DE19961547A1 - Methode zur Färbung von Flammen und Leuchtmittel - Google Patents

Abstract

Zur Färbung von Flammen wird metallisches Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung in die Brennzone einer offenen Flamme eingebracht. Die Bestandteile der Flammer erzeugen kontinuierlich flüchtige Kupferverbindungen, Kupferionen und/oder Kupfersalze, die in der Flamme atomisiert werden und dann thermisch zu einer optischen Emission angeregt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 1.

Die Farbe von Flammen, wie sie durch Kerzen, Lampen oder Fackeln erzeugt wird, weist eine charakteristische Orange-Färbung auf. Diese Farbe ist allen üblicherweise verwendeten Brennstoffen, wie z. B. Wachsen und Ölen gemeinsam. Die Farbe der Flamme ist auf Rußpartikel zurückzuführen, die während des Verbrennungsprozesses entstehen. Die Rußpartikel nehmen die thermische Energie in der Flamme auf und geben sie in z. T. in Form von orangem Licht wieder ab - entsprechend dem Emissionsspektrum von Ruß (Kohlenstoff). Aus diesem Grund kann auf Basis der normalerweise in Kerzen, Lampen oder Fackeln eingesetzten Brennstoffe allenfalls eine mit Orange gemischte Flammenfarbe erreicht werden. Die Erzeugung von nicht mit Orange gemischten, reinen Flammenfarben, wie z. B. Blau, Grün, Rot oder Gelb, bedarf einer nicht, bzw. nur mit sehr schwacher Eigenfarbe leuchtenden Flamme, die mittels geeigneter Farbgeber eingefärbt werden kann.

Voraussetzung für die Erzeugung nicht leuchtender Flammen ohne gesonderte Luft- /Sauerstoffzufuhr ist die Verwendung von Brennstoffen, die ein bestimmtes Verhältnis von Sauerstoff (O) zu Kohlenstoff (C) in ihrer chemischen Molekülstruktur aufweisen, um das Entstehen von Ruß zu verhindern. Das atomare Verhältnis von C : O muß dabei kleiner oder gleich zwei sein. Diese Voraussetzung wird von einer Reihe von Brennstoffen erfüllt. So brennen z. B. Trioxan, Methanol, Ethanol, Polyethylenglycol etc. mit nicht leuchtender bzw. nur schwach gefärbter Flamme.

Die zweite Bedingung zur Erzeugung beliebig farbiger Flammen ist der Zusatz bestimmter Komponenten, die der nicht leuchtenden Flamme eine charakteristische Färbung, wie z. B. Blau, Grün, Rot oder Gelb verleihen. Es existiert hierzu eine Reihe von Patenten, die verschiedene Möglichkeiten zur Farberzeugung aufzeigen (Patente US 3,582,251/US 3,811,817/­ US 3,871,815/US 4,386,904/US 4,536,188/5,127,922). Jedoch ist in diesen Patenten die Frage der lang anhaltenden Brenndauer nur unzureichend gelöst. Ebenso ist speziell eine blaue Flammenfärbung an Hand der vorliegenden Verfahrensvorschriften nicht realisierbar. Einen geeigneten Farbgeber für die jeweilige Flammenfärbung zu finden ist nur ein Teil der Lösung des Problems. Aus chemischer Sicht kommen für die unterschiedlichen Farben vor allem unterschiedliche Metallsalze in Frage, die ein entsprechendes Emissionsspektrum aufweisen. Der Vorgang in der Flamme beruht auf chemischen Grundsätzen, wonach thermische Energie zur Anregung von Komponenten in der Flamme umgesetzt wird. Die angeregte Komponente emittiert einen Teil dieser Energie in definierten Wellenlängenbereichen, die bevorzugt im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen. Auf diese Weise einer ansonsten farblosen Flamme eine beliebige Färbung verliehen werden. Die Komponenten, die hierfür in Frage kommen sind in der Wissenschaft längst bekannt und werden als Demonstrationsversuch (bengalisches Feuer) oder zum qualitativen Nachweis eben der zugrundeliegenden Metallionen verwendet. Darüber hinaus macht die Pyrotechnik vielfältigen und reichhaltigen Gebrauch von den beschriebenen Grundsätzen.

