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Dokumentenidentifikation DE69333292T2 13.05.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001118606
Titel Komprimierbare Infrarot-Beleuchtungszusammensetzungen
Anmelder Alliant Techsystems Inc., Edina, Minn., US
Erfinder Nielson, Daniel B., Brigham City, Utah 84302, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 69333292
Vertragsstaaten DE, FR, GB, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.06.1993
EP-Aktenzeichen 011013950
EP-Offenlegungsdatum 25.07.2001
EP date of grant 05.11.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.05.2004
IPC-Hauptklasse C06B 45/10
IPC-Nebenklasse C06C 15/00   C06B 33/04   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Leuchtmittelzusammensetzungen, die erhebliche Mengen an infraroter Strahlung emittieren. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung pressbare/stampfbare („pressable/tampable") Infrarotleuchtmittelzusammensetzungen, die hohe anfängliche Verbrennungsgeschwindigkeiten zeigen, sauber verbrennen und relativ kleine Mengen sichtbaren Lichts im Verhältnis zur emittierten infraroten Strahlung emittieren.

2. Technischer Hintergrund

In verschiedenen Situationen besteht ein Bedarf an einer Fähigkeit, bei Nacht oder während Perioden von wesentlich verringertem Sonnenlicht deutlich zu sehen. Derartige Situationen können beispielsweise Such- und Rettungsaktionen, polizeiliche Überwachung und militärische Operationen enthalten. In diesen Arten von Situationen ist es häufig wichtig, dass Kompetenzträger die Fähigkeit besitzen, deutlich zu sehen, sogar obwohl es nur eingeschränktes Sonnenlicht gibt.

Um das Problem der Sicht bei Nacht oder während Perioden von wesentlich verringertem Sonnenlicht zu lösen, sind Geräte entwickelt worden, die es einem erlauben, auf Basis der verfügbaren infraroten Beleuchtung eher als auf sichtbarem Licht zu sehen. Während die Infrarotsichtgeräte verschiedene Konfigurationen annehmen, sind die vielleicht am weitesten verbreiteten Arten von Infrarotsichtgeräten Nachtsichtbrillen.

Diese Geräte bieten einzelnen Benutzern die Fähigkeit, bei Nacht deutlicher zu sehen, während sie die Mobilität des einzelnen Benutzers nicht wesentlich einschränken.

Um die Verwendung von Infrarotsichtgeräten zu erleichtern, wurde es für vorteilhaft erachtet, die verfügbare Infrarotstrahlung im Gebiet des Interesses zu erhöhen. In dieser Hinsicht sind Infrarot-emittierende Aufhellungsmechanismen entwickelt worden. Derartige Mechanismen haben eine Vielzahl von Konfigurationen angenommen; jedoch umfassen die am umfangreichsten verwendeten Mechanismen Fackeln, die relativ große Mengen infraroter Strahlung zusätzlich zu jeglichem sichtbaren Licht, das erzeugt werden kann, emittieren.

Infrarot-emittierende Fackeln sind im Allgemeinen weitgehend auf die gleiche Weise aufgebaut wie sichtbares Licht emittierende Fackeln. Derartige Fackeln können Infrarotstrahlung an einer einzelnen Stelle am Boden bereitstellen oder sie können derartige Strahlung über der Erde bereitstellen. Im Fall von Operationen über der Erde enthält das Fackelsystem ein inneres oder äußeres Antriebsmittel, das dem Anwender erlaubt, die Fackel in eine gewünschte Richtung zu schießen. Zusätzlich enthält die Fackel selbst einen Stoff, der beim Verbrennen erhebliche Mengen Infrarotstrahlung erzeugt. In einer allgemeinen Operation wird die Fackel über das Gebiet des Interesses getrieben und angezündet. Die emittierte Infrarotstrahlung erhöht dann den Nutzen der Infrarotsichtgeräte, wie zum Beispiel Nachtsichtbrillen, stark.

