JP4087451B2 - 酸化銅及び酸化ニッケルで触媒される酸素生成組成物 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、一般に酸素生成組成物、特に酸化銅、酸化ニッケル、及びこれらの組み合わせから選ばれた触媒を含有する酸素生成組成物を改善することに関する。
関連技術の説明
アルカリ金属の塩素酸塩又はその過塩素酸塩の分解に基づく化学的酸素生成組成物は、長い間、例えば旅客機用の非常通気性（breathable）酸素源として使用されてきた。アルカリ金属の塩素酸塩又はその過塩素酸塩を利用した酸素生成組成物は、米国特許第5198147号、第5279761号、第5298187号の各明細書に開示されており、これらをここで参考として取り入れる。
典型的な化学的酸素生成キャンドルは、異なる組成物でかつ異なる反応速度のいくつかの層を有する。この多重層は、酸素生成条件に適応できるように単一組成の代わりにキャンドル中に使用されている。この酸素生成条件は、飛行機がキャビン圧力の低下に続いて降下するときに、経時的に変化する。用途が異なれば、異なる酸素生成条件を有する。当該キャンドルは、典型的にテーパーを有する一般的な円柱型で、一端に点火ペレットを支持するためのくぼみがあり、点火ペレットは、典型的には雷管を発火することによって点火される。その後、点火ペレットからの熱がキャンドルの本体の反応を点火し、酸素が生成する。
航空機酸素生成器は、所定の型の飛行機の降下プロフィールに従って、一般に前もってプログラムされており、最小限の酸素流条件を降下中いつでも満たす必要がある。酸素生成組成物の従来の配合は、一般に塩素酸塩又は過塩素酸塩のような酸素源、鉄粉のような金属粉末燃料、及び触媒として酸化コバルトを含有し得る。酸化コバルトは、塩素酸ナトリウムの分解において非常に高い触媒活性を有するので、ごく少量の酸化コバルト（典型的に０．１％の低さ）が塩素酸ナトリウムの分解を触媒するのに必要である。そのような少量の触媒は、そのような酸素生成組成物の混合物中に均一に配合することが困難なので、酸化コバルトの不均一な分布により、コアからコアまでの反応性が変化し、十分な酸素生成キャンドル又はコアの収量が低下し得る。酸化コバルト、及び水酸化カルシウムのような抑制剤から調製された酸素生成組成物は、不完全な混合のために生ずる高酸化コバルト濃度及び低水酸化カルシウム濃度を有する局部領域があり、低酸化コバルト及び高水酸化カルシウム濃度を有する他の局部よりも非常に高い分解速度を有し、性能が異常で予測できないものとなる。
長期混合は、典型的に酸素生成組成物に基づく酸化コバルトにおける成分配合の不規則性を減少するために使用され、製造の困難性を増加し、製造コストを増加させる。しかしながら、ミキサー壁におけるようなミキサー容器内におけるコア混合物の調製中にも酸化コバルトの損失は起こり、ロットごとに性能が変化する結果になる。加えて、コバルトは、戦略金属であり、高価である。
酸素を生成するための塩素酸塩又は過塩素酸塩の分解触媒として、酸化マンガンを使用した酸素生成組成物が知られている。しかしながら、酸化マンガンを触媒として使用すると、酸素ガス放出において高濃度の塩素を生成する。鉄酸塩触媒配合物も知られていて、過酸化バリウムも反応を緩和するために利用される。しかしながら、過酸化バリウムは有毒であり、過酸化バリウムを含む消費されかつ廃棄された酸素生成器の処理は高価である。成分配合の均一性が容易に達成され、より均一な性能を示し、従来の配合物よりも製造が容易な、改善された酸素生成配合物を提供することが望ましい。本発明はこれらの要求を満たす。
発明の概要
即ち、及び一般的に、本発明は、より均一な性能で、よりなめらかで、より均一な酸素生成速度を生む改善された酸素生成組成物を提供し、酸化コバルトを触媒として使用した塩素酸塩／過塩素酸塩酸素生成組成物と比較してより容易に混合され及び製造される。酸化銅、酸化ニッケル及びこれらの混合物からなる群より選ばれた触媒は、反応を触媒し、酸素生成をなめらかにし、作動する化学的酸素キャンドルのレオロジーを改善し、及びキャンドル成分の混合を促進するために使用される。