Entscheidend für die Verwendung dieses Wissens zur Herstellung farbig brennender Kerzen, Lampen oder Fackeln ist die Art und Weise wie der farbgebende Stoff der brennenden Flamme zur Verfügung gestellt werden kann. So reicht es nicht aus, den Farbgeber einfach zu dem Brennstoff dazu zu mischen (egal in welcher Form). Dadurch erhält man höchstens kurzzeitige Flammenfärbungen, da der Farbgeber erst über den Docht zusammen mit dem Brennstoff zur Brennzone transportiert werden muß. Die praktische Erfahrung hat aber gezeigt, daß bei Farbgeberkonzentrationen, die zu einer Flammenfärbung führen der Docht innerhalb kürzester Zeit verstopft und kein Brennstoff mehr über den Docht nachgeliefert werden kann. Die Folge ist, daß die Flamme nach einiger Zeit erlischt. Die Verstopfung resultiert aus der Abscheidung des Farbgebers an der Brennzone des Dochtes, da hier der Brennstoff sehr schnell verdampft, während die farbgebenden Salze als Feststoffe zurückbleiben.

Zu dieser Problematik sind Patente bekannt (US 4,386,904) die eine Verstopfung des Dochtes dadurch umgehen, indem sie zwei Dochte einsetzen: Jeweils ein Docht liefert den Farbgeber bzw. den Brennstoff. In der Praxis haben sich diese Systeme aufgrund der aufwendigen Konstruktion und der schwierigen Abstimmung nicht durchsetzen können.

Die Einbettung anorganischer, farbgebender Salze in den Docht von Kerzen oder Öllampen bzw. das Umwickeln der Dochte mit dünnen Drähten wurde ebenfalls vorgeschlagen. Wie bei der einfachen Zumischung von Farbgebern zu den Brennstoffen kann der Brennstoff den Docht durch Verdampfung verlassen, der Farbgeber bleibt größtenteils an der Dochtoberfläche zurück. Allenfalls kommt es im Laufe der Zeit zur Zersetzung (Bildung von schwer flüchtigen Oxiden), die den Docht verkrusten und zum Erlöschen der Flamme führen.

Ähnliche Verkrustungseffekte nach thermischer und/oder oxidativer Zersetzung sind bei der Verwendung von im Brennstoff löslichen organischen Farbgebern zu beobachten. Zu dieser Gruppe von Verbindungen zählen z. B. Borsäureester und metallorganische Verbindungen, sowie Salze organischer Säuren bzw. Metallkomplexe mit organischen Komplexbildnern. Die Rückstände der Farbgeber reichem sich in der Verdampfungszone unterhalb der Flamme an und verschlechtern so im Laufe der Zeit die Brennstoffzufuhr. Bei der Verwendung von Borsäureestern kommt es häufig zu einer Zersetzung der Ester während der Lagerung, die sich neben einer verschlechterten Flammenfärbung in farblosen Borsäureausblühungen negativ bemerkbar machen.

Bei den bekannten Methoden zur Einfärbung von Flammen zu dekorativen Zwecken werden meist Halogenide von Alkali- und Erdalakimetallen als Farbgeber benutzt. Die Halogenide werden bevorzugt eingesetzt, da sie im Unterschied zu Oxiden und Sulfaten derselben Metalle niedrigere Gitterenergien aufweisen und somit leichter zu verdampfen sind. Bei erhöhten Temperaturen, wie sie in der Nähe einer offenen Flamme herrschen und unter Gegenwatt von Sauerstoff entstehen aus vielen Metallhalogeniden die Metalloxide. Diese Metalloxide können aufgrund der höheren Gitterenergien in der Kerzen-/Öllampenflamme meist nicht mehr thermisch zum Leuchten gebracht werden.

Mit keiner der bisher beschriebenen Methoden zur Einfärbung von Flammen ist es gelungen eine dauerhaft blau brennende Kerze, Öllampe oder Fackel zu realisieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Überwindung der beschriebenen Probleme. Die Flamme soll dauerhaft eingefärbt werden können, ohne daß es im Lauf des Betriebes zu einer Verschlechterung der Brennstoffzufuhr kommt. Es sollen eine unkomplizierte Fertigung und eine einfache Handhabung ermöglicht werden. Die Verwendung bestehender Leuchtmittel soll möglich sein. Dauerhaft blau brennende Flammen sollen möglich sein.

Diese Aufgaben werden durch die Methoden mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Brennstoff enthält ausschließlich unter den vorliegenden Bedingungen einer offenen Flamme verdampfbare Stoffe - damit ist ein Verstopfen des Dochtes, bzw. die Bildung von Ablagerungen an der Dochtoberfläche ausgeschlossen. Die Anordnung des Farbgeber erzeugenden kupferhaltigen Metalles in der Flamme garantiert die Überschreitung der zur thermischen Anregung der Farbgeber mindestens erforderlichen Temperatur. Die für das Kupfer korrosive Wirkung von Bestandteilen der Flamme (bzw. des Brenngases) erzeugt kontinuierlich frische Kupferoberflächen, die für eine gleichbleibend intensive Flammenfärbung erforderlich sind. Darüber hinaus sorgt die gute Wärmeleitfähigkeit des Kupfers dafür, daß die Temperatur der Flamme gleichmäßig zur Erzeugung verdampfter, thermisch angeregter Kupferatome genutzt wird. Die Handhabung der erfindungsgemäßen Leuchtmittel ist sehr einfach. Verbrauchte Farbgeber können einfach gegen neue ausgetauscht werden.

