DE69330887T2

DE69330887T2 - Komprimierbare infrarot-beleuchtungszusammensetzungen

Info

Publication number: DE69330887T2
Application number: DE69330887T
Authority: DE
Inventors: Daniel B. Nielson
Original assignee: Cordant Technologies Inc
Current assignee: Northrop Grumman Innovation Systems LLC
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1993-06-14
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2013-06-15
Also published as: EP1118606A1; US5912430A; EP0708750A1; EP0708750B1; DE69330887D1; CA2140003A1; JPH08501269A; EP1118605A1; ATE206389T1; AU4634793A; DE69333654T2; KR950702513A; KR100265095B1; DE69333292T2; EP1118606B1; DE69333292D1; DE69333654D1; WO1994002436A1; EP0708750A4; EP1118605B1

Description

HINTERGRUND

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Beleuchtungszusammensetzungen, die erhebliche Mengen an Infrarotstrahlung emittieren. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung komprimierbare/verdichtbare Infrarot-Beleuchtungszusammensetzungen, die hohe Anfangsbrenngeschwindigkeiten zeigen, sauber verbrennen und relativ kleine Mengen an sichtbarem Licht im Verhältnis zur emittierten Infrarotstrahlung emittieren.

2. Technischer Hintergrund

In verschiedenen Situationen ist es notwendig, in der Lage zu sein, bei Nacht oder während Zeiträumen von stark verringertem Sonnenlicht deutlich zu sehen. Derartige Situationen können zum Beispiel Such- und Rettungsaktionen, Polizeiüberwachung und Militäroperationen umfassen. Bei diesen Situationsarten ist es oft wichtig, daß Schlüsselpersonen die Fähigkeit besitzen, selbst bei reduziertem Sonnenlicht deutlich zu sehen.
Um das Problem der Sicht bei Nacht oder während Zeiträumen von wesentlich verringertem Sonnenlicht zu lösen, wurden Vorrichtungen entwickelt, die es einem ermöglichen, eher auf Basis von vorhandenem Infrarotlicht als von sichtbarem Licht zu sehen. Infrarotsichtvorrichtungen können unterschiedlicher Bauart sein, die vielleicht üblichste Art an Infrarotsichtvorrichtungen sind Nachtsichtgläser/(- brillen). Diese Vorrichtungen geben einzelnen Benutzern die Fähigkeit, bei Nacht sehr viel deutlicher zu sehen, während die Mobilität des einzelnen Benützers nicht wesentlich eingeschränkt wird.
Um die Verwendung von Infrarotsichtvorrichtungen zu unterstützen, wurde entdeckt, daß es vorteilhaft ist, die verfügbare Infrarotstrahlung im interessierenden Gebiet zu vergrößern. In dieser Hinsicht wurden Infrarot emittierende Leuchtmechanismen entwickelt. Derartige Mechanismen gibt es in einer Vielzahl an Bauweisen; die am weitesten verbreiteten Mechanismen umfassen jedoch Fackeln, die zusätzlich zu jedem sichtbaren Licht, das erzeugt werden kann, relativ große Mengen an Infrarotstrahlung emittieren.
Infrarot emittierende Leuchtmechanismen sind im allgemeinen auf die gleiche Weise aufgebaut wie Leuchtmechanismen, die sichtbares Licht emittieren. Derartige Leuchtmechanismen können Infrarotstrahlung an einer einzelnen Stelle am Boden liefern, oder sie können derartige Strahlung oberhalb des Bodens liefern. Im Fall der Funktion über dem Boden umfaßt das Leuchtsystem ein internes oder externes Antriebsmittel, das es dem Benützer ermöglicht, das Leuchtsignal in eine gewünschte Richtung zu feuern. Zusätzlich umfaßt das Leuchtsystem selbst ein Material, das erhebliche Mengen an Infrarotstrahlung liefert, wenn es verbrannt wird. Normalerweise wird das Leuchtsignal über das interessierende Gebiet geschossen und gezündet. Die emittierte Infrarotstrahlung verstärkt dann stark die Verwendbarkeit von Infrarotbeobachtungsvorrichtungen wie Nachtsichtbrillen.
Bei der Entwicklung von geeigneten Infrarot emittierenden Zusammensetzungen zum Gebrauch in derartigen Fackeln sind eine Anzahl von Problemen aufgetreten. Zum Beispiel wird man es zu schätzen wissen, wünschenswert eine Infrarot emittierende Fackel zu liefern, die keine übermäßigen Mengen an sichtbarem Licht emittiert. In Situationen, wenn es erstrebenswert ist, Operationen im Schutz der Nacht mit einem Grad an Geheimhaltung durchzuführen, ist diese Fähigkeit unumgänglich. Übermäßige Emission von sichtbarem Licht aus der Fackel kann Einzelne im Gebiet auf die Existenz der Fackel aufmerksam machen, was wiederum die Wirksamkeit der Gesamtoperation wesentlich verringert.
