DE102010029189B4

DE102010029189B4 - Temperaturempfindliche Farbe mit hoher relativer Temperaturempfindlichkeit oberhalb Raumtemperatur und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102010029189B4
Application number: DE201010029189
Authority: DE
Inventors: Dr. rer. nat. Henne Ulrich; Dr. rer. nat. Klein Christian; Dr. Martin Bruse; Dr. Prof. Beifuß Uwe; Dr. Ondrus Vladimir; Dr. Yasuhiro Egami
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: DE102010029189A1; DE102010029189A8

Abstract

Temperaturempfindliche Farbe mit einem Bindemittel zur Ausbildung einer Polyurethanmatrix und mit einem in dem Bindemittel dispergierten Fluorophor, dessen Anregung zur Emission von Fluoreszenzlicht temperaturabhängig gequenscht wird, wobei der Fluorophor ein Europiumkomplex ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorophor ein Eu(dtm)3-Komplex ist und dass das Bindemittel eine Acrylurethanpolymermatrix ausbildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine temperaturempfindliche Farbe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Damit betrifft die Erfindung temperaturempfindliche Farben, die ein Bindemittel zum Ausbilden einer Polymermatrix und eine in das Bindemittel eingebettete Sonde aufweisen, welche eine temperaturabhängige Fluoreszenz zeigt. Genauer bezieht sich die Erfindung auf eine temperaturempfindliche Farbe, die eine feste Beschichtung ausbildet, wenn sie auf eine Oberfläche aufgetragen wird, und die das Messen der Temperatur an der Oberfläche durch Messen der vorliegenden Intensität von Fluoreszenzlicht erlaubt, das von der Sonde emittiert wird, wenn sie durch Anregungslicht zur Fluoreszenz angeregt wird. Weil die Anregung der Sonde zur Emission von Fluoreszenzlicht temperaturabhängig gequenscht wird, so dass trotz Anregung kein Fluoreszenzlicht emittiert wird, zeigt die aktuelle Intensität des Fluoreszenzlichts die aktuelle Temperatur der Oberfläche an, die mit der temperaturempfindlichen Farbe beschichtet ist.
STAND DER TECHNIK
Eine temperaturempfindliche Farbe mit einem Bindemittel zum Ausbilden einer Polymethylenmethacrylatmatrix und einem Seltenerdkomplex als in das Bindemittel eingebettete Sonde, die eine temperaturabhängige Fluoreszenz zeigt, ist aus der US 5,971,610 bekannt. Die hierbei konkret als Temperatursonden offenbarten Seltenerdkomplexe umfassen Eu(tfc)₃- und Eu(hfc)₃-Komplexe. Ein in der US 5,971,610 erwähntes alternatives Bindemittel ist Polystyrol. Die Fluoreszenz des Seltenerdkomplexes gemäß US 5,971,610 zeigt eine maximale relative Temperaturempfindlichkeit innerhalb eines Temperaturbereichs von ungefähr 100 bis 160 Kelvin. Es wird berichtet, dass mit Eu(tfc)₃- und Eu(hfc)₃-Komplexen der gesamte Temperaturbereich von 30 bis 300 Kelvin abgedeckt werden kann.
Eine temperaturempfindliche Farbe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 ist aus der US 2005/0040368 A1 bekannt. Diese temperaturempfindliche Farbe weist ein Bindemittel zum Ausbilden einer Polyurethanmatrix und einen in das Bindemittel eingebetteten Übergangsmetallkomplex auf, der eine temperaturabhängige Fluoreszenz zeigt. Der Übergangsmetallkomplex, der als Temperatursonde verwendet wird, ist ein Rutheniumkomplex, insbesondere ein Ru(trpy)-Komplex. Die aus der US 2005/0040368 A1 bekannte temperaturempfindliche Farbe ist insbesondere zur Verwendung auf den Oberflächen von Modellen in kryogenen Windkanälen geeignet. Sie zeigt eine nutzbare Temperaturempfindlichkeit in dem Temperaturbereich von 100 bis 240 Kelvin. Die Fluoreszenzlichtintensität der bekannten temperaturempfindlichen Farbe wird jedoch schnell sehr schwach, wenn die Temperatur auf mehr als 230 Kelvin ansteigt. Als Resultat sind Temperaturmessungen in einem Bereich oberhalb 230 Kelvin tatsächlich unmöglich, wenn diese bekannte temperaturempfindliche Farbe verwendet wird.