BEISPIELE

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

Beispiel 1 Präparation einer Öllampe zur Färbung von Flammen

Basis für dieses Ausführungsbeispiel ist eine handelsübliche Öllampe mit einem auf die Verwendung von Spiritus als Brennstoff abgestimmten Docht. Als Farbgeber wird ein Stück Kupferdraht mit Durchmesser 0,8 mm verwendet und in eine geeignete Form gebracht, z. B. Spirale. Der Draht bedarf keiner weiteren Präparation. Als Brennstoff wird handelsüblicher Spiritus verwendet, der mit 4-8 Vol.-% Salzsäure (37-%ige wäßrige Lösung) als Aktivierungszusatz versetzt wird. Der Kupferdraht wird in der Brennzone positioniert und verleiht der Flamme eine leuchtend blaue Farbe. Bei entsprechend geringerer Dosierung des Aktivierungszusatzes erhält die Flamme eine blaugrüne Färbung, bzw. bei noch geringerer Dosierung erhält die Flamme eine grüne Färbung. Die Färbung der Flamme ist über mehrere Stunden Brennzeit stabil.

Beispiel 2 Präparation einer Öllampe zur Färbung von Flammen

Dieses Ausführungsbeispiel ist bis auf den verwendeten Aktivierungszusatz mit Beispiel 1 identisch. Zu dem Brennstoff Spiritus werden 2-8 Vol.-% Trichlormethan gegeben. Der Kupferdraht wird in der Brennzone positioniert und verleiht der Flamme eine leuchtend blaue Farbe. Bei entsprechend geringerer Dosierung des Aktivierungszusatzes erhält die Flamme eine blaugrüne Färbung, bzw. bei noch geringerer Dosierung erhält die Flamme eine grüne Färbung. Die Färbung der Flamme ist über mehrere Stunden Brennzeit stabil.

Beispiel 3 Präparation einer Öllampe zur Färbung von Flammen

Dieses Ausführungsbeispiel ist bis auf den verwendeten Aktivierungszusatz mit Beispiel 1 identisch. Zu dem Brennstoff Spiritus werden 4-10 Vol.-% Dichlormethan gegeben. Der Kupferdraht wird in der Brennzone positioniert und verleiht der Flamme eine leuchtend blaue Farbe. Bei entsprechend geringerer Dosierung des Aktivierungszusatzes erhält die Flamme eine blaugrüne Färbung, bzw. bei noch geringerer Dosierung erhält die Flamme eine grüne Färbung. Die Färbung der Flamme ist über mehrere Stunden Brennzeit stabil.

Beispiel 4 Präparation einer Öllampe zur Färbung von Flammen

Dieses Ausführungsbeispiel ist bis auf den verwendeten Farbgeber mit Beispiel 3 identisch. Anstatt des Kupferdrahtes wird ein zylindrisch gerolltes und mit Aussparungen versehenes Kupferblech als Farbgeber verwendet. Der Farbgeber wird stehend in der Brennzone positioniert und verleiht der Flamme eine leuchtend blaue bzw. blaugrüne, bzw. grüne Farbe. Die Färbung der Flamme ist über mehrere Stunden Brennzeit stabil.

Beispiel 5 Präparation einer Fackel zur Färbung von Flammen

Basis für dieses Ausführungsbeispiel ist eine handelsübliche, für den Einsatz im Freien und den Betrieb mit Petroleum konzipierte Fackel. Als Farbgeber wird ein zylindrisch gerolltes und mit Aussparungen versehenes Kupferblech verwendet. Als Brennstoff/­ Farbgebermischung wird eine Mischung aus ca. 50 Vol.-% handelsüblichem Spiritus mit ca. 40 Vol.-% 1,2-Ethandiol (Ethylenglykol) und ca. 10 Vol.-% Dichlormethan verwendet. Der Farbgeber wird stehend in der Brennzone positioniert und verleiht der Flamme eine leuchtend blaue Farbe. Bei entsprechend geringerer Dosierung des Dichlormethans erhält die Flamme eine blaugrüne Färbung, bzw. bei noch geringerer Dosierung erhält die Flamme eine grüne Färbung. Die Färbung der Flamme ist über mehrere Stunden Brennzeit stabil. Durch die Variation des Verhältnisses Ethanol/Ethandiol kam die Höhe der Flamme und damit der Brennstoffverbrauch reguliert werden.