Es wurde bei bekannten Infrarotfackeln entdeckt, daß überschüssiges sichtbares Licht tatsächlich emittiert wird. In dieser Hinsicht kann die Leistung von Infrarot emittierenden Vorrichtungen durch das Verhältnis der Menge an emittierter Infrarotstrahlung zur Menge an emittiertem sichtbaren Licht beurteilt werden. Man hat herausgefunden, daß dieses Verhältnis für viele herkömmliche Infrarot emittierende Zusammensetzungen niedrig ist, was zeigt, daß ein hoher Anteil an sichtbarem Licht aus der Fackel emittiert wird.
Ein weiteres Problem, das beim Gebrauch von Infrarot emittierenden Zusammensetzungen angetroffen wurde, betrifft die erreichte Brenngeschwindigkeit. Viele bekannte Zusammensetzungen weisen Verbrennungsgeschwindigkeiten auf, die geringer sind als erwünscht, wodurch sich eine geringere Infrarotstrahlung ergibt, als gewünscht wäre. Um eine wirksame Fackel bereitzustellen, sind relativ hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten erforderlich.
Es wird oft beobachtet, daß das Verbrennen (Oberfläche) der Fackelzusammensetzung sich über die Zeit dramatisch erhöht. Diese Eigenschaft 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 sich die Fackel hoch über der Oberfläche befindet, während mehr Infrarotstrahlung emittiert wird, wenn sich die Fackel nahe der Oberfläche befindet. In der Tat wird oft festgestellt, daß die Fackel zu brennen fortsetzt, nachdem sie am Boden aufgetroffen ist.
Man wird verstehen, daß diese Kurve der Brenngeschwindigkeit gerade entgegengesetzt ist zu jener, die im allgemeinen wünschenswert wäre. Es ist wünschenswert, einen Infrarotausstoß mit hoher Intensität zu besitzen, wenn sich die Fackel an ihrer größten Höhe befindet, um eine gute Beleuchtung des Bodens zu liefern. Es ist weniger kritisch, einen hohen Infrarotausstoß zu besitzen, wenn sich die Fackel dem Boden nähert, einfach weil der Abstand zwischen dem Boden und der Fackel nicht so groß ist (die Beleuchtung kann durch die Gleichung Beleuchtung = (I · 4π)/(4πR²) ausgedrückt werden, wobei I die Intensität in Watt/Sterad ist, R der Abstand in Fuß von der Fackel zum beleuchteten Gegenstand ist und die Beleuchtung in Einheiten von Watt/Quadratmeter ausgedrückt wird. Grundsätzlich ist es wünschenswert, daß die Fackel die Funktion beendet, bevor sie auf die Oberfläche auftrifft, um die Entdeckung und offensichtliche Probleme wie Feuer, das verursacht, werden kann, wenn die brennende Fackel auf den Boden auftrifft, zu verringern.
Ein weiteres Problem, das oft bei bekannten Infrarot emittierenden Materialien angetroffen wird, ist das "Abplatzen". Dieses Phänomen betrifft das Aufbrechen oder die Trennung durch Bindungsabbau des leuchtenden Korns der Fackel während der Funktion. Man hat festgestellt, daß in diesen Situationen große Stücke der Infrarot emittierenden Zusammensetzung von der Fackel wegbrechen können und zu Boden fallen. Das ist problematisch, weil die Fackel nicht mehr ihren gewünschten Zweck erfüllt, wenn große Teile der In
frarot erzeugenden Zusammensetzung fehlen, die Menge an Infrarotausstoß über den Standort des Subjekts eingeschränkt wird und fallende Teile des brennenden Fackelmaterials ein Sicherheitsrisiko schaffen.
Es wurde ebenso festgestellt, daß der Gebrauch von herkömmlichen Fackelzusammensetzungen Rußbildung verursacht. Die Rußbildung kann die Funktion der Fackelvorrichtung auf mehrere Arten negativ beeinflussen, einschließlich der Verursachung einer Erhöhung an emittiertem sichtbaren Licht. Wenn Ruß oder Kohlenstoff erhitzt wird, kann es als ein schwarzer Strahler strahlen. Die Rußbildung tritt hauptsächlich aufgrund der Brennstoffe und Bindemittel auf, die in der Infrarot erzeugenden Zusammensetzung eingesetzt werden. Herkömmliche Infrarot erzeugende Zusammensetzungen waren im allgemeinen nicht fähig, mit dem Problem der Rußbildung angemessen fertig zu werden.
Ein weiteres Problem betrifft das Altern der IR emittierenden Zusammensetzung. Es wird oft beobachtet, daß bekannte Zusammensetzungen mit der Zeit wesentlich abgebaut werden. Das bewahrheitet sich insbesondere dann, wenn die Lagerungstemperatur erhöht ist. In manchen Situationen kann es notwendig sein, diese Materialien für lange Zeiträume bei Temperaturen von oder über 50ºC zu lagern. Dies ist mit bekannten Zusammensetzungen nicht ohne weiteres erreichbar.
