DE69012956T2

DE69012956T2 - Infrarot-Beleuchtungsvorrichtung.

Info

Publication number: DE69012956T2
Application number: DE69012956T
Authority: DE
Inventors: Leon L Jones; Daniel B Nielson
Original assignee: Thiokol Corp
Current assignee: Northrop Grumman Innovation Systems LLC
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2010-11-09
Also published as: US5056435A; EP0430464A3; KR910009876A; EP0430464B1; DE69012956D1; JP2886670B2; IL96380A; DE430464T1; JPH03187101A; CA2030380A1; GR3015277T3; KR950000041B1; CA2030380C; EP0430464A2

Description

Die Erfindung betrifft Infrarot-Leuchtzusammensetzungen und daraus hergestellte Leuchteinrichtungen, die brauchbar sind, um die Verwendung in Nachtsichteinrichtungen, wie Schutzbrillen, zu verbessern. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen, um Abspalten von Stücken des Leuchtmaterials bei Preßzunahme während des Verbrennens zu verhindern.
Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen wurden für die Verwendung bei der Verbesserung der Benutzung von Nachtsichteinrichtungen, wie Nachtsichtschutzbrillen, vorgeschlagen. Allgemein ist es erwünscht, daß solche Beleuchtungseinrichtungen derart sind, daß sie Licht produzieren, das vorherrschend oder fast ausschließlich im Infrarotbereich liegt, wobei nur wenig oder im wesentlichen kein sichtbares Licht erzeugt wird. Solche Infrarot-Beleuchtungskörper sind recht brauchbar, wo es erwünscht ist, Operationen in einer verborgenen, geschützten, maskierten oder heimlichen Weise durchzuführen, d. h. in einer Weise, die für andere oder jene ohne den Vorteil der oben erwähnten Nachtsichteinrichtungen nicht allgemein sichtbar ist.
Die US-A-S 733 233 beschreibt eine Infrarot-Beleuchtungseinrichtung mit einem Bindemittel, Silicium und Hexamin als Hauptbrennstoffkomponenten, KNO&sub3;, RbNO&sub3; oder CsNO&sub3; als Oxidationsmittel.
Bisher vorgeschlagene Infrarot-Leuchtzusammensetzungen und -Beleuchtungseinrichtungen litten unter einer Reihe von Nachteilen. Unter den Nachteilen findet sich die geringe Infrarotintensität, langsame Brenngeschwindigkeit und das Seitenbrennen und das damit verbundene Abspalten großer Stücke von Leuchtmaterial bei Preßzunahmen der Leuchtzusammensetzung in den Beleuchtungseinrichtungen während des Brennens. Ein anderer ernsthafter Nachteil bei solchen vorgeschlagenen Infrarot-Beleuchtungsvorrichtungen ist das unerwünschte Vorhandensein von sichtbarem Licht während des Brennens der Zusammensetzungen.
So besteht ein Bedarf an einer Infrarot-Leuchtzusammensetzung und daraus hergestellten Beleuchtungseinrichtungen, die eine erhöhte oder beschleunigte Verbrennungsgeschwindigkeit zeigen und auch eine erhöhte Infrarotintensität besitzen, während sie eine geringer Intensität für sichtbares Licht behalten. Ein weiterer Bedarf besteht für solche verbesseren Infrarot- Beleuchtungseinrichtungen, die im wesentlichen frei von Seitenbrennen und dem damit verbundenen Abspalten großer Stücke von Leuchtmaterial bei den Preßzunahmen in den Beleuchtungseinrichtungen während des Brennens sind. Es ist erwünscht, daß eine Infrarot- Leuchtzusammensetzung und Beleuchtungseinrichtungen daraus vorgesehen werden, die die Verwendung der nachtsichtempfindlichen Einrichtungen, wie von Infrarot-Schutzbrillen, verbessern, indem sie verstärkte Beleuchtung ohne signifikante Steigerung des sichtbaren Lichtes erzeugen. Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, eine Infrarot-Leuchtzusammensetzung und Beleuchtungseinrichtungen daraus zu bekommen, die erhöhte Infrarotintensität in den Wellenlängen von etwa 700 bis etwa 1100 Nanometer ergeben. Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist, eine Infrarot-Leuchtzusammensetzung und Beleuchtungseinrichtungen daraus zu bekommen, die verminderte oder im wesentlichen keine Rußbildung während des Brennens haben. Es ist äußerst erwünscht, daß eine Infrarot-Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen wird, die maximale Infrarotlichtintensität, minimale Intensität von sichtbarem Licht, gesteigerte Brenngeschwindigkeit und kein Abspalten von Leuchtmaterialstücken während des Brennens hat.
