(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼時に赤外線を発生する酸化剤の群より選ばれる全酸化剤40〜90重量％；及びポリエステル、ポリエーテル、ポリアミン及びポリアミドからなる群より選ばれる材料を含む結合剤10〜50重量％；を含んでなる燃焼時に赤外線を発生する発光組成物であって、前記発光組成物の少なくとも30重量％が硝酸セシウム酸化剤の塩であり、前記発光組成物の成分が燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が6.0以上で、かつ前記組成物の燃焼速度が0.075cm/秒以上となるように選ばれる、燃焼時に赤外線を発生する発光組成物。
【請求項２】
前記発光組成物が未硬化のとき液状で型にキャスタブルかつ注入可能である、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項３】
燃焼速度触媒として作用する少なくとも１つの材料の有効量をさらに含んでなり、前記材料がホウ素及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項４】
発光組成物が20重量％以下のケイ素を含む請求項３に記載の発光組成物。
【請求項５】
発光組成物が10重量％以下のケイ素を含む請求項３に記載の発光組成物。
【請求項６】
前記組成物が燃焼する時に発生する赤外線の可視光線に対する比が10〜20の範囲である、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項７】
前記酸化剤が硝酸カリウム、硝酸セシウム及び硝酸ルビジウムからなる群より選ばれる、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項８】
前記組成物が30〜80重量％の硝酸セシウムを含む、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項９】
前記発光組成物が0.075〜4.0cm/秒の範囲の燃焼速度を有する、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項１０】
前記結合剤がエーテル、アミン、エステルおよびアミド結合からなる群より選ばれる結合によって連結されている１〜６原子の連続炭素鎖を有する重合体からなる群より選ばれる、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項１１】
前記発光組成物の成分が、燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が6.0以上であり、かつ前記組成物の燃焼速度が0.15cm/秒以上である、請求項１に記載の発光組成物。
【請求項１２】
硝酸セシウム、硝酸カリウム及び硝酸ルビジウムからなる群より選ばれる酸化剤の塩40〜90重量％;10〜50％の結合剤；及び30％以下のケイ素；からなる赤外線発光組成物であって、前記組成物が30％以上の硝酸セシウムを含み、酸化剤と結合剤が燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が10より大であるように選ばれる、赤外線発光組成物。
【請求項１３】
発光組成物が、未硬化のとき液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能である、請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項１４】
前記結合剤がエーテル、アミン、エステルおよびアミド結合からなる群より選ばれる結合によって連結されている１〜６原子の連続炭素鎖を有する重合体からなる群より選ばれる、請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項１５】
37重量％の硝酸カリウム、35重量％の硝酸セシウム及び10重量％のケイ素を含んでなる、請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項１６】
70重量％の硝酸セシウム及び10重量％のケイ素を含んでなる、請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項１７】
35重量％の硝酸カリウム、35重量％の硝酸セシウム及び10重量％のケイ素を含んでなる請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項１８】
17重量％の硝酸カリウム、53.5重量％の硝酸セシウム及び20重量％のケイ素を含んでなる請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項１９】
発光組成物が0.075〜0.4cm/秒の範囲の燃焼速度を有する、請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項２０】
燃焼時に赤外線を発生する酸化剤からなる群より選ばれる酸化剤40〜90重量％;10〜50％の結合剤；及び25％以下の燃焼速度触媒として作用する少なくとも１つの材料；を含んでなる赤外線発光組成物であって、前記組成物が30％以上の硝酸セシウムを含み、前記材料がホウ素及びケイ素からなる群より選ばれる、赤外線発光組成物。
【請求項２１】
酸化剤、結合剤及び燃焼速度触媒が、燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が6.0以上であるように選ばれる、請求項12に記載の赤外線発光組成物。
【請求項２２】
赤外線の可視光線に対する比が10〜20の範囲である、請求項19に記載の赤外線発光組成物。
【請求項２３】
組成物の燃焼速度が周囲圧力下0.15cm/秒を超える、請求項19に記載の赤外線発光組成物。
【請求項２４】
酸化剤が硝酸カリウム、硝酸セシウム及び硝酸ルビジウムからなる群より選ばれる、請求項19に記載の赤外線発光組成物。
