Brevet FR2283108A1 — publié le 19760326

La présente invention se rapporte à une composition pyrotechnique adaptée, lors de sa combustion, à la production de gaz. En particulier, la présente invention se rapporte à une-com- position pyrotechnique qui, lors de sa combustion, produit un gaz non toxiqae, à basse température.Parmi les utilisations pour un tel gaz, il y a le gonflement d'un sac de sécurité dans un véhicule pour limiter le mouvement d'un occupant dans le véhicule dans le cas d'une collision, ou, dans le cas de mélanges à combustion plus lente, à définir dans un exemple de réalisation ultérieurement, en produisant du gaz à une température relativement faible, le gaz sensiblement non toxique ainsi produit peut être utilisé pour gonfler les radeaux de sauvetage, des glissières de secours pour les avions, des bouées, des pneus ou d'autres dispositifs pouvant être gonflés. I1 est nécessaire que les compositions pyrotechniques puissent satisfaire à certains critères afin d'hêtre adaptées & l'utilisation avec un dispositif de contrainte pour véhicule, à sac de sécurité à air , ou d'autres dispositifs du même genre pouvant entre gonflés. La composition pyrotechnique doit pouvoir résister à l'emmagasinage dans un environnement allant d'approximativement - 400C à approximativement 105 OC. Pour les applica tions de sac de sécurité à air pour les vénixles, il est également nécessaire que la composition puisse être enflammée rapidement, par exemple en quelques millisecondes, et qu'elle puisse être totalement enflammée pour produire du gaz.Dans certaines autres applications, une lente combustion n'est pas un inconvénient et un gaz relativement froid est fortement avantageux, comme on l'indiquera. Il est nécessaire que le gaz produit ait seulement une quantité négligeable de gaz toxiques, tels que des oxydes d'azote ou de l'oxyde de carbone. Les compositions pyrotechniques préalablement utilisées comprennent normalement l'utilisation d'un liant organique. Le liant organique sert également de combustible et tend à augmenter la température de flamme du gaz jusqu'à un niveau inacceptable. Par suite, la température de la surface extérieure du sac de sécurité du véhicule (ou autres dispositifs pouvant être gonflés), en utilisant ces compositions pyrotechniques antérieures, serait si élevée qu'elle pourrait brûler l'utilisateur. Ceci est compréhensible parce que les compositions utilisant ces liants étaient destinées à des applications telles que des agents due propulsion à haute énergie pour des fusées, où la faible température n'était pas un objectif (voir les brevets américains N" 2.929.697 et 2.994.598). En outre, nombreuses parmi les compositions décrites dans la technique antérieure produisent un gaz toxique, telles que certaines des compositions dans les brevets américains N0 3.020.180 et 3.047.554. La composition pyrotechnique de la présente invention est adaptée, lors de sa combustion, à la production d'un gaz sensiblement non toxique, à basse température, pour l'application désirée. Ce gaz est utile pour gonfler divers dispositifs, tel qu'un sac de sécurité dans un véhicule. Un sac de sécurité est gonflé pour limiter le mouvement d'un occupant du véhicule dans le cas d'une collision. Lorsqu'une composition produisant un gaz à basse température à partir d'une combustion relativement lente est utilisée, comme on l'indiquera ultérieurement, l'application à d'autres dispositifs pouvant Aetre gonflés déjà mentionnée est avantageuse.En général, la composition pyrotechnique comprend un combustible ; un oxydant minéral ; et un produit de refroidissement ou un liant et un produit de refroidissement en combinaison (que l'on désignera simplement sous le nom de produit de refroidissement dans la description suivante), qui est choisi dans le groupe se composant d'hydroxyde de magnésium, de carbonate de magnésium, et d'un mélange de carbonate de magnésium et d'hydroxyde de magnésium. On a trouvé que l'on pouvait utiliser autant de produit de refroidissement-liant que cela est