Airbags - Chemische Feitelijkheden

Inhoud
Startpagina
Airbags
199–1
Airbags
door Arthur van Zuylen,
wetenschapsjournalist
Deze Chemische Feitelijkheid is geschreven in samenwerking met
dr. Antoine van der Heijden en drs. Jos Mul, afdeling Pyrotechniek en
Energetische Materialen TNO, Prins Maurits Laboratorium, Postbus 45,
2280 AA Rijswijk.
tel. 015 284 37 83, e-mail: [email protected].
Met dank aan dr. Volker Siejak, Acordis/Akzo Nobel, Arnhem.
1.
2.
2.1
2.2
3.
3.1
3.2
3.3
4.
5.
6.
7.
Inleiding
Technologie
Opbouw
Werking
Chemie
Klassieke airbagformuleringen
Alternatieven
Polymeren
Milieu
Veiligheid
Nieuwe ontwikkelingen
Literatuur en websites
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
199– 3
199– 4
199– 4
199– 4
199– 5
199– 5
199– 6
199– 7
199– 9
199– 9
199– 10
199– 11
tekst_141/199
Inhoud
Startpagina
Airbags
1.
199–3
Inleiding
Begin jaren 1990 was een airbag nog een luxueus extraatje op dure
auto’s, maar tegenwoordig zijn vrijwel alle (personen)wagens van
zo’n ‘botszak’ voorzien. Vaak zelfs van meerdere: behalve voor de
bestuurder ook voor de passagier die voorin zit en steeds vaker ook
voor de passagiers op de achterbank. In Nederland en andere Europese landen vormen airbags vooral een vorm van aanvullende veiligheid. Gordels zijn hier verplicht en verhogen bij een frontale botsing
de overlevingskans met circa 40 %. In combinatie met een airbag
stijgt die kans tot 45 à 50 %.
De eerste ideeën voor het gebruik van airbags stammen van meer dan
vijftig jaar geleden. In oktober 1951 vroeg de Duitse onderzoeker
Walter Linderer uit München patent aan op een systeem dat moest
bestaan uit ‘een opblaasbaar reservoir in samengevouwen toestand,
dat zich in geval van gevaar automatisch opblaast zodat een persoon
bij een botsing tegen dit zachte elastische reservoir wordt geslingerd
zonder enig letsel op te lopen’.
Het uitwerken van dit idee bleek nog moeilijker dan de patenten-taal
waarin Linderer het verwoord had. Het zou dan ook tot 1973 duren
voordat de eerste consumentenwagen met airbag van de lopende band
rolde. Het betrof een Oldsmobile in de VS, die spoedig gevolgd zou
worden door een Chevrolet van ’s werelds grootste autofabrikant
General Motors. Andere fabrikanten –waaronder het Zweedse Volvo–
volgden in de jaren daarna.
Dat men juist in de VS zo gespitst was op het invoeren van airbagsystemen is niet zo vreemd. Anders dan in Europa hebben de meeste
Amerikanen een grote hekel aan autogordels. In plaats van deze actieve bescherming (een gordel moet je immers zélf omdoen) zocht men
er naarstig naar een passieve bescherming (lees: een airbagsysteem
dat ‘zelfdenkend’ is). En zoals bij ons gordels sinds jaar en dag verplicht zijn, zo zijn in de VS sinds 1998 airbags verplicht voor de
bestuurder én voor de passagier op de stoel voorin.
Nadat ze uit de VS kwamen overwaaien zijn de airbags ook in Europa
ingeburgerd geraakt. Vanwege het gordelgebruik hier en het formaat
van de auto’s daar is er wél een groot verschil met Amerika: de airbags in Europese auto’s kunnen een stuk kleiner zijn.
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
tekst_141/199
Inhoud
Startpagina
199–4 Airbags
2.
