含增强抗热性微球体的气囊涂层 【技术领域】
本发明涉及新的气囊涂料组合物，以及具有预膨胀或不可膨胀的微球体以在目标气囊的放热充气过程中提供有效隔离的系统。本发明的气囊织物或者在应用该组分之前预轧光，或者在浮刀法(floatingknife method)中用该可热膨胀的含有微球体的组合物涂敷。已被涂敷地气囊织物和缓冲垫可以被加热以蒸发涂层组合物中的溶剂。这样，所得的织物在单根纱线之间的空隙处以及该织物浮纱上方都存在涂料组合物的微球体结构。因而，如此的涂层系统在热暴露(heat exposure)中提供极高程度的保护，使得目标气囊、缓冲垫气囊保持结构完整，而且在高度放热的充气过程中，保护汽车乘客免受如此高的充气温度的影响。本发明还包括在气囊织物上形成该种特定的气囊涂层系统的方法。背景技术
用于机动车的气囊是众所周知的，而且已经应用了相当长的时间。该装置被安装在汽车的司机和乘客侧面，以及汽车的前排和后排隔间的侧面(如，侧边气囊)，而且，在撞击事故中，被快速地充气，以作为司机、乘客和方向盘、仪表板、窗户、汽车内各个侧面之间的能量吸收屏障，这种气囊(或称为气囊缓冲垫)必须符合若干重要的标准，包括例如具有撞击事故发生后的快速充气能力(在0.1秒之内)、匀速快速放气的能力(比如前座气囊以提供相对柔软的缓冲)、在相对长的时间内保持充气压力的能力(比如在撞击后的翻滚中，侧面气囊至少保持7秒钟)、充气中和充气后使目标气囊织物或缓冲垫的接缝保持完整的能力，以及，也许是最为重要的：在撞击发生时和发生后承受极高的充气压力和温度的能力。此最后一项涉及所用的织物结构完整，和气囊缓冲垫中的该结构在撞击过程中的性能表现。钠的叠氮化物作为应用在标准气囊缓冲垫内主要的充气化学品，已使用了多年。实际上，在撞击时，充气罐点燃钠的叠氮化物(纯的钠叠氮化物对人的毒性很大)，产生一个小的爆炸，迫使释放出的气体进入压力最低的区域。在这时，未充气的气囊缓冲垫供这些气体提供溢出。从而，气囊缓冲垫的充气向司机和乘客提供上述的保护。整个充气步骤发生在撞击后的大约0.1秒之内。为了产生该快速充气，该爆炸在充气组件(也包括气囊缓冲垫自身)内产生巨大数量的热量。因而，所应用的气囊织物必须能承受如此大的温度变化、而且能暴露在如此的热度中，还不丧失其保护司机和乘客的能力。
最近，有一种趋势是避免使用钠的叠氮化物(主要是因为它的高毒性，还有别的一些原因)作为应用在气囊充气组件中的爆炸点火化学品。虽然可以证明该化学品对人类十分有害，但在过去，它曾经以相对低的充气温度(大约1200°F)，提供过一种对气囊缓冲垫进行快速充气的方法。新的点火化学品，诸如以硝化纤维-基化合物，在毒性方面证明是安全的，且使用费用较低，但是，它们也会产生大量的放热反应。从费用消耗的角度来考虑，硝化纤维充气物(inflator)(其不像含有钠的叠氮化物类型的充气物那样需要被过滤)的使用，相对于钠的叠氮化物技术是一种进步。但遗憾的是在展开时还会产生更高的温度(大约2000°F)。
目前，在这种避免用钠的叠氮化物的趋势中，需要对气囊织物和缓冲垫作相应的调整，以在充气过程中的极度高的温度下，使该气囊织物和缓冲垫的结构保持完整。有一些意见是采用高纤度(denier)的纱线(亦即：515、630或更高的纱线)，以提高目标织物的热容量。然而，如此高纤度的纱线也增大了该目标气囊缓冲垫的包装容积，还增加了该气囊织物和缓冲垫的生产成本，抵销了通过使用新的充气组件所节约的部分。因而，为了从与使用硝化纤维充气物组件有关的成本节约中受益，需要用较低纤度的纱线(亦即：最高为大约420丹尼尔)，结合使用改进的涂料，以获得所需的抗热性能。供各种气囊缓冲垫使用的该涂料，必须具有如上述提及的各项标准性能(亦即：快速充气、长时间持续充气，等等)。迄今为止，尚未讨论过另外的现有技术中已知的气囊织物涂料组合物，以补偿从低温含钠叠氮化物的充气组件到含产生更高温度(大约2000°F)爆炸和充气的化学品的充气组件的潜在变化。