Bei der Entwicklung geeigneter Infrarot-emittierender Zusammensetzungen zur Verwendung in derartigen Fackeln ist man auf eine Anzahl von Problemen gestoßen. Beispielsweise wird es anerkannt, dass es häufig wünschenswert ist, eine Infrarotemittierende Fackel zur Verfügung zu stellen, die keine übermäßigen Mengen sichtbaren Lichts emittiert. In Situationen, in denen es wünschenswert ist, Operationen im Schutz der Nacht mit einem Maß an Heimlichkeit durchzuführen, ist diese Fähigkeit zwingend erforderlich. Übermäßige Emission sichtbaren Lichts aus der Fackel könnte die Existenz der Fackel Einzelpersonen in dem Gebiet zum Bewusstsein bringen, was wiederum die Effektivität der gesamten Operation wesentlich reduzieren kann.

Mit den bekannten Zusammensetzungen für Infrarotfackeln hat man herausgefunden, dass tatsächlich übermäßiges sichtbares Licht emittiert wird. In dieser Hinsicht kann die Leistung von Infrarot-emittierenden Vorrichtungen anhand des Verhältnisses der Menge der emittierten Infrarotstrahlung zur Menge des emittierten sichtbaren Lichts beurteilt werden. Man findet, dass dieses Verhältnis für viele gewöhnliche Infrarotemittierende Zusammensetzungen niedrig ist, was zeigt, dass aus der Fackel ein großer Anteil sichtbaren Lichts emittiert wird.

Ein anderes Problem, das bei der Verwendung von Infrarotemittierenden Zusammensetzungen auftritt, betrifft die erreichte Verbrennungsgeschwindigkeit. Viele bekannte Zusammensetzungen besitzen Verbrennungsgeschwindigkeiten, die niedriger als gewünscht sind, was zu einer geringeren Infrarotstrahlung führt, als gewünscht wäre. Um eine effektive Fackel bereitzustellen, sind relativ hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten notwendig.

Man beobachtet häufig, dass sich das Brennende der Fackelzusammensetzung (Oberflächenbereich) mit der Zeit drastisch vergrößert. Dieses Kennzeichen ist im Allgemeinen ebenso unerwünscht. Im Fall einer Infrarot-emittierenden Fackel, die in die Luft geschossen wird, bedeutet das, dass weniger Infrarotstrahlung emittiert wird, wenn die Fackel hoch über der Oberfläche ist, während mehr Infrarotstrahlung emittiert wird, während die Fackel nahe der Oberfläche ist. Tatsächlich findet man häufig, dass die Fackel weiterbrennt, nachdem sie auf den Boden aufgeschlagen ist.

Es wird anerkannt, dass diese Kurve der Verbrennungsgeschwindigkeit gerade das Gegenteil von der ist, die im Allgemeinen wünschenswert wäre. Es ist wünschenswert, eine hohe Intensität der Infrarotleistung zu haben, wenn die Fackel auf ihrer maximalen Höhe ist, um eine gute Ausleuchtung des Bodens zu bieten. Es ist weniger kritisch, eine hohe Infrarotleistung zu haben, wenn sich die Fackel dem Boden nähert, einfach weil die Entfernung zwischen dem Boden und der Fackel nicht so groß ist (Ausleuchtung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: Ausleuchtung = (I × 4&pgr;)/(4&pgr;R2), worin I die Intensität in Watt/Raumwinkel, R die Entfernung in Fuß von der Fackel zu dem Gegenstand ist, der ausgeleuchtet wird, und Ausleuchtung in Einheiten von Watt/Meter2 ausgedrückt wird). Schließlich ist es wünschenswert, dass die Fackel die Arbeit einstellt, bevor sie auf der Oberfläche aufschlägt, um die Entdeckung und offensichtliche Probleme zu verringern, wie zum Beispiel Feuer, das verursacht werden kann, wenn eine brennende Fackel auf den Boden aufschlägt.

Ein anderes Problem, das häufig bei bekannten Infrarot-emittierenden Stoffen auftritt, ist das Ausbrechen („chunking out"). Dieses Phänomen betrifft das Ausbrechen oder die loslösende Trennung leuchtender Körner der Fackel während des Betriebs. In diesen Situationen findet man, dass große Teile der Infrarot-emittierenden Zusammensetzung aus der Fackel herausbrechen und zu Boden fallen. Dies ist problematisch, weil die Fackel nicht wie geplant arbeitet, wenn große Teile der Infrarot erzeugenden Zusammensetzung fehlen, die Menge der Infrarotleitung über der betreffenden Stelle eingeschränkt ist und herunterfallende Stücke des brennenden Fackelmaterials ein Sicherheitsrisiko erzeugen.