Claims (22)

1. Methode zur Färbung von Flammen, dadurch gekennzeichnet, daß metallisches Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung in die Brennzone einer offenen Flamme eingebracht wird und daß Bestandteile der Flamme kontinuierlich flüchtige Kupferverbindungen, bzw. Kupferionen, bzw. Kupfersalze erzeugen, die in der Flamme atomisiert werden und dann thermisch zu einer optischen Emission angeregt werden.

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehende Flammenfärbung Blau oder Grün oder eine Mischung beider Farben ist.

3. Methode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ohne Kupfer- bzw. Kupferlegierungszusatz nicht bzw. nur mit schwacher Eigenfarbe leuchtende Flamme eingesetzt wird.

4. Methode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein bei Raumtemperatur flüssiger, halbfester oder fester Brennstoff bzw. eine Mischung verschiedener derartiger Brennstoffe zur Erzeugung der Flamme eingesetzt wird.

5. Methode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Docht zum Transport des Brennstoffes/der Brennstoffe in die Brennzone eingesetzt wird.

6. Methode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die, die flüchtigen Kupferverbindungen, bzw. die Kupferionen, bzw. die Kupfersalze erzeugenden Bestandteile mit dem Brennstoff in die Flamme gelangen, wobei eine homogene Mischung dieser Korrosion erzeugenden Bestandteile mit den Brennstoffen bevorzugt wird.

7. Methode nach dem vorangehenden Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrosion erzeugenden Bestandteile chlorhaltig bzw. unter den gegebenen Bedingungen Chlor abspaltend sind.

8. Methode nach dem vorangehenden Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Korrosion erzeugenden Bestandteilen um anorganische Chlorverbindungen handelt, wobei die Zumischung von Salzsäure zum Brennstoff/zur Brennstoffmischung eine bevorzugte Ausführung ist.

9. Methode nach dem vorangehenden Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Korrosion erzeugenden Bestandteilen um organische Chlorverbindungen handelt, wobei die Zumischung von Alkyl-mono-, -di-, -tri-, und -tetrachloriden zum Brennstoff/zur Brennstoffmischung eine bevorzugte Ausführung ist.

10. Methode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Kupfer in Form eines mit Aussparungen versehenen und mit radialem Querschnitt geformten Blechs eingesetzt wird.

11. Methode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Kupfer in Form von gebogenem Draht eingesetzt wird.

12. Leuchtmittel zur Erzeugung besonders gefärbter Flammen, dadurch gekennzeichnet, daß Methoden nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11 zu deren Erzeugung eingesetzt werden.

13. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei diesem Leuchtmittel um eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Lampe handelt, wobei der Brennstoff 1 die Brennstoffe über zumindest einen Docht zur Flamme/­ zu den Flammen gefördert werden.

14. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zumindest z. T. Methanol und/oder Ethanol und/oder und/oder 1,2- Ethandiol und/oder 1,2,3-Propantriol und/oder Polyethylenglycol enthält.

15. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei diesem Leuchtmittel um eine mit festem oder halbfestem Brennstoff betriebene Kerze handelt, wobei der Brennstoff/die Brennstoffe über zumindest einen Docht zur Flamme/zu den Flammen gefördert werden.

16. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zumindest z. T. Trioxan und/oder 1,2-Ethandiol und/oder 1,2,3- Propantriol und/oder Polyethylenglycol enthält.

17. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei diesem Leuchtmittel um eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Fackel handelt, wobei der Brennstoff/die Brennstoffe über zumindest einen Docht zur Flamme/­ zu den Flammen gefördert werden.

18. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zumindest z. T. Methanol und/oder Ethanol und 1 oder und/oder 1,2- Ethandiol und/oder 1,2,3-Propantriol und 1 oder Polyethylenglycol enthält.

19. Leuchtmittel nach dem vorangehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei diesem Leuchtmittel um ein mit Alkohol oder Brennstoffgel betriebenes Richaud oder ähnlich funktionierendes, dochtloses Leuchtmittel handelt.

20. Leuchtmittel nach einem der vorangehenden Ansprüche 12-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtmittel zur Tischdekoration gedacht ist.

21. Leuchtmittel nach einem der vorangehenden Ansprüche 12-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtmittel Effektbeleuchtung im Freien gedacht ist.

22. Leuchtmittel nach einem der vorangehenden Ansprüche 12-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtmittel im Zusammenhang mit Tod und Bestattung eingesetzt wird.