关于碱式碳酸镁在气体发生剂中的作用研究

王秋雨　范智　付文斌　姚俊

摘 要：研究了碱式碳酸镁在安全气囊气体发生剂中的应用。表明其具有降低爆热、降低配方燃速、降低配方感度、提高气体发生器火焰试验质量降低火星喷出四个方面的作用。并分析了其作用机理本质上与其高温下吸热分解生成水、二氧化碳和氧化镁有关系。通过分解吸热和分解产物的覆盖，以及氧化镁产物的结渣特性来实现以上四个方面的作用。

关 键 词：碱式碳酸镁； 气体发生剂； 降温剂； 爆热； 感度； 燃速； 火焰试验

中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）09-2140-04

Abstract： Application of basic magnesium carbonate in the airbags 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， CO2 and MgO. All of the ability is achieved through absorbing the heat and the decomposing outcomes covering as long as MgO slagging.

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

随着汽车产业的发展，汽车安全性日益得到人们关注。而安全气囊作为一种重要的被动安全装备，目前被大量装备于汽车中。其主要由气体发生器（充气装置）和气袋组成。工作时，气体发生器中的产气药燃烧释放的气体充满整个气袋，在汽车内饰和人体之间形成一个碰撞缓冲地带，减少伤害[1， 2]。随着汽车成本的降低，气袋材料为了降低成本也普遍使用便宜的PET无隔热涂层材料，这对气体发生器特别是其中的产气药提出了更低燃温的要求，而现有的配方普遍燃温较高，所以必须在其中加入可以降低气体温度的物质[3， 4]。

碱式碳酸镁本质是一种降温剂，在安全气囊气体发生剂配方中其吸收热量生成水、二氧化碳和氧化镁。其是国外公司挤出型配方中经常用到的一种成份，原因可能是由于某些挤出型的药型结构决定了只能用到低燃速配方，甚至配方中只含有硝酸胍和碱式硝酸铜两种组分，在某些情况下燃速都太快，所以经常会用到降温剂[5， 6]。

碱式碳酸镁的作用总结大概有：（1）降低爆热；（2）降低配方燃速；（3）降低感度三个主要方面。同时对于配方残渣的影响，其有可能提高配方结渣性能，同时提高火焰质量。

1 试验部分

1.1 碱式碳酸镁降低爆热

碱式碳酸镁有显著降低爆热的作用，表1是其降低爆热的数据，可以看出，配方外加2份碱式碳酸镁，爆热普遍降低100～300 kJ/kg。

1.2 碱式碳酸镁降低配方感度

在安全气囊气体发生剂生产中，配方AP含量太多必然导致配方感度非常大，生产上混合、压片都可能出现危险，所以对于混合、压片工艺的配方来言，一般配方中AP含量不超过5%。但是在某些情况下又必须增加AP含量，以提高配方燃速性能。

对于挤出和浇注配方，AP含量就大的多。例如表2，解剖的标志206挤出型产气药配方，AP含量高达44.1份。

那么能不能在混合、压片型配方中加入更多的AP，同时又使配方感度不增高呢？表3是外加2份碱式碳酸镁后的配方感度。W-A-8-2N和W-A-10-2N分别是含AP 8份和10份的配方。在加入2份碱式碳酸镁后，可以看出，配方感度基本都降为0。

1.3 碱式碳酸镁降低配方燃速

1.3.1 碱式碳酸镁对于配方燃速的降低

碱式碳酸镁加入配方中混合对于燃速的降低，主要在Wang-15和Wang-16两个配方中进行，一个不加入碱式碳酸镁，一个加入两份碱式碳酸镁。

从本公司P3发生器的数据上来看，碱式碳酸镁降低燃速作用明显，同样装入49 g产气药，Wang-16的95%最大压力比Wang-15低的多，95%时间慢15 ms。