以前，在汽车气囊的织物上使用涂料的目的是为了防止出现空气渗透出织物的不希望的情形，以及保护织物，使其免于被用于对袋体充气的热气所损伤。在该产品早期的发展中，选择的聚合物是聚氯丁烯；然而，减小整个气囊折叠状态的尺寸的需要，以及聚氯丁烯受热时降解、并释放出盐酸成分(因而潜在地降解了织物成分，且释放出有害化学品)的趋势，导致接受其它的涂料化合物，如包括硅树脂(聚二甲基硅氧烷橡胶，仅作为一个例子)、聚氨酯、其它橡胶组合物、以及类似物。众所周知，这些组合物具有该目标气囊织物和缓冲垫所需的渗透性，以及对应于由钠的叠氮化物的充气爆炸所产生的热所具有的抗热保护能力。然而，如上所述，对于用于气囊充气组件中的使用温度更高，费用更低、对人的毒害更小的抗热保护的充气化学品的改进而言，还从来没有任何的讲述，也从来没有可行的建议。发明内容
虽然在传统工业中，硅树脂和氯丁橡胶一度曾在气囊应用的涂料中占有支配地位，如上所述，已确定这些涂料与未过滤的、不含钠的叠氮化物的充气系统相比，存在有明显的缺点。例如，因为需要作完全涂敷(覆盖该气囊织物的浮纱以及纱线之间的间隙)，以在充气过程中实现适当的高温热保护，需要使用大量(昂贵的)硅树脂。而且，低用量的硅树脂弹性体不具备较厚的化合物所具有的抗热性能。故而，需要一种能够完全涂敷在所需气囊织物上的、硅树脂用量低的组合物。遗憾的是，现有技术并不能满足工业需要的这种涂层系统。氯丁橡胶很容易降解，因而不具备足够的老化稳定性，另外，需要非常厚的该橡胶化合物涂料，以提供能抵抗升高的充气温度的涂层。该厚涂层导致更高的费用，加上老化稳定性很差，致使单独的氯丁橡胶成为一种很不受欢迎的涂料成分。在气囊涂层技术中，显然需要一种成本合理的、抗热的涂层系统，以迎接此类挑战。
因而，本发明的一个目的是提供这种涂层系统。本发明的另一个目的是提供一种成本经济的气囊涂敷织物，其和该新的充气组件结合，能承受高温。本发明的又一个目的是提供一种气囊缓冲垫，其采用该新的充气组件，能够把产生于充气过程中的热量屏蔽于司机和乘客之外，从而，本发明包括一种气囊织物，该织物的至少一个部分上涂敷有一种涂料组合物，其中所述涂料组合物包含微球体材料，该材料选自不可膨胀的微球体、预膨胀的微球体、上述二者的混合物、以及至少一种使气体渗透性降低的材料。另外，本发明还包括一种生产一种涂敷的气囊织物的方法，该方法包括步骤：提供一种尚未涂敷的织物；在所述织物的至少一个部分上涂敷一种包含有微球体的组合物，该微球体选自预膨胀的微球体、不可膨胀的微球体、上述二者的混合物、以及至少一种使气体渗透性降低的材料；所述涂敷步骤应用浮刀(floating knife)技术进行。另外，本发明还包括一种生产涂敷的气囊织物的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供一种尚未涂敷的织物；(b)用一种以溶剂稀释的含有微球体的组合物涂敷步骤“a”的织物，该微球体选自预膨胀的微球体、不可膨胀的微球体、上述二者的混合物、以及至少一种使气体渗透性降低的材料；所述涂敷步骤在一种浮刀涂敷器上进行，其中涂敷刀刃的高度大于微球体的最大直径；以及(c)步骤“b”的已涂敷织物通过至少一个加热区，其足以蒸发该溶剂，且硫化该气体渗透性材料。
该特定的织物和该特定的方法，可以提供所需的隔热和抗热性能，而且，当其与使气体渗透性降低的材料混合时，还能使该材料的用量减少，同时仍能保持气囊缓冲垫所需的性能。基本上，膨胀的微球体提供一种屏障，其阻止热量从目标织物的微球体层中传导。没有足够的表面来从气囊缓冲垫内部向外表面传导热流，充气过程的高温就不能够传向复合材料的织物部分，因而就保持了织物的强度。