In der beigefügten Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Preßfuß, der zur Erzeugung verbesserter Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen verwendet wird, und
Fig. 1A eine vergrößerte Einzelheit von Fig. 1.
Infrarot-Leuchtzusammensetzungen und daraus hergestellte Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen werden mit einer Zusammensetzung vorgesehen, die Kaliumnitrat, Caesiumnitrat, Hexamin, Silicium, Bor, Eisen-III-oxid und geeignetes Bindemittel umfaßt. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen werden im wesentlichen ohne Seitenbrennen oder Klumpen aus Leuchtmaterialstücken während des Brennens durch Verwendung eines mehrstufigen Preßfußes vorgesehen, um die Leuchtzusammensetzung in Leuchtröhren zu packen.
Infrarot-Leuchtzusammensetzungen verbesserter Brenngeschwindigkeit, gesteigerter Infrarotlichtintensität mit minimaler Intensität von sichtbarem Licht und im wesentlichen ohne Abspaltung von Leuchtmaterial während des Brennens einer Infrarot-Beleuchtungseinrichtung bekommt man durch eine Zusammensetzung, die die folgenden Bestandteile umfaßt: Bestandteil Gewichtsprozente Kaliumnitrat wenigstens 50 %, vorzugsweise etwa 60 % Caesiumnitrat 9 bis 20 %, vorzugsweise 9 bis 10 % Hexamin 14 bis 18 %, vorzugsweise 15 bis 16 % Silicium 5 bis 10 %, vorzugsweise 6 bis 7 % Bor 1 bis 3 %, vorzugsweise etwa 2 % Eisen-III-oxid 1/2 bis 1 1/2 %, vorzugsweise etwa 1 % Bindemittel 4 bis 8 %, vorzugsweise etwa 6 %, worin das Gesamtgewicht aller Komponenten zusammen 100 % umfaßt.
Als ein Bindemittel für die Zusammensetzung kann man irgendein geeignetes Bindemittel verwenden, das die Eigenschaft der Infrarot-Leuchtzusammensetzung oder der daraus hergestellten Beleuchtungsvorrichtungen nicht beeinträchtigt. Vorzugsweise wird das Polymer beispielsweise ein Polyester sein, der kurze Kohlenstoffbruchstücke im Grundgerüst enthält, um so Rußbildung während des Brennens zu vermindern oder auszuschalten. Als ein Beispiel eines geeigneten Bindemittels kann Formrez F 17-80-Polyester der Witco Chemical Corporation und spezieller eine härtbare Polyesterharzzusammensetzung, die in Gewichtsprozenten 81 bis 83 %, vorzugsweise 82,5 % Formrez 17-80-Polyesterharz, 1 5 bis 17 %, vorzugsweise etwa 16,5 % Epoxyharz, wie ERL 510 der Ciba-Geigy Corporation, und 0 bis 2 %, vorzugsweise 1 % eines Katalysators, wie Eisenlinolat, umfaßt erwähnt werden. Am meisten bevorzugt werden etwa 4 Gew.-% eines Bindemittels, das 82,5 % Formrez 17-80-Polyesterharz, 16,5 % ERL 510-Epoxyharz und 1 % Eisenlinolat umfaßt, in den bevorzugten Infrarot-Leuchtzusammensetzungen dieser Erfindung verwendet. Eine solche Bindemittelzusammensetzung wird nachfolgend hier einfach als WITCO 1780 bezeichnet.
Eine bevorzugte Infrarotzusammensetzung dieser Erfindung umfaßt die folgende Zusammensetzung: Bestandteil Gewichtsprozent Kaliumnitrat Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid WITCO 1780 etwa
Eine am meisten bevorzugte Infrarot-Leuchtzusammensetzung nach dieser Erfindung umfaßt: Bestandteil Gewichtprozente Kaliumnitrat Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid WlTCO 1780 etwa
Als andere Beispiele von Infrarot-Leuchtzusammensetzungen dieser Erfindung können die folgenden Zusammensetzungsbeispiele erwähnt werden: Gewichtsprozente Bestandteil Zusammensetzung Kaliumnitrat Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid WITCO 1780
Mit den Infrarot-Zusammensetzungen dieser Erfindung wurden die Infrarotintensität und die Brenngeschwindigkeit signifikant erhöht. Infrarotintensitätssteigerungen bis zu 150 % und Brenngeschwindigkeitssteigerungen bis zu 110 % wurden ohne nachteilige Steigerung des sichtbaren Lichtes im Vergleich mit bisher vorgeschlagenen Infrarot-Leuchtvorrichtungen erhalten, die in Gewichtsprozenten 70 % Kaliumnitrat, 10 % Silicium, 16 % Hexamin und 4 % des Fluorkohlenstoffbindemittels, wie Fluorkohlenstoff auf der Basis eines bei der El duPont als VITON A erhältlichen Copolymers von Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen, umfassen.
