DE10013398A1

DE10013398A1 - Pollutant-free colored smoke, consists of fine metallic particles which absorb light, and whose size can be altered.

Info

Publication number: DE10013398A1
Application number: DE2000113398
Authority: DE
Inventors: Axel Dochnahl
Original assignee: Comet GmbH Pyrotechnik Apparatebau
Current assignee: Comet GmbH Pyrotechnik Apparatebau
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-20

Abstract

An pollutant-free colored smoke consists of fine metallic particles. The latter absorb light and the wavelengths of the light absorption can be varied by altering the particle size.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen schadstofffreien Farbrauch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a pollutant-free color smoke according to the Preamble of claim 1.

Man benutzt heute sowohl im zivilen als auch militärischen Bereich Farb rauchsätze. Hauptanwendungsgebiete im zivilen Sektor sind sowohl die Markierung von Luftfahrzeug-Landeplätzen, vorzugsweise von Hubschrau ber-Landeplätzen zur Anzeige der Windrichtung und Abschätzung der Windstärke, als auch der Einsatz im Bereich der Seenotsignale. Im militä rischen Bereich werden Farbrauche neben Signalgebung und Markierung in zunehmendem Maße auch für Gefechtsübungssimulationen, z. B. zur Abschuß- und Getroffendarstellung eingesetzt.Color is used today in both civil and military fields smoke sets. The main areas of application in the civilian sector are both Marking aircraft landing sites, preferably helicopters Over landing sites to display the wind direction and estimate the Wind strength, as well as use in the area of distress signals. In the military In addition to signaling and marking, color smoke is a major area increasingly also for combat exercise simulations, e.g. B. for Shot and hit display used.

Die Funktionsweise dieser Farbrauchsätze zur Signalgebung und Markie rung basiert auf folgendem Grundprinzip:
Ein Farbstoff, der im gewünschten sichtbaren Wellenlängenbereich absor biert, wird mittels eines pyrotechnischen "Heizbetts", meistens bestehend aus dem System Kaliumchlorat/Lactosemonohydrat, sublimiert und durch die bei der pyrotechnischen Reaktion entstehenden Gase als Aerosol ausgetrieben.The functionality of these color smoke kits for signaling and marking is based on the following basic principle:
A dye that absorbs in the desired visible wavelength range is sublimed by means of a pyrotechnic "heating bed", usually consisting of the potassium chlorate / lactose monohydrate system, and expelled as an aerosol by the gases resulting from the pyrotechnic reaction.

Die Farbstoffe müssen dabei eine möglichst geringe Oxidationsempfind lichkeit besitzen, bei der Heizbett-Temperatur von etwa 200-400°C sub limierbar sein und erst bei höherer Temperatur Zersetzung zeigen. Man benutzt aus diesen Gründen meistens substituierte Anthrachinone bzw. auch Azofarbstoffe.The dyes must have the lowest possible sensitivity to oxidation possess at the heat bed temperature of about 200-400 ° C sub Be limitable and only show decomposition at higher temperatures. Man mostly uses substituted anthraquinones or also azo dyes.

Aus toxikologischer Sicht sind diese Farbstoffe und vor allem die bei der pyrotechnischen Reaktion entstehenden Nebenprodukte aufgrund ihres kanzerogenen Potentials sehr bedenklich. From a toxicological point of view, these are dyes and especially those at pyrotechnic reaction by-products due to their carcinogenic potential very questionable.

Mittels des oben beschriebenen Wirkprinzips kann kein nicht toxischer Farbrauch erzeugt werden. Die verfügbaren nicht toxischen Farbstoffe weisen nicht die geforderten Eigenschaften, nämlich Sublimationstempe ratur zwischen 200 und 400°C, Oxidationsbeständigkeit und hohe Zerset zungstemperatur auf. Auch sind die Nebenprodukte der nicht toxischen Farbstoffe aufgrund ihres kanzerogen Potentials bedenklich.By means of the principle of action described above, none can be non-toxic Color smoke are generated. The available non-toxic dyes do not have the required properties, namely sublimation temperature between 200 and 400 ° C, oxidation resistance and high decomposition temperature. The by-products are also non-toxic Dyes are questionable due to their carcinogenic potential.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wirkstoffe für einen nicht toxi schen Farbrauch anzugeben.The invention has for its object active ingredients for a non-toxic to specify color smoke.

Die Erfindung löst diese Aufgabe entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The invention solves this problem in accordance with the characterizing Features of claim 1. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims.

