behälter für die gasbildende Substanz konstruiert wird und der Behälter mit einer Dekompressionseinrichtung ausgerüstet wird. Selbst wenn dies funktioniert und gut funktioniert, erfordert die Konstruktion noch extra Teile und kostet mehr.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer pyrotechnischen, gaserzeugenden Substanz, die in diesem Zusammenhang vollständig neu für die Anwendung ist, nämlich Guanidindinitramid, das die folgende chemische Formel hat, und das leicht aus Guanidin und Ammoniumdinitramid hergestellt werden kann.

Gemäß der Erfindung kann Guanidindinitramid vorteilhafterweise als eine pyrotechnische gaserzeugende Substanz in gasbetätigten Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen, wie beispielsweise Airbags, Sicherheitsgurtspannern, aufblasbaren Kopfstützen etc., verwendet werden. Zu diesem Zweck wird das Guanidindinitramid entweder in der reinen Form oder als ein Gemisch mit anderen gasfreigebenden oder sauerstoff-freigebenden Substanzen verwendet, wie beispielsweise Guanylureadinitramid, das die Verbrennungsrate und die Rate der Gasentwicklung der Hauptsubstanz gemäß jeder speziellen Anforderung modifizieren kann.

Wie zuvor erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch das Gemisch aus Guanidindinitramid mit anderen Substanzen, um ein Gemisch zu erhalten, dessen Verbrennungseigenschaften für die infragestehende Anwendung optimal sind.

Ein wesentlicher Vorteil von Guanidindinitramid und Gemischen desselben, in denen es die Hauptkomponente ist, ist, dass diese Substanzen sowohl Oxidiermittel als auch einen Kraftstoff enthalten. Sie sind daher im Prinzip vom Typ Einkomponentenschießpulver, das keine andere Substanz für die Verbrennung benötigt, oder Zugriff zu atmosphärischem Sauerstoff hat.

Reines Guanidindinitramid verbrennt selbst bei niedrigem Druck sehr schnell und seine Verbrennung ist nicht sehr druckabhängig, wobei der Druckexponent ungefähr 0,75 beträgt. Bei atmosphärischem Druck verbrennt Guanidindinitramid schneller als Nitrozellulose und fast genauso schnell wie Natriumazid. Ein signifikanter Vorteil gegenüber Natriumazid ist weiterhin, dass Guanidindinitramid keine festen Verbrennungsprodukte bildet, sondern stattdessen bei der Verbrennung vollständig in Gase umgewandelt wird. Das heißt wiederum, dass wenn Guanidindinitramid als gaserzeugende Substanz in Airbag-Baugruppen verwendet wird, keine Extraverstärkung für die Gassäcke benötigt wird, um zu verhindern, dass die Substanz durch diese hindurchbrennt. Diese Tatsache ermöglicht es den Designern derartiger Kraftfahrzeugssicherheitsvorrichtungen, das Gewicht und die Größe der zuletzt genannten zu reduzieren, ohne dass ihre Funktion gefährdet wird. Darüberhinaus enthält Guanidindinitramid nur ein Kohlenstoffatom, so dass vorteilhafterweise bei seiner Verbrennung nur wenig Kohlenmonoxid gebildet wird. Zusätzlich hat Guanidindinitramid eine ideale thermische Stabilität mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 130°C und eine Zersetzungstemperatur von über 160°C.

Wie zuvor angegeben, kann die Verbrennungsgeschwindigkeit von Guanidindinitramid und daher der Verlauf der Gaserzeugungsgeschwindigkeit modifiziert werden, indem andere gaserzeugende oder sauerstofffreigebende Substanzen mit ihm vermischt werden. Ein speziell geeigneter Zusatz der in diesem Zusammenhang verwendet werden kann, ist Guanylureadinytramid, das die folgende chemische Formel hat:

Gemische aus Gunanidindinitramid und Guanylureadinitramid brennen mit so wenig Rauch, dass kein Risiko besteht, das Auslösen einer Airbag-Baugruppe mit dem Beginn eines Brandes im Kraftfahrzeug zu verwechseln, das manchmal zuvor bei den vorstehend genannten Arten von Airbag-Baugruppen vorgekommen ist, wie diejenigen, welche Azide als gaserzeugende Substanzen verwenden.

Sowohl Guanidindinitramid als auch Gunaylureadinitramid können zu Tabletten mit guter mechanischer Festigkeit gepreßt werden, unabhängig davon, ob sie einzeln oder als Gemische verwendet werden. Das heißt, dass sowohl reines Guanidindinitramid als auch Gemische mit Guanylureadinitramid für die Verwendung bei den meisten Anwendungen in Form von gepreßten Tabletten geeignet ist. Falls erforderlich, kann eine kleine Menge, vorzugsweise nicht mehr als 10 Gew% eines Bindemittels hinzugefügt werden, um den gepreßten Tabletten eine noch bessere mechanische Festigkeit zu verleihen.

Die Substanzen gemäß der Erfindung haben den weiteren Vorteil, dass, wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer als potentielle gaserzeugende Substanzen in Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen erreichen, wünschenswerterweise ohne aktiven Gebrauch, sie einfach für die Wiederverwendung als gaserzeugende Substanzen in einem ähnlichen oder unterschiedlichen Produkt wiedergewonnen werden können.