【請求項２５】
燃焼時に赤外線を発生するアルカリ金属酸化剤の塩からなる群より選ばれる酸化剤40〜90重量％;10〜50重量％の量のキャスタブルでありかつ洗浄な燃焼結合剤；及び燃焼速度触媒として作用する少なくとも１つの材料の有効量；から実質的になる赤外線発生組成物であって、前記赤外線発生組成物の少なくとも30重量％が硝酸セシウム酸化剤の塩であり、前記材料がホウ素及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも１つであり、前記赤外線発生組成物の成分が燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が6.0以上であり、組成物の燃焼速度が0.023cm/秒以上であり、赤外線発生組成物が未硬化のとき液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能であるように選ばれる、赤外線発生組成物。
【請求項２６】
前記アルカリ金属酸化剤の塩が硝酸カリウム、硝酸セシウム及び硝酸ルビジウムからなる群より選ばれる、請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項２７】
赤外線の可視光線に対する比が10より大である、請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項２８】
前記結合剤がエーテル、アミン、エステルおよびアミド結合からなる群より選ばれる結合によって連結されている１〜６原子の連続炭素鎖を有する重合体からなる群より選ばれる、請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項２９】
前記酸化剤が実質的に70％の硝酸セシウムからなり、ケイ素が約10％で存在する。請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項３０】
前記組成物が０〜20％のケイ素を含む、請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項３１】
前記組成物が０〜10重量％のホウ素を含む、請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項３２】
赤外線の可視光線に対する比が10〜20の範囲である、請求項25に記載の赤外線発生組成物。
【請求項３３】
キャスタブル発光組成物が少なくとも30重量％のセシウム酸化剤の塩で調製されることを条件に、カリウム塩、セシウム塩、ルビジウム塩又はこれらの組合せである酸化剤40〜90重量％；及び前記キャスタブル発光組成物の25重量％以下の量で実質的にケイ素からなる燃焼速度触媒；から実質的になる燃焼時に赤外線を発生するキャスタブル発光組成物であって、前記キャスタブル発光組成物の成分が燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が6.0以上であり、組成物の燃焼速度が0.023cm/秒以上であり、かつキャスタブル発光組成物が未硬化のとき液状で型に注入可能であるように選ばれる、燃焼時に赤外線を発生するキャスタブル発光組成物。
【請求項３４】
前記結合剤が実質的にポリエステルからなる、請求項33に記載のキャスタブル発光組成物。
【請求項３５】
前記結合剤が実質的にポリエーテルからなる、請求項33に記載のキャスタブル発光組成物。
【請求項３６】
前記結合剤が実質的にポリアミンからなる、請求項33に記載のキャスタブル発光組成物。
【請求項３７】
前記結合剤が実質的にポリアミドからなる、請求項33に記載のキャスタブル発光組成物。
【請求項３８】
燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が10〜20である、請求項33に記載のキャスタブル発光組成物。
【請求項３９】
キャスタブル発光組成物が少なくとも30重量％の前記セシウム酸化剤の塩で調製されることを条件に、カリウム塩、セシウム塩、ルビジウム塩又はこれらの組合せである酸化剤40〜90重量％；キャスタブルかつ清浄な燃焼結合剤10〜50重量％；及び０〜25重量％の量のケイ素又は０〜10重量％の量のホウ素の少なくとも１つから実質的になる燃焼速度触媒；から実質的になる燃焼時に赤外線を発生する発光組成物であって、前記発光組成物の成分が燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が6.0以上であり、組成物の燃焼速度が0.023cm/秒以上であり、かつ発光組成物が未硬化のとき液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能であるように選ばれる、燃焼時に赤外線を発生する発光組成物。
【請求項４０】
前記赤外線の可視光線に対する比が10〜20である、請求項39に記載の発光組成物。
【請求項４１】
発光組成物が未硬化のとき以下のいずれかである、燃焼時に赤外線を発生するキャストされ硬化された発光組成物を含む照明弾装置：
（ｉ）カリウム、セシウム及びルビジウム酸化剤の塩並びにそれらの組合せからなる群より選ばれる酸化剤40〜90重量％；ポリエステル、ポリエーテル、ポリアミン及びポリアミドからなる群より選ばれる重合体結合剤10〜50重量％；及び少なくとも１つの燃焼速度触媒；から実質的になる発光組成物であって、前記赤外線発生発光組成物が少なくとも30重量％の前記セシウム酸化剤の塩を含み、前記発光組成物の成分が燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が少なくとも6.0であり、組成物の燃焼速度が0.023cm/秒以上であり、未硬化のとき組成物が液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能であるように、選ばれる発光組成物；