Die Infrarot-Leuchtzusammensetzungen wurden auf der Basis eines Verschleierungsindex bewertet, welcher das Verhältnis von Infrarotlicht zu sichtbarem Licht ist, welches beim Verbrennen beobachtet wird. Die Testeinrichtung zur Bestimmung des Index umfaßte einen photometrischen Silidiumdetektor und einen Photoelement-Siliciumdetektor. Der photometrische Detektor hatte einen Filter, der dem Ansprechen des menschlichen Auges folgt (Sichtdetektor). Der Photozellendetektor verwendet einen Filter, der alles Licht unter 700 Nanometer blockiert und nur Licht größer als 700 Nanometer durchgehen läßt (Infrarotdetektor). Die obere Grenze des Photozellendetektors ist 1100 Nanometer, so daß der gefilterte Detektor einen Bereich zwischen 700 und 1100 Nanometer ergab.
In den Zusammensetzungen dieser Erfindung werden Silicium und Hexamin als die Hauptbrennstoffkomponenten verwendet, da ihre Verbrennungsprodukte minimalen Ausstoß an sichtbarem Licht haben, d. h. beide gute Verschleierungsindizes besitzen. Kaliumnitrat wird als ein Oxidationsmittel in den Zusammensetzungen dieser Erfindung verwendet. Obwohl man fand, daß Kaliumperchlorat die Verbrennungsgeschwindigkeit von Infrarot-Leuchtzusammensetzungen bei Verwendung als ein Oxidationsmittel darin erhöht, steigert es auch unerwünscht und unannehmbar das sichtbare Licht selbst bei reduziertem Prozentsatz in der Zusammensetzung. Kaliumnitrat erzeugte einen sehr geringen Ausstoß an sichtbarem Licht und hatte so einen guten Verschleierungsindex, doch war die Verbrennungsgeschwindigkeit entweder nicht schnell genug oder nicht ausreichend gesteigert, um einen annehmbare Infrarot-Bleuchtungseinrichtung zu erzeugen.
Als Brenngeschwindigkeitskatalysatoren wurden sowohl Bor als auch Magnesium in niedrigen Gehalten in der Zusammensetzung zur Steigerung der Brenngeschwindigkeit bewertet. Magnesium erzeugte jedoch zu viel sichtbares Licht, um annehmbar zu sein. Von Bor wurde andererseits gefunden, daß es die Brenngeschwindigkeit um bis zu 50 % mit nur geringen Steigerungen des sichtbaren Lichtes erhöhte, wenn es in der Zusammensetzung in einer Menge von 2 bis 3 Gew.-% verwendet wurde. Wenn Eisen-lll-oxid in der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 1 Gew.-% benutzt wurde, hatte es keine Wirkung auf die Brenngeschwindigkeit. Es wurde jedoch überraschenderweise gefunden, daß bei Verwendung von Bor und Eisen-III-oxid zusammen in den Zusammensetzungen dramatische Steigerungen der Brenngeschwindigkeit erreicht werden konnten. Beispielsweise wurden Brenngeschwindigkeitssteigerungen bis zu 110 % mit Sichtsteigerungen im sichtbaren Licht beobachtet, wenn 2 % Bor und 1 % Eisen-III-oxid in den Zusammensetzungen verwendet wurden. Außerdem wurden Steigerungen von 1 50 % der Infrarotlichtintensität beobachtet.
Caesiumnitrat ist in den Zusammensetzungen dieser Erfindung als ein Oxidationsmittel vorhanden und auch zur Unterstützung der Beschleunigung der Brenngeschwindigkeit. Wichtiger jedoch fand sich, daß Caesiumnitrat den Infrarotspektralausstoß verbreitert und die Infraroteffizienz verbessert. Das Kaliumnitrat und Caesiumnitrat scheinen die Wirkung gegenseitig zu fördern.
Es wurde gefunden, daß alle diese Bestandteile die Brenngeschwindigkeit günstig und signifikant beeinflussen, ohne den Ausstoß an sichtbarem Licht nachteilig zu beeinflussen. Eisen-III-oxid, Bor und Caesiumnitrat steigern bei gemeinsamer Verwendung in den Infratrot- Leuchtzusammensetzungen dieser Erfindung die Brenngeschwindigkeit von 0,64 auf 1,4 mm/sec (von 0,025 auf 0,055 Inch/sec) und die Infrarotintensität auf mehr als das Doppelte von 400 auf 1060 Watt/Sterad, während sie die Intensität von sichtbarem Licht nur von 2000 auf 3000 Kerzenstärken erhöhen.
Die Zusammensetzungen dieser Erfindung können in irgendeiner geeigneten Weise hergestellt werden, wie beispielsweise durch Vermischen aller Bestandteile in einem Acetonschlamm in folgender Weise. Das Bindemittel, wie beispielsweise WITCO 1780, wird in Aceton zu einer 20 %igen Lösung aufgelöst, und das geeignete Gewicht dieser Lösung wird zu Kaliumnitrat in einem Hobart-Mischer zugegeben. Weiteres Aceton wird zu dem Gemisch zugesetzt, um eine Paste zu erzeugen. Die anderen Komponenten werden zugegeben, und das Mischen wird unter einem Luftstrom fortgesetzt, bis das Gemisch trocken zu sein scheint, d. h. etwa 4 % Feuchtigkeit hat.
Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen werden hergestellt, indem man die Leuchtzusammensetzung in geeignete Beleuchtungseinrichtungsgehäuse preßt, wie beispielsweise in geeignet ausgekleidete Aluminiumgehäuse mit einem Durchmesser von 2,75 Inch (69,85 mm). Die Röhren oder Beleuchtungseinrichtungen können irgendeine geeignete Länge haben, doch besitzen sie vorzugsweise eine Länge von etwa 9 oder 18 Inch (228,6 oder 457,2 mm). Obwohl die Leuchtzusammensetzung in irgendeiner Weise in das Gehäuse gepreßt werden kann, wurde festgestellt, daß durch die Verwendung eines neuen mehrstufigen Preßfußes, der für diesen Zweck konstruiert wurde, Beleuchtungseinrichtungen mit vermindertem Abspalten und Seitenbrennen erzeugt werden können. Ein solcher mehrstufiger Preßfuß ist in Fig. 1 gezeigt. Die Verwendung eines solchen mehrstufigen Preßfußes zum Pressen der Infrarot- Leuchtzusammensetzungen in Gehäuse von Beleuchtungseinrichtungen erzeugt Beleuchtungseinrichtungen, die im wesentlichen frei von Abspalten sind, und beseitigt im wesentlichen die Abtrennung und den Ausstoß von gepreßten Anteilen der Leuchtzusammensetzung durch Steigerung der Leuchtmaterialdichte nahe der Gehäusewand. Dies beseitigt im wesentlichen die Leuchtmaterialbereiche niedriger Dichte, wo Seitenbrennen auftritt. So wird durch Verminderung des Seitenbrennens auch das damit verbundene Abspalten reduziert. Das Pressen erfolgt allgemein bei einem Druck von etwa 8000 bis etwa 10 000 psi (55,6 bis 68,95 MPa). Das gepreßte Material ist extrem hart, was einen Leuchtmaterialverschnitt nahezu unmöglich macht. Für die längeren Gehäuse von 18 Inch (457,2 mm) wird Leuchtzusammensetzung in das Gehäuse in etwa 12 Anteilen gepreßt, und das resultierende Korn ist etwa 13,3 Inch (337,82 mm), während für die kürzeren Gehäuse von 8 Inch (228,6 mm) die Leuchtzusammensetzung in das Gehäuse in etwa 6 Anteilen gepreßt wird und das resultierende Korn etwa 4,3 Inch (109,22 mm) Länge hat.
In Fig. 1 ist ein mehrstufiger Preßfuß gezeigt der für die Verwendung zur Herstellung von Beleuchtungseinrichtungen geeignet ist. Der allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnete mehrstufige Preßfuß umfaßt ein zylindrisches Hauptkörperteil 12. Am einen Ende ist der Körper 12 mit einem sich nach innen verjüngenden Abschnitt (sich zur Achse des Zylinderkörpers 12 verjüngend) versehen, der mit einem Befestigungsstiel 16 mit Befestigungseinrichtungen 17 verbunden ist, um den Fuß 10 an einer (nicht gezeigten) geeigneten Druck liefernden Einrichtung zu befestigen. Am anderen Ende 18 des zylindrischen Körpers 12 ist der Körper ebenfalls mit einem sich nach innen verjüngenden Abschnitt einer ersten Stufe versehen, welcher mit mehreren, vorzugsweise drei, nach und nach sich mit kleinerem Durchmesser nach innen verjüngenden, trapezoidförmigen (parallel in der Axialrichtung) ringförmigen Stufen 20, 22 und 24 verbunden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses mehrstufigen Preßfußes für die Verwendung beim Füllen von Beleuchtungseinrichtungsgehäusen mit einem Durchmesser von 2,75 Inch (59,85 mm) ist der Außendurchmesser des Körpers 12 2,34 Inch (59,436 mm), ist der Verjüngungswinkel an den Enden 14 und 18 30 % von der Achse des Körpers 12 und ist der Verjüngungswinkel der Stufen 20, 22 und 24 etwa 200 von der Achse des Körpers 12 (Fig. 1A). Der kleinere Durchmesser der Stufe 24 ist 1,0 Inch (25,4 mm), und sein größerer Durchmesser ist 1,12 Inch (28,45 mm). Für die Stufe 22 ist ihr kleinerer Durchmesser 1,264 Inch (32,106 mm) und der größere Durchmesser 1,384 Inch (35,15 mm). Für die Stufe 20 ist ihr kleinerer Durchmesser 1,528 Inch (38,81 mm) und ihr größerer Durchmesser 1,648 Inch (41,86 mm).
Der mehrstufige Preßfuß, wie er in der Zeichnung erläutert ist, ist zweckmäßig für die Verwendung bei der Herstellung von Infrarot-Beleuchtungseinrichtungen aus den neuen Zusammensetzungen dieser Erfindung, um Beleuchtungseinrichtungen mit vermindertem Abspalten und Seitenbrennen zu erzeugen.