Man hat auch gefunden, dass die Verwendung herkömmlicher Fackelzusammensetzungen zur Rußbildung führt. Rußbildung kann die Arbeit des Leuchtgeräts auf einige Arten nachteilig beeinträchtigen. Dazu gehört das Verursachen einer Zunahme an emittiertem sichtbarem Licht. Wenn Ruß oder Kohlenstoff erhitzt werden, kann er als schwarzer Strahler strahlen. Rußbildung trifft man hauptsächlich wegen in der Infrarot-erzeugenden Zusammensetzung verwendeter Brennstoffe und Bindemitteln an. Gewöhnliche Infrarot erzeugende Zusammensetzungen waren im Allgemeinen nicht in der Lage, das Problem der Rußbildung angemessen zu bewältigen.

Ein weiteres Problem betrifft die Alterung der IR-emittierenden Zusammensetzung. Man beobachtet häufig, dass bekannte Zusammensetzungen sich mit der Zeit wesentlich verschlechtern. Dies ist im besonderen Maße wahr, wenn die Lagertemperatur erhöht wird. In einigen Situationen kann es notwendig sein, diese Stoffe für lange Zeitdauern bei Temperaturen von oder oberhalb von 50°C zu lagern. Dies war mit bekannten Zusammensetzungen nicht einfach zu erreichen.

Zusammenfassend hat man gefunden, dass bekannte Infrarotemittierende Zusammensetzungen weniger als ideal sind. Einschränkungen mit bestehenden Materialien haben ihre Effektivität eingeschränkt. Einige der vorgefundenen Problemfelder umfassen niedrige Gesamtverbrennungsgeschwindigkeiten, unerwünschte Verbrennungsgeschwindigkeitskurven, Ausbrechen, schlechte Alterung und unerwünschte Grade sichtbarer Emissionen.

Es wäre daher ein wesentlicher Fortschritt im Stand der Technik, Infrarot-emittierende Zusammensetzungen zur Verfügung zu stellen, die einige der ernsthaften Einschränkungen bewältigen, die bei bekannten Zusammensetzungen angetroffen werden. Es wäre ein Fortschritt im Stand der Technik, Zusammensetzungen bereitzustellen, die hohe Grade infraroter Emissionen bereitstellen, während sie den Grad der sichtbaren Lichtleistung begrenzen. Es wäre ein weiterer wesentlicher Fortschritt im Stand der Technik, derartige Zusammensetzungen bereitzustellen, die akzeptabel hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten besitzen.

Es wäre ebenso ein Fortschritt im Stand der Technik, Infrarot-emittierende Zusammensetzungen bereitzustellen, die die Rußbildung im Wesentlichen ausschließen und die ebenso das Ausbrechen im Wesentlichen ausschließen. Es wäre ebenso ein Fortschritt im Stand der Technik, Zusammensetzungen bereitzustellen, die sich mit dem Alter nicht einfach verschlechtern, sogar wenn sie bei relativ erhöhten Temperaturen gelagert werden.

Derartige Zusammensetzungen und Verfahren werden hierin offenbart und beansprucht.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft neue und erfinderische Zusammensetzungen, die beim Verbrennen erhebliche Mengen infraroter Strahlung erzeugen. Zur gleichen Zeit vermeiden diese Zusammensetzungen viele der Einschränkungen des bestehenden Stands der Technik. Die Zusammensetzungen sind pressbare/ stampfbare Zusammensetzungen, besitzen hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten, erzeugen relativ wenig sichtbares Licht im Verhältnis zur erzeugten Infrarotstrahlung (indem sie die Rußbildung im wesentlichen vermeiden). Die Zusammensetzungen vermeiden ebenfalls gewöhnliche Probleme wie zum Beispiel Ausbrechen und schlechtes Alterungsverhalten bei hoher Temperatur.

Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung nach einem Aspekt eine Infrarot-erzeugende Leuchtmittelzusammensetzung bereit, die folgendes umfasst:

  • (a) 40 Gew.-% bis 90 Gew.-% eines Oxidationsmittels, das beim Verbrennen infrarote Strahlung erzeugt,
  • (b) 1 Gew.-% bis 35 Gew.-% Bindemittel und
  • (c) 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% organischen Brennstoff, verschieden vom Bindemittel, wobei der Brennstoff eine Verbindung, die mindestens einen 3- bis 6-gliedrigen heterozyklischen Ring besitzt und 1 bis 4 Sauerstoffatome enthält, umfasst, das Verhältnis von infraroter Strahlung zu sichtbarer Strahlung nicht weniger als 6,0 beträgt und die Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung nicht weniger als 0,075 cm/s beträgt, wobei das Oxidationsmittel aus der Gruppe bestehend aus Kaliumnitrat, Cäsiumnitrat, Rubidiumnitrat und Kombinationen daraus ausgewählt ist.

Die Grundkomponenten der Zusammensetzung enthalten ein Bindemittel, ein Oxidationsmittel und einen Brennstoff. Der Brennstoff kann vorzugsweise Stickstoff-enthaltende Verbindungen umfassen. Andere fakultative Inhaltsstoffe können auch zugegeben werden, um die Eigenschaften der Zusammensetzung auf eine spezielle Verwendung maßzuschneidern. Derartige fakultative Inhaltsstoffe enthalten Verbrennungsgeschwindigkeitskatalysatoren und Hitze erzeugende Stoffe.

Der Brennstoff umfasst Moleküle, die 3- bis 6-gliedrige heterocyclische Ringe und 1 bis 4 Sauerstoffatome in dem Ring enthalten. Alkalimetallsalze von derartigen heterocyclischen Verbindungen sind ebenfalls ausgezeichnete Brennstoffe. Zusätzlich enthalten Brennstoffe, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, weiterhin verbrückte polycyclische Amine, Harnstoff, Guanidin, Azodicarbonamid und kurzkettige Alkyle. All diese Brennstoffe führen zu sehr geringer Rußerzeugung im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung.

Wie oben erwähnt, ist es kritisch, das erzeugte sichtbare Licht zu reduzieren. Dies beschränkt die Treibstoffe, die verwendet werden können, erheblich. Bor und Silicium wurden in kleinen Mengen verwendet und fungieren gut als Hitzequellen und als Verbrennungsgeschwindigkeitskatalysatoren. Zusätzlich sind diese Stoffe dafür bekannt, einige Atomemissionslinien zu besitzen, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, während sie tolerierbare Mengen sichtbaren Lichts erzeugen.

Kohlenwasserstoffbrennstoffe wurden bewertet und viele neigen dazu, Ruß zu erzeugen, was zu hoher sichtbarer Lichtleistung führen kann. Die verwendeten Kohlenwasserstoffbrennstoffe/ -bindemittel müssen daher sauber verbrennen und nichtstrahlende Fragmente liefern, die mit der Umgebungsluft in der Rauchfahne verbrennen können, um den Hitzeausstoß und die Größe der Strahlungsoberfläche zu erhöhen. Zur gleichen Zeit muss der Stoff dazu dienen, eine Zusammensetzung zu bilden, die verarbeitbar ist, Ausbrechen verhindert und mit den verwendete Oxidationsmitteln verträglich ist.

Die Kohlenwasserstoffbindemittel (Polymere), die gezeigt haben, dass sie die Rußbildung verringern, umfassen Polyester, Polyether, Polyamine, Polyamide; in besonderem Maße diejenigen mit kurzen Kohlenstofffragmenten in der Hauptkette, abwechselnd mit Sauerstoff- oder Stickstoffatomen. Man hat gefunden, dass polymere Bindemittel, die relativ kurze Kohlenstoffketten (etwa 1–6 zusammenhängende Kohlenstoffatome) enthalten, bevorzugt sind. Diese Moleküle erzeugen im Allgemeinen keinen erheblichen Ruß. Darüber hinaus können die zusätzlichen erwünschten Merkmale der Erfindung unter Verwendung dieser Stoffe erzielt werden.

