内部冷却对气体发生剂的影响及探究

冷却剂的使用方式对燃气冷却效果影响很大。将物理冷却剂或化学冷却剂均匀地混合于气体发生剂的原料中，成为药剂的一部分，这种冷却方式称为内冷却，以此区别发生剂和冷却剂分开放置的外冷却。

内冷却的特点如下:

(1)在冷却结构中，冷却剂与气体发生剂的组分间能够充分接触，使物理冷却剂换热充分，化学冷却剂易于分解，因而冷却效果好。在反应发生后，冷却剂与反应产物之间的温差远大于外冷却结构中两者的温差。

(2)冷却剂能调节气体发生剂的反应速率，在氧化剂和还原剂的混合物中加入适量的冷却剂后，由于它的吸热反应降低了生成气体的速率，即改变了生成气体的时间—压力关系。因此，可以通过调整加入冷却剂的数量以及合理选择不同种类的冷却剂的办法，控制其反应过程，调整气体生成的规律。

(3)内冷却装药结构紧凑，占据空间小，能使气体发生器结构更加合理。对于外冷却，为了提高冷却效果和减小气体流动的阻力，常常采用松散的装填方式，致使空间效率降低。有时为了防止冷却剂的位移，还要设置固定件，结果增大了发生器的空间、增加了装置质量，所以外冷却的容积效率小于内冷却的容积效率。

(4)内冷却方式可以改善气体发生剂的感度和强度。因为内冷却剂通常都是钝感剂或黏合剂，含这种组分的发生剂远比不含这种组分的发生剂耐冲击、耐摩擦，更适合在冲击、振动条件下储存，具有更好的安全性。(www.xing528.com)

从冷却效果的角度分析，内冷却优越于外冷却，是否采用内冷却还要考虑以下几个条件:

(1)如果加入必需量的冷却剂后，将引起发生剂的反应温度大幅降低，以致无法保证气体发生剂自持燃烧和必需的燃速时，不宜采用内冷却。低温燃气发生剂采用内冷却就有一定难度。

(2)如果加入的冷却剂将引起气体发生剂安定性变差、强度变差、感度增高，甚至组分间不相容时，也不能采用内冷却。有的冷却剂易分解，有的易吸潮，本身就不够稳定，混合后会加剧冷却剂或发生剂的不稳定性。

自20世纪70年代以来，国外许多气体发生剂配方专利中都加入了内冷却材料。1975年，美国Lundstrom申请了用于汽车防撞系统气体发生剂配方，该配方选择了以碱金属叠氮化物作为氮气发生剂主要来源，并加入了氧化铝作为降温剂。同年，加拿大Sidebottom也申请了用于司乘人员安全系统的气体发生剂配方专利，该配方也采用Al2O3或SiO2作为降温剂。然而，由于该配方加入了金属粉，使得气体发生剂在燃烧时产生很高的温度，因此未能应用于安全气囊中。1996年，日本Kayaku申请了气囊用气体发生剂配方专利，该气体发生剂混合物含有碱金属叠氮化物，氧化剂为MO·nFe2O3(M为二价金属，n=1～10)的铁氧体。该配方优点是:产生的热量很小，可同薄层气囊一起使用，且由于产气率的提高，充气机可做得更小。

20世纪90年代以来，国内一些学者也对气体发生剂中添加冷却剂的内冷却方式进行了研究。1997年，南京理工大学黄寅生等人在含叠氮化钠气体发生剂热动力学实验研究中发现，SiO2的加入能显著降低反应体系的放热量，从热化学角度证实了SiO2有降温作用，同时影响热化学反应，使体系的反应活化能增加。1998年，南京理工大学化工学院成一、陈守文研制成功了一种NFA气体发生剂，主要由NFA、Fe2O3和KNO3组成，属于一种低温型气体发生剂，燃烧热为1256 kJ/kg，燃烧温度为1200～1400K，可以省却发生器中的冷却装置，简化了发生器的结构。另外，他们还开发出了PA和PAK系列新型气体发生剂，具有燃烧温度低、燃烧速度快、有毒气体含量较小等优点，适合于汽车安全气囊用气体发生器。