本発明は、結果的に酸素生成組成物の点火によって通気性気体を製造するための当該酸素生成組成物を提供し、この組成物は、燃料としての金属粉末、酸化銅、酸化ニッケル、及びこれらの混合物からなる群より選ばれた触媒、塩素除去剤及び反応速度緩和剤としての添加剤、アルカリ金属の塩素酸塩、アルカリ金属の過酸化物塩、及びこれらの混合物からなる群より選ばれた酸素源を含有する。酸素生成組成物は、任意に更に結合剤を含めることができる。ある一つの好ましい形態として、酸素生成組成物は、組成物の点火によって通気性気体を生成する酸素生成組成物を含み、組成物は、燃料としての金属粉末約０．５〜１５重量％、酸化銅、酸化ニッケル、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれた触媒約０．１〜１５重量％、塩素除去剤及び反応速度緩和剤としての添加剤約０．１〜５重量％、結合剤０〜約５重量％、及び残部のアルカリ金属塩素酸塩及びアルカリ金属過塩素酸塩及びこれらの混合物からなる群より選ばれた酸素源を含む。他の好ましい態様として、酸素生成組成物は、燃料としての鉄粉約１〜１０重量％、銅酸化物、ニッケル酸化物及びこれらの混合物からなる群より選ばれた触媒約０．１〜１５重量％、塩素除去剤及び反応速度緩和剤のような添加剤約０．５〜４重量％、結合剤約１〜５重量％、残部のアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩及びこれらの混合物からなる群より選ばれた酸素源を含有する。
酸化銅及び酸化ニッケルは、酸化コバルトより低い触媒活性を有するので、これらをより多く装填して使用され得るので、配合物は、均一に混合するのが容易で、より均一な性能になる。酸化銅及び酸化ニッケルが、酸化コバルトに代わって使用される場合、装填量は２〜５倍多くなる。高い装填量は、調整するのが容易で、酸素生成組成物に均一に混合するのが容易である。酸化銅及び酸化ニッケルも、共に酸化コバルトほど高価ではなく、容易に利用できる。
これら及び他の側面及び本発明の利点は、以下の詳細な説明、及び本発明の特徴を例示する目的で図示した添付図面で明らかになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の原則に従って酸素生成組成物から形成した酸素生成キャンドルの断面図である。
好ましい態様の詳細な説明
活性化された従来の酸素生成コアからの酸素の流れは、しばしばむらがあって不安定である。酸化コバルトを触媒として使用する酸素生成組成物の配合物も、典型的に、各ロット内で及び同じ配合物の異なるロット間で、比較的高い性能の変化を示すが、これは、酸素生成組成物中の成分の不均一配合によるものである。
本発明は、結果的に組成物の点火によって通気性ガスを製造するための酸素生成組成物を包含し、一般に塩素酸塩、金属粉末、並びに酸化銅、酸化ニッケル及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれた触媒、及び反応を緩和し、酸素生成をなめらかにし、塩素生成を抑制し、及び作用する化学的酸素キャンドルの流体力学を改善するための添加剤を含む。この配合物は任意に結合剤を含んでもよい。
本発明の酸素生成組成物は、一般に約０．５〜１５重量％の金属粉末を燃料として含有する。好ましい金属粉末は、鉄、スズ、マンガン、コバルト、ニッケル、タングステン、チタン、マグネシウム、アルミニウム、ニオブ、ジルコニウム、及びこれらの混合物を含む。本発明の好ましい態様の一つとして、高純度で高表面積を有する鉄粉が使用される。適した鉄粉は、電解して、あるいは、水素還元して炭素及び、有毒化合物を酸素生成キャンドルの使用において生成し得る他の不純物が実質的にない鉄粉を生成して得られる。酸素生成キャンドルにおける鉄粉の使用は、熱を与え、塩素酸塩分解の安定化を補助する。
本発明の好ましい態様において、酸素生成組成物は、更に約０．１〜１５重量％の、酸化銅、酸化ニッケル及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれた触媒を有する。酸化銅は、炭酸銅を２６０℃で分解することにより調製され得る。この方法で調製された酸化銅は黒色で、式ＣｕＯを有し、表面積は約６０ｍ²/gである。酸化ニッケルは、炭酸水酸化ニッケルを４５０℃で分解することによって調製され得る。この方法で調製された酸化ニッケルは式ＮｉＯを有し、表面積は約６２ｍ²/gである。他の出所からの酸化銅及び酸化ニッケルも、少なくとも約１ｍ²/gの十分な表面積である限りは好適であるかもしれない。