nécessaire dans la composition pyrotechnique afin d'obtenir les propriétés désirées de liant pour la composition, sans augmenter la température de flamme du gaz, produit dans la combustion, jusqu'à un niveau inacceptable. Le combustible peut être choisi dans le groupe se composant d'une matière carbonée, d'aluminium et de magnésium. L'oxydant minéral peut être choisi dans le groupe se composant d'un chlorate métallique, un perchlorate métallique, un nitrite métallique, le chlorate d'ammonium, le perchlorate d'ammonium et le nitrite d'ammonium. Cette composition pyrotechnique est adaptée à la production d'un gaz non toxique à basse température, lors de la combustion, pour gonfler un sac de sécurité de véhicule ou d'autres dispositifs pouvant être gonflés. En général, la composition comprend : un combustible, choisi dans le groupe se composant d'une matière carbonée (telle que du carbone, du noir de carbone ou du noir de lampe), de l'aluminium et du magnésium, un oxydant minéral, choisi dans le groupe se composant d'un chlorate de métal alcalin, tel que le chlorate de potassium ou le chlorate de sodium, d'un perchlorate de métal alcalin, tel que le perchlorate de potassium ou le perchlorate de sodium, d'un nitrate de métal alcalin, tel que le nitrate de potassium ou le nitrate de sodium, de chlorate d'ammonium, de perchlorate d1atiinonium et de nitrate d'ammonium ; et d'un produit de refroidissement ou d'un produit de liaison (liant) et de refroidissement' en combinaison, choisi dans le groupe se composant de : le carbonate de magnésium, 1 'hydroxyde de magnésium et un mélange de carbonate de magnésium et d'hydroxyde de magnésium. Une formulation typique de cette composition pyrotechnique comprend : du carbone qui sert de combustible ; du chlorate de potassium (KClO) ou du perchlorate de potassium (KClo4) qui sert d'oxydant ; et un mélange de carbonate de magnésium (MgCO) et d'hydroxyde de magnésium tMg(0H)2] qui sert de produit de refroidissement et de liant. Dans le cas de la composition de combustible carboné, d'oxydant minéral et de produit de refroidissement formé de carbonate de magnésium, un gaz à basse température (environ 4250C dans un exemple de réalisation) est produit relativement lentement (par exemple, à peu près en 1 à 3 secondes), ce gaz pouvant être refroidi, par exemple par contact avec un lit de copeaux métalliques jusqu'à une température comprise entre 950C et 3150C, pour gonfler un dispositif pouvant être gonflé tel qu 'un radeau de sauvetage, une bouée pouvant être gonflé, un pneu, une glissière de secours, etc., qui peut être alors mis en contact avec l'utilisateur. La composition pyrotechnique de la présente invention comprend, en poids : de moins de I ffi Jusqutà environ 10 s d'un des combustibles précédents, tels que le carbone; d'environ 30 à environ 70 ss d'un des oxydants minéraux précédents, tels que le chlorate de potassium ; et d'environ 10 ss à environ 60 ffi d'un des produits de refroidissement précédents ou d'un des liants et produits de refroissement en combinaison indiqués précédem- ment, tels que le carbonate de magnésium ou un mélange de carbonate de magnésium et d'hydroxyde de magnésium. De préférence, dans un exemple de réalisation, la composition pyrotechnique comprend, en poids : environ 3 % à environ 7 % d1un des combustibles précédents, tels que le carbone ; environ 40 % à environ 60 % d'un des oxydants minéraux précédents, tels que le chlorate de potassium ; et environ 35 Z à environ 55 ffi d'un des produits de refroidissement et liants précédents en combinaison, tels qu'un mélange d'hydroxyde de magnésium et de carbonate de magnésium. Lorsque ces compositions sont brayées en présence d'air, l'hydroxyde de magnésium réagit avec l'anhydride carbonique (C02) dans l'air pour former du carbonate de magnésium (MgC03).Le carbonate de magnésium est une matiere du genre ciment, fortement oxygénée, et, en elle-mEme, elle ne fournit pas de propriétés de liaison. La transformation de lthydro- xyde de magnésium en carbonate de magnésium fournit