Die Oxidationsmittel Kaliumnitrat, Cäsiumnitrat, Rubidiumnitrat und Kombinationen dieser Verbindungen erzeugen große Mengen infraroter Strahlung, wenn die Fackelzusammensetzung verbrannt wird. Diese Oxidationsmittel enthalten ein Metall mit charakteristischen Strahlungswellenlängen im nahen Infrarotbereich (0,700 bis 0,900 &mgr;m). Die Primärstrahlung stammt aus dieser Linie, deren Breite durch die thermische Energie in der Rauchfahne stark verbreitert wurde.

Man glaubt, dass es wichtig ist, freies Metall (Kalium, Cäsium oder Rubidium) während des Verbrennens der Fackelzusammensetzung bereitzustellen, um erhebliche Anteile infraroter Strahlung zu erzeugen. Diese Metalle scheinen sich gegenseitig zu steigern, wenn sie in bestimmten Kombinationen verwendet werden.

Man hat gefunden, dass bezeichnenderweise hohe Anteile an Cäsiumnitrat in der Zusammensetzung die Leistung stark erhöhen. Man hat gefunden, dass Cäsiumnitrat einige erhebliche Vorteile bereitstellt. Man hat gefunden, dass Cäsiumnitrat die Verbrennungsgeschwindigkeit beschleunigt. Zusätzlich verbreitert Cäsiumnitrat die infrarote Spektralleistung und verbessert den Infrarotwirkungsgrad. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass Cäsiumnitrat etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung bildet. Insbesondere werden ausgezeichnete Ergebnisse erzielt, wenn Cäsiumnitrat zugegeben wird, um etwa 25% bis etwa 90% der Zusammensetzung zu bilden, vorzugsweise 25 bis 80%.

Man hat gefunden, dass die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung Stoffe für relativ hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten erzeugen. Verbrennungsgeschwindigkeiten bei Normaldrucken im Bereich von etwa 0,075 bis etwa 0,4 cm/s (0,030 bis etwa 0,15 Inch/s), und sogar etwas höher, sind unter Verwendung der vorliegenden Erfindung leicht zu erzielen. Der bevorzugtere Bereich ist oberhalb von etwa 0,15 cm/s (0,060 Inch/s). Gewöhnlicherweise hat man gefunden, dass Verbrennungsgeschwindigkeiten in diesem Bereich nicht einfach zu erzielen sind.

Die vorliegende Erfindung erhält die Fähigkeit aufrecht, gewünschte Eigenschaften durch Auswahl spezieller Kombinationen von Brennstoffen, Oxidationsmitteln und Bindemitteln maßzuschneidern. Auf diese Weise können spezielle Verbrennungsgeschwindigkeiten und Verbrennungsgeschwindigkeitskurven erzeugt werden, das Verhältnis der infraroten Strahlung zum sichtbaren Licht kann optimiert werden und die allgemeinen physikalischen und chemischen Eigenschaften können sorgfältig ausgewählt werden. Auf diese Weise stellt die vorliegende Verbindung ein flexibles Leuchtmittelmaterial bereit.

Wie oben erwähnt, betrifft die vorliegende Verbindung pressbare/stampfbare Leuchtmittelzusammensetzungen, die erhebliche Mengen infraroter Strahlung emittieren. Die vorliegende Erfindung stellt auch Infrarot-Treibmittelzusammensetzungen bereit, die hohe anfängliche Verbrennungsgeschwindigkeiten zeigen, sauber verbrennen und relativ kleine Mengen sichtbaren Lichts im Verhältnis zur emittierten Infrarotstrahlung emittieren.

Wie der Titel impliziert, werden pressbare/stampfbare Zusammensetzungen in die gewünschte Form gepresst. Dies ist eine bequeme Form, die ein Leuchtmittel einnehmen kann, und ist in Fackeln und verwandten Geräten einfach einzusetzen. Verfahren zum Pressen der Leuchtmittelzusammensetzungen in die gewünschten Formen sind im Stand der Technik bekannt. Eine geeignete Methode und ein geeignetes Gerät zum Pressen infraroter Leuchtmittelzusammensetzungen ist in der US-PS Nr. 5 056 435 von Jones et al., erteilt am 15. Oktober 1991, offenbart, auf die hierin expressis verbis Bezug genommen wird. Andere gewöhnliche Fußpressen können ebenfalls verwendet werden, weil die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung wesentlich weniger Ausbrechen zeigen als gewöhnliche Formulierungen und sogar erhebliche Verbesserungen gegenüber den Formulierungen, die in der US-PS Nr. 5 056 435 offenbart sind, darstellen.