Insgesamt wurde festgestellt, daß bekannte Infrarot emittierende Zusammensetzungen nicht ideal sind. Beschränkungen bei bestehenden Materialien schmälern ihre Wirksamkeit. Einige der aufgeführten Problemzonen umfaßten geringe allgemeine Verbrennungsgeschwindigkeiten, unerwünschte Kurvenverläufe für die Brenngeschwindigkeit, Abplatzen, starkes Altern und unerwünschte Grade an sichtbaren Emissionen.
Es wäre daher ein wesentlicher Fortschritt auf dem Fachgebiet, Infrarot emittierende Zusammensetzungen zu liefern, die einige der aufgeführten starken Einschränkungen beseitigen, die bei den bekannten Zusammensetzungen angetroffen werden. Es wäre ein Fortschritt auf dem Fachgebiet, Zusammensetzungen zu liefern, die ein hohes Maß an Infrarotemissionen liefern, während das Maß an ausgesandtem sichtbaren Licht begrenzt wird. Es wäre ein weiterer wesentlicher Fortschritt auf diesem Fachgebiet, derartige Zusammensetzungen zu liefern, die akzeptable hohe Brenngeschwindigkeiten aufweisen.
Es wäre ebenso ein Fortschritt auf dem Fachgebiet, Infrarot emittierende Zusammensetzungen zu liefern, die eine Rußbildung im wesentlichen unterbinden und die ebenso ein Abplatzen im wesentlichen unterbinden. Es wäre ebenso ein Fortschritt im Fach, Zusammensetzungen zu liefern, die nicht stark altern, auch wenn sie bei relativ erhöhten Temperaturen gelagert werden.
Derartige Zusammensetzungen und Verfahren werden hier offenbart und beansprucht.
Die vorliegende Erfindung betrifft neue und erfinderisch Zusammensetzungen, die wesentliche Mengen an Infrarotstrahlung liefern, wenn sie verbrannt werden. Gleichzeitig vermeiden die Zusammensetzungen viele der Beschränkungen aus dem Stand der Technik. Die Zusammensetzungen sind komprimierbare/verdichtbare Zusammensetzungen, weisen hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten auf, erzeugen im Verhältnis zur erzeugten Infrarotstrahlung relativ wenig sichtbares Licht (indem sie die Rußbildung im wesentlichen vermeiden). Die Zusammensetzungen vermeiden ebenso übliche Probleme wie Abplatzen und starke Alterung bei hoher Temperatur.
Von diesem Aspekt aus gesehen liefert die vorliegende Erfindung eine Infrarot erzeugende Beleuchtungszusammensetzung, umfassend:
(a) 40 Gew.% bis 90 Gew.% eines Oxidationsmittels, das beim Verbrennen Infrarotstrahlung erzeugt,
(b) 1 Gew.% bis 35 Gew.% Bindemittel, wobei das Bindemittel Materialien umfaßt, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus Polyestern, Polyethern, Polyaminen und Polyamiden besteht,
(c) 5 Gew.% bis 40 Gew.% organischen Brennstoff, wobei der Brennstoff getrennt vom Bindemittel Melamin umfaßt,
wobei das Oxidationsmittel, das Bindemittel und der Brennstoff so gewählt werden, daß beim Verbrennen das Verhältnis von Infrarotstrahlung zu sichtbarer Strahlung nicht geringer als 6,0 ist und die Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung nicht geringer als 0,075 cm.s&supmin;¹ ist, wobei das Oxidationsmittel aus der Gruppe gewählt wird, die aus Kaliumnitrat, Caesiumnitrat, Rubidiumnitrat und Kombinationen davon besteht.
Die Hauptbestandteile der Zusammensetzungen umfassen ein Bindemittel, ein Oxidationsmittel und einen Brennstoff. Der Brennstoff kann vorzugsweise Stickstoff enthaltende Verbindungen umfassen. Andere optionale Bestandteile können ebenso zugegeben werden, um die Eigenschaften der Zusammensetzung an eine bestimmte Verwendung anzupassen. Derartige wahlweise Bestandteile umfassen Katalysatoren für die Verbrennungsgeschwindigkeit und Hitze erzeugende Materialien.
Bevorzugte Brennstoffe gehören zu mehreren verwandten Gruppen. Eine Art von bevorzugtem Brennstoff umfaßt Moleküle, die 3 bis 6-gliedrige heterozyklische Ringe und 1 bis 4 Sauerstoffatome im Ring enthalten. Alkalimetallsalze derartiger heterozyklischer Verbindungen sind ebenso ausgezeichnete Brennstoffe. Alle diese Brennstoffe ergeben im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung sehr geringe Rußbildung.
Wie oben erwähnt wurde, ist es kritisch, das erzeugte sichtbare Licht zu verringern. Dies begrenzt stark die Brennstoffe, die verwendet werden können. Bor und Silizium wurden in geringen Mengen verwendet und wirken gut als Hitzequellen und als Katalysatoren für die Verbrennungsgeschwindigkeit. Zusätzlich sind diese Materialien dafür bekannt, daß einige Atomemissionslinien außerhalb des sichtbaren Spektrums befinden, während tolerierbare Mengen an sichtbarem Licht erzeugt werden.