Bei der Herstellung von neuen Chemicalien ist es heutzutage wesentlich, aus Umweltschutzgründen daran zu denken, wie diese Substanzen wiedergewonnen und recycelt werden können. Noch keines der Materialien, die heutzutage als gasbildende Substanzen als Kraftfahrzeugssicherheitsvorrichtungen verwendet werden, kann auf eine einfache Art wiedergewonnen werden, wenn es ohne aktiven Gebrauch an sein Lebensdauerende gelangt ist. Nebenbei gesagt, da diese Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen Produkte sind, die vorzugsweise nie aktiv gebraucht werden sollten, kann davon ausgegangen werden, dass die Anzahl der nichtverwendeten Einheiten, die zu sammeln sind, nachdem die mit ihnen ausgestatteten Fahrzeuge verschrottet werden, mit der Geschwindigkeit steigen, mit der diese Sicherheitsvorrichtungen in neuen Kraftfahrzeugen installiert sind.

Natriumazid, das heutzutage in Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen in großem Umfang verwendet wird, ist tatsächlich immer in einem Gemisch verwendet, das Fe₂O₃ und Silikate enthält und es ist bis heute keine wirksame Weise der Wiederverwendung dieser Substanzen bekannt. Weiterhin ist Natriumazid sehr toxisch, was ein weiterer Grund dafür ist, warum keine andere Möglichkeit besteht, als es so schnell wie möglich zu zerstören, wenn die Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtung, in welcher es eingebaut ist, ihr Lebensdauerende erreicht hat. Ähnlich kann Nitrozellulose auch nicht wiederverwendet werden, weil sie unstabil ist und sich im Laufe der Zeit zersetzt. Das einzige praktische Verfahren der Zerstörung von Nitrozellulose, die aus verschrotteten Produkten gesammelt worden ist, ist daher die gleiche wie im Fall von Natriumazid, d.h. Veraschung.

Im Gegensatz hierzu sind Guanidindinitramid und Guanylureadinitramid gleichförmige und stabile Produkte, die weiterhin leicht rekristallisiert werden können. Wenn sie aus irgendeinem Grund bis zu einem gewissen Maß einer Zersetzung unterliegen, können sie noch nach der Rekristallisation recycelt werden. Tatsache ist, dass dieser Prozess jegliche Zersetzungsprodukte entfernt und die relaistallisierte Verbindung vollständig mit der neu hergestellten vergleichbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese zwei Verbindungen aus Wasser ohne die Verwendung von Lösungsmitteln rekristallisiert werden können. Diese Möglichkeit der Wiedergewinnung und des Recyclings der gaserzeugenden Substanzen aus verschrotteten Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen der hier in Betracht gezogenen Art hat selbstverständlich signifikante Umweltvorzüge verglichen mit den derzeit üblichen Aziden und Nitrozellulose-Schießpulvern, die immer durch Veraschung zerstört werden müssen.

Guanidindinitramid selbst ist moderat in Wasser bei Zimmertemperatur löslich und ist nicht hygroskopisch, während Guanylureadinitramid in kaltem Wasser fast unlöslich ist, jedoch in warmem Wasser moderat löslich. Beide Verbindungen können daher aus Wasser bei niedriger Temperatur rekristallisiert werden. Dies ist ein besonders einfacher und billiger Prozess, der es möglich machen sollte, die gaserzeugenden Substanzen aus verschrotteten, jedoch nicht verwendeten Airbag-Baugruppen und ähnlichen anderen pyrotechnisch betätigten Kraftfahrzeugsicherheitsvorrichtungen wieder zu gewinnen und wieder zu verwenden.

Die verschiedenen Aspekte der Erfindung sind in den Patentansprüchen spezifiziert und das anhängende Diagramm zeigt, wie die Abbrandgeschwindigkeit sich mit dem Verbrennungsdruck für den Fall von unterschiedlichen Gemischen dieser zwei in Frage stehenden Verbindungen variiert.

Dieses Diagramm wurde auf der Basis von experimentiellen Werten, die wie folgt erzielt wurden, konstruiert. Für den Fall jedes Gemisches wurde die gleiche Menge einer Probe in Form von gepressten Tabletten in einer hermetisch abgeschlossenen Verbrennungskammer zusammen mit einer Standardmenge Hilfsschießpulver, das als Hilfe und drucksteigernder Zusatz verwendet wurde, verbrannt. Der Druck innerhalb der Verbrennungskammer wurde mit einem Manometer gemessen und die Abbrandgeschwindigkeit wurde aus den Kurven bestimmt, die für die Druckänderung erhalten worden sind. Die erhaltenen experimentiellen Werte wurden dazu verwendet, die in dem Diagramm gezeigten Kurven zu zeichnen.

Die Buchstaben A und B in diesem Diagramm beziehen sich auf Guanyl Urea Dinitramid bzw. Guanidin Dinitramid und die Mengen der beiden sind in dem Diagramm angegeben.