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Brennstoffe für Raketen, Stato- und Turboreaktoren auf Kohlenwasserstoffbasis
Die Erfindung betrifft Brennstoffe mit erhöhtem Kaloriengehalt, die aus Gemischen
von Aluminium oder Magnesium in feingranuliertem Zustand in flüssigen Kohlenwasserstoffen
bestehen, wobei sich die Stabilität derartiger Gemische durch das Vorliegen einer
kleinen Menge Polyäthylen ergibt.
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Die USA.-Patentschrift 2642345 beschreibt Suspensionen von Alkalimetallen
in flüssigen Kohlenwasserstoffen unter Zusatz von Polyäthylen, die in .sehr geringen
Konzentrationen als Verbrennungszusätze zu Dieseltreibstoffen verwendet werden können.
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Die Gemische der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich gegenüber
diesen bekannten Suspensionen dahingehend, daß sie ein bei normaler Temperatur stabiles
Metall enthalten und daß sie direkt als Treibstoffe mit erhöhtem Heizwert für Raketen,
Statoreaktoren und Turboreaktoren eingesetzt werden können.
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Das hochpolymere Polyäthylen wird als an sich bereits bekanntes Stabilisierungsmittel
angewandt, da man durch dasselbe die größte Stabilität der Gemische, die sich erzielen
läßt, erhalten kann.
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Die bis jetzt in Anwendung kommenden Stabilisierungsmittel für Suspensionen
wiesen nicht gleichzeitig alle diese Eigenschaften auf. So werden z. B. die Aluminiumseifen
durch Wasser zersetzt, so daß die Suspensionen einer festen Phase in einer organischen
Flüssigkeit, die auf Grund derartiger Seifen hergestellt sind, ihre Stabilität nicht
in Gegenwart von Feuchtigkeit aufrechterhalten können.
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Die gleichen erfindungsgemäß hergestellten Gemische behalten im Gegensatz
hierzu ihre Stabilität nicht nur auf lange Zeit hin, sondern ebenfalls gegenüber
allen chemischen Mitteln innerhalb eines großen Temperaturbereiches.
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Außerdem ist das hochpolymere Polyäthylen leicht in einem organischen
Medium dispergierbar, und zwar auch im geschmolzenen Zustand, wobei das Gemisch
sodann wieder auf die gewöhnliche Temperatur gebracht wird. Es ist zu beachten,
daß im letzteren Fall die Dispersion ihren homogenen Charakter selbst nach dem Abkühlen
beibehält.
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Das Insuspensionhalten fester Substanzen in flüssigen organischen
Medien hängt von dem mittleren Molekulargewicht des Hochpolymeren und der Konzentration
desselben, mit der es in Anwendung gebracht wird, dergestalt ab, daß man beim Vermengen
der beiden Mittel die Möglichkeit hat, in geeigneter Weise die Viskosität und die
Thixotropie des organischen Mediums abzuändern und so in dem Aluminium und Magnesium
müssen in möglichst fein verteilter Form vorliegen, da die Stabilität der Gemische
um so besser ist, je fein verteilter der Feststoff vorliegt. Im allgemeinen sollen
die granulierten Teilchen einen mittleren Durchmesser unter 200 Mikron und vorzugsweise.
von 1 bis 100 Mikron aufweisen. So kann z. B. das Magnesium im Dampfzustand in der
brennbaren Flüssigkeit dispergiert oder im flüssigen Zustand in einem inerten Gas
pulverisiert werden.
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Es liegt nicht im Bereich der Erfindung, eine bestimmte Herstellungsart
von Feststoffen in feinverteiltem granuliertem Zustand zu beschreiben. Eine derartige
Herstellung wird nach bekannten Verfahren ausgeführt.
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Das Gewichtsverhältnis Feststoff zu Flüssigkeit soll nicht zu groß
sein, da das Gemisch sonst schwierig fließt. Somit erscheint ein Verhältnis, das
über liegt, nicht von Interesse, und vorzugsweise wird das Verhältnis unter 1 gewählt.
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Der flüssige Brennstoff wird vorteilhafterweise aus denjenigen flüssigen
Kohlenwasserstoffen ausgewählt, die eine Siedetemperatur bei gewöhnlichem Druck
über 180° C und vorzugsweise zwischen 1$0 und 350° C aufweisen. Erdölfraktionen,
wie Kerosin oder
Gasöl, die innerhalb dieser Grenzen sieden, können
vorteilhafterweise angewandt werden.
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Die Menge des angewandten Polymeren hängt von seinen physikalischen
Eigenschaften - und- von dem Polymerisationsgrad ab. Im allgemeinen muß eine um
so geringere Menge des Polymeren angewandt werden, je höher der Polymerisationsgrad
desselben ist. Die Menge liegt vorteilhafterweise zwischen 0,5 und 10 Gewichtsprozent
des flüssigen Brennstoffes.
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Man kann wahlweise der Dispersionsflüssigkeit ein Mittel zusetzen,
das gleichzeitig .hydrophobe und hydrophile Eigenschaften aufweist. Ein derartiges
Mittel wird vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 100/9 zugesetzt. Derartige
Mittel können ionische oder nichtionische Mittel sein. Hierbei handelt es sich z.
B. um Säuren oder Amine langkettiger Kohlenwasserstoffe (die im Mittel einen "Kohlenwasserstoffrest
von 4 C-Atomen oder mehr besitzen) und/oder oberflächenaktive Mittel, wie sie z:
B. von K i r k und O t h m e r in Ecyclopedia of Chemical Technology, 13, S.513
(1954), Interscience Publishers, beschrieben sind. Man kann sodann als Brennstoffe
flüssige Kohlenwasserstoffe mit einem Siedebereich von 80 bis 350° C in Anwendung
bringen.