本発明の好ましい態様において、酸素生成組成物は、約０．１〜約５重量％の１以上のアルカリ化合物を塩素除去剤及び反応速度緩和剤として更に含む。アルカリ化合物は、カルシウム、マグネシウム、リチウム、又はストロンチウムの水酸化物、酸化物、過酸化物、超酸化物、又は炭酸塩であってよい。ある本発明の好ましい態様の一つとして、アルカリ化合物は水酸化カルシウム、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は過酸化リチウムであってもよい。リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム及びストロンチウムの他のアルカリ化合物も、塩素酸塩／過塩素酸塩分解速度をなめらかにし（smooth out）、遊離塩素の生成を抑えるための添加物として使用され得る。好適といえる他のアルカリ化合物の例には、過酸化バリウム、アルミン酸リチウム、炭酸リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、ケイ酸リチウム、炭酸スロトンチウム、リン酸ストロンチウム、アルミン酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウム及びケイ酸ナトリウムが含まれるが、これらに限定されない。
アルカリ化合物は、酸素生成中の副反応によって別に生成した塩素ガスの形成を抑制できる。アルカリ化合物は、反応を緩和し、酸素生成速度をなめらかにすることもできる。アルカリ化合物がないと、酸素生成速度は、より不規則かつ予測できなくなる。好ましいアルカリ化合物は、水酸化及び過酸化カルシウム、酸化、水酸化及び過酸化マグネシウム、水酸化及び過酸化ストロンチウム、過酸化リチウム、及び希土類の酸化物並びに過酸化物である。これらの物質は、空気中で適度に安定であり、毒性がなく、高表面積及び良物理的流動特性を有し、酸素生成キャンドルのレオロジーの変化を補助できるので好ましい。好ましいアルカリ化合物は、空気中で、及び水又は水分と接触して適度に安定であるべきで、小粒径を有し、混合を促進するために良好な物理特性を有し、酸素生成キャンドルのレオロジーの変化を補助するために十分ふわふわしている（fluffy）べきで、毒性がなく又は環境的危険がないべきである。
酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムは、アルカリではないが、高表面積又は小粒径を有し、酸素生成キャンドルの融解レオロジーを変化し、酸化銅及び酸化ニッケルを酸素生成組成物中で分散させるための添加剤として使用され得る。他のアルカリ金属の水酸化物、酸化物、過酸化物及び超酸化物も、塩素形成を抑制し、塩化ナトリウムの分解を緩和できるが、より腐食性であるか、空気感受性であるか、又は均一に分布することが困難であるため好ましくない。水酸化及び過酸化バリウムも塩素を抑制し、塩素酸塩の分解を緩和するが、毒性であるため好ましくない。
本発明の酸素生成組成物は、更に約５％までの１以上の結合剤を任意に含んでもよい。本発明の好ましい態様において、結合剤は、例えばガラス粉末、ガラス繊維、繊維ガラス、セラミック繊維、スチールウール、ベントナイト、カオリナイト及びこれらの混合物のような無機の結合剤であってよいが、他の無機結合剤も好適であり得る。
酸素生成組成物の残部は、好ましくは、アルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩、及びこれらの混合物からなる群より選ばれた酸素源を含む。アルカリ金属の塩素酸塩は、例えば塩素酸ナトリウム、塩素酸カリウム、塩素酸リチウムであるが、他のアルカリ金属の塩素酸塩及び過塩素酸塩も適合させてよい。本発明の好ましい塩素酸塩は塩素酸ナトリウムであり、本発明の好ましい過塩素酸塩は、過塩素酸カリウムである。塩素酸ナトリウムは、塩素酸カリウムと比較して比較的高い単位重量当たりの酸素生成、及び塩素酸カリウム及び過塩素酸カリウム及び過塩素酸リチウムと比較して適度に低い分解温度を有しているため、酸素源として本発明で好ましい。塩素酸ナトリウムの分解は、発熱がいったん開始すれば、本発明の酸素生成組成物から形成した酸素生成キャンドル又はコアの自動継続作用を可能にする。塩素酸ナトリウムも、一般に比較的低価格であるため酸素源として一般的に好ましい。本発明の好ましい様相の一つとして、酸素源は、これとは別に大量の塩素酸ナトリウム及び少量の過塩素酸カリウムの組み合わせであってもよい。