l'effet de liaison. Ni l'hydroxyde de magnésium ni le carbone de magnésium ne sert de combustible. Puisque l'hydroxyde de magnésium et le carbonate de magésium sont tous deux des produits de refroidissement, et non pas des combustibles, on peut en utiliser autant que cela est nécessaire. Par suite, on a suffisamment de liant pour la composition sans augmenter la température d'inflammation du gaz jusqu'à des niveaux inacceptables. L'oxygène libre formé à partir de l'oxydant minéral, tel que le perchlorate de potassium, est consommé par le combustible, tel que du carbone, en formant de l'anhydride carbonique et en dégageant de la chaleur qui est refroidie par l'hydroxyde de magnésium. Dans ce dernier exemple de réalisation mentionné (dans le paragraphe précédent), il est préférable, dans la plupart des cas, de commencer avec un mélange d'hydroxyde de magnésium et de carbonate de magnésium, plutôt qu'avec de l'hydroxyde de magnésium sans carbonate de magnésium. On doit utiliser suffisamment d'hydroxyde de magnésium dans le mélange pour obtenir l'effet de liaison désiré provoqué par la carbonation de l'hydroxyde de magnésium. Cependant, on doit utiliser seulement suffisamment d'hydroxyde de magnésium pour obtenir les propriétés physiques nécessaires en tant que liant, parce que, dans les compositions utilisant un mélange d'hydroxyde de magnésium et de carbonate de magnésium, on a trouvé que plus la proportion d 'hydroxyde de magnésium par rapport au carbonate de magnésium qui est utilisé dans la composition est élevée, plus long est le temps de réaction. Plus spécifiquement, dans ce dernier exemple de réalisation indiqué, l'hydroxyde de magnésium dans la composition pyrotechnique ne doit constituer, en poids, pas moins d'environ 10 % de toute la composition et, de préférence, d'environ 10 X à environ 30 % de toute la oomposition. Dans les cas ou on utilise, comme produit de refroidissement et liant en combinaison, un mélange d'hydroxyde de magnésium et de carbonate de magnésium, la composition peut comprendre : environ 10 % à environ 30 % d'hydroxyde de magnésium, par rapport à toute la composition et environ 20 % à environ 40 % de carbonate de magnésium par rapport à toute la composition.Dans de nombreuses compositions, on a trouvé avantageux, pour le mélange d'hydroxyde de magnésium et de carbonate de magnésium, de comprendre environ la moitié d'hydroxyde de magnésium et environ la moitié de carbonate de magnésium. Dans l'exemple de réalisation préféré mentionné préalablement (combustible constitué de carbone, oxydant constitué de chlorate ou de perchlorate de potassium, et produit de refroidissement constitué de carbonate de magnésium) où une composition à combustion relativement lente produit un gaz à température relativement faible (qui peut être éventuellement encore refroidi comme on l'a déjà indiqu6), on a trouvé de manière surprenante que le carbonate de magnésium brûle en présence de l'oxydant et du combustible constitué de carbone, afin d'entretenir la combustion à une température tri élevée, mais de manière relativement lente, le carbonate de magnésium se décomposant pour absorber la chaleur et fournir le produit gazeux à température relativement faible constitué substantiellement d'anhydride carbonique (C02) et d'oxygène, avec des traces d'oxyde de carbone (CO). Les exemples suivants, dans lesquels le pourcentage est en poids, sont donnés à titre.d?illustration et non pas de limitation. Exemple 1 La composition utilisée comprend : 5 de carbone en tant que combustible, 50 % de chlorate de potassium en tant qu'oxydant minéral, et 45 X d'un mélange d'hydroxyde de magnésium et de carbonate de magnésium en tant que liant-produit de refroidissement. La proportion de ce mélange était approximativement la moitié d'hydroxyde de magnésium et la moitié de carbonate de magnésium, si bien que l'hydroxyde de magnésium et le carbonate de magnésium forment chacun 22,5 ffi de la composition totale. Exemple 2 La composition comprenait : 5 ffi de carbone, 50 % de chlorate de