Die Erfindung löst die oben beschriebenen toxischen Probleme, indem zur Erzeugung eines Farbrauchs vollständig auf die Verwendung von Farb stoffen verzichtet wird. Es liegt ein völlig neues Wirkprinzip vor, das kein toxisches Potential beinhaltet. Zusätzlich sind die beteiligten Substanzen biologisch abbaubar.The invention solves the toxic problems described above by Generation of a color smoke entirely on the use of color substances is dispensed with. There is a completely new working principle, none toxic potential. In addition, the substances involved biodegradable.

Das Wirksystem besteht aus einem bekannten pyrotechnischen gaser zeugenden Satz, Druckluft oder einem anderen geeigneten System, mit dessen Hilfe metallische oder metallbeschichtete Kügelchen, deren Durchmesser im Bereich von 0.01 µm bis 0.2 µm liegen, als Aerosol aus gebracht werden. Die Ausbringung der metallischen/metallbeschichteten Kügelchen ist nicht auf die pyrotechnische Ausbringung beschränkt, son dern kann z. B. auch mittels einer Gaskartusche über eine Düse erfolgen.The active system consists of a known pyrotechnic gas generating set, compressed air or another suitable system, with whose help metallic or coated balls, their Diameters in the range of 0.01 µm to 0.2 µm are aerosol to be brought. The output of the metallic / metal-coated Beads is not limited to pyrotechnic application, son who can z. B. also by means of a gas cartridge through a nozzle.

Die eigentliche Farbgebung des Rauches erfolgt durch spezifische Licht absorption an den Metallkügelchen, wobei die Wellenlänge der Lichtab sorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich einstellbar ist, in dem die Größe der Teilchen variiert wird.The actual coloring of the smoke is done by specific light absorption on the metal spheres, the wavelength of the light sorption is adjustable over the entire visible spectral range, in where the size of the particles is varied.

Die physikalische Ursache dieser von der Teilchengröße abhängigen Lichtabsorption bei Metallkugeln ist auf elektromagnetische Schwin gungsmoden, sogenannte Oberflächen-Schwingungsmoden, zurückzufüh ren, die nur bei größenangepassten Teilchen zu beobachten sind, und im Festkörper nicht auftreten.The physical cause of this depends on the particle size Light absorption in metal balls is due to electromagnetic vibrations tion modes, so-called surface vibration modes that can only be observed with size-adjusted particles, and in Solids do not occur.

Das Absorptionsmaximum der Metallkugel liegt bei der sogenannten Fröh lich-Frequenz ω_F = ω_p/√, wobei ω_p die Plasmafrequenz und ε_m die Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums bedeuten. Wie sich zeigen läßt, verschiebt sich die Fröhlich-Frequenz mit zunehmender Teil chengröße zu niedrigeren Werten, d. h. in den langwelligen Spektralbe reich, wodurch die Abhängigkeit der Lage des Absorptionsmaximums mit dem Teilchendurchmesser gegeben ist.The absorption maximum of the metal ball is at the so-called Fröhlich frequency ω _F = ω _p / √, where ω _{p is} the plasma frequency and ε _{m is} the dielectric constant of the surrounding medium. As can be shown, the Fröhlich frequency shifts with increasing particle size to lower values, ie rich in the long-wave spectral range, as a result of which the position of the absorption maximum is dependent on the particle diameter.

Als Metalle kommen z. B. Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Alumini um, Kupfer, Eisen, Silber und Gold in Frage. Daneben wurde auch die Fröhlich-Frequenz kleiner Graphitkugeln bestimmt, die allerdings im ultra violetten Spektralbereich liegt und somit für die Anwendung im sichtbaren Spektralbereich ausscheidet.As metals come e.g. B. lithium, sodium, potassium, magnesium, aluminum um, copper, iron, silver and gold in question. In addition, the Merry frequency of small graphite balls determined, but in the ultra violet spectral range and is therefore for use in the visible Eliminates spectral range.

Bei Verwendung von Alkali- und Erdalkalimetallen als leitfähiges Material zur Erzeugung des gewünschten Farbeffekts müssen nicht leitende, inerte Beschichtungen verwendet werden, um Reaktionen der Metalle mit Luft sauerstoff zu unterbinden.When using alkali and alkaline earth metals as conductive material To create the desired color effect, non-conductive, inert Coatings are used to control reactions of metals with air to prevent oxygen.