Eine typische pressbare/stampfbare Zusammensetzung wird die folgenden Komponenten in den folgenden Gewichtsprozentangaben beinhalten:

Es wird anerkannt, dass äquivalente Stoffe Ersatzstoffe für die oben gekennzeichneten sein können. Besonders die Nitratsalze können in Abhängigkeit von den speziellen gewünschten Eigenschaften gegeneinander ausgetauscht werden. Ein derartiges Beispiel ist Rubidiumnitrat, das zu den Zusammensetzungen gegeben werden kann oder Ersatzstoff für einige oder alle der oben gekennzeichneten Oxidationsmittel sein kann. In dieser Hinsicht ist die oberste Zielsetzung, ein starkes Oxidationsmittel bereitzustellen, das auch imstande ist, wesentlich zur Leistung der infraroten Strahlung während des Verbrennens der Zusammensetzung beizutragen. Die gekennzeichneten Verbindungen besitzen diese Eigenschaften.

Wie oben erwähnt, vergrößert die Verwendung von hohen Anteilen von Cäsiumsalzen (wie zum Beispiel Cäsiumnitrat) die Verbrennungsgeschwindigkeit um 400% und verringert die sichtbare Leistung um bis zu 50%. Dies tritt auf, während zur gleichen Zeit hohe Anteile an Infrarotlicht im Bereich von 700 bis 1100 nm erhalten werden. Auf diese Weise können besonders maßgeschneiderte Formulierungen hohe Anteile an Cäsiumnitrat enthalten, um spezielle Leistungskriterien zu erzielen. Es ist gegenwärtig bevorzugt, dass die Zusammensetzung von etwa 10% bis etwa 90% Cäsiumnitrat enthält. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der bevorzugte Bereich von etwa 25% bis etwa 80% Cäsiumnitrat sein. Es wird angenommen, dass das Cäsiumnitrat einen Anteil am gesamten oxidierenden Salz, das zu der Zusammensetzung gegeben wird, darstellt.

Die Zusammensetzungen enthalten auch ein Polymerbindemittel. Das Bindemittel erleichtert die Formulierung, die Verarbeitung und die Verwendung der endgültigen Zusammensetzung.

Gleichzeitig stellt das Bindemittel eine Brennstoffquelle für die Zusammensetzung bereit. Geeignete Bindemittel in der vorliegenden Erfindung sichern auch ein sauberes Verbrennen der Zusammensetzung, indem sie die Rußbildung wesentlich reduzieren.

Wie oben erwähnt, umfassen Bindemittel, die in der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, Polymere, die relativ kurze Kohlenstoffketten (1–6 zusammenhängende Kohlenstoffatome) besitzen, die miteinander durch Ether-, Amin-, Ester- oder Amidbindungen (Polyetter, Polyamine, Polyester oder Polyamide) verknüpft sind. Beispiele derartiger Polymere umfassen Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polybutylenoxid, Polyester und Polyamide. Bindemittel dieser Art sind kommerziell erhältlich und dem Durchschnittsfachmann gut bekannt.

Ein spezielles Beispiel eines geeigneten Bindemittels ist Formrez 17–80 Polyester von Witco Chemical Corp. und spezieller, eine härtbare Polyesterharzzusammensetzung, die etwa 81 Gew.-% bis etwa 83 Gew.-%, vorzugsweise etwa 82,5 Gew.-% Formrez 17–80 Polyesterharz, etwa 15 bis etwa 17 Gew.-%, vorzugsweise etwa 16,5 Gew.-% Epoxy, wie zum Beispiel ERL 510 von Ciba-Geigy Corporation und etwa 0 bis etwa 2 Gew.-%, und bevorzugt 1 Gew.-% eines Katalysators wie zum Beispiel Eisen-1inoleat umfasst. Bevorzugter kann das Bindemittel etwa 82,5 Gew.-% Formrez 17–80 Polyesterharz, etwa 16,5 Gew.-% ERL-Epoxidharz und etwa 1% Eisenlinoleat umfassen. Eine derartige Bindemittelzusammensetzung wird hierin als WITCO 1780 bezeichnet.