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Um die Stabilität der erhaltenen Gemische unter Verwendung von z.
B. Kerosin als flüssigen Brennstoff abzuschätzen, kontrolliert man das an der Oberfläche
aufsteigende Kerosin und die Sedimentation. der festen Phase innerhalb einer festgelegten
Zeit, innerhalb der das Gemisch nicht bewegt wird. Dia Stabilität ist quantitativ
durch das Volumenverhältnis des freien Kerosins und durch den Homogenitätsindex
der Suspension der festen Phase in dem ruhenden Kerosin gekennzeichnet. Der Homogenitätsindex
ist definiert als das Produkt aus 100 und dem arithmetischen Mittel der absoluten
Werteabweichungen zwischen den Dichten der Suspension in verschiedenen Höhen und
der mittleren Dichte derselben. Bei der praktischen Ausführung wird der Homogenitätsindex
in der folgenden Weise bestimmt: Aus einer senkrecht angeordneten Röhre, die die
Suspension mit einer mittleren Dichte D enthält und die 8 Tage bei Raumtemperatur
gehalten wird, werden in gleichbleibenden Zeitabschnitten vier gleichvolumige Entnahmen
vorgenommen, wobei man -die Dichte d, jeder Entnahme bestimmt. Der Homogenitätsindex
wird sodann gemäß folgender Formel erhalten:
Beispiel 1 Bei Raumtemperatur werden 125g Magnesiumpulver in 500 ccm Kerosin (Siedebereich
=180 bis 280° C) dispergiert.
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Das Gemisch ist praktisch nur 3 Stunden beständig. Nach 8 Tagen der
Ruhe sind 225 ccm freies Kerosin an die Oberfläche gestiegen.
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Der Homogenitätsindex des Gemisches, das durch Magnesium in dem bleibenden
Kerosin gebildet wird, beträgt 5.
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Beispiel 2 Man stellt ein gleiches Gemisch wie bei Arbeiten nach Beispiel
1 her, wobei man jedoch vorher in dem Kerosin 1 Volumprozent eines Polyäthylens
dispergiert, das ein mittleres Molekulargewicht von 20 000 aufweist. Man erhält
diese Dispersion, indem man -geschmolzenes Polyäthylen in Kerosin einrührt, das
auf der gleichen Temperatur gehalten wird, und sodann das Gemisch abkühlt.
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Das Gemisch bleibt praktisch 12 Stunden beständig. Nach 8 Tagen sind
175 ccm freies Kerosin an die Oberfläche gestiegen.
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Der Homogenitätsindex des durch das Magnesium in dem bleibenden Kerosin
gebildeten Gemisches beträgt 3.
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Beispiel 3 Man arbeitet nach dem Verfahren des Beispiels 2, wobei
man jedoch dem Kerosin 2 Volumprozent des im Beispiel 2 beschriebenen Polyäthylens
zusetzt.
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Das Gemisch bleibt praktisch 18 Stunden beständig. Nach 8 Tagen der
Ruhe sind 130 ccm freies Kerosin an die Oberfläche gestiegen.
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Der Homogenitätsindex des durch das Magnesium in dem bleibenden Kerosin
gebildeten Gemisches beträgt 2. Beispiel 4 Man arbeitet nach dem Verfahren des Beispiels
2, wobei man jedoch dem Kerosin 3 Volumprozent des im Beispiel 2 beschriebenen Polyäthylens
zusetzt.
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Das Gemisch bleibt praktisch 24 Stunden beständig. Nach 8 Tagen der
Ruhe sind 90 ccm freies Kerosin an die Oberfläche gestiegen.
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Der Homogenitätsindex des durch das Magnesium in dem ruhenden Kerosin
gebildeten Gemisches beträgt 0,8. Beispiel 5 Man dispergiert bei Raumtemperatur
125g Aluminiumpulver in einer Dispersion aus 2 Volumprozent Polyäthylen mit einem
mittleren Molekulargewicht von 20 000 in 500 ccm Gasöl (Siedebereich = 300 bis 3501
C).
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Die Suspension bleibt praktisch 24 Stunden beständig. Nach 8 Tagen
der Ruhe sind 100 ccm freies Gasöl an die Oberfläche gestiegen.
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Beispiel 6 Man stellt eine Dispersion aus 25g Aluminium in Form feinverteilten
Pulvers (mittlerer Durchmesser der Teilchen 5 Mikron), 4 g Polyäthylen mit einem
mittleren Molekulargewicht von 20000 und 3 g Oleinsäure in Kerosin mit einem Siedebereich
von 180 bis 250° C 'unter Anwendung einer ausreichenden Menge des letzteren her,
um ein Gesamtvolumen von 100 ccm zu erhalten: Die Menge des sich abtrennenden Kerosins
beträgt nach 24 Stunden 1 ccm und nach 2 Monaten 15 ccm. Beispiel 7 Man arbeitet
nach dem Verfahren des Beispiels 6, wendet jedoch nur 2 g Oleinsäure an und fügt
weitere 2 g Stearylamin zu. Die Menge des sich abtrennenden Kerosins erreicht nach
24 Stunden 2 ccm und nach 2 Monaten 20 ccm.
Beispiel 8 Es wird nach
dem Verfahren des Beispiels 7 gearbeitet, wobei jedoch das Stearylamin durch 2 g
eines Polyoxyäthylenabkömmlings der Oleinsäure ersetzt wird. Die Menge des sich
abtrennenden Kerosins erreicht nach 24 Stunden 2 ccm und nach 2 Monaten 24 ccm.
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Die dergestalt erhaltenen Gemische sind vermittels Luft oder Sauerstoff
Verbrennungsuntersuchungen unterworfen worden. Gute Ergebnisse sind besonders mit
Gemischen des Magnesiums erhalten worden.