（ii）セシウム、カリウム及びルビジウム酸化剤の塩並びにそれらの組合せからなる群より選ばれる少なくとも１つの酸化剤の塩40〜90重量％；重合体結合剤10〜50重量％；及び25重量％以下の量のケイ素；から実質的になる発光組成物であって、前記組成物が少なくとも30重量％の硝酸セシウム酸化剤の塩を含み、未硬化のとき発光組成物が液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能であり、かつ前記組成物の成分が硬化組成物の燃焼時に赤外線の可視光線に対する比が10.0より大であるように選ばれる、発光組成物；
（iii）燃焼時に赤外線を発生するアルカリ金属酸化剤の塩からなる群より選ばれる酸化剤40〜90重量％；重合体結合剤10〜50重量％；及び燃焼速度触媒として作用する少なくとも１つの材料の有効量；から実質的になる発光組成物であって、前記組成物が少なくとも30重量％の硝酸セシウム酸化剤の塩を含み、前記材料がホウ素及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも１つであり、未硬化の組成物が液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能である、発光組成物；又は
（iv）燃焼時に赤外線を発生するアルカリ金属酸化剤の塩からなる群より選ばれる酸化剤40〜90重量％；結合剤10〜50重量％；及び燃焼速度触媒として作用する少なくとも１つの材料の有効量；から実質的になる非チャンキングの照明弾発生組成物であって、前記組成物が少なくとも30重量％のセシウム酸化剤の塩を含み、前記材料がホウ素及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも１つであり、未硬化組成物が液状で型にキャスタブルでありかつ注入可能である、非チャンキングの照明弾発生組成物。
【請求項４２】
前記組成物が（ｉ）でありかつ赤外線の可視光線に対する比が10〜20である、請求項41に記載の照明弾装置。
【請求項４３】
（ｉ）及び（iii）において前記燃焼速度触媒がケイ素及びホウ素からなる群より選ばれる、請求項41に記載の照明弾装置。
【請求項４４】
硬化前に前記組成物（ｉ）が37重量％の硝酸カリウム、38重量％の硝酸セシウム、10重量％のケイ素及び18重量％の硬化可能なポリエステル樹脂から実質的になる、請求項41の照明弾装置。
【請求項４５】
硬化前に前記組成物（ｉ）が70重量％の硝酸セシウム、10重量％のケイ素及び20重量％の硬化可能なポリエステル樹脂から実質的になる、請求項41の照明弾装置。
【請求項４６】
硬化前に前記組成物（ｉ）が35重量％の硝酸セシウム、35重量％の硝酸カリウム、10重量％のケイ素及び20重量％の硬化可能なポリエステル結合剤から実質的になる、請求項41の照明弾装置。
【請求項４７】
硬化前に前記組成物（ｉ）が53.5重量％の硝酸セシウム、17.5重量％の硝酸カリウム、20重量％のケイ素及び20重量％の硬化可能なポリエステル結合剤から実質的になる、請求項41の照明弾装置。
【請求項４８】
硬化前に前記組成物（ｉ）が35重量％の硝酸セシウム、37重量％の硝酸カリウム、10重量％のケイ素及び18重量％の硬化可能なポリエステル結合剤から実質的になる、請求項41の照明弾装置。
【請求項４９】
硬化前に前記結合剤がキャスタブルでありかつ硬化可能なポリエステル結合剤である、請求項41の照明弾装置。
【請求項５０】
前記組成物（ｉ）、（ii）、（iii）及び（iv）が赤外線の可視光線に対する比が10.0より大であり、硬化組成物が0.023cm/秒より大の燃焼速度を有する、請求項41に記載の照明弾装置。
【請求項５１】
前記組成物が（ii）である、請求項41に記載の照明弾装置。
【請求項５２】
前記組成物が（iii）である、請求項41に記載の照明弾装置。
【請求項５３】
請求項41に記載の照明弾装置を配置することを含む赤外線発光を提供する方法。
【発明の詳細な説明】
1.産業上の利用分野
この発明は有意量の赤外線を放出する発光組成物に関する。さらに特定すれば、本発明は初期燃焼速度が大きく、清浄に燃焼し、且つ放出される赤外線に比べて放出される可視光線の量が相対的に少ないキャスタブル赤外線発光組成物に関する。
2.従来技術の説明
夜間または太陽光が実質的に減っている期間での様々な状況の中ではっきり見る能力が必要になることがある。この様な状況は、例えば捜索および救出作業、警察監視および軍事作戦である。このような状況下では、キーパーソンが限られた太陽光の中でもはっきり見る能力を持つことがしばしば重要になる。
夜間または太陽光が実質的に減っている期間での視認性の問題を解決するために、可視光線よりはむしろ利用し易い赤外線放射光をベースにした、人が見ることができるようにする装置が開発されている。赤外線視察装置には各種の構造のものがあるが、最も普通のタイプの赤外線視察装置は、恐らく、夜間視察眼鏡である。これら装置は、個々の利用者に、夜間に、非常に明瞭に見る能力を与え、その割りに個々の利用者の運動性を余り制約しない。
赤外線視察装置の使用を容易にするために、関心のある区域で利用できる赤外線を強めるのが好都合なことが見いだされている。これに関連して、赤外線放出照明弾装置が開発された。このような装置は様々な構造をしているが、最も広く用いられる装置は発生する可能性のある可視光線に加えて、比較的多量の赤外線を放出する照明弾である。
赤外線放出照明弾は、普通、可視光線放出照明弾と殆ど同じ構造をしている。このような照明弾は地面の一つの地点で赤外線を放出するか、または上空で赤外線を放出する。空中操作の場合、この照明弾系は使用者が望む方向に照明弾を発射することができる内部または外部推進手段を有している。加えて、照明弾自身が燃焼時に有意量の赤外線を発生する材料を含んでいる。通常の操作では、照明弾は問題の領域の上を進み、点火される。そのとき放出される赤外線は夜間視察眼鏡のような赤外線視察装置の有用性を非常に向上させる。
