關(guān)于堿式碳酸鎂在氣體發(fā)生劑中的作用研究

王秋雨，范 智，付文斌，姚 俊

（1. 中國航天科技集團四院四十二所，湖北 襄陽 441003； 2. 湖北省應(yīng)急救生與安全防護技術(shù)重點實驗室, 湖北 襄陽 441003）

關(guān)于堿式碳酸鎂在氣體發(fā)生劑中的作用研究

王秋雨1，2，范 智1，2，付文斌1，2，姚 俊1，2

（1. 中國航天科技集團四院四十二所，湖北 襄陽 441003； 2. 湖北省應(yīng)急救生與安全防護技術(shù)重點實驗室, 湖北 襄陽 441003）

研究了堿式碳酸鎂在安全氣囊氣體發(fā)生劑中的應(yīng)用。表明其具有降低爆熱、降低配方燃速、降低配方感度、提高氣體發(fā)生器火焰試驗質(zhì)量降低火星噴出四個方面的作用。并分析了其作用機理本質(zhì)上與其高溫下吸熱分解生成水、二氧化碳和氧化鎂有關(guān)系。通過分解吸熱和分解產(chǎn)物的覆蓋，以及氧化鎂產(chǎn)物的結(jié)渣特性來實現(xiàn)以上四個方面的作用。

堿式碳酸鎂; 氣體發(fā)生劑; 降溫劑; 爆熱; 感度; 燃速; 火焰試驗

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車安全性日益得到人們關(guān)注。而安全氣囊作為一種重要的被動安全裝備，目前被大量裝備于汽車中。其主要由氣體發(fā)生器（充氣裝置）和氣袋組成。工作時，氣體發(fā)生器中的產(chǎn)氣藥燃燒釋放的氣體充滿整個氣袋，在汽車內(nèi)飾和人體之間形成一個碰撞緩沖地帶，減少傷害[1,2]。隨著汽車成本的降低，氣袋材料為了降低成本也普遍使用便宜的PET無隔熱涂層材料，這對氣體發(fā)生器特別是其中的產(chǎn)氣藥提出了更低燃溫的要求，而現(xiàn)有的配方普遍燃溫較高，所以必須在其中加入可以降低氣體溫度的物質(zhì)[3,4]。

堿式碳酸鎂本質(zhì)是一種降溫劑，在安全氣囊氣體發(fā)生劑配方中其吸收熱量生成水、二氧化碳和氧化鎂。其是國外公司擠出型配方中經(jīng)常用到的一種成份，原因可能是由于某些擠出型的藥型結(jié)構(gòu)決定了只能用到低燃速配方，甚至配方中只含有硝酸胍和堿式硝酸銅兩種組分，在某些情況下燃速都太快，所以經(jīng)常會用到降溫劑[5,6]。

堿式碳酸鎂的作用總結(jié)大概有：（1）降低爆熱；（2）降低配方燃速；（3）降低感度三個主要方面。同時對于配方殘渣的影響，其有可能提高配方結(jié)渣性能，同時提高火焰質(zhì)量。

1 試驗部分

1.1 堿式碳酸鎂降低爆熱

堿式碳酸鎂有顯著降低爆熱的作用，表1是其降低爆熱的數(shù)據(jù)，可以看出，配方外加2份堿式碳酸鎂，爆熱普遍降低100～300 kJ/kg。

表1 堿式碳酸鎂降低配方爆熱Table 1 Basic magnesium carbonate reducing blast heat

1.2 堿式碳酸鎂降低配方感度

在安全氣囊氣體發(fā)生劑生產(chǎn)中，配方AP含量太多必然導(dǎo)致配方感度非常大，生產(chǎn)上混合、壓片都可能出現(xiàn)危險，所以對于混合、壓片工藝的配方來言，一般配方中AP含量不超過5%。但是在某些情況下又必須增加AP含量，以提高配方燃速性能。

對于擠出和澆注配方，AP含量就大的多。例如表2，解剖的標志206擠出型產(chǎn)氣藥配方，AP含量高達44.1份。

那么能不能在混合、壓片型配方中加入更多的AP，同時又使配方感度不增高呢？表3是外加2份堿式碳酸鎂后的配方感度。W-A-8-2N和W-A-10-2N分別是含AP 8份和10份的配方。在加入2份堿式碳酸鎂后，可以看出，配方感度基本都降為0。

表2 標志206產(chǎn)氣藥組分Table 2 The air bag gas generant composition of Peugeot 206

表3 加入堿式碳酸鎂配方的感度Table 3 Basic magnesium carbonate reducing the sensitivity of the gas generant