从本公司D4发生器数据看，Wang-16与Wang-15之间也差距甚大，最大压力低65 kPa，95%最大压力时间慢28 ms。

1.3.2 碱式碳酸镁单独造粒后对于配方的影响

碱式碳酸镁单独造粒加入配方的初衷是简化工艺，通过外加不同份数的碱式碳酸镁得到不同燃速和压力的配方。

W-21-2.5N是在W-21配方（GN：BCN：BRTJ- 2：SiO2：BN = 63：19：18：0.5：0.5）基础上，加入2.5份碱式碳酸镁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）基础上，加入2.5份单独造粒的碱式碳酸镁的配方，W代表单独造粒后加入。从表8看出，碱式碳酸镁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对比，常温30 g，前者最大压力低12 kPa，95%最大压力时间慢2 ms，碱式碳酸镁共同混合造粒显示出更好的降温和降燃速效果。

碱式碳酸镁共同混合造粒显示出更好的降温和降燃速效果其原因可能是，碱式碳酸镁微粉加入配方中直接吸收热量，降低燃温，降低燃速；而单独造粒过40目筛，由于其粒度较大，必然有部分没有分解，其作用没有得到完全发挥。

同时，在研究碱式碳酸镁造粒加入配方的过程时，发现两个重要的现象：

（1）碱式碳酸镁单独造粒后加入，压片时发现配方堆积密度很大，压片机填充很小，模具承受压力很大；

（2）W-21-2.25W的配方在压片时，发现压片机房间有一股产气药分解的味道。后来立即停止了压片。分析原因在于，碱式碳酸镁造粒后很硬，加入配方中挤压很容易导致热量聚集，造成感度提高，产气药分解。

1.4 碱式碳酸镁提高火焰试验质量降低火星喷出

提高火焰试验质量方面的研究在A107配方上进行。A108在其基础上外加2份碱式碳酸镁。在D4发生器上进行P-t压力试验和火焰试验。可以看出，碱式碳酸镁降低燃速方面效果明显。火焰试验同时表明，加入碱式碳酸镁的A108配方没有任何火焰和火星，而A107配方有很多的火焰和零散的火星。所以碱式碳酸镁有改善火焰质量的作用（图1、2）。

2 原理分析及结论

碱式碳酸镁降低爆热、感度和燃速的作用，本质上与其高温下吸热分解生成水、二氧化碳和氧化镁有关系。其主要原理是吸热作用和覆盖作用，即高温下碱式碳酸镁发生强烈的吸热反应，吸收放出的部分热量，辐射到燃烧表面和作用于已经气化的可燃分子自由基的热量减少，燃烧反应得到一定程度的抑制，降低了可燃物表面的温度，阻止燃烧的蔓延；同时，碱式碳酸镁分解生成的氧化镁是很好的隔热阻燃材料，高温下能够形成玻璃状或稳定状泡沫覆盖层，隔绝氧气，具有隔热、隔氧、阻止可燃气体向外逸出的作用，从而达到降低感度、燃烧速度的目的；生成的二氧化碳，一定程度的将可燃气体的浓度冲淡，起到降低燃速的作用。

而在提高火焰质量方面的原因可能是多方面的，一是由于分解吸热降低了火焰温度；二是由于分解形成的氧化镁熔点较高，其与配方中燃烧形成的低熔点物质一起结渣，被过滤网留在燃烧室中，从而避免了低熔点物质被高温气流喷出形成火星。

总之，碱式碳酸镁在降低燃温、降低爆热、降低燃速、降低配方感度、提高火焰试验质量方面有显著的作用。这些作用本质是由于其吸热分解及其分解产物性质带来的。

参考文献：

[1]曲艳斌，萧忠良. 安全气囊系统气体发生器产气性能的实验研究[J]. 华北工学院学报， 2003， 24（6）： 428-431.

[2]李畅，杜志明. 烟火型气体发生器气体冷却技术研究进展[J]. 含能材料， 2004（5）： 310-313.

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

[4]成一，陈守文. PAK气体发生剂的燃气特性研究[J]. 固体火箭技术， 2001（4）： 59-61.

[5]李玉平. 安全气囊用新型气体发生剂的研制[D]. 中北大学硕士学位论文，2010.

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