かかる照明弾に使用するのに適した赤外線放出組成物の開発に際して、多くの問題に遭遇してきた。例えば、認められるであろうように、過度の量の可視光線を放出しない赤外線放出照明弾を提供することが望まれることが多い。秘密裡、夜陰に乗じて作戦することが望まれる状況では、この性能が絶対に必要である。照明弾から過度の可視光線が放出されると、その区域の人間に照明弾の存在の警報を出すことになり、それが全作戦の有効性をかなり減退させることがあるのである。
既存の赤外線照明弾組成物では、事実、過度の可視光線が放出されることが分かっている。かくして、赤外線放射装置の実用性能は放出される可視光線の量に対する放出される赤外線の量の比によって判断することができる。この比は多くの通常の赤外線放射組成物では小さいことが知られており、このことは照明弾から放出される可視光線の比率が高いことを示している。
赤外線放射組成物の利用に際して遭遇するもう一つの問題は到達される燃焼速度に関係する。多くの既存の組成物は望まれるより小さい燃焼速度を有し、その結果望まれるより少ない赤外線を放射することになる。効率の良い照明弾を提供するためには、相対的に大きい燃焼速度が要求される。
照明弾組成物の燃焼（表面積）は一定時間が過ぎて劇的に増大することがしばしば観測される。この特性も一般的には望ましくない。空中に発射される赤外線放出照明弾の場合、これは、照明弾が地上高くにあるときには、放射される赤外線がより少く、その照明弾が地表に近くなってより多くの赤外線が放射されることを意味する。事実、照明弾が地面に衝突した後も燃え続けていることがよく見られる。
認められるであろうように、この燃焼曲線は普通望まれる曲線の正反対である。地面の良好な照明を提供するためには、照明弾はその最高高度で大きい強さの赤外線出力を持つことが望ましい。照明弾が地面に近ずくと、地面と照明弾との距離が大きくないという理由だけで、大きい赤外線出力を持つことは余り重要ではなくなる［照度は次式で示すことができる：照度＝（Ｉ×４π）／（４πR2）：式中、Ｉはワット／ステラジアンで表される強さであり、Ｒはフィートで表される照明弾と照らされる対象との間の距離であり、そして照度はワット/m2の単位で表わされる］。結局、見付かるのを減らすため、また燃えている照明弾が地面に衝突するときに起こる可能性のある火事のような自明の問題を減らすために、照明弾は地面に衝突する前に作動を止めることが望ましい。
既存の赤外線放射材料でしばしば遭遇するもう一つの問題は“チャンキング  アウト”（“chunking  out":欠け落ち）である。この現象は作動中に照明弾推進剤の破裂または結合がはずれることによる分離に関係する。この状況では、赤外線放射組成物の大きな砕片が照明弾から突然取れて、地面に落ちる可能性があることが判明している。赤外線発生組成物の大きい砕片が無くなると、照明弾が設計通りに作動せず、必要な場所の上での赤外線の発生量が減り、そして燃えている照明弾材料の落下片は安全上の問題を誘き起こすので問題である。
従来の照明弾組成物を用いると、煤が生成することも知られている。煤の生成は放射される可視光線の増加を誘き起こすことを含めて、幾つかの点で照明弾装置の作動に不利な効果を及ぼす可能性がある。煤または炭素が加熱されると、黒体放射が起こる可能性がある。煤の生成は、主として、赤外線発生組成物に用いられる燃料および結合剤に因り起こる。従来の赤外線発生組成物は、普通、煤の生成の問題に対して対応が十分にできていない。
更なる問題は赤外線（IR）放射組成物の熟成に関係する。既存の組成物は時間が経つと実質的に分解することが良く見られる。これは、貯蔵温度が高いと特に見られる。幾つかの状況下では、これらの材料を50℃またはそれ以上の温度で長期間貯蔵する必要があるだろう。これは、既存の組成物では容易には達成されなかった。
以上要約すれば、既存の赤外線放射組成物は理想に遠い物であることが分かった。現存する材料に関する制約から、その有効さが低下されているのである。遭遇する問題分野の幾つかに含まれるものは、小さい全燃焼速度、好ましくない燃焼速度曲線、チャンキング  アウト、低い熟成性および望ましくない水準の可視光放出である。
それ故、既存の組成物で遭遇する重大な制約の幾つかを克服した赤外線放出組成物を提供することはこの技術分野で有意な進歩となるであろう。高水準の赤外線を放出する一方、可視光線の出力水準を押えた組成物を提供することはこの技術分野の進歩となるであろう。許容できる高い燃焼速度を有するそのような組成物を提供することはこの技術分野にもう一つの進歩をもたらすであろう。
また、煤の生成を実質的に除き、且つチャンキングも実質的に起こさない赤外線放出組成物を提供することもこの技術分野での進歩となるであろう。また、比較的高い温度で貯蔵されても、熟成で容易には分解しない組成物を提供することもこの技術分野での進歩となるであろう。
このような組成物および方法が本明細書に開示され、そして特許請求されるものである。
発明の簡単な要約
この発明は、燃焼時に有意量の赤外線を発生する新規で進歩性のある組成物に関する。同時に、この組成物は現存技術の制約の多くを受けない。この組成物は大きい燃焼速度を有し、発生する赤外線に比べて可視光線の発生が相対的に少ない（この場合、これら組成物は実質的に煤を生成しない）。この組成物は、また、チャンキングや劣った高温熟成性のような共通の問題を回避いている。最後に、この組成物はキャスタブル（注型可能）である。即ち、この組成物は液状で型に注入することが可能で、過度の圧力を加えなくても型の形状をとることができる。
この組成物の基本成分は結合剤、酸化剤および燃料である。本発明に開示されるこのキャスタブル組成物では、結合剤は燃料としても作用し得る。また特定の用途に対して注文に応じて組成物の特性を合わせるために、他の任意の成分を添加することもできる。そのような任意添加成分に含まれるものは燃焼速度触媒および熱生成材料である。