1.3 堿式碳酸鎂降低配方燃速

1.3.1 堿式碳酸鎂對于配方燃速的降低

堿式碳酸鎂加入配方中混合對于燃速的降低，主要在Wang-15和Wang-16兩個配方中進行，一個不加入堿式碳酸鎂，一個加入兩份堿式碳酸鎂。

從本公司 P3發(fā)生器的數(shù)據(jù)上來看，堿式碳酸鎂降低燃速作用明顯，同樣裝入 49 g產(chǎn)氣藥，Wang-16的95%最大壓力比Wang-15低的多，95%時間慢15 ms。

從本公司 D4發(fā)生器數(shù)據(jù)看，Wang-16與Wang-15之間也差距甚大，最大壓力低65 kPa，95%最大壓力時間慢28 ms。

1.3.2 堿式碳酸鎂單獨造粒后對于配方的影響

堿式碳酸鎂單獨造粒加入配方的初衷是簡化工藝，通過外加不同份數(shù)的堿式碳酸鎂得到不同燃速和壓力的配方。

W-21-2.5N是在W-21配方（GN∶BCN∶BRTJ-2∶SiO2∶BN = 63∶19∶18∶0.5∶0.5）基礎(chǔ)上，加入2.5份堿式碳酸鎂后共同混合造粒的配方，N代表配方中加入；W-21-2.5W是在混合好的W-21配方（GN∶BCN∶BRTJ-2 ∶SiO2∶BN=63∶19∶18∶0.5∶0.5）基礎(chǔ)上，加入2.5份單獨造粒的堿式碳酸鎂的配方，W代表單獨造粒后加入。從表8看出，堿式碳酸鎂共同混合造粒降低燃速的效果更好。以W-21-2.5N和W-21-2.5W對比，常溫30 g，前者最大壓力低12 kPa，95%最大壓力時間慢2 ms，堿式碳酸鎂共同混合造粒顯示出更好的降溫和降燃速效果。

堿式碳酸鎂共同混合造粒顯示出更好的降溫和降燃速效果其原因可能是，堿式碳酸鎂微粉加入配方中直接吸收熱量，降低燃溫，降低燃速；而單獨造粒過40目篩，由于其粒度較大，必然有部分沒有分解，其作用沒有得到完全發(fā)揮。

同時，在研究堿式碳酸鎂造粒加入配方的過程時，發(fā)現(xiàn)兩個重要的現(xiàn)象：

（1）堿式碳酸鎂單獨造粒后加入，壓片時發(fā)現(xiàn)配方堆積密度很大，壓片機填充很小，模具承受壓力很大；

（2）W-21-2.25W的配方在壓片時，發(fā)現(xiàn)壓片機房間有一股產(chǎn)氣藥分解的味道。后來立即停止了壓片。分析原因在于，堿式碳酸鎂造粒后很硬，加入配方中擠壓很容易導(dǎo)致熱量聚集，造成感度提高，產(chǎn)氣藥分解。

1.4 堿式碳酸鎂提高火焰試驗質(zhì)量降低火星噴出

提高火焰試驗質(zhì)量方面的研究在A107配方上進行。A108在其基礎(chǔ)上外加2份堿式碳酸鎂。在D4發(fā)生器上進行P-t壓力試驗和火焰試驗?？梢钥闯?，堿式碳酸鎂降低燃速方面效果明顯?；鹧嬖囼炌瑫r表明，加入堿式碳酸鎂的A108配方?jīng)]有任何火焰和火星，而A107配方有很多的火焰和零散的火星。所以堿式碳酸鎂有改善火焰質(zhì)量的作用(圖1、2)。

圖1 A107配方的火焰試驗數(shù)據(jù)Fig.1 The spark test of gas generant A107

圖2 A108配方的火焰試驗數(shù)據(jù)Fig.2 The spark test of gas generant of A108

2 原理分析及結(jié)論

堿式碳酸鎂降低爆熱、感度和燃速的作用，本質(zhì)上與其高溫下吸熱分解生成水、二氧化碳和氧化鎂有關(guān)系。其主要原理是吸熱作用和覆蓋作用，即高溫下堿式碳酸鎂發(fā)生強烈的吸熱反應(yīng)，吸收放出的部分熱量，輻射到燃燒表面和作用于已經(jīng)氣化的可燃分子自由基的熱量減少，燃燒反應(yīng)得到一定程度的抑制，降低了可燃物表面的溫度，阻止燃燒的蔓延；同時，堿式碳酸鎂分解生成的氧化鎂是很好的隔熱阻燃材料，高溫下能夠形成玻璃狀或穩(wěn)定狀泡沫覆蓋層，隔絕氧氣，具有隔熱、隔氧、阻止可燃氣體向外逸出的作用，從而達到降低感度、燃燒速度的目的；生成的二氧化碳，一定程度的將可燃氣體的濃度沖淡，起到降低燃速的作用。