Kohlenwasserstoffbrennstoffe wurden bewertet, und viele neigen zur Erzeugung von Ruß, der zu einem hohen Ausstoß an sichtbarem Licht führen kann. Die verwendeten Kohlenwasserstoffbrennstoffe/Bindemittel müssen daher sauber verbrennen und nicht-leuchtende Bruchstücke liefern, die in der Flamme mit Umgebungsluft verbrennen können, um den Hitzeausstoß und die Größe der Strahlungsoberfläche zu erhöhen. Zugleich muß das Material zur Bildung einer Zusammensetzung dienen, die verarbeitbar ist, Abplatzen vermeidet und mit den verwendeten Oxidationsmitteln verträglich ist.
Die Kohlenwasserstoffbindemittel (Polymere), von denen bewiesen wurde, daß sie die Rußbildung verringern, umfassen Polyester, Polyether, Polyamine, Polyamide; insbesondere jene mit kurzen Kohlenstoffbruchstücken im Hauptgerüst abwechselnd mit Sauerstoff- oder Stickstoffatomen. Es hat sich herausgestellt, daß Polymerbindemittel, die relativ kurze Kohlenstoffketten umfassen (etwa 1-6 kontinuierliche Kohlenstoffatome), bevorzugt werden. Diese Moleküle erzeugen im allgemeinen keinen bedeutsamen Ruß. Des weiteren können die zusätzlichen wünschenswerten Merkmale der Erfindung unter Verwendung dieser Materialien erreicht werden.
Bevorzugte Oxidationsmittel umfassen jene Verbindungen, die große Mengen an Infrarotstrahlung liefern, wenn die Fackelzusammensetzung verbrannt wird. Derartige Oxidationsmittel umfassen Kaliumnitrat, Caesiumnitrat, Rubidiumnitrat und Kombinationen dieser Verbindungen. Diese Oxidationsmittel werden gewählt, weil sie ein Metall mit charakteristischer Strahlungswellenlänge im nahen Infrarotbereich (0,700 bis 0,900 Mikrometer) enthalten. Die Hauptstrahlung kommt von dieser Linie, deren Breite durch die thermische Energie in der Flamme stark verbreitert ist.
Es wird für wichtig gehalten, während des Brennens der Fackelzusammensetzung freies Metall (Kalium, Caesium oder Rubidium) zu liefern, um ein bedeutendes Maß an Infrarotstrahlung zu erzeugen. Diese Metalle scheinen einander zu verstärken, wenn sie in bestimmten Kombinationen verwendet werden.
Bedeutsamerweise hat man entdeckt, daß hohe Anteile an Caesiumnitrat in der Zusammensetzung die Funktionsfähigkeit stark erhöhen. Es wurde entdeckt, daß Caesiumnitrat mehrere wesentliche Vorteile liefert. Man hat herausgefunden, daß Caesiumnitrat die Verbrennungsgeschwindigkeit beschleunigt. Zusätzlich verbreitert Caesiumnitrat den spektralen Infrarotausstoß und verbessert den Infrarot-Wirkungsgrad. Demgemäß wird bevorzugt, daß Caesiumnitrat etwa 10 Gew.% bis etwa 90 Gew.% der Gesamtzusammensetzung bildet. Insbesondere werden ausgezeichnete Ergebnisse erzielt, wenn Caesiumnitrat zugegeben wird, bis es etwa 25% bis etwa 90% der Zusammensetzung ausmacht.
Es wurde festgestellt, daß die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung Materialien mit relativ hohen Verbrennungsgeschwindigkeiten liefern. Verbrennungsgeschwindigkeiten bei Umgebungsdrücken im Bereich von etwa 0,075 bis etwa 0,4 cm/s (0,030 bis etwa 0,15 Zoll/s) und sogar etwas höher sind unter Verwendung der vorliegenden Erfindung leicht erreichbar. Der bevorzugtere Bereich liegt über etwa 0,15 cm/s (0,060 Zoll/s). Auf herkömmliche Art waren Verbrennungsgeschwindigkeiten in diesem Bereich nicht ohne weiteres zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung hat die Fähigkeit gewünschte Eigenschaften zu erhalten durch Auswahl bestimmter Kombinationen an Brennstoffen, Oxidationsmitteln und Bindemitteln. So können bestimmte Verbrennungsgeschwindigkeiten und Kurven für die Verbrennungsgeschwindigkeit erzeugt werden, das Verhältnis von Infrarotstrahlung zu sichtbarem Licht kann optimiert und die allgemeinen physikalischen und chemischen Eigenschaften können sorgfältig ausgewählt werden. So liefert die vorliegende Erfindung ein anpassungsfähiges Beleuchtungsmaterial.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Wie oben erwähnt wurde, betrifft die vorliegende Erfindung komprimierbare/verdichtbare Beleuchtungszusammensetzungen, die erhebliche Mengen an Infrarotstrahlung emittieren. Die vorliegende Erfindung liefert ebenso Treibstoffzusammensetzungen, die hohe Anfangsbrenngeschwindigkeiten zeigen, sauber verbrennen und im Verhältnis zur emittierten Infrarotstrahlung relativ geringe Mengen an sichtbarem Licht emittieren.