上述のように、発生する可視光線を減らすことが重要である。これは使用できる燃料を厳格に制限する。ホウ素とケイ素を少量使用しているが、これらは熱源および燃焼速度触媒として十分によく作用する。炭化水素燃料を評価したが、これには可視光の出力を大きくする煤の生成を多くする傾向が認められる。それ故、使用される炭化水素燃料／結合剤は、清浄に燃焼し、熱の生成と発光表面の大きさを増大させるために、そのプルーム（plume:燃焼でできる柱状ガス体）中の空気により燃焼することが可能な非発光性フラグメントを与えなくてはならない。同時に、この材料は加工可能で、注型成形することができ、チャンキングを起こさず、そして使用する酸化剤と相溶性の組成物を生成させるように作用しなければならない。
煤の生成が少いことが分かっている炭化水素系結合剤（重合体）にはポリエステル類、ポリエーテル類、ポリアミン類、ポリアミド類が含まれ、特に骨格中に酸素または窒素原子と交互に並んでいる短い炭素連鎖を有するそのような重合体が含まれる。比較的短い炭素鎖（約１〜６個の連続炭素原子）を含む高分子結合剤が望ましいことが見いだされた。これら分子は、一般に、有意量の煤を生成しない。更に、これらの材料を用いれば、本発明のその他の望ましい特徴を達成することができる。
望ましい酸化剤は照明弾組成物が燃焼した時に大量の赤外線を生ぜしめる化合物である。かかる酸化剤に含まれるのは硝酸カリウム、硝酸セシウム、硝酸ルビジウムおよびこれら化合物の組み合せである。これら酸化剤は近赤外領域（0.700から0.900ミクロン）に特性発光波長を有する金属を含むように選ばれる。一次放射光はこのラインから出て来て、その幅はプルーム内の熱エネルギーにより非常に広がる。
有意水準の赤外線を発生させるためには、照明弾組成物の燃焼中に遊離の金属（カリウム、セシウムまたはルビジウム）が生じることが重要であると考えられる。これらの金属は特定の組み合せで用いられると、お互いを強化すると考えられる。
この組成物中の硝酸セシウムの水準が有意に高いと、性能が非常に向上することが分かった。硝酸セシウムは幾つかの有意な利点を提供することが分かった。硝酸セシウムは燃焼速度を大きくすることが見いだされた。加えて、硝酸セシウムは赤外線スペクトルの出力範囲を広げ、赤外線効率を向上させる。従って、硝酸セシウムは全組成物の重量の約10％から約90％を構成することが望ましい。特に、組成物の約30％から約90％になるように硝酸セシウムを加えると、素晴らしい結果が得られる。
本発明の組成物は相対的に大きい燃焼速度を有する材料を提供することが分かった。常圧で約0.075から約0.4cm/秒（0.030から約0.15インチ／秒）およびそれより幾分大きい燃焼速度でも、本発明を用いれば容易に達成することができる。より望ましい速度範囲は0.15cm/秒（0.060インチ／秒）以上である。従来は、この範囲の燃焼速度は容易には達成できなかったことが知られている。
本発明は燃料、酸化剤および結合剤の特定の組み合せを選ぶことにより希望の要求特性に合わせる能力を有している。かくして、特定の燃焼速度と燃焼速度曲線が得られ、可視光線に対する赤外線の比を最適にし、一般的な物理的性質および化学的性質を注意深く選択することができる。かくして、本発明によれば、融通性のある発光材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
本発明の前記利点およびその他の利点と目的を達成するように、前記で簡単に説明した本発明を添付図面を引用してさらに特定的に説明する。これらの図面は、単に、本発明の典型的な態様を説明するものであり、従って、それらは本発明の範囲を限定すると考えるべきではないという理解に立って、本発明を添付図面を用いてより特定的且つ詳細に記述し、説明する。添付図面において：
図１は本発明の範囲内にある組成物の赤外線および可視光線の出力を示したグラフである。
図２は本発明の範囲内にある組成物の赤外線出力を示したグラフである。
図３は図２の組成物の可視光線出力を示したグラフである。
図４は本発明の範囲内にある組成物の赤外線および可視光線の出力を示したグラフである。
図５は本発明の範囲内にある組成物の赤外線および可視光線の出力を示したグラフである。
図６は本発明の範囲内にある組成物の赤外線および可視光線の出力を示したグラフである。
推奨される態様の詳細な説明
上述のように、本発明は有意量の赤外線を放射する発光組成物に関する。本発明は、また、初期燃焼速度が大きく、清浄に燃焼し、そして放射される赤外線に対して相対的に少量の可視光線を放射する赤外線光源組成物を提供する。
本発明の組成物は“キャスタブル”組成物である。この名称が意味するように、キャスタブル組成物は過度の圧力を加える必要なしに適当な型に注入することができる。かくして、この材料は加工し、照明弾装置に使用するのが容易である。
本発明の範囲内の典型的キャスタブル組成物は次の成分を大体次のような重量パーセントで含んでいる：
0003542354.tif 000002
本発明のある特定の態様では、酸化剤は最大で全組成の95％を占めることができる。全組成の少くとも25％が硝酸セシウムであることが推奨されることが多く、このように高水準の硝酸セシウムが含まれていると、有意量の可視光を放射せずに強い赤外線を発生する。
この組成物中での適した結合剤の特定例はウィトコ  ケミカル社（Witco  Chemical  Corp.）のポリエステルであるフォームレッズ（Formrez）17−80であり、さらに特定すれば約81から約83重量％、望ましくは約82.5重量％のフォームレッズ17−80ポリエステル樹脂、約15から約17重量％、望ましくは約16.5重量％のチバ・ガイギー社（Ciba  Geigy  Corporation）のFRL510等のエポキシ樹脂および約０から約２重量％、望ましくは約１重量％のリノレイン酸鉄のような触媒からなる硬化性ポリエステル樹脂組成物である。より望ましくは、この結合剤は約82.5％のフォームレッズ17−80ポリエステル樹脂、約16.5％のERL510エポキシ樹脂および約１重量％のリノレイン酸鉄からなる。かかる結合剤組成物は本明細書ではウィトコ（WITCO）1780と呼ばれる。