Technologie
2.1 Opbouw
De crux van een airbagsysteem is dat het supersnel werkt: na een botsing van de auto moet het syteem in een fractie van een seconde zijn
beschermende functie vervullen, anders is het voor de passagier(s) te
laat. Behalve chemie (zie de volgende paragraaf) komt daar veel technologie bij kijken.
Een compleet airbagsysteem bestaat grofweg uit drie elementen: een
elektronische botssensor ergens op de carrosserie, een opgevouwen
luchtzak in het stuur (of in een ander compartiment, zoals het handschoenenkastje, de rugleuning of deur) en tot slot een gasgenerator
met een elektronische ontsteker die de zak moet opblazen. Het stuurhuis of compartiment waarin de airbag zit is gemaakt van een niet
splinterende sterke polymeer –vaak een thermoplastische elastomeer–
en bevat een breukvlak waarlangs het openbreekt als de airbag zich
na een botsing ontvouwt.
0886-0370
Figuur 1. Stuur met airbagysteem. De gasgenerator plus ontsteker
(rechtsonder) bevinden zich normaliter in de holte onder de airbag.
2.2 Werking
Bij een botsing met een snelheid boven de 20 kilometer per uur
registreert de elektronische botssensor de vertraging van de auto en
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
Inhoud
Startpagina
Airbags
199–5
geeft hij een signaal af aan een speciale chip, die binnen 10 milliseconden beslist of de airbag moet worden opgeblazen. Daarbij ‘kijkt’
de chip onder andere of de botsing vóór of achter plaatsvindt. Geeft
de botssensor het groene licht, dan wordt de zak binnen zo’n 25 milliseconden volledig gevuld; wanneer het botsslachtoffer vervolgens
wordt opgevangen loopt de zak in 65 milliseconden weer leeg via
holten in de achterkant van het airbagsysteem. Op die manier absorbeert de airbag de voorwaartse beweging van de inzittende en wordt
voor het slachtoffer de klap van de botsing verminderd. De zak blijft
dus níet opgeblazen (zoals ooit te zien was in een reclamespotje van
Mazda, waarin een bestuurder zijn airbag als slaapkussen gebruikte),
want dan zou het botsslachtoffer worden teruggekaatst in zijn stoel.
0886-0371
Figuur 2. Airbag in werking bij een botsproef. Deze sequentie duurt circa ééntiende seconde – dat is minder dan de tijd waarmee je met je ogen knippert.
3.
Chemie
3.1 Klassieke airbagformuleringen
Toen de airbags nog in de kinderschoenen stonden, was het grootste
probleem van de ontwerpers hoe ze een zak van enkele tientallen
liters groot in zo’n korte tijd veilig konden vullen. Dat dit met een gas
moest gebeuren was duidelijk, maar dat gas mocht niet giftig of te heet
zijn omdat de inzittende de botsing dan ook niet zou overleven.
Uiteindelijk vond de autoindustrie voor de gasbron de oplossing in
natriumazide (NaN3), een zusje van het uit de explosievenwereld
bekende loodazide (Pb(N3)2).
Natriumazide kan tegen een stootje (de stof ontleedt pas bij 275 ºC)
en levert na ontsteking een grote hoeveelheid stikstofgas (N2) op, dat
voor de mens onschadelijk is. Tachtig procent van de lucht die we
inademen bestaat immers uit stikstofgas. Een tweede voordeel van
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
tekst_141/199
Inhoud
Startpagina
199–6 Airbags
N
N
Na
0886-0372
N
Figuur 3. Structuurformule van natriumazide NaN3
natriumazide is dat je er niet veel van nodig hebt. Een handvol NaN3
volstaat om een complete airbag te vullen: 130 gram levert bijna 70
liter stikstofgas op.