Wie oben erörtert, wird in den pressbaren/stampfbaren Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ein gesonderter Brennstoff bereit gestellt, der Moleküle mit einem 3- bis 6-gliedrigen heterocyclischen Ring umfasst, der auch 1 bis 4 Sauerstoffatome enthält. Brennstoffe, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen, können weiter Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Verbindungen enthalten. Beispiele derartiger Verbindungen enthalten Tetrazole, Triazole, Triazine, Imidazole, Oxazol, Pyrazol, Pyrrolin, Pyrrolidin, Pyridin, Pyrimidin und ähnliche Verbindungen.

Kombinationen derartiger Ringsysteme können verschmolzen oder durch kovalente Bindungen verknüpft sein, wie zum Beispiel im Bitetrazol. Derartige heterocyclische Ringe können mit Stickstoff enthaltenden Gruppen (wie zum Beispiel Nitro-, Nitroso-, Cyano- und Rminogruppen) an einer beliebigen oder allen geeigneten Stellen am Ring substituiert sein. Alkalimetallsalze derartiger heterocyclischer Verbindungen oder deren Derivate sind ebenfalls nützlich. Bevorzugte Alkalimetalle enthalten Kalium, Rubidium und Cäsium, allein oder in Kombination.

Brennstoffe, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, können weiter verbrückte polycyclische Amine enthalten. Ebenfalls nützlich sind Salze, die durch Kombinationen von polycyclischen Aminen und organischen oder anorganischen Säuren entstehen. Derartige Verbindungen enthalten Dicyanodiamid, Cyanonitramid, Cyanwasserstoff, Dicyanamid und dergleichen.

Brennstoffe, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen, können weiter Harnstoff, Guanidin, Azodicarbonamid und kurzkettige Alkyle enthalten, die 1 bis 8 Kohlenstoffatome enthalten. Zusätzlich sind Derivate derartiger Verbindungen, die mit Stickstoff-enthaltenden Gruppen substituiert sind, ebenfalls nützlich. Eine Substitution kann mit NO2, NO, CN und/oder NH2 durchgeführt sein.

Es ist offensichtlich, dass die Brennstoffe sauber, schnell und bei hohen Temperaturen verbrennen müssen. Die Brennstoffe erzeugen keine erheblichen Mengen an Ruß mit dem damit verbundenen Anstieg an sichtbarer Lichtleistung. Die oben gekennzeichneten Brennstoffe erfüllen diese Leistungskriterien.

Wie oben erwähnt, ist es ebenfalls möglich, Verbrennungsgeschwindigkeitskatalysatoren und Hitzequellen zur Gesamtzusammensetzung zuzugeben. Diese Stoffe gewährleisten weiteres Maßschneidern der Leistungscharakteristika der resultierenden Zusammensetzung. Diese Stoffe müssen jedoch ebenfalls die anderen Parameter einer akzeptablen Zusammensetzung, wie zum Beispiel, dass sie wenig sichtbares Licht erzeugen und nicht zu den andere unerwünschten Eigenschaften, die hierin gekennzeichnet sind, beitragen, erfüllen. Zwei Beispiele von derartigen bevorzugten Materialien enthalten Silicium und Bor, während Magnesium wegen seiner Neigung, große Mengen sichtbaren Lichts zu emittieren, nicht bevorzugt ist.

In den hierin beschriebenen pressbaren/stampfbaren Zusammensetzungen wird Bor vorzugsweise in einer Menge zugegeben, dass es etwa 0 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der gesamten Zusammensetzung darstellt. Silicium macht vorzugsweise etwa 0% bis etwa 25% der gesamten Zusammensetzung aus.

Ein Maß einer bevorzugten Zusammensetzung ist das Verhältnis von infraroter Strahlung zu erzeugtem sichtbaren Licht während des Verbrennens der Zusammensetzung. Die Zusammensetzung wird ein IR/Vis.-Verhältnis von nicht weniger als 6,0 aufweisen. Tatsächlich sind Verhältnisse von etwa 10 bis etwa 20 mit der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Diese Anteile von Infrarotleistung pro Einheit sichtbarer Leistung waren unter Verwendung gewöhnlicher Zusammensetzungen nicht einfach zu erzielen.