本発明の好ましい態様の一つにおいて、酸素生成組成物は、約１〜１０重量％の金属粉末を燃料として含んでもよく、酸化銅、酸化ニッケル及びこれらの組み合わせからなる群より選択された約０．１〜１５重量％の触媒、約０．５〜４重量％の塩素除去剤及び反応速度緩和剤、０〜約５％の結合剤、及び残部のアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩、及びこれらの混合物からなる群より選ばれた酸素源を含有し得る。
酸素生成コア又はキャンドルの成形において、金属粉末、触媒、塩素除去剤及び反応速度緩和剤の添加剤、及び（もし使用すれば）結合剤は予備混合される。酸素源の塩素酸塩／過塩素酸塩成分は、典型的に約１〜５重量％の水と別々に混合され、酸素生成コア又はキャンドルの形成を促進するために潤滑剤として使用する。予備混合した粉末は、その後湿った塩素酸塩／過塩素酸塩と混合される。化学的酸素キャンドルは、型の中で湿気のある混合物を緊密化し、約１２０℃で乾燥して混合過程で加えた水分を除去することによって形成される。しかしながら、水の少量の残部は、たとえその後乾燥しても酸素生成組成物中に残留する。
図１を参照すると、典型的な化学的酸素生成キャンドル１０は、一般に異なった配合物を有するいくつかの層から成り立っている。この異なった配合物を有する多重層が、所望の酸素生成速度に一致するように、具体的な用途の要求に基づいて設計されるのは、用途が異なれば、異なった酸素生成速度の要求があるからである。図１に示す酸素生成キャンドルは５つの層を有するが、いかなる数の層も酸素生成キャンドルを形成するために使用され得る。鉄粉は、一般に好ましくは１以上の層において、用途によって燃料として使用される。種々のタイプの層間の境界面の形が図１に示されており、これは、ある層から他へ進行するような反応の移動の制御を補助するために使用される。境界面の形及び層の相対的な大きさと反応性は、酸素生成キャンドルの特定の用途の要求に従って変更され得る。酸素生成キャンドル又はコアは、典型的にテーパーを有する円柱型に形成される。キャンドルの頂点には、点火ペレット１２を支持するためのくぼみがあり、この点火ペレットは、例えば雷管に点火することによって点火させることができる。典型的な点火ペレットは、例えば、約３５重量％の鉄、１３〜１５重量％の酸化コバルト、約５％の酸化鉄、約３〜４重量％の結合剤、及び残部の塩素酸ナトリウムの組成物を有する。点火ペレットからの熱は、酸素を放出するための酸素生成キャンドルの層１４、１６、１８、２０、２２の分解を開始するのに十分である。
本発明の酸素生成組成物は、更に以下の実施例で例証され、％は重量％を示すものとする。
実施例１
第１層 １５ｇ；鉄粉１２％、Ｍｇ（ＯＨ）₂０．５５％、酸化コバルト９．５％、ガラス粉末４％、ＮａＣｌＯ₃７３．９５％
第２層 ３０ｇ；鉄粉６．５％、Ｍｇ（ＯＨ）₂０．７％、ＣｕＯ３．６％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃８７．２％
第３層 １１０ｇ；鉄粉５．４％、Ｍｇ（ＯＨ）₂１％、ＣｕＯ１．１５％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃９０．４５％
第４層 １１５ｇ；鉄粉１．７５％、Ｍｇ（ＯＨ）₂１％、ＣｕＯ０．５５％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃９４．７０％
第５層 １００ｇ；鉄粉１．０％、Ｍｇ（ＯＨ）₂０．７％、酸化コバルト０．１８％、ＣｕＯ０．５％、ガラス粉末３．５％、ＮａＣｌＯ₃９４．１２％
各層の粉末を塩素酸ナトリウムなしで予備混合し、予備混合した粉末を塩素酸ナトリウムと混合した。少量の蒸留水を使用して各混合物を湿らせた。化学的酸素キャンドルを型の中で湿気のある混合物を緊密化して形成した。当該キャンドルを、１２０℃で乾燥して添加した水を除去した。
乾燥したキャンドルをステンレスハウジングの中に置き、点火し、１５．８分間作用し、室温で約１１１．５リットルの酸素を生成した。反応は均一で、消費したキャンドルは、均一なテクスチャーを有していた。
実施例２
第１層 １７ｇ；鉄粉１２．５％、酸化コバルト９．５％、ガラス粉末４％、ＮａＣｌＯ₃７４％
第２層 ４８ｇ；鉄粉６．７％、酸化コバルト１．５％、酸化マグネシウム１％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃８８．８％