Het gros van de huidige airbagsystemen bevat dan ook een gasgenerator met natriumazide-pilletjes, die na een botsing via een vonk van
de ontsteker tot ‘ontploffing’ worden gebracht (even terzijde: in de
beginjaren was om die reden in Italië een wapenvergunning nodig
voor een airbag, omdat het systeem een explosief en een ontstekingsmechanisme bevat). Na ontsteking van de pilletjes treedt de volgende chemische reactie op:
2 NaN3
2 Na + 3 N2
Het schadelijke natrium dat bij deze reactie vrijkomt wordt weggevangen door kaliumnitraat en siliciumoxide, waarbij nog meer stikstofgas ontstaat:
K20 + 5 Na2O + N2
10 Na + 2 KNO3
K2O + 5 Na2O + 6 SiO2
K2SiO3 + 5 Na2SiO3
De vaste kalium- en natriumsilicaatdeeltjes die bij deze reacties ontstaan moeten overigens door filters in het airbagsysteem worden
tegengehouden om te voorkomen dat ze in de longen van het botsslachtoffer terecht komen.
3.2 Alternatieven
Hoewel natriumazide door de relatief lage kosten en de grote stikstofgas-opbrengst de airbagmarkt overheerst, bestaan er wel degelijk
alternatieven voor het opblazen van de luchtzak. Wie in een Franse auto
rijdt heeft bijvoorbeeld grote kans dat er airbags in zitten die werken
op nitrocellulose. Deze springstof levert bij verbranding kooldioxide-
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
Inhoud
Startpagina
Airbags
199–7
gas (CO2) op en heeft als voordeel dat bij die verbrandingsreactie
geen schadelijke vaste deeltjes vrijkomen zoals bij natriumazide. Op
kleine schaal zijn bovendien airbags geproduceerd met gascilindertjes –in de stuurkolom zitten dan stikstof- of kooldioxidepatronen die
na een botsing worden geopend door een elektronische sensor en die
de airbag vervolgens razendsnel kunnen vullen.
De afgelopen jaren hebben fabrikanten ook andere gasbronnen voor
airbags beproefd. Kaliumchloraat en kaliumperchloraat bijvoorbeeld
(KClO3 respectievelijk KClO4, afkomstig uit de vuurwerkwereld),
ammoniumnitraat (NH4NO3 – bekend als kunstmest, maar tevens een
springstof) en zogeheten triazolen en tetrazolen (ringvormige verbindingen met veel stikstofatomen).
N
N
N
N
0886-0373
N
N
N
H
Figuur 4. Structuurformule van tri- en tetrazolen. De talrijke stikstofatomen
(N) kunnen als bron dienen voor de vorming van stikstofgas (N2).
Het speuren naar dergelijke alternatieven is echter minder een issue
dan een jaar of vijf geleden. De auto-industrie lijkt tevreden met de
huidige airbag-formuleringen en de Europese of Nederlandse overheid heeft hen (nog) geen prikkels gegeven om milieuveiligere luchtzakken te maken.
3.3 Polymeren
Ook bij de fabricage van de airbag-zakken zelf komt de chemie om
de hoek kijken. Wereldwijd zijn de twee grootste producenten die de
garens voor de zakken spinnen het Amerikaanse Dupont en het Europese Acordis (een afsplitsing van Akzo Nobel). Twee ‘klassieke’ polymere materialen voeren de boventoon bij de fabricage van airbags:
nylon (zie figuur 5, ook bekend als polyamide 6.6) en polyester.
Dankzij de symmetrische structuur van de polyamide-backbone en de
aanwezigheid van waterstofbruggen bestaat nylon uit bijzonder goede
vezels waaruit de garens kunnen worden gesponnen.
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
tekst_141/199
Inhoud
Startpagina
199–8 Airbags
0886-0374
Figuur 5. 3D-structuurformule van nylon 6-6, waarin duidelijk de karakteristieke waterstofbruggen tussen de ketens te zien zijn die het materaal (mede) zijn bijzondere eigenschappen verlenen.