potassium, et 45 % d'hydroxyde de magnésium. Exemple 3 La composition comprenait : 5 % de carbone, 51 % de chlorate de potassium, et 44 % d'hydroxyde de magnésium. Exemple 4 La composition comprenait : 6 ffi de carbone, 50 % de chlorate de potassium, et 44 % d'hydroxyde de magnésium. Les compositions dans les exemples précédents produisent chacune un gaz ayant une température d'inflammation allant d'environ 815qu jusqu'à moins de 10950C. Les compositions pyrotechniques indiquées ci-dessus dans la présente invention parviennent à une qualité de souplesse en ce qui concerne la quantité de liant qui peut être utilisée, en accord avec l'objet qui est de produire un gaz ayant une faible température d'inflammation et une quantité négligeable de gaz toxiques, -tels que des oxydes d'azote ou de l'oxyde de carbone. Exemple 5 La composition comprenait : 3 % de carbone en tant que combustible ; 45 ss de chlorate de potassium en tant qu'oxydant minéral ; et 52 ) de carbonate de magnésium en tant que produit de refroidissement. On a trouvé utile, dans un exemple de réalisation, de transformer en boulette la composition pyrotechnique de la présente invention afin d'obtenir ure performance de combustion de le composition pouvant être prédite, plutôt que d'utiliser la composition sous forme de poudre. La transformation en boulette peut être obtenue en mélangeant fortement les ingrédients pulv- rulents et en utilisant une presse à pilules pour produire des boulettes, ou bien en granulant le mélange pulvérulent, en I 'ex- trudant à travers un tamis et en formant des nouilles. La transformation en boulette s'est révélée avantageuse par suite des caractéristiques suivantes indésirables d'une poudre mélangée. La poudre tend à se séparer, l'oxydant se plaçant au fond et le combustible au sommet. Quand la poudre brûle, elle brûle avec différentes caractéristiques selon le degré suivant lequel le mélange de poudre est homogène. En outre, la poudre peut être tassée de manière lâche ou bien elle peut devenir tassée de manière bien serrée, ce qui affecte également ses caractéristiques de combustion. Il eR résulte que l'on obtient quelquefois des résultats contradictoires lorsqu'on utilise la composition sous forme de poudre. Lorsqu'on utilise la composition sous forme de boulette, on produit généralement des résultats plus uniformes. De manière facultative, un lubrifiant organique, tel que de l'acide stéarique ou le produit dit Carbowax (nom commercial de polyéthylèneglycol de la société dite Union Carbide Corporation ) peut être ajouté à l'étape de transformation en boulette. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d t unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'etre décrits, elle est au contrainre susceptible de variantes et de modifications qui apparaitront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Composition pyrotechnique adaptée, lors de sa combustion, à la production d'un gaz sensiblement non toxique, à basse température, cette combustion comprenant, comme combustible, une matière carbonée, de l'aluminium et/ou du magnésium et, en tant qu'oxydant, un chlorate métallique, un perchlorate métallique, un nitrate métallique, du nitrate d'ammonium, du chlorate d'ammonium et/ou du perchlorate d'ammonium, caractérisée en ce qu'on inclut de l'hydroxyde de magnésium pour servir, après transformation durant la combustion en carbonate de magnésium, comme liant et comme produit de refroidissement. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient à la fois de l'hydroxyde de magnésium et du carbonate ajouté en tant que produit de refroidissement. 3. Composition selon la revendication 2, oeractérisée en ce que le carbonate ajouté en tant que produit de refroidissement est du carbonate. de magnésium. 4. Composition selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle contient environ 10 % à environ 30 ffi d'hydroxyde de magnésium par rapport à toute la composition et environ 20 % à environ 40 ffi de carbonate de magnésium par rapport à toute la composition.