素晴らしい実用性能を示す本発明の態様の一例は次の処方のものである：
0003542354.tif 000003
この例において、ウィトコ1780結合剤プレミックスはトリエチレングリコールとコハク酸をベースとした、上記で説明されたエポキシ樹脂硬化剤をブレンドした市販のポリエステル樹脂である。特に、硝酸セシウムの含有量は25％以上であり、この組成物は素晴らしい実用性能を示す。
上記で指定した材料は同等の材料で置き換え得ることは認められるであろう。具体的には、硝酸塩は所望の特定の特性に応じて相互に置き換えることができる。１つのこのような例は硝酸ルビジユウムであって、それは組成物に添加してもよいし、あるいは指定の酸化剤の一部または全部に代えて用いてもよい。これに関する究極の目標は、組成物の燃焼時の赤外線の発生にも実質的に寄与し得る強い酸化剤を提供することである。この指定された化合物はこれらの特性を有している。
前記のように、高水準の（硝酸セシウムのような）セシウム塩を使用すると、燃焼速度が400％までも増大し、しかも可視光の発生が最大50％までも減少する。これは、同時に700から1100nm領域での赤外線の水準を高く維持したまま起こる。かくして、特定注文の調合処方は、特定の実用性能規準を達成するために、高水準の硝酸セシウムを含んでいることができる。現在のところ、この組成物は約10％から約90％、そして多くの場合約25％から約90％の硝酸セシウムを含んでいることが望ましい。この硝酸セシウムがその組成物に添加される全酸化剤の一部を構成するものであることは分かるであろう。
上記で考察したように、この組成物は、また、エポキシまたはイソシアネート系硬化剤との反応で橋架けされる液状の高分子結合剤も含んでいる。この結合剤は、最終組成物の調合、加工および利用を容易にする。同時に、この結合剤はその組成物の燃料源となる。本発明における適切な結合剤は、また、煤の生成を実質的に減らことにより組成物の清浄な燃焼を保証する。
本発明で推奨される結合剤はエーテル、アミン、エステルまたはアミド結合で共に連結されている比較的短い炭素鎖（１〜６個の連続炭素原子）を有する重合体（ポリエーテル類、ポリアミン類、ポリエステル類またはポリアミド類）である。このような重合体の例はポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレンオキシド、ポリエステル類およびポリアミド類である。前記のように、そのような重合体の一つはウィトコ社で製造されているウィトコ1780である。その他の同様の材料が当業者に良く知られており、商業的に入手可能である。
組成物全体に対して燃焼速度触媒および熱源を添加することも容易に可能である。これら材料は得られる組成物の実用性能特性を一層注文に近づけるために与えられる。これら材料は、しかし、可視光線を殆ど発生しないとか、ここで特定したその他の望ましくない特性に寄与しないなどの、許容できる組成物の他のパラメーターにも適合しなければならない。このような望ましい材料の二つの例はケイ素とホウ素であり、一方マグネシウムのような材料は大量の可視光線を放射する傾向があるので望ましくない。
本明細書で説明されるキャスタブル組成物では、ホウ素は全組成物の重量で約０％から約20％を構成するように添加されることが望ましい。ケイ素は全組成の約０％から約25％を構成するのが望ましい。
望ましい組成の尺度の一つはその組成物の燃焼時に発生する可視光線に対する赤外線の比である。組成物は少くとも3.50のIR（赤外線）/Vis（可視光）比を有することが望ましく、6.0より大であることが更に望ましい。事実、本発明では10から20の比が達成され得る。単位可視光出力当たりの赤外線出力のこのような水準は従来の組成物を用いたのでは到達が容易できなかった。
本発明の範囲内にある組成物は大きい燃焼速度を与えることも認められる。約0.075から約0.4cm/秒（0.030から約0.15インチ／秒）の範囲の燃焼速度が本発明の組成物の特徴である。前記のように、望ましい燃焼速度は0.15cm/秒（0.060インチ／秒）以上である。
本発明の範囲内の組成物は熟成および貯蔵もうまくできる。これは既存の組成物では一般に得られていない更なる特徴である。本発明の範囲にある組成物は高い温度［例えば、57℃（135゜F）］で有意の分解なしに最大一年間貯蔵できる。
本発明の範囲内の組成物は既知の従来の方法で調合、調製することができる。推進薬、爆薬および花火組成物を混合し、調製する際に普通用いられるような調合法を用いて本発明の範囲内の組成物を製造することが推奨される。
実施例
以下の実施例は本発明に従って作られた、または作ることができる各種態様を例示するために与えられるものである。これらの実施例は単に例示のためのものであって、本発明に従って調製される多くのタイプの本発明の態様を包括または網羅するものではないことを理解すべきである。
実施例１
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。キャスタブル組成物が調合された。この調合物には比較的高水準のCsNO3が含まれていた。
0003542354.tif 000004
ウィトコ結合剤プレミックスはウィトコ社で製造されている、液状ポリエステル（トリエチレングリコール・スクシネート）であるウィトコ1780に十分硬化させるのに適した量のエポキシ系硬化剤を混合した混合物から成るものであった。
この材料を燃焼させ、燃焼速度、可視光線の出力および赤外線の出力を測定した。可視光線は明所応答（photopic  response）を有するシリコン光ダイオードを用いて測定した。赤外線は695nmカット・オン・フィルターを備えたシリコン・セルを用いて測定した。
この組成物での試験で次のデータが得られた：
WEB                                       1.31cm
燃焼速度                              0.117cm/秒