Wie der Titel andeutet, werden komprimierbare/verdichtbare Zusammensetzungen in die gewünschte Form gepreßt. Auf diese Weise kann das Beleuchtungsmittel eine geeignete Form annehmen und ist in Fackeln und verwandten Vorrichtungen leicht verwendbar. Verfahren, die Beleuchtungszusammensetzungen in die gewünschten Formen zu pressen, sind dem Fachmann bekannt. Ein geeignetes Verfahren und ein Apparat zum Pressen der Infrarotbeleuchtungszusammensetzungen wird im US-Patent Nr. 5,056,435 von Jones et al. offenbart, das am 15. Oktober 1991 bewilligt wurde, das hier durch diesen Hinweis aufgenommen ist. Andere herkömmliche Fußpressen können ebenso verwendet werden, weil die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung wesentlich weniger Abplatzen als herkömmliche Zusammensetzungen zeigen und sogar wesentliche Verbesserungen gegenüber den Zusammensetzungen aufweisen, die im US-Patent Nr. 5,056,435 offenbart werden.
Eine typische komprimierbare/verdichtbare Zusammensetzung wird die folgenden Bestandteile in folgenden Gewichtsprozenten umfassen:
Materialien Prozent
oxidierende(s) Salz(e) (wie Kaliumnitrat und Caesiumnitrat) 49-94
Bor 0-10
Silizium 0-25
organischer Treibstoff 0-40
polymeres Bindemittel 1-35
In den meisten Ansätzen wird der Prozentsatz an organischem Treibstoff im Bereich von etwa 5% bis etwa 40% sein.
Man wird zu schätzen wissen, daß ähnliche Materialien für jene eingesetzt werden können, die oben identifiziert wurden. Insbesondere die Nitratsalze können abhängig von den bestimmten gewünschten Eigenschaften untereinander ersetzt werden. Ein derartiges Beispiel ist Rubidiumnitrat, das zu den Zusammensetzungen hinzugefügt, werden kann oder für manche oder alle der identifizierten Oxidationsmittel eingesetzt werden kann. Das grundlegende Ziel in jener Hinsicht ist es, ein starkes Oxidationsmittel zu liefern, das auch fähig ist, während des Brennens der Zusammensetzung wesentlich zum Ausstoß an Infrarotstrahlung beizutragen. Die beschriebenen Verbindungen besitzen jene Eigenschaften.
Wie oben erwähnt wurde, erhöht die Verwendung von einem hohen Anteil an Caesiumsalzen (wie Caesiumnitrat) die Verbrennungsgeschwindigkeit um ca. 400% und vermindert den sichtbaren Ausstoß um bis zu 50%. Dies geschieht, während gleichzeitig ein hohes Niveau an Infrarotlicht im Bereich von 700 bis 1100 nm erhalten bleibt. So können insbesondere zugschnittene Zusammensetzungen hohe Grade an Caesiumnitrat umfassen, um bestimmte Leistungskriterien zu erreichen. Es wird derzeit bevorzugt, daß die Zusammensetzung von etwa 10 % bis etwa 90% Caesiumnitrat umfaßt. In manchen Ausführungen der Erfindung wird der bevorzugte Bereich bei etwa 25% bis etwa 80% Caesiumnitrat liegen. Es wird geschätzt werden, daß das Caesiumnitrat einen Teil des gesamten oxidierenden Salzes umfaßt, das der Zusammensetzung zugesetzt wird.
Die Zusammensetzungen umfassen ebenso ein polymeres Bindemittel. Das Bindemittel erleichtert den Ansatz, die Verarbeitung und die Verwendung der Endzusammensetzung. Zugleich liefert das Bindemittel eine Quelle an Treibstoff für die Zusammensetzung. Geeignete Bindemittel in der vorliegenden Erfindung stellen auch eine sauber brennende Zusammensetzung sicher, indem die Rußbildung wesentlich verringert wird.
Wie oben erwähnt wurde, umfassen Bindemittel, die in der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, Polymere, die relativ kurze Kohlenstoffketten aufweisen (1-6 kontinuierliche Kohlenstoffatome), die miteinander über Ether-, Amin-, Ester- oder Amidbindungen verbunden sind (Polyether, Polyamine, Polyester oder Polyamide). Beispiele derartiger Polymere umfassen Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polybutylenglykol, Polyester und Polyamide. Bindemittel dieser Art sind im Handel erhältlich und dem Fachmann gut bekannt.