表4 加入堿式碳酸鎂的配方對比Table 4 Gas generants with or without basic magnesium carbonate

表5 Wang-15與Wang-16在P3上的試驗數(shù)據(jù)（常溫23 ℃）Table 5 The generator data of Wang-15 and Wang-16 on P3 generator(23 ℃)

表6 Wang-15與Wang-16在D4上的試驗數(shù)據(jù)（常溫23 ℃）Table 6 The generator data of Wang-15 and Wang-16 on D4 generator(23 ℃)

表7 W-21系列配方Table 7 The gas generants of W21

表8 Wang-21系列配方在D4上的試驗數(shù)據(jù)（常溫23 ℃）Table 8 The generator data of Wang-21 on D4 generator(23 ℃)

表9 A107和A108配方及工藝爆熱Table 9 The gas generants of A107 and A108

表10 A107和A108在D4上的發(fā)生器數(shù)據(jù)（常溫23 ℃）Table 10 The generator data of A107 and A108 on D4 generator(23 ℃)

而在提高火焰質(zhì)量方面的原因可能是多方面的，一是由于分解吸熱降低了火焰溫度；二是由于分解形成的氧化鎂熔點較高，其與配方中燃燒形成的低熔點物質(zhì)一起結(jié)渣，被過濾網(wǎng)留在燃燒室中，從而避免了低熔點物質(zhì)被高溫氣流噴出形成火星。

總之，堿式碳酸鎂在降低燃溫、降低爆熱、降低燃速、降低配方感度、提高火焰試驗質(zhì)量方面有顯著的作用。這些作用本質(zhì)是由于其吸熱分解及其分解產(chǎn)物性質(zhì)帶來的。

［1］曲艷斌，蕭忠良. 安全氣囊系統(tǒng)氣體發(fā)生器產(chǎn)氣性能的實驗研究［J］. 華北工學(xué)院學(xué)報, 2003, 24(6)∶ 428-431.

［2］李暢，杜志明. 煙火型氣體發(fā)生器氣體冷卻技術(shù)研究進展［J］.含能材料, 2004(5)∶ 310-313.

［3］Akio Yamamoto Hyogo，Takeshi Takahori Hyogo. Process of produ cing a gas generating agent.∶US,2003/000162[P].

［4］成一，陳守文. PAK氣體發(fā)生劑的燃氣特性研究[J]. 固體火箭技術(shù), 2001(4)∶ 59-61.

［5］李玉平. 安全氣囊用新型氣體發(fā)生劑的研制［D］. 中北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［6］Young-Duk Seo，Suk Ho Chung，Jack J. Yoh. Automotive airbag inflator analysis using the measured properties of modern propella nts［J］. Fuel , 2011(90)∶ 1395–1401.

Study on Application of Basic Magnesium Carbonate in the Gas Generant

WANG Qiu-yu1,2，F(xiàn)AN Zhi1,2，F(xiàn)U Wen-bin1,2，YAO Jun1,2
（1. The 42nd Institute of the Forth Academy of CASC, Hubei Xiangyang 441003，China；2. The Key Laboratory of Emergency Safety and Rescue Technology of Hubei Province, Hubei Xiangyang 441003，China)

Application of basic magnesium carbonate in the airbag’s gas generant was studied. The results show that the basic magnesium carbonate has the ability of reducing the blast heat and sensitivity, the spark ejected from the inflator and improving the grade of flame test; All of the ability of basic magnesium carbonate has the relation with its decomposing in the high temperature to generate H2O, CO2and MgO. All of the ability is achieved through absorbing the heat and the decomposing outcome’s covering as long as MgO slagging.

Basic magnesium carbonate; Gas generant; Coolent; Blast heat; Blast sensitivity; Born rate; Flame test

TQ 028

A

1671-0460（2015）09-2140-04

2015-02-04

王秋雨（1984-），男，湖北襄陽人，工程師，碩士，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)藥劑學(xué)專業(yè)，主要從事安全氣囊、各種類型產(chǎn)氣發(fā)生器及配方研究。E-mail：wqyhbxf@163.com。

姚俊（1974-），碩士，研究員，畢業(yè)于航天四院火箭發(fā)動機專業(yè)，主要從事安全氣囊、各種類型產(chǎn)氣發(fā)生器及配方研究。E-mail：inflatorglobal@163.com。