DE10013398A1

DE10013398A1 - Schadstofffreier Farbrauch

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

Ein nicht toxischer, als schadstoffreier Farbrauch ist über metallische oder metallbeschichtete Kügelchen erzeugbar. Die Kügelchen weisen einen Durchmesser von 0,01 mum bis 0,2 mum auf. Diese Kügelchen werden in bekannter Weise aus einem Behälter ausgebracht. Die Farbgebung des Rauches erfolgt durch spezifische Lichtabsorption an den Metallkügelchen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen schadstofffreien Farbrauch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 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.

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.

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.

Aus toxikologischer Sicht sind diese Farbstoffe und vor allem die bei der pyrotechnischen Reaktion entstehenden Nebenprodukte aufgrund ihres kanzerogenen Potentials sehr bedenklich.

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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wirkstoffe für einen nicht toxi schen Farbrauch anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Partikelgrößenverteilung sollte eine möglichst kleine Bandbreite ha ben, damit ein reiner Farbeindruck erzielt wird. Eine zu breite Partikelgrö ßenverteilung führt zu unerwünschten Farbvermischungen.

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.

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.

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).

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.

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.

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).

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.

Claims

1. Schadstofffreier Farbrauch, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbrauch aus der Lichtabsorption feinster metallischer Teil chen besteht, wobei die Wellenlänge der Lichtabsorption durch die Größe der Teilchen variierbar ist.

2. Farbrauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen entweder in Form von metallischen Kugeln oder als metallbeschichtete Kugeln vorliegen, und die Kugeln einen Durchmesser von 0,01 µm bis 0,2 µm aufweisen.

3. Farbrauch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen als quasi Kugeln ausgebildet sind.

4. Farbrauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Eisen, aus Alkali- und Erdalkalimetallen, Alumini um, Kupfer, Silber oder Gold bestehen.

5. Farbrauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Alkali- und Erdalkalimetallen als leitfähiges Material nicht leitende, inerte Beschichtungen vorgesehen sind.

6. Farbrauch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht leitendes Trägermaterial für die Metallbeschichtung ei nerseits Polymere, vorzugsweise Polystyrol und Polyvinylalkohol und andererseits anorganische Materialien, wie Siliciumoxid als auch Gra phit einsetzbar sind.

7. Verfahren zur Herstellung des nicht leitenden Trägermaterials nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Technik zur Beschichtung des nicht leitenden Trägermaterials mit einer Metallschicht CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition), insbesondere MOCVD (Metallorganyl-CVD)-Verfahren eingesetzt werden.