燃焼時間                                 11.19秒
平均赤外線出力                           741.2mV
平均可視光線出力                         45.34mV
IR/Vis                                     16.19
全てのデータは二回の試験の平均値である。
上に示したデータから分かるように、この組成物は有用な赤外線発光組成物を提供する。この組成物は燃焼速度が速いとともに、赤外線出力が大きく、しかも可視光線出力が極端に低い。
実施例２
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。次の成分を混合し、赤外線発光組成物を製造した：
0003542354.tif 000005
この組成物はキャスタブル組成物であった。これを直径7.0cm（2.75インチ）、長さ33.3cm（13.1インチ）および重さ約2.5kg（5.5ポンド）の照明弾として燃焼させた。４回の独立の試験の平均値である次の結果が得られた：
燃焼時間                                 161.4秒
燃焼速度                              0.147cm/秒
平均赤外線出力                       1.970ボルト
平均可視光線出力                         161.5mV
面積赤外線出力                        216.1V・秒
面積可視光線出力                       17.7V・秒
IR/Vis                                     12.20
図１はこの組成物の赤外線および可視光線出力を時間に対してプロットしたものである。燃焼が始まってから短い時間で赤外線出力が高い水準に達したことが分かる。この水準はこの試料の作動中の殆どの時間保持され、燃焼の終りに下がった。この燃焼速度曲線は望ましい曲線である。同時に、可視光線に対する赤外線の比も素晴らしかった。
この達成された結果から、許容できる赤外線放出組成物が造られたこと、および可視光線放射の水準が赤外線の放射水準より有意に低いことが分かる。
実施例３
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。次の成分を混合し、赤外線発光組成物を製造した：
0003542354.tif 000006
このキャスタブル組成物を燃焼させ、４回の独立の試験の平均値である次の結果を得た：
燃焼時間                                 260.0秒
燃焼速度                              0.128cm/秒
平均赤外線出力                            1.875V
平均可視光線出力                         155.8mV
IR/Vis                                      11.9
図２は、この組成物の赤外線出力を時間に対しプロットしたものである。図３はこの組成物の可視光線の出力を時間に対しプロットしたものである。燃焼が始まってから短い時間で赤外線出力が高い水準に達したことが分かる。この水準は、この試料の作動中の殆どの時間保持され、燃焼の終りに下がった。この燃焼速度曲線は望ましい曲線である。同時に、可視光線に対する赤外線の比も素晴らしかった。
この達成された結果から、許容できる赤外線放出組成物が造られたこと、および可視光線の放射水準が赤外線の放射水準より有意に低いことが分かる。
実施例４
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。次の成分を混合し、赤外線発光組成物を製造した：
0003542354.tif 000007
この組成物を燃焼させ、４回の独立の試験の平均値である次の結果を得た：
燃焼時間                                 14.79秒
燃焼速度                              0.097cm/秒
平均赤外線出力                           606.9mV
平均可視光線出力                         38.65mV
面積赤外線出力                         9.05V・秒
面積可視光線出力                      0.584V・秒
IR/Vis                                     15.50
図４はこの組成物の赤外線出力の時間に対するプロットおよびこの組成物の可視光線出力の時間に対するプロットである。燃焼が始まってから短い時間で赤外線出力が高い水準に達したことが分かる。この水準はこの試料の作動中の殆どの時間保持され、燃焼の終りに下がった。この燃焼速度曲線は望ましい曲線である。同時に、可視光線に対する赤外線の比も素晴らしかった。
この達成された結果から、許容できる赤外線放出組成物が造られたこと、および可視光線の放射水準が赤外線の放射水準より有意に低いことが分かる。
実施例５
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。次の成分を混合し、赤外線発光組成物を製造した：
0003542354.tif 000008
この組成物を燃焼させ、４回の独立の試験の平均値である次の結果を得た：
燃焼時間                                 24.15秒
燃焼速度                              0.059cm/秒
平均赤外線出力                          393.10mV
平均可視光線出力                         31.63mV