Claims

1. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung mit: Bestandteil Gewichtsprozente Kaliumnitrat wenigstens Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid Bindemittel bis

worin das Gesamtgewicht aller Komponenten zusammen 100 % umfaßt.

2. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach Anspruch 1 mit: Bestandteil Gewichtsprozente Kaliumnitrat wenigstens Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid Bindemittel bis etwa

3. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Bindemittel eine härtbare Polyesterharzzusammensetzung ist.

4. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach Anspruch 3 mit: Bestandteil Gewichtsprozente Kaliumnitrat Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid härtbares Polyesterbindemittel etwa

5. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach Anspruch 3 mit: Bestandteil Gewichtsprozente Kaliumnitrat Caesiumnitrat Hexamin Silicium Bor Eisen-III-oxid härtbares Polyesterbindemittel

6. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 3 bis

5, worin der härtbare Polyester ein Polyesterharz, ein Epoxyharz und gegebenenfalls einen Härtungskatalysator umfaßt.

7. Infrarot-Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach Anspruch 6, worin als ein Härtungskatalysator Eisenlinolat vorliegt.

8. Infrarot- Beleuchtungseinrichtungszusammensetzung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, die beim Verbrennen eine Brenngeschwindigkeit von 0,055 Inch/sec (1,4 mm/sec), eine Infrarotintensität von etwa 1,060 Watt/Sterad und einen Intensität von sichtbarem Licht von weniger als 3000 Kerzenstärken hat.

9. Infrarot-Beleuchtungseinrichtung mit einem Beleuchtungseinrichtungsgehäuse, das mit einer Infrarot-Leuchtzusammensetzung nach einem der vorausgehenden Ansprüche gepackt ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Infrarot-Beleuchtungseinrichtung, bei dem man einen Infrarot-Leuchtzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in ein Beleuchtungseinrichtungsgehäuse preßt, wobei ein mehrstufiger Preßfuß (10) zum Pressen der Zusammensetzung in das Gehäuse verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der mehrstufige Preßfuß einen Druck von 8000 bis 10 000 psi (55,16 bis 68,95 MPa) auf die Infrarot-Leuchtzusammensetzung in dem Gehäuse ausübt.