术语“预膨胀(热膨胀)或不可膨胀的微球体”是指任何空心球状物体(小气球，仅作一例)，其处于热环境中时，可以充分地膨胀，也可以不明显地膨胀。该微球体的直径最大为100微米，且一般地由玻璃、橡胶及类似物组成。本发明中供销售的优选的微球体的商品名称为：Expancel(由Expancel Inc.of Duluth，GA制造，级别为DE或WE)；Q-CEL(由PQ Corporation of Valley Forge，PA制造)；以及Extendospheres(也是由PQ Corporation制造)。迄今为止，还从来没有在气囊织物或缓冲垫上应用过这种预膨胀或不可膨胀的微球体，更不用说提供相同的隔热和抗热效果了(如上面所讨论的)。这些微球体应存在于目标织物和经硫化的使气体渗透性降低的材料之间，以产生一个隔热的空气隔离层。该层的存在实质上阻止了(并且由此散逸)充气过程中所产生的热的传导。
术语“使气体渗透性降低的材料”基本上包括任何公知的气囊织物或缓冲垫涂层材料，其暂时地或永久性地对产生于充气过程中的气体提供一个屏障，防止该气体从该封装内部向外移动。如此，该材料选自含有硅树脂的化合物、聚氨酯、聚丙烯酸酯、丁基橡胶、EPDM、氯丁二烯、氯丁橡胶、聚酰胺、氢化腈橡胶、乙烯-乙烯基乙酸酯的共聚物、和它们的任意混合物或分散体。含有硅树脂的化合物是最优选的，因为其具有极佳的降低气体渗透性和老化稳定性的优点。该材料非限定性地包括：聚二甲基硅氧烷橡胶及其衍生物(诸如Dow Coming3625 LSR硅树脂)、以及它们的任意混合物。从费用角度考虑，聚二甲基硅氧烷橡胶是最优选的。考虑到其它可能的可降低气体渗透性的材料，可能的优选材料包括：聚氨酯(可从Stahl USA，PeabodyMassachusetts获得、商品名为Ru 40-350(40％固体))；聚丙烯酸酯((a)可从Rohm&Hass获得，商品名为RhoplexE-358(60％固体)，(b)可从Shall Chemical Company，Houston，Texas获得，商品名为Epi-RezTM5520(60％固体)，以及(c)可从Para-chem Southern，Inc.，Greenville，South Carolina获得，商品名为Pyropoly AC 2000TM)；聚酰胺分散体(商业名称为MICROMIDTM 632 hpl，由商业地址据信是位于Wayne，New Jersey的Union Camp Corporation营销)；其它聚氨酯树脂(Witcobond 253(35％固体)，来自C&K Witco，以及Sancure，来自BFGGoodrich，Cleveland，Ohio)；氢化NBR(诸如Chemisat LCD-7335X(40％固体)，来自Goodyear Chemical，Akron，Ohio)；以及丁基橡胶(诸如Butyl rubber latex BL-100，来自LordCorporation)。如上所述，也可以应用非硅树脂材料的混合物或组合物，诸如聚氨酯和聚丙烯酸酯的分散体，仅作为一个例子。下面列出了包括含有聚氨酯和聚丙烯酸酯的分散体的可能的优选组合物。优选地，在该例子中，聚氨酯和聚丙烯酸酯的比例应介于大约0.1∶1到大约10∶1之间；优选为从大约1∶1到大约8∶1；更优选为从大约2∶1到大约5∶1；最优选为从大约2∶1到大约2.5∶1。该微球体和使气体渗透性降低的材料的混合物的添加重量，是每一平方码的目标织物上大约0.2到大约2.0盎司，该添加重量优选为大约0.3到大约1.5，最优选为大约0.8。