Man findet, dass die Zusammensetzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls vergrößerte Verbrennungsgeschwindigkeiten bereitstellen. Verbrennungsgeschwindigkeiten in einem Bereich von nicht weniger als 0,075 bis etwa 0,4 cm/s (0,030 bis etwa 0,15 Inch pro Sekunde) und sogar darüber sind charakteristisch für die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung. Wie oben erwähnt, sind die bevorzugten Verbrennungsgeschwindigkeiten höher als 0,15 cm/s (0,060 Inch/s).

Zusammensetzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung besitzen auch gute Alterungs- und Lagerungseigenschaften. Man hat gefunden, dass eine Zusammensetzung nach einer einjährigen Lagerung bei 57°C (135°F) immer noch annehmbar war. Dies ist ein weiteres Merkmal, das im Allgemeinen bei bekannten Zusammensetzungen nicht zu erhalten war.

Zusammensetzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung bekannter und gewöhnlicher Technologie formuliert und hergestellt werden. Formulierungstechniken, wie sie beispielsweise im Allgemeinen beim Mischen und Herstellen von Treibmittelzusammensetzungen, explosiven und pyrotechnischen Zusammensetzungen verwendet werden, werden bei der Herstellung der Zusammensetzungen im Rahmen der vorliegendne Erfindung bevorzugt verwendet.


Anspruch[de]
  1. Infrarot-erzeugende Leuchtmittelzusammensetzung, das Folgende umfassend:

    a) 40 Gew.-% bis 90 Gew.-% eines Oxidationsmittels, das beim Verbrennen infrarote Strahlung erzeugt,

    b) 1 Gew.-% bis 35 Gew.-% Bindemittel und

    c) 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% organischen Brennstoff, verschieden vom Bindemittel, wobei der Brennstoff eine Verbindung, die mindestens einen 3- bis 6-gliedrigen heterozyklischen Ring besitzt und 1 bis 4 Sauerstoffatome enthält, umfasst, das Verhältnis von infraroter Strahlung zu sichtbarer Strahlung nicht weniger als 6,0 beträgt und die Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung nicht weniger als 0,075 cm/s beträgt, in der das Oxidationsmittel aus der Gruppe bestehend aus Kaliumnitrat, Cäsiumnitrat, Rubidiumnitrat und Kombinationen daraus ausgewählt ist.
  2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der der Brennstoff ein Oxazol ist.
  3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung mindestens 25 Gew.-% Cäsium- oder Rubidiumnitrat umfasst.
  4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die 10% bis 90% Cäsiumnitrat, vorzugsweise 25% bis 80% Cäsiumnitrat enthält.
  5. Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Bindemittel Stoffe umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyettern, Polyaminen und Polyamiden ausgewählt sind.
  6. Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Bindemittel aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polybutylenoxid, Polyestern und Polyamiden ausgewählt ist.
  7. Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Leuchtmittel eine Verbrennungsgeschwindigkeit im Bereich von 0,15 bis 0,4 cm/s besitzt.
  8. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die wenigstens einen Verbrennungsgeschwindigkeitskatalysator enthält, der aus der Gruppe bestehend aus Bor und Silizium ausgewählt ist.
  9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, die weiter bis zu 20 Gew.-% Silizium umfasst.
  10. Zusammensetzung nach Anspruch 8, die weiter bis zu 10 Gew.-% Bor umfasst.
  11. Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Bindemittel Polymere umfasst, die aus der Gruppe derer ausgewählt sind, die zusammenhängende Kohlenstoffketten von 1 bis 6 Molekülen besitzen, die miteinander durch Bindungen verknüpft sind, die aus der Gruppe bestehend aus Ether-, Amin-, Ester- und Amidbindungen ausgewählt sind.
  12. Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Verhältnis der infraroten Strahlung zu sichtbarer Strahlung im Bereich 10 bis 20 liegt.
  13. Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der die Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung größer als 0,15 cm/s bei Normaldruck ist.
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