Nach Ausbringung von Metallkügelchen mit geeignetem Durchmesser im Bereich zwischen 0.01 µm-0.2 µm, je nach gewünschter Farbe, erfolgt bei der entsprechenden Fröhlich-Frequenz Lichtabsorption aus dem konti nuierlichen Spektrum, entsprechend der Lichtabsorption von sublimierten Farbstoffen. Als Folge davon entsteht für den Beobachter ein Farbein druck, welcher der Wellenlänge der entsprechenden Komplementärfarbe der Wellenlänge des Absorptionsmaximums entspricht, d. h. mit zuneh mender Wellenlänge des Absorptionsmaximums und damit zunehmendem Durchmesser des Metallkügelchens ändert sich die Farbe des Rauchs von Rot über Orange, Gelb, Grün bis hin zu Blau und Violett.After application of metal balls with a suitable diameter in Range between 0.01 µm-0.2 µm, depending on the desired color at the corresponding Fröhlich frequency, light absorption from the continuous Nuclear spectrum, corresponding to the light absorption of sublimated Dyes. As a result, a color is created for the observer print which is the wavelength of the corresponding complementary color corresponds to the wavelength of the absorption maximum, d. H. with increasing mender wavelength of the absorption maximum and thus increasing The diameter of the metal ball changes the color of the smoke from red to orange, yellow, green to blue and violet.

Die Partikelgrößenverteilung sollte eine möglichst kleine Bandbreite ha ben, damit ein reiner Farbeindruck erzielt wird. Eine zu breite Partikelgrö ßenverteilung führt zu unerwünschten Farbvermischungen. The particle size distribution should have the smallest possible bandwidth ha ben, so that a pure color impression is achieved. Particle size too wide Size distribution leads to undesirable color mixing.

Neben der Verwendung von reinen Metallpartikeln ist auch der Einsatz von metallbeschichteten Kügelchen, die aus einem nichtleitenden Träger material bestehen, möglich. Als Trägermaterial sind beispielsweise Po lystyrolkugeln oder SiO₂-Partikel verwendbar. Als Beschichtungsverfahren zum Aufbringen der Metallschicht auf das Trägermaterial bieten sich CVD- Verfahren (Chemical Vapor Deposition) insbesondere MOCVD (Metallor ganyl-CVD)-Verfahren an, da nur sehr geringe Schichtdicken erforderlich sind. Auf diese Weise kann mit Hilfe einer Gasphasenabscheidung von Eisenpentacarbonyl eine extrem dünne Eisenschicht auf das entspre chende Trägermaterial aufgebracht werden.In addition to the use of pure metal particles, the use of metal-coated beads, which consist of a non-conductive carrier material, is also possible. For example, polystyrene balls or SiO ₂ particles can be used as the carrier material. CVD (Chemical Vapor Deposition) processes, in particular MOCVD (Metalloganyl-CVD) processes, are suitable as coating processes for applying the metal layer to the carrier material, since only very small layer thicknesses are required. In this way, an extremely thin iron layer can be applied to the corresponding carrier material with the aid of vapor deposition of iron pentacarbonyl.

Alternativ sind auch andere Beschichtungsverfahren einsetzbar, wobei beispielsweise die Partikel des Trägermaterials in einer Lösung von Natri umborhydrid gesättigt werden, und danach in eine Lösung von Eisen-(III)- sulfat eingebracht werden, wodurch wiederum eine dünne Eisenschicht auf dem Trägermaterial ausgebildet wird. Ähnliche Methoden sind natür lich auch für die anderen oben erwähnten Metalle denkbar.Alternatively, other coating processes can also be used, whereby for example the particles of the carrier material in a solution of natri umborhydrid are saturated, and then in a solution of iron (III) - sulfate are introduced, which in turn creates a thin layer of iron is formed on the carrier material. Similar methods are natural Lich also conceivable for the other metals mentioned above.

Die Benutzung von Eisenpartikeln bzw. mit Eisen beschichteten Partikeln hat den Vorteil, daß die bei der Benutzung des Farbrauches ausgebrach ten Teilchen nach relativ kurzer Zeit bei normalen Witterungsbedingungen abgebaut werden, d. h. Eisen wird zu Eisen-(III)-oxid-Hydrat umgewandelt (Rostbildung).The use of iron particles or particles coated with iron has the advantage that it broke out when using the color smoke particles after a relatively short time under normal weather conditions be dismantled, d. H. Iron is converted to iron (III) oxide hydrate (Rust formation).

Das Wirkprinzip der Erfindung soll durch das folgende Beispiel verdeutlicht werden:
Als farbgebende Komponente werden Eisenkügelchen mit Durchmessern zwischen 0.08 µm und 0.16 µm, je nach gewünschter Farbe eingesetzt. Die Eisenpartikel werden mit Hilfe eines pyrotechnischen gaserzeugenden Satzes (z. B. Guanidinnitrat/MnO₂) oder mittels Gaskartusche über eine Düse als Aerosol ausgebracht. Nach der Ausbringung absorbieren diese Teilchen, je nach Durchmesser, Licht bei einer charakteristischen Wellen länge aus dem kontinuierlichen Spektrum, wodurch der Farbeindruck für den Beobachter entsteht.The principle of operation of the invention is illustrated by the following example:
Iron balls with diameters between 0.08 µm and 0.16 µm are used as the coloring component, depending on the desired color. The iron particles are applied with the aid of a pyrotechnic gas generating set (e.g. guanidine nitrate / MnO ₂ ) or by means of a gas cartridge through a nozzle as an aerosol. After the application, these particles, depending on the diameter, absorb light at a characteristic wavelength from the continuous spectrum, which creates the color impression for the observer.