按照本发明，基体穿过涂敷的弹性树脂涂层而形成的气囊织物基底，该基底优选为由包含有聚酰胺、聚酯或这些纤维的掺合物的平纹组织织物。该纱线的线性密度优选为大约100丹尼尔到大约840丹尼尔，优选210到420丹尼尔。这些纱线优选由多根纤丝形成，其中纤丝的线性密度为每纤丝6丹尼尔或更少，最优选为每纤丝4丹尼尔或更少。该基底织物优选为采用剑杆织机(rapier loom)，或可能采用如Bower等的美国专利5,503,197和5,421,378(在此引入作为参考)公开的流体喷射编织机来编织。应用了涂层系统的该织物基体将在下文中作为气囊基底织物。在含有微球体的组合物中的其它可能存在的成分是：溶剂(如水、挥发性醇、酮、芳香剂及其类似物)、增稠剂、抗氧化剂、防火剂、硫化剂、聚结剂、助粘合剂、以及着色剂。任何公知的供气囊涂层使用的增稠剂(诸如那些含有硅树脂、聚氨酯和/或聚丙烯酸酯的增稠剂)都可以应用于本发明。一种可能优选的增稠剂是由商业地址据信是Wilmington Delaware的Aqualon division ofHercules Corporation营销的商品名为NATROSOLTM 250 HHXR的产品。而且，为了符合Federal Motor Vehicle Safety Standard 302对汽车业的防火要求，优选向化合混合物中添加防火剂。可以应用任何公知的气囊防火剂(包括铝的三水合物，仅作为一个例子)。一种可能的优选防火剂是Great Lake Chemical的DE-83R，70％分散体。
这种有益的微球体层的实施并不是一个简单的任务。为产生上述所需的隔热和抗热性能，而将包含该微球体的气囊涂层组合物应用于目标气囊基底织物，该应用必须以特定的工序来执行。因此，一旦配料完成(优选所得的分散体的粘度为大约8,000～50,000厘泊)，微球体和使气体渗透性降低的材料的组合物可以以三种不同的方式加以应用。首先，组合物可以应用于任何标准的涂敷程序，非限制性的，如：刮涂(scrape coating)。该术语非限制性地包括刮刀涂敷(knife coating)，特别是隙上刮刀台板(knife-over-gap table)、浮刀(floating knife)、辊上刀(knife-over-roll)、以及泡沫上刀(knife-over-foam pad)方法，以命名几种不同类型的方法。无论如何，为了在目标织物表面实现需要的涂敷，该织物必须首先被轧光(压平)，以使间隔空隙到浮纱顶端的谷底至峰顶的距离不大于大约10微米，优选为不大于8微米，最优选为不大于7微米。第二种方法涉及一种未轧光的织物的应用，该织物采用一种特定的浮刀工序，其结合用溶剂稀释的含有微球体组合物。已确知，由于向纱线间隙的移动，以及从未保护的纱线捆的顶部的脱离，所以在未轧光的织物上使用标准刮涂技术，应用含有微球体的气囊涂层组合物、以及使气体渗透性降低的材料，将不能产生所需的隔热和抗热性能。因而，该第二种方法允许在气囊基底织物表面应用微球体，采用调整到一个高度的浮刀，其允许应用至少一层该(实质上充分膨胀的)微球体材料。溶剂蒸发后，无需移动形成纱线捆顶部的材料，涂层的厚度和重量就会被减少。如果刀的高度被设置得太低，微球体将不会正确地排列在织物表面上，而且事实上，刀具将不会分开组合物，而可能实际上把微球体牵引到该织物的接触表面上。如果没有微球体组分的话，将把少量的使气体渗透性降低的材料留在织物的表面。在上述每一种方法中，当按照ASTM实验D737，“AirPermeability of Textile Fabrics”标准测量时，最终的气囊基底织物基本上是不透气的。
必须要遵循这些特定的工序，以使介于织物纱线之间的间隙间隔、以及同一基体的浮纱二者都被完整地覆盖。如果浮纱没有被充分地覆盖，在高放热的充气过程中，织物的结构整体性将极可能受到损害。织物的任何位置上的纱线缺陷，都会导致整个复合结构强度的损失。因而，目标织物的整个被涂敷部分必须被隔热的微球体充分地保护起来。一般地说，采用此含有微球体的组合物进行织物涂敷，都会导致该涂敷组合物从织物的浮纱部分向这些纱线之间的间隔处移动(由于涂敷刀刃的接触、粘接力、重力、以及其它作用于这些微球体上的力)。而当顶峰到谷底的距离太不一致(亦即，从织物的中线到浮纱的峰顶来测量，浮纱的倾斜角度相对太大)时，此问题就更突出了。因为在该例子中，这些微球体将很容易地“滑”进纱线之间的间隔处。这就阻止了这些微球体与浮纱产生足够的接触，以赋予所需的隔热和抗热性能。