In het verleden kregen airbags aan de binnenkant nog een coating van
rubber, kunstrubber (neopreen) of siliconen om te voorkomen dat er
teveel stikstof of vaste deeltjes via de voorkant van de zak zouden
weglekken. Dit maakte hergebruik van de stoffen bijna onmogelijk
omdat de zak geen monomateriaal was. Dankzij een draaddikte van
20 micrometer kunnen de nieuwere garens echter zodanig geweven
worden dat zo’n coating overbodig is: 80 procent van het gasmengsel
verlaat de airbag via de achterkant, 20 procent via speciale zomen aan
de zijkant. Deze nieuwe garens maken de productie van de luchtzakken goedkoper dan voorheen.
Naar verwachting staan er de komende jaren geen grote revoluties op
dit vlak te wachten. Wel zoeken de autofabrikanten samen met de
garenproducenten naar mogelijkheden voor verdere kostenreductie,
bijvoorbeeld door bij de fabricage van de airbags het materiaalverbruik omlaag te brengen door een andere manier van construeren.
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
Inhoud
Startpagina
Airbags
4.
199–9
Milieu
Natriumazide-airbagsystemen hebben zoals gezegd enkele nadelen.
Eén daarvan is de milieuschade; een probleem dat vooral speelt bij de
recycling van auto’s. De meeste wagens belanden op de sloop met
een intacte airbag, waarin dus nog de natriumazide-pillen aanwezig
zijn. Door een reactie met water kan uit dit natriumazide het uiterst
giftige en ontvlambare stikstofwaterstofzuur (HN3) ontstaan, wat
zowel voor het milieu als voor de werknemers van de recylingbedrijven flinke risico’s oplevert.
De oplossing voor dit probleem lijkt even simpel als doeltreffend:
zorg ervoor dat de airbag wordt opgeblazen vóórdat de auto op de
sloop uit elkaar wordt gehaald. Er bestaan handleidingen voor om dat
binnen of buiten de auto te doen en sommige airbagsystemen
beschikken zelfs over een speciale ontsteker voor dit doel. Maar
vreemd genoeg bestaat in Nederland nog steeds geen éénduidige
regelgeving voor dit probleem, terwijl je ervan uit kunt gaan dat het
aantal airbags dat op de sloop belandt de komende jaren sterk zal
groeien. De eerste generaties auto’s die ermee waren uitgerust beginnen immers aan het einde van hun gangbare levenscyclus te komen.
5.
Veiligheid
Hoewel airbags het autorijden veiliger maken, zorgen ze soms juist
voor complicaties – met name luchtdrukverwondingen komen regelmatig voor. Op zich is dat niet zo vreemd: een airbag komt met een
snelheid van bijna 200 kilometer per uur uit zijn compartiment te
voorschijn en zeker als een auto relatief langzaam rijdt kan dat tot een
soort ‘boksbal’-effect leiden. Doorgaans blijft het bij blauwe plekken
en oogbeschadigingen, maar in het ergste geval kan het zelfs tot een
gescheurde hartboezem leiden.
Uit cijfers van de American National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) blijkt dat er tussen 1980 en 1997 in de VS ruim 1,8
miljoen botsingen zijn geweest met auto’s die waren uitgerust met
een airbag. Daardoor zijn er meer dan 2.600 mensenlevens gered en
is een nog grotere groep ernstig hersenletsel bespaard gebleven.
Keerzijde van de medaille was dat in dezelfde periode bijna 90 slacht-
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
tekst_141/199
Inhoud
Startpagina
199–10 Airbags
offers als gevolg van een ‘ontplofte’ airbag zijn overleden. In de VS
heeft dat tot discussies geleid over de veiligheid van airbags en kunnen mensen om die reden tegenwoordig een aan/uit-schakelaar voor
hun airbagsysteem kopen.