Fig. 1 soll den Zusammenhang zwischen Teilchengröße und Wellenlän ge des Absorptionsmaximums von Eisenkügelchen verdeutlichen:
In dem Diagramm ist die optische Dichte in Abhängigkeit der Wellenlänge in Nanometer aufgetragen. Fig. 1 is to illustrate the relationship between particle size and wavelength of the absorption maximum of iron spheres:
The diagram shows the optical density as a function of the wavelength in nanometers.

Nimmt der Durchmesser der Eisenpartikel entsprechend den Kurven 1-4 zu (Kurve 1: 0,08 µm; Kurve 2: 0,10 µm; Kurve 3: 0,12 µm; Kurve 4: 0,16 µm, wird das Absorptionsmaximum zu längeren Wellenlängen hin ver schoben, d. h. der resultierende Farbeindruck verändert sich von Rot bei Durchmessern von etwa 0.08 µm, siehe Kurve 1, bis hin zu violett bei Durchmessern von etwa 0.16 µm, siehe Kurve 4. Weiterhin ist eine Ver breiterung der Halbwertsbreite der Absorptionsbande mit steigendem Durchmesser zu erkennen, wobei gleichzeitig die Intensität der Bande ab nimmt, d. h. der Farbeindruck erscheint weniger kräftig. Als Folge davon wird die Intensität des Farbeindrucks bei Rot, entsprechend der Kurve 1, am besten, bei Violett, siehe Kurve 4, am schlechtesten ausfallen. Der Vorteil der Verwendung von Eisenpartikeln gegenüber dem Einsatz von beispielsweise Aluminiumpartikeln ist die gute Abbaubarkeit des aus gebrachten Materials, welches sich bei typischen Witterungsbedingungen in kurzer Zeit zu Eisen-(III)-oxid-Hydrat umsetzt (Rostbildung).If the diameter of the iron particles increases according to curves 1-4 (curve 1 : 0.08 µm; curve 2 : 0.10 µm; curve 3 : 0.12 µm; curve 4 : 0.16 µm), the absorption maximum becomes longer Wavelengths shifted, i.e. the resulting color impression changes from red with a diameter of about 0.08 µm, see curve 1 , to violet with a diameter of about 0.16 µm, see curve 4. Furthermore, the half-width of the absorption band widens with increasing Diameter, the intensity of the band decreasing at the same time, ie the color impression appears less strong.As a result, the intensity of the color impression will be best with red, according to curve 1 , with violet, see curve 4 , the worst. The advantage of using iron particles compared to the use of aluminum particles, for example, is the good degradability of the material used, which can be found in typical weather conditions time converted to iron (III) oxide hydrate (rust formation).

Die Erfindung ist nicht auf die Kugelform der Teilchen beschränkt. Die Ku gelform stellt eine ideale Form dar. Die Teilchen können auch eine von der Kugelform abweichende Form aufweisen.The invention is not limited to the spherical shape of the particles. The Ku Gel form is an ideal form. The particles can also be one of the Spherical shape have a different shape.

Claims

1. Pollutant-free color smoke, characterized in that the color smoke consists of the light absorption of the finest metallic particles, the wavelength of the light absorption being variable by the size of the particles.

2. color smoke according to claim 1, characterized, that the particles either in the form of metallic spheres or as metal-coated balls are present, and the balls have a diameter of 0.01 µm to 0.2 µm.

3. color smoke according to claim 1, characterized, that the particles are designed as quasi spheres.

4. color smoke according to one of the preceding claims, characterized, that the metal from iron, from alkali and alkaline earth metals, aluminum um, copper, silver, or gold.

5. color smoke according to one of the preceding claims, characterized, that when using alkali and alkaline earth metals as a conductive Material non-conductive, inert coatings are provided.

6. color smoke according to claim 5, characterized, that egg as a non-conductive substrate for the metal coating on the other hand polymers, preferably polystyrene and polyvinyl alcohol and on the other hand, inorganic materials such as silicon oxide and Gra phit can be used.

7. The method for producing the non-conductive carrier material according to Claim 6 characterized, that as a technique for coating the non-conductive substrate with a metal layer CVD process (Chemical Vapor Deposition), in particular MOCVD (Metallorganyl-CVD) process used become.