因此，上述第一种方法最初产生一种具有很低厚度的织物，因而在整个基体上厚度的变化非常小。在这种情形下，浮纱的倾斜角度和高度(相应于织物的中线)相对地低。结果，这些微球体将不会容易地迁移进入间隔空间处，而大多会保持在浮纱上方。第二种方法，采用用溶剂稀释的组合物，该组合物含有预膨胀的或不可膨胀的微球体或含有上述二者，其中浮刀装置设置在目标织物之上的高度大于含有微球体的组合物的厚度(亦即，位于大于所使用的微球体中最大直径的高度上)。以这种方式，在含有微球体的目标织物上将会均匀地产生一个薄的涂层，这种类型的微球体能够在填充间隔空间的同时，充分地覆盖在浮纱上。
如前面所指出的，基体织物优选为尼龙编织材料。在最优选的实施方案中，该基体织物由6，6尼龙形成，采用箭杆、水喷射、或气喷射织机。已经发现，当结合作本发明的涂层使用时，这种聚酰胺材料具有优异的粘接性能和抗水解性能。对本发明及其优选实施方式的详细描述
下面举出非限制性的例子以进一步地描述本发明。举出的例子仅为了说明本发明的一些优选的实施方案，而不是要以任何方式来限制本发明的范围。为了测定本发明的被涂敷气囊织物、以及其它未被涂敷的和/或被一般地涂敷的织物的抗热容量，推出了一种抗热测试方法。该方法应用了一种经过精确控制的加热喷射空气，该空气以一种受控制和可再生的方式在织物上冲击。喷嘴(直径为0.625”)在20psi(磅/平方英寸)的压力下产生15scfh(标准立方英尺/小时)的气流。穿过喷嘴的空气被加热到1005°F，织物试样(4”×8”)的已涂敷侧向上，被夹持在喷嘴之下，因而，喷嘴在织物之上0.625”处。喷嘴以每秒1英寸的速率横越该织物，织物被热气流修整。这样，织物的拉伸强度就被测定出来，并与未被热处理过的织物相比较。
实施例1
将一种未被涂敷的420丹尼尔6，6尼龙编织气囊织物涂敷以一种组合物，该组合物由71份甲苯、21份硅树脂(Dow Corning 4-7224，含有聚二甲基硅氧烷，其中添加有：硫化剂，如过氧化苯甲酰；以及防火剂，如氧化铝的三水合物)、和8份已热膨胀的微球体(Expancel551DE)。该涂敷采用沟隙(浮)刀涂敷器进行，其中涂敷刀刃设置在织物表面上方至少30微米处。织物通过一个大约为65℃的加热区域，以蒸发掉甲苯溶剂，且通过一个170℃的第二加热区域，以硫化该硅树脂。涂层组合物的总添加重量为大约每平方码织物0.8盎司。热暴露后的剩余强度为大约78％，然而，没有添加微球体、但含有相同数量和类型的硅树脂的控制织物只显示出一个很低的48％的热保持。
实施例2
将一种未被涂敷的420丹尼尔6，6尼龙编织气囊织物涂敷以一种组合物，该组合物由70份甲苯、20份硅树脂(Dow Corning 4-7224，含有聚二甲基硅氧烷，其中添加有：硫化剂，如过氧化苯甲酰；以及防火剂，如氧化铝的三水合物)、和10份玻璃微球体(来自The PQCorporation的Q-CEL2106)。该涂敷采用沟隙(浮)刀涂敷器进行，其中涂敷刀刃设置在织物表面上方至少30微米处。织物通过一个大约为65℃的加热区域，以蒸发掉甲苯溶剂，且通过一个170℃的第二加热区域，以硫化该硅树脂。涂层组合物的总添加重量为大约每平方码织物0.8盎司。热暴露后的剩余强度为大约65％，然而，没有添加微球体、但含有相同数量和类型的硅树脂的控制织物只显示出一个很低的48％的热保持。
本发明当然可以有很多替换的方案和修正，这些都应包含在后附权利要求的精神和范围中。