Ein besonderes Beispiel eines geeigneten Bindemittels ist Formrez 17-90 Polyester von Witco Chemical Corp. und genauer eine härtbare Polyesterharzzusammensetzung, die in Gewichtsprozent von etwa 81% bis etwa 83%, bis vorzugsweise etwa 82,5% Formrez 17-80 Polyesterharz, etwa 15 bis etwa 17%, vorzugsweise etwa 16,5% Epoxy wie ERL 510 von Ciba- Geigy Corporation und etwa 0 bis etwa 2% und vorzugsweise 1% eines Katalysators wie Eisenlinoleat umfaßt. Bevorzugter kann das Bindemittel etwa 82,5% Formrez 17-80 Polyesterharz, etwa 16,5% ERL Epoxy und etwa 1% Eisenlinoleat umfassen. Eine derartige Bindemittelzusammensetzung wird hier als WITCO 1780 bezeichnet.
Wie oben erörtert wurde, wird in den komprimierbaren/verdichtbaren Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ein getrennter Treibstoff geliefert. Treibstoffe, die unter den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung fallen, umfassen Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Verbindungen mit 3 bis 6-gliedrigen Ringen, die ebenso 1 bis 4 Sauerstoffatome im Ring enthalten. Beispiele derartiger Verbindungen umfassen Oxazole und ähnliche Verbindungen.
Derartige heterozyklische Ringe können mit stickstoffhältigen Gruppen (wie Nitro, Nitroso, Cyano und Amino) an jeder oder an allen geeigneten Stellen im Ring substituiert werden. Alkalimetallsalze derartiger heterozyklischer Verbindungen oder ihrer Derivate sind ebenso vorteilhaft. Bevorzugte Alkalimetalle umfassen Kalium, Rubidium und Caesium allein oder in Kombination.
Es ist offensichtlich, daß die Treibstoffe sauber, schnell und bei hohen Temperaturen verbrennen müssen. Die Treibstoffe erzeugen keine erheblichen Mengen an Ruß mit der damit verbundenen Erhöhung an Ausstoß an sichtbarem Licht. Die oben identifizierten Treibstoffe entsprechen diesen Leistungskriterien.
Wie oben erwähnt wurde, ist es ebenso möglich, zur gesamten Zusammensetzung Katalysatoren für die Verbrennungsrate und Hitzequellen zuzusetzen. Diese Materialien liefern eine weitere Anpassung der Leistungseigenschaften der entstehenden Zusammensetzung. Diese Materialien müssen jedoch auch zu den anderen Parametern einer annehmbaren Zusammensetzung, wie die Erzeugung von wenig sichtbarem Licht, passen und dürfen nicht zu den anderen unerwünschten Eigenschaften, wir hier bereits dargelegt, beitragen.. Zwei Beispiele derartiger bevorzugter Materialien umfassen Silizium und Bor, während Magnesium wegen seiner Neigung, große Mengen an sichtbarem Licht zu emittieren, nicht bevorzugt wird.
Bei den hier beschriebenen komprimierbaren/verdichtbaren Zusammensetzungen wird Bor vorzugsweise zugesetzt, um etwa 0% bis etwa 10 Gewichts% der Gesamtzusammensetzung auszumachen. Silizium macht etwa 0% bis etwa 25% der Gesamtzusammensetzung aus.
Ein Maß für eine bevorzugte Zusammensetzung ist das Verhältnis von Infrarotstrahlung zu sichtbarem Licht, das während des Verbrennens der Zusammensetzung erzeugt wird. Vorzugsweise wird die Zusammensetzung ein IR/Vis Verhältnis von zumindest 3,50, bevorzugter von mehr als 6,0 aufweisen. Verhältnisse von etwa 10 bis etwa 20 sind mit der vorliegenden Erfindung tatsächlich erreichbar. Diese Grade an Infrarotausstoß pro Einheit an sichtbarem Ausstoß waren unter Verwendung herkömmlicher Zusammensetzungen nicht leicht erreichbar.
Es wurde entdeckt, daß die Zusammensetzungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung ebenso erhöhte Verbrennungsgeschwindigkeiten liefern. Verbrennungsgeschwindigkeiten innerhalb des Bereichs von etwa 0,075 bis etwa 0,4 cm/s (0,030 bis etwa 0,15 Zoll/s) und sogar darüber sind für die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung charakteristisch. Wie oben erwähnt wurde, werden die bevorzugten Verbrennungsgeschwindigkeiten von mehr als 0,15 cm/s (0,060 Zoll/s) überschritten.
Zusammensetzungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung altern und lagern auch gut. Es wurde entdeckt, daß eine Zusammensetzung noch brauchbar war, nachdem sie bei 57ºC (135ºF) für ein Jahr gelagert worden war. Dies ist ein weiteres Merkmal, das mit bekannten Zusammensetzungen nicht allgemein erhältlich ist.
Zusammensetzungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung bekannter und herkömmlicher Technologie angesetzt und bereitet werden. Ansatzmethoden wie jene, die bei Mischung und Bereiten antreibender, explosiver und pyrotechnischer Zusammensetzungen allgemein eingesetzt werden, werden bei der Bereitung der Zusammensetzungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung vorzugsweise verwendet.