Aus der DE 20 2008 009 006 U1 ist eine temperaturempfindliche Farbe für einen erweiterten Temperaturbereich für das Messen von Temperaturen an der Oberfläche eines Modells in einem kryogenen Windkanal bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Diese temperaturempfindliche Farbe weist ein Mehrkomponenten-Bindemittel zum Ausbilden einer Polyurethanmatrix und zwei in das Bindemittel eingebettete Sonden auf, und zwar einen Übergangsmetallkomplex mit maximaler relativer Temperaturempfindlichkeit bei tieferen Temperaturen und einen Seltenerdkomplex mit maximaler relativer Temperaturempfindlichkeit im Bereich höherer Temperaturen. Der Seltenerdkomplex kann dabei ein Eu(tfc)₃- oder Eu(hfc)₃-Komplex sein. Mit diesen Sonden soll durch die temperaturempfindliche Farbe der Temperaturbereich bis zur Raumtemperatur abgedeckt werden. Oberhalb 300 Kelvin, nimmt die relative Temperaturempfindlichkeit dieser Sonden in der bekannten temperaturempfindlichen Farbe jedoch stark ab.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine temperaturempfindliche Farbe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 aufzuzeigen, die das Messen von Temperaturen an Oberflächen auch bei Temperaturen über Raumtemperatur ermöglicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt eine temperaturempfindliche Farbe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bereit. Die abhängigen Patentansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen dieser temperaturempfindlichen Farbe. Der abhängige Patentanspruch 8 ist dabei auf eine bevorzugte Verwendung der neuen temperaturempfindlichen Farbe zum Messen von zweidimensionalen Temperaturverteilungen im Bereich der Raumtemperatur in einem Windkanal gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der neuen temperaturempfindlichen Farbe bildet das Bindemittel eine Acrylurethanpolymermatrix aus. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich bei Einbettung des Fluorophors Eu(dtm)₃ in eine derartige Matrix eine erheblich höhere relative Temperaturempfindlichkeit der temperaturempfindlichen Farbe bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur ergibt als bei einer Polyurethanmatrix, wie sie gemäß der DE 20 2008 009 006 U1 für eine temperaturempfindliche Farbe verwendet wird. Dies erlaubt es, den Messbereich der neuen temperaturempfindlichen Farbe deutlich über die Raumtemperatur zu erhöhen.
Konkret kann das Bindemittel ein Drei-Komponenten-System mit Verdünner und Härter neben der Komponente mit den Acrylsäuren oder den entsprechenden Alkoholen oder Polyolen sein. Mindestens ist das Bindemittel ein Zwei-Komponenten-System bestehend aus den Acrylausgangssubstanzen einerseits und dem Härter zur Auslösung der Diisocyanat-Polyadditions-Reaktion andererseits. Der Verdünner des bevorzugten Drei-Komponenten-Systems dient im Wesentlichen zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften. In jeden Fall reagiert bei der Ausbildung der Acrylurethanpolymermatrix Isocyanat bzw. Bis- oder Polyisocyanat mit Acrylsäure, oder bei dieser Reaktion wird die Säure mit Isocyanat substituiert und dann mit dem entsprechenden Alkohol bzw. Polyol reagiert.