第３層 １００ｇ；鉄粉５．５％、酸化コバルト０．５３％、酸化マグネシウム１％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃９０．９７％
第４層 ８５ｇ；鉄粉３．４％、酸化銅０．８％、酸化マグネシウム１％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃９２．８％
第５層 ７０ｇ；鉄粉２．５％、酸化銅０．４％、酸化マグネシウム１％、ガラス粉末２．５％、ＮａＣｌＯ₃９３．６％
第６層 ５０ｇ；鉄粉１．５％、酸化銅０．５％、酸化マグネシウム１％、ガラス粉末３％、ＮａＣｌＯ₃９４％
酸素キャンドルは、これら６つの層で形成し、キャンドルの作用を開始するとキャンドルはなめらかに１５．８分間作用し、室温で１１０．５リットルの酸素が生成した。
実施例３
第１層 ２５ｇ；鉄粉１３％、酸化コバルト９．５％、ガラス粉末３％、ＮａＣｌＯ₃７４．５％
第２層 ５５ｇ；鉄粉８％、Ｃａ（ＯＨ）₂０．５％、Ｃｏ₃Ｏ₄１．９％、ガラス粉末２．５％、ＮａＣｌＯ₃８７．１％
第３層 １００ｇ；鉄粉６．５％、Ｃａ（ＯＨ）₂０．５％、ＣｕＯ２．２％、ガラス粉末２％、ＮａＣｌＯ₃８８．８％
第４層 １３０ｇ；鉄粉３．２５％、Ｃａ（ＯＨ）₂０．５％、ＣｕＯ１％、ガラス粉末２．５％、ＮａＣｌＯ₃９２．７５％
第５層 １０５ｇ；鉄粉１．２％、Ｃａ（ＯＨ）₂０．５％、ＣｕＯ０．８％、ガラス粉末２．５％、ＮａＣｌＯ₃９５％
これら５つの層の酸素キャンドルは、２１．１分間なめらかに作用し、室温で１２０．８リットルの酸素を生成した。
本発明の特別な形態が既に説明しかつ記述されている一方で、種々の修正は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われてよい。例えば、水は前記実施例中において組成物の形成に利用されるが、適宜乾燥混合物を圧縮して化学コアを形成し得るだろう。更に、説明した当該コアは、典型的にテーパーを有する円柱型であるが、型は、他のいかなる外形で作成されてもよい。従って、従属請求項による他は、本発明が限定されることを意味するものではない。

Claims (5)

1. 酸素生成組成物の点火によって通気性ガスを製造するための当該酸素生成組成物であって、
   鉄、すず、ニッケル、コバルト、アルミニウム、マグネシウム及びこれらの混合物からなる群より選択される、金属粉末燃料０．５〜１５重量％、
   水酸化カルシウム、過酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、過酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、過酸化ストロンチウム、過酸化リチウム、希土類の酸化物、希土類の過酸化物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、塩素除去剤として及び反応速度緩和剤としてのアルカリ添加剤０．１〜５重量％、
   酸化銅、酸化ニッケル及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれた触媒０．１〜１５重量％、及び
   残部のアルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩、及びこれらの混合物から選ばれた酸素源、
   を含むことを特徴とする酸素生成組成物。
2. 前記酸素源が、塩素酸ナトリウム、塩素酸カリウム、塩素酸リチウム、及びこれらの混合物からなる群より選ばれたアルカリ金属塩素酸塩であるか、又は、前記酸素源が、過塩素酸カリウム、過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウム、及びこれらの混合物から選ばれたアルカリ金属過塩素酸塩である、請求項１に記載の酸素生成組成物。
3. さらに５％までの結合剤を含有する請求項１又は２に記載の酸素生成組成物。
4. 前記結合剤が、ガラス粉末、ガラス繊維、セラミック繊維、スチールウール、ベントナイト、カオリナイト及びこれらの混合物からなる群より選択された無機の結合剤である、請求項３に記載の酸素生成組成物。
5. 前記触媒が、少なくとも６０ｍ ² /gの表面積を有する、請求項１〜４の何れか１項に記載の酸素生成組成物。

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