Beispiele

Die folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung unterschiedlicher Ausführungen gegeben, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gemacht wurden oder gemacht werden können. Diese Beispiele werden nur als Beispiele gegeben, und es versteht sich, daß die folgenden Beispiele nicht für die vielen Arten an Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfassend oder erschöpfend sind, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bereitet werden können.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde eine Zusammensetzung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung angesetzt und geprüft. Die folgenden Bestandteile wurden zur Erzeugung einer Infrarot emittierenden Zusammensetzung vermischt:
Material Gewichtsprozent
KNO&sub3; 50,0
CsNO&sub3; 10,0
Si 14,0
B 4,0
Witco 6,0
Melamin 16,0
Die Zusammensetzung wurde für 6 Monate bei 57ºC (135ºC) gealtert. Die Zusammensetzung wurde dann in einer Fackel von 7,0 cm (2,75 Zoll) Durchmesser, 33,3 cm (13,1 Zoll) Länge und 2,27 kg (5 Pfund) Gewicht verbrannt. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten und sind der Durchschnitt für vier getrennte Prüfungen:
Brennzeit 159,6 s
Brenngeschwindigkeit 0,196 cm/s
durchschnittliche IR 2,352 V
durchschnittliche Vis. 346,1 mv
Bereich IR 374,7 Vs
Bereich Vis. 55,15 Vs
IR/Vis. 6,79
Ein hoher Ausstoß an Infrarot wurde früh in der Brennabfolge erreicht und wurde dann aufrechterhalten. Zugleich war das Verhältnis IR zu sichtbarem Licht innerhalb annehmbarer Bereiche gut.
Es kann aus den erreichten Ergebnissen geschätzt werden, daß eine annehmbare Infrarot emittierende Zusammensetzung erzeugt wurde. Des weiteren zeigen die Ergebnisse deutlich an, daß die Zusammensetzung nach der Lagerung bei erhöhten Temperaturen für C Monate verwendbar blieb.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde eine Zusammensetzung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung bezüglich Alterung geprüft und mit einem Kontrollansatz verglichen, der Hexamin enthielt. Standardprüfungen hinsichtlich des Alterns in Bezug auf Temperatur und Feuchtigkeit wurden durchgeführt.
Die Zusammensetzung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung enthielt das Bindemittel Witco, Melamin und KNO&sub3;. Die Kontrollzusammensetzung enthielt das Bindemittel Witco, Hexamin und KNO&sub3;. Die Zusammensetzungen wurden zu Standardfackeln geformt und gemäß des Militärstandards MIL-STD- 331B, ein Einzelkammerverfahren mit Temperatur- und Feuchtigkeitszyklus, gealtert. Die Fackeln wurden für zwei aufeinanderfolgende Zyklen von 14 Tagen für insgesamt 28 Tage konditioniert. Flug und Turmprüfungen wurden durchgeführt. Es wurde beobachtet, daß die Kontrolle an mehreren Stellen Risse aufzeigte, während die Zusammensetzung innerhalb des Rahmens der Erfindung keine offensichtliche physikalische Änderung oder einen Abbau der Leistung zeigte.
Drei Fackeln jeder Art wurden geprüft, und Werte für die Energie des sichtbaren Lichts, die Energie des Infrarot und die Brenngeschwindigkeit wurden gesammelt.
Nach dem ersten Zyklus von 14 Tagen wurde eine Fackel aus jedem Ansatz zerlegt. Zwei Fackeln wurden verbrannt. Die bemerkenswerteste Veränderung war eine Erhöhung des Abplatzens bei der Kontrolle.
Nach dem vollen Zyklus von 28 Tagen wurde eine Fackel aus jedem Ansatz zerlegt. Es wurde entdeckt, daß die Kontrolle vier Kornrisse aufwies, während der geprüfte Ansatz keinen aufwies.
Zwei Fackeln wurden zur Messung der Leistung verbrannt. Die Werte für die Prüfungen zur Basislinie, nach 14-tägigem und 28-tägigem Zyklus sind unten aufgeführt: Kontrolle Prüfzusammensetzung
Demgemäß kann gesehen werden, daß Zusammensetzungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung wesentlich verbesserte Alterungseigenschaften liefern. Ein Abplatzen oder eine Rißbildung wurde unter Verwendung der Zusammensetzung der Erfindung nicht beobachtet. Unter Verwendung der hexaminhältigen Kontrolle jedoch wurde Rißbildung und Abplatzen über den Verlauf der Prüfungen beobachtet.