Erfindungsgemäß wird der Europiumkomplex Eu(dtm)₃ als Fluorophor verwendet, weil sowohl seine relative Temperaturempfindlichkeit im Bereich hoher Temperaturen als auch die dort immer noch emittierte Fluoreszenzlichtintensität, die bei allen temperaturempfindlichen Farben mit der Temperatur abnimmt, hoch ist.
Eu(hfc)₃ zeigt zwar bis 50°C eine noch höhere relative Temperaturempfindlichkeit, aber eine deutlich niedrigere verbleibende Fluoreszenzlichtintensität.
Bei beiden genannten Fluorophoren ist die relative Temperaturempfindlichkeit der neuen temperaturempfindlichen Farbe in dem Bereich von 30°C bis 50°C größer als –4,0%/Kelvin.
Von Vorteil ist es bei der neuen temperaturempfindlichen Farbe, dass Eu(dtm)₃ in der Acrylurethanpolymermatrix mit Licht einer Wellenlänge größer als 400 nm zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar ist. Derartiges Licht kann einfach bereitgestellt und auf die jeweilige Oberfläche gerichtet sowie bezüglich seiner Intensitätsverteilung über die Oberfläche erfasst werden. Bei kürzeren Wellenlängen sind spezielle UV-Optiken erforderlich.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass sich die Wellenlänge des von dem Fluorophoren emittierten Lichts bei der neuen temperaturempfindlichen Farbe um mehr als 100 nm von dem Anregungslicht unterscheidet und so auf das Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht auf einfache Weise durch wellenlängensensitive Filter getrennt werden können.
Konkret kann es sich bei dem Bindemittel der neuen temperaturempfindlichen Farbe um einen Zwei-Komponenten-Polyurethan-Acrylharzlack handeln, wie er von der Firma Alfred Clouth Lackfabrik GmbH & Co. KG, Offenbach/Main, unter der Bezeichnung Cloucryl vertrieben wird. Dabei werden die beiden Komponenten als Lack und Härter bezeichnet. Als dritte Komponente kann eine Verdünnung zugesetzt werden (DD-Verdünnung Nr. 29).
In vorteilhafter Weise ist die neue temperaturempfindliche Farbe zur Verwendung bei Messungen in einem Windkanal geeignet. Die Acrylurethanpolymermatrix weist die hierfür notwendigen Eigenschaften u. a. in Bezug auf die Möglichkeit der dünnen Beschichtung von Modellen in einem Windkanal ohne Änderung deren grundsätzlichen Oberflächeneigenschaften auf. Mit der neuen temperaturempfindlichen Farbe können in dem Windkanal insbesondere Temperaturverteilungen im Bereich von 30°C bis 50°C erfasst werden. Aber auch in dem Bereich von 0°C bis 50°C und selbst darunter sowie noch darüber ermöglicht die neue temperaturempfindliche Farbe die Bestimmung von Temperaturverteilungen über damit beschichtete Oberflächen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt die Strukturformel des Fluorophors Eu(hfc)₃.
2 ist ein Anregungs-/Emissionsspektrum von Eu(hfc)₃ bei Verwendung in einer temperaturempfindlichen Farbe.
3 zeigt die Strukturformel des Fluorophors Eu(dtm)₃ in zwei Darstellungsformen.
4 ist das Anregungs-/Emissionsspektrum von Eu(dtm)₃ bei Verwendung in der neuen temperaturempfindlichen Farbe; und
5 ist eine Auftragung der relativen Temperaturempfindlichkeit über dem Temperaturbereich von 0°C bis 50°C für die neue temperaturempfindliche Farbe mit Eu(dtm)₃ als Temperatursonde im Vergleich zu einer anderen temperaturempfindlichen Farbe mit Eu(hfc)₃ als Temperatursonde bei Verwendung desselben Bindemittels und zu anderen temperaturempfindlichen Farben mit den Temperatursonden Eu(hfc)₃ und Eu(dtm)₃ aber unter Verwendung anderer Bindemittel zur Ausbildung der Polymermatrix.
FIGURENBESCHREIBUNG