面積赤外線出力                         9.57V・秒
面積可視光線出力                      0.781V・秒
IR/Vis                                       12.24
図５はこの組成物の赤外線出力の時間に対するプロットおよびこの組成物の可視光線出力の時間に対するプロットを含めて二つのプロットを示したものである。燃焼が始まってから短い時間で赤外線出力が高い水準に達したことが分かる。この水準はこの試料の作動の殆どの時間保持され、燃焼の終りに下がった。この燃焼速度曲線は望ましい曲線である。同時に、可視光線に対する赤外線の比も素晴らしかった。
この達成された結果から、許容できる赤外線放出組成物が造れられたこと、および可視光線の放射水準が赤外線の放射水準より有意に低いことが分かる。
実施例６
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。次の成分を混合し、赤外線発光組成物を製造した：
0003542354.tif 000009
この組成物を燃焼させ、４回の独立の試験の平均値である次の結果を得た：
燃焼時間                                 19.12秒
燃焼速度                             0.0749cm/秒
平均赤外線出力                          503.15mV
平均可視光線出力                         35.54mV
面積赤外線出力                         9.70V・秒
面積可視光線出力                      0.694V・秒
IR/Vis                                       13.97
図６はこの組成物の赤外線出力の時間に対するプロットおよびこの組成物の可視光線出力の時間に対するプロットを含めて二つのプロットを示したものである。燃焼が始まってから短い時間で赤外線出力が高い水準に達したことが分かる。この水準はこの試料の作動中の殆どの時間保持され、燃焼の終りに下がった。この燃焼速度曲線は望ましい曲線である。同時に、可視光線に対する赤外線の比も素晴らしかった。
この達成された結果から、許容できる赤外線放出組成物が造れられたこと、および可視光線の放射水準が赤外線の放射水準より有意に低いことが分かる。
実施例７
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を調合し、試験した。次の成分を混合し、赤外線発光組成物を製造した：
0003542354.tif 000010
この組成物を燃焼させた。発生する可視光線に対する赤外線の比は約12.0であった。
実施例８
この実施例では、本発明の範囲内の組成物を熟成の期間に関して試験し、ヘキサミンを含有する対照調合物と比較した。標準温度と湿度で熟成試験を行った。
本発明の範囲内のこの組成物はウィトコ結合剤とKNO3を含んでいた。対照組成物はウィトコ結合剤、ヘキサミンおよびKNO3を含んでいた。組成物を成形して標準照明弾を作り、軍規格MIL−STD−331B、温度・湿度サイクル・単一チャンバー法（temperature  humidity  cycle  single  chamber  method）に従って熟成した。これら照明弾を二回連続の14日サイクルで計28日間コンディショニングした。飛行試験法および搭上試験法（flight  and  tower  tests）で試験した。対照試料では数箇所にクラックが発生したが、本発明の範囲内の組成物は外見上の物理的変化や実用性能の劣化を示さなかった。
各タイプ三個づつの照明弾を試験し、可視光線エネルギー、赤外線エネルギーおよび燃焼速度のデータを求めた。
最初の14日サイクルの試験後、各調合試料から一個の照明弾を解体して調べ、二個の照明弾を燃焼させた。最も顕著な変化は、対照試料でのチャンキングの増加であった。
全28日サイクル後、各調合試料から一個の照明弾を解体して調べた。対照試料では、４つの粒状クラックが見られたが、本発明の試験調合試料では全く見られなかった。
二個の照明弾を燃焼させて、実用性能を測定した。ベース・ライン、14日サイクルおよび28日サイクルの各試験データを以下に示す。
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従って、本発明の範囲内の組成物は有意に改善された熟成特性を示すことが分かる。本発明の組成物を用いた場合、チャンキングまたはクラックの生成は認められなかった。しかし、ヘキサミン含有対照試料を用いた場合、試験期間中にクラックおよびチャンキングが観測された。
以上を要約すると、本発明は多量の赤外線を発生するが、可視光線の発生は相対的に少ない新規で有用な発光調合物を提供する。従って、既知の赤外線発生材料の主要な欠点の幾つかが避けられる。
本発明の組成物は大きい燃焼速度を有する。この組成物は赤外線を発光する一方、限られた煤しか生成せず、従って、可視光線の発生も限定される。本発明の組成物は、また、実質的にチャンキングを起こさない。この組成物は比較的高い温度で貯蔵されても、熟成により有意に分解しない。かくして、本発明の組成物はこの技術分野で有意な進歩を提供する。
本発明は、その精神と本質的な特徴から逸脱することなしに、他の特定の形で実施することが可能である。ここで説明した態様は、全ての点で、例示のためのものであって、制限するためのものではないと理解すべきである。それ故に、本発明の範囲はこれまでになされた説明によってではなく、付記した請求の範囲によって指定されるものである。請求の範囲と等価の意味と範囲に入る全ての変更が本発明の中に包含されるべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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