ZUSAMMENFASSUNG

Insgesamt liefert die vorliegende Erfindung neue und verwendbare Beleuchtungsansätze, die große Mengen an Infrarotstrahlung erzeugen, aber relativ geringe Mengen an sichtbarem Licht erzeugen. Demgemäß werden manche der Hauptnachteile bei bekannten Infrarot erzeugenden Materialien vermieden.
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung weisen hohe Brenngeschwindigkeiten auf. Die Zusammensetzungen emittieren Infrarot, während nur begrenzt Ruß gebildet wird, und daher wird sichtbares Licht begrenzt erzeugt. Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung vermeiden ebenso im wesentlichen Abplatzen. Die Zusammensetzungen werden beim Altern nicht wesentlich abgebaut, sogar wenn sie bei relativ erhöhten Temperaturen gelagert werden. So stellen die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung einen wesentlichen Fortschritt im Fach dar.
Was beansprucht wird ist:

Claims

1. Infrarot erzeugende Beleuchtungszusammensetzung, umfassend:

(a) 40% bis 90 Gewichts% eines Oxidationsmittels, das beim Brennen Infrarotstrahlung erzeugt,

(b) 1% bis 35 Gewichts% Bindemittel, wobei das Bindemittel Materialien umfaßt, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus Polyestern, Polyethern, Polyaminen und Polyamiden besteht,

(c) 5% bis 40 Gewichts% organischen Treibstoff, wobei der Treibstoff getrennt vom Bindemittel Melamin umfaßt,

wobei das Oxidationsmittel, das Bindemittel und der Treibstoff so gewählt werden, daß beim Brennen das Verhältnis von Infrarotstrahlung zu sichtbarer Strahlung nicht geringer als 6,0 ist und die Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung nicht geringer als 0, 075 cm.s&supmin;¹ ist,

wobei das Oxidationsmittel aus der Gruppe gewählt wird, die aus Kaliumnitrat, Caesiumnitrat, Rubidiumnitrat und Kombinationen davon besteht.

2. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, bei der zumindest 25 Gewichts% der Zusammenfassung Caesium- oder Rubidiumnitrat umfaßt.

3. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, die 10% bis 90% Caesiumnitrat, vorzugsweise 25% bis 80% Caesiumnitrat umfaßt.

4. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, bei der das Bindemittel aus der Gruppe gewählt wird, die aus Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polybutylenoxid, Polyestern und Polyamiden besteht.

5. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, bei der das Beleuchtungsmittel eine Verbrennungsgeschwindigkeit im Bereich von 0,15 bis 0,4 cm.s&supmin;¹ aufweist.

6. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, die zumindest einen Katalysator für die Verbrennungsgeschwindigkeit umfaßt, der aus der Gruppe gewählt wird, die aus Bor und Silizium besteht.

7. Zusammensetzung, wie in Anspruch 6 beansprucht wird, die des weiteren bis zu 20 Gewichts% Silizium umfaßt.

8. Zusammensetzung, wie in Anspruch 7 beansprucht wird, die des weiteren bis zu 10 Gewichts% Bor umfaßt.

9. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, bei der das Bindemittel Polymere umfaßt, die aus der Gruppe mit, kontinuierlichen Kohlenstoffketten von 1 bis 6 Molekülen gewählt werden, die über Bindungen miteinander verbunden sind, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus Ether-, Amin-, Ester- und Amidbindungen besteht.

10. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, bei der das Verhältnis von Infrarotstrahlung zu sichtbarer Strahlung im Bereich von 10 bis 20 liegt.

11. Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beansprucht wird, bei der die Verbrennungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung bei Umgebungsdruck größer als 0,15 cm.s&supmin;¹ ist.