Bei der neuen temperaturempfindlichen Farbe kommt der zweite der beiden folgenden Europium-Komplexe als Temperatursonde zur Anwendung. Der erste Europium-Komplex wird als Vergleichsbeispiel angegeben.

• Europium-tris[3-(heptafluoropropylhydroxymethylen)-(+)-camphorat]
Synonyme:	Eu(hfc)₃
	Europium(III)tris[3-(heptafluoropropylhydroxymethylen)-d-camphorat]
	Tris[3-(heptafluoropropylhydroxymethylen)-d-camphorato]europium(III)
Molekülformel:	C₄₂H₄₂EuF₂₁O₆
Molekülgewicht:	1193,71
CAS-Nummer:	34788-82-4
EG/EC-Nummer:	2522140
Strukturformel:	Fig. 1

• Europium-tris[dithenoylmethan]
Synonym:	Eu(dtm)₃
	Tris(1,3-Dithiophen-2-yl-propan-1,3-dionato)europium(III)
Molekülformel:	C₃₃H₂₁EuS₆O₆
Molekülgewicht:	857,87
CAS-Nummer:	14049-62-8
Strukturformel:	Fig. 3

Das Bindemittel der neuen temperaturempfindlichen Farbe, in das die Temperatursonde eingebettet wird, ist das Produkt ”Cloucryl-Seidenmatt aromatenfrei” der Firma Alfred Clouth Lackfabrik GmbH & Co. KG, Offenbach/Main, wobei dieser Lack zusammen mit dem zugehörigen Cloucryl-Härter und der von der Firma Clouth empfohlenen DD-Verdünnung Nr. 29 nach Anweisung des Herstellers eingesetzt wird.
Die 2 und 4 zeigen die Anregungs-/Emissionsspektren der beiden Temperatursonden in einer Schicht aus der neuen temperaturempfindlichen Farbe auf einer Oberfläche, Von Bedeutung ist dabei, dass die Anregung oberhalb 400 nm möglich ist, also ohne Verwendung spezieller UV-Optiken. Zu dem liegt der Emissionspeak jeweils bei gut 600 nm und ist entsprechend von dem Anregungslicht leicht trennbar.
5 zeigt die relative Temperaturempfindlichkeit der Temperatursonden Eu(hfc)₃ und Eu(dtm)₃ in verschiedenen Polymermatrizen. Dabei steht AU für die Acrylurethanpolymermatrix der erfindungsgemäßen temperaturempfindlichen Farbe, CL für eine Polyurethanmatrix gemäß der DE 20 2008 009 006 U1 und PMMA für eine Polymethylenmethacrylatmatrix gemäß der US 5,971,610 .
5 zeigt, dass beide Temperatursonden bei Einbettung in die erfindungsgemäße Acrylurethanpolymermatrix in dem betrachteten Bereich von 0°C bis 50°C eine deutlich erhöhte relative Temperaturempfindlichkeit aufweisen, die bei Eu(hfc)₃ in diesem gesamten Bereich über –5%/K liegt. Bei Eu(dtm)₃ wird oberhalb 30°C eine mit der Temperatur ansteigende relative Temperaturempfindlichkeit oberhalb –4%/K beobachtet. Dies ist gepaart mit einer deutlich höheren Fluoreszenzlichtintensität von Eu(dtm)₃. Diese hohe Fluoreszenzlichtintensität auch im hohen Temperaturbereich erleichtert das Messen von Temperaturverteilungen mit der neuen temperaturempfindlichen Farbe oberhalb 30°C ganz erheblich. Zusätzlich wird bei Eu(dtm)₃ über den gesamten Bereich von 0°C bis 50°C (auch in einer Polyurethanpolymermatrix) ein kontinuierlicher Anstieg der relativen Temperaturempfindlichkeit beobachtet, während die relative Temperaturempfindlichkeit von Eu(hfc)₃ in einer Polymethylenmethacrylatmatrix über diesen gesamten Temperaturbereich abfällt und entsprechend ab 40°C kaum noch für Temperaturmessungen geeignet ist.

Claims

Temperaturempfindliche Farbe mit einem Bindemittel zur Ausbildung einer Polyurethanmatrix und mit einem in dem Bindemittel dispergierten Fluorophor, dessen Anregung zur Emission von Fluoreszenzlicht temperaturabhängig gequenscht wird, wobei der Fluorophor ein Europiumkomplex ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorophor ein Eu(dtm)₃-Komplex ist und dass das Bindemittel eine Acrylurethanpolymermatrix ausbildet.
Temperaturempfindliche Farbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Drei-Komponenten-System mit Verdünner und Härter ist.
Temperaturempfindliche Farbe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel einen aromatenfreien Zweikomponenten-Polyurethan-Acrylharzlack mit Lack und Härter aufweist, dem eine Verdünnung zugesetzt ist.
Temperaturempfindliche Farbe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Temperaturempfindlichkeit in dem Bereich von 30 bis 50°C größer als –4,0%/K ist.
Temperaturempfindliche Farbe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Temperaturempfindlichkeit in dem Bereich von 30 bis 50°C größer als –5,0%/K ist.
Temperaturempfindliche Farbe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorophor in der Acrylurethanpolymermatrix mit Licht einer Wellenlänge großer 400 nm zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar ist.
Temperaturempfindliche Farbe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wellenlänge des von dem Fluorophor emittierten Lichts um mehr als 100 nm von dem Anregungslicht unterscheidet.
Verwendung einer temperaturempfindlichen Farbe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Messung von zweidimensionalen Temperaturverteilungen im Bereich von 30 bis 50°C in einem Windkanal.