安全氣囊用氣體發生劑的研究進展

陳愛萍 劉德軍

摘 要： 簡要介紹了安全氣囊用氣體發生劑的國內外研究進展，并展望了其研究發展趨勢，提出具有含氮量高、燃速快、安定性良好、無毒、綠色環保等優點的非疊氮類氣體發生劑已經成為氣體發生劑領域的研究熱點。

關鍵詞： 安全氣囊;氣體發生劑;研究進展

1 概述

汽車安全氣囊用氣體發生劑具有以下特點[1]：①燃燒溫度低，一般要低至2500K 以下，以防燒傷乘員;②燃氣“清潔”，少煙，低腐蝕;③燃燒殘渣應少，氣體發生劑以產氣為目的，殘渣是多余且有害的;④產氣量大，即單位質量氣體發生劑燃燒后產生氣體的體積大，從而燃氣的做功能力大，有利于減輕結構重量;⑤燃燒速度快，否則不能使氣袋瞬時膨脹，一般燃燒時間要求小于35ms;⑥相對低的燃燒速度壓力指數，一般小于0.6，從而降低相應的氣囊膨脹器件的沖擊可變性。

2 國內外研究動態

40年代以來[2]，國外首先研制了雙基型氣體發生劑，隨后研制了硝酸銨型氣體發生劑并在相當長的一段時間里該氣體發生劑幾乎占領了整個氣體發生劑領域。但由于硝酸銨晶變和吸濕性的缺點使其應用領域被60年代的高氯酸銨所取代。然而高氯酸銨型氣體發生劑燃燒時會產生具有腐蝕性的氣體HCl，因此其應用也受到了限制。70年代將三氨基胍硝酸鹽引入硝銨氣體發生劑中，成功的研制出HMX型氣體發生劑，這類氣體發生劑克服了燃氣中的HCl問題，但因硝銨貧氧，此類氣體發生劑壓強指數高，有了一定局限性。70年代還開發了5-ATN型氣體發生劑、N2發生劑、O2發生劑，并將它們用于安全應急系統中。80年代以后，氣體發生劑領域主要是著力于新產品的開發、性能的提高和成本的降低。為此，研制了平臺氣體發生劑、無氯“清潔”復合氣體發生劑、GAP高性能氣體發生劑和其他特種氣體發生劑。我國氣體發生劑的研究是58年開始的，當時先研制了雙基類型氣體發生劑，而后又研制了復合類型氣體發生劑。60年代又仿制了蘇聯的雙基類型配方。

二十世紀九十年代初國內學者開始研究以疊氮化鈉為主的產氣藥劑，疊氮化鈉類氣體發生劑具有點火容易、燃速快、燃燒溫度低、產氣量較大、燃燒后產生較純凈N2的等優點，但同時由于其劇毒性和危險性，又開展了非疊氮化物煙火氣體發生劑研究，其焦點則是高能量、低感度、大產氣量、環保、廉價的可燃劑選擇和制備，這也是未來非疊氮化物煙火氣體發生劑的發展趨勢。自20世紀90年代以來，各大氣體發生器生產公司和研究機構紛紛對唑類、胍類、偶氮類等非疊氮化物類氣體發生劑進行了一系列研究[3]。

唑類氣體發生劑唑類氣體發生劑主要集中在三唑酮類、四唑類及它們的鹽為為燃料。其主要優點是唑類含氮量較高，產氣量大。2003年，Blomquist等人[4]提出以TZX為可燃劑的氣體發生劑，機械性能良好，化學穩定性好，氣體產物無毒，無殘渣，燃燒氣體溫度低，在新型非疊氮氣體發生劑方面有較好的應用前景。

胍類氣體發生劑主要包括硝基胍（NQ）、硝酸胍（GN）、硝酸三氨基胍（TAGN）等，特點是原料易得[5]。其氧化劑一般選用硝酸銨及高氯酸銨。以胍、氨基胍的碳酸鹽、碳酸氫鹽或硝酸鹽為燃料，以及三聚氰酸、三聚氰胺等為副燃料，硝酸鹽為氧化劑，副氧化劑為金屬氧化物如氧化銅、二氧化錳、三氧化二鐵、氧化鈷等，成渣劑為二氧化硅、硅酸鹽、鋁硅酸鹽等，燃氣發生劑燃速和成渣性提高。日本的大賽璐公司[6]對硝酸胍型產氣藥研究得比較多。硝酸胍也是種一單質炸藥，它用于產氣藥劑中有三大優點：①產氣量比疊氮化鈉型產氣劑高;②毒性很低;③產生的氣體溫度較低。該種產氣藥一般采用擠出工藝做成表面積較大的空心小藥柱裝入氣體發生器內。總的來說，胍類化合物由于生成焓低、富含氧、來源廣泛、不吸濕、燃溫低，具有較高的成氣量，產氣潔凈，廣泛應用于安全氣囊燃氣發生劑。不足之處是硝酸胍型產氣藥的線性燃速較低，僅有疊氮化鈉線性燃速的一半左右。

2004年Wheatley等人[7]對偶氮化合物AZODN為可燃劑的低燃溫氣體發生劑進行了研究，指出AZODN、AgNO3和KNO3的共熔物，可用作燃燒輔助劑幫助點燃氣體發生劑，這類氣體發生劑常兼有唑類、胍類和偶氮類的性質，含氮量高，產氣量大。同時高氧平衡的AZODN也可作為氧化劑，是未來新型氣體發生劑的代表。

3 結束語

隨著汽車工業的快速發展，以及人們對道路交通安全意識的提高，汽車行駛安全問題已經成為現代社會亟待解決的重要課題之一。汽車防撞安全氣囊系統在保護駕駛員的生命安全中起著重要作用，而氣體發生器是安全氣囊系統的核心，氣體發生劑又是氣體發生器的關鍵技術。氣體發生器的性能和結構主要取決于其中氣體發生劑的性能，氣體發生劑作為安全氣囊系統的核心，安全氣囊充氣的動力源，對減少交通事故時人員的傷亡有很大價值。故人們更多地把目光投向汽車安全氣囊用氣體發生劑的研制上。同時研制環保、廉價、無毒、低溫、燃氣清潔的氣體發生劑對氣體發生劑的實際應用無疑具有重要意義。其中非疊氮類氣體發生劑具有的含氮量高、燃速快、安定性良好、無毒、綠色環保等優點，使其成為氣體發生劑領域的研究熱點。

參考文獻

[1] 潘功配， 楊碩. 煙火學[M]. 北京：北京理工大學出版社.1997，373-375.

[2] 鄧康清， 陶自成.國外氣體發生劑研制動向[J]. 固體火箭技術，1996，19（3）：34-40.

[3] 王宏社， 杜志明. 煙火型產氣藥研究進展[J]. 含能材料，2004，12（6）：376-380.

[4] Blomquist， Harold R. Reduced smoke gas generant with improved temperature stability[P]. US：6588797，2003.

[5] Tadao Yoshida. Airbag gas generating composition [P].U.S. Pat. 5898126.1999.4.

[6] 大賽璐化學工業株式會社. 氣體發生劑組合物[P]. 中國專利：97111473.0

[7] Wheatley，Brian K，Greso，et al.Gas generant compositions exhibiting low autoignition temperatures and methods of generating gases there from [P].US：6673172，2004.