In Nederland en andere Europese landen zijn er vanwege ongelukken
met airbags extra maatregelen getroffen om babies en jonge kinderen
te beschermen. Zo mogen babies in een maxi-cosi alléén achterstevoren (dus met het gezicht richting achterruit) worden vervoerd in
een auto, om te voorkomen dat zij bij een botsing een dreun van de
luchtzak krijgen.
6.
Nieuwe ontwikkelingen
De airbag is na vijftig jaar nog steeds niet uitontwikkeld. De toekomst
ligt echter niet in méér airbags, aangezien een beetje luxe wagen er al
helemaal mee volgestouwd zit: het stuur, het handschoenenkastje, de
deuren, de stoelen – in dure modellen zelfs het plafond voor als de
auto over de kop gaat. De toekomst ligt vooral in slimmere airbagsystemen, die bovengenoemde verwondingen kunnen voorkomen.
Airbagfabrikanten hopen bijvoorbeeld het probleem van de luchtdrukverwondingen te ondervangen door het vouwpatroon van de zak
te veranderen. Het ‘klassieke’ patroon is een harmonica, waardoor de
zak in één keer als een pakket recht naar voren komt. Inmiddels worden grote zakken ook als een ‘dwarse’ harmonica of in een willekeurig ‘chaos’-patroon gevouwen, waardoor ze meer in de breedte uitzetten. De klap komt dan minder hard aan.
Een stap verder gaat de ontwikkeling van extra bewegings- en gewichtssensoren die de inzittenden in de gaten houden. Zit iemand ver
naar voren op zijn stoel (bijvoorbeeld als hij op het moment van botsing
toevallig voorover buigt om iets uit het handschoenenkastje te pakken) of gaat het om een klein persoon, dan geven de sensoren dat door
en wordt de airbag gefaseerd opgeblazen. Dit effect kan natuurlijk alleen bereikt worden door afzonderlijke gasgeneratoren of generatoren
met meerdere verbrandingskamers in te bouwen, of door de luchtzak meerdere compartimenten te geven die achtereenvolgens worden gevuld.
Om dergelijke out-of-position botsingen te voorkomen is de laatste
jaren ook het samenspel tussen airbag en autogordel aanmerkelijk
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
Inhoud
Startpagina
Airbags
199–11
verbeterd. Steeds meer auto’s worden uitgevoerd met een zogeheten
pre-tensioning systeem: daarbij activeert een speciale elektronische
botssensor een veer die de gordel aantrekt, waardoor een slachtoffer
in het eerste moment na de botsing dichter bij zijn stoel blijft.
Hetzelfde effect wordt bereikt met het nieuwste snufje dat al op de
autosalons is gepresenteerd: een gordel met ingebouwde mini-airbags.
In een ontwikkelstadium zijn bovendien auto’s met airbags aan de
buitenkant, die bij een botsing met een voetganger of fietser het ongelukkige slachtoffer moeten beschermen tegen ernstige verwondingen.
Of deze innovatie ook daadwerkelijk de markt bereikt zal de tijd
moeten leren.
7.
Literatuur en websites
-
R. Petrucci & W. Harwood, General Chemistry – Principles and
Modern Applications, Prentice Hall, New Jersey, 1993, 6th
edition, ISBN 0-0239-49317.
P.M. Miller, The crashworthiness of automobiles, Scientific
American, 228, 1973, 2, 78-83.
A.J. van Zuylen, Airbagfabrikanten verkopen geen lucht,
Chemisch Magazine, 89, 1993, 10, 420-421.
A.J. van Zuylen, Botsbal soms boksbal, Natuur & Techniek
wetenschapsmagazine, 70, 2002, 11, 44-45.
-
Internet
-
www.wt.tno.nl, site van TNO over hun onderzoek naar betere
airbagsystemen.
www.nhtsa.gov, site met info over de Amerikaanse regelgeving
omtrent airbags – inclusief foto’s van botsproeven.
41 Chemische Feitelijkheden september 2003
tekst_141/199