Polyisobutylen enthaltendes flüssiges Kohlenwasserstoffkraftstoffgemisch und dessen Verwendung in Flugzeugen mit Gasturbinen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein flüssiges Kohlenwasserstoffgemisch mit einem Flammpunkt von mindestens 32°C, das ein Polyisobutylen mit einem Molekulargewicht aus dem Viskositätsmittel größer als 10⁶ gelöst enthält, wobei die Konzentration des Polyisobutylens 0,0010 bis 0,0099, bevorzugt 0,0050 bis 0,0095 Gewichtsprozent beträgt. Die flüssigen Kraftstoffgemische können für den Antrieb von Flugzeugen mit Gasturbinen verwendet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein flüssiges Kohlenwasserstoffkraftstoffgemisch mit einem Flammpunkt von mindestens 32°C, das ein Polyisobutylen mit einem Molekulargewicht aus dem Viskositätsmittel größer als 10⁶ gelöst enthält.

[0002] Bei derartigen Kohlenwassersteffkraftstoffen ist ein Zusatz erforderlich, der einerseits die Neigung der Flüssigkeit zur partikelförmigen Verteilung bzw. Ausbreitung herabsetzt, wenn die Oberfläche des Kraftstoffs Schockeinwirkungen unterworfen wird, andererseits aber die Verwendung derartiger Kraftstoffgemische zum Antrieb von Flugzeugen mit Gasturbinen nicht beeinträchtigt. Die Schockeinwirkung kann derart sein, daß ein Teil der Flüssigkeit in eine Dispersion feiner flüssiger Tröpfchen in Luft, d.h. in einen Nebel, übergeführt wird. Dieser Nebel kann eine Gefahr darstellen, wenn er brennbar ist. Eine Situation, bei der es am wichtigsten ist, die Bildung eines derartigen Nebels unter Schockbedingungen auf einem Minimum zu halten, ist z.B. die Notlandung einer Flugmaschine, welche eine Beschädigung der mit brennbarem Kraftstoff gefüllten Tanks zur Folge hat. Obgleich Kohlenwasserstoffe, die zur Zeit für Flugmaschinengasturbinenmotoren verwendet werden, einen höheren Flammpunkt haben als Flugzeugbenzin, wie es in Maschinen mit Kolbenmotoren verwendet wird, sprechen auch Nebel von Kohlenwasserstoffen mit Flammpunkten von 32°C oder höher stark auf Entzündungen durch Flammen, elektrische Funken oder Reibungseinwirkung sowie durch Anwesenheit von heißem Metall in den Maschinen an, und somit besteht eine beträchtliche Feuergefahr unmittelbar nach einer Kollision einer Flugmaschine.

[0003] Ferner besteht das Risiko eines übergreifens des Feuers auf die Hauptmenge des flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoffs durch Entzündung des Nebels, selbst wenn zunächst nur ein kleiner Defekt vorliegt.

[0004] Aus der GB-PS 1 259 113 ist es bereits bekannt, einen verbesserten flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff mit herabgesetzter Neigung zur partikelförmigen Ausbreitung bei Schockeinwirkung dadurch zu erhalten, daß man der Flüssigkeit ein Polymeres mit einem Molekulargewicht von größer als ₁0⁶ zusetzt. Der Anteil des gelösten Polymeren soll 0,1 bis 2 Gewichtsprozent betragen, geeignete Polymeren sind Polyisobutylen oder ein Ethylen-Propylen-Mischpolymerisat. Die Polymeren werden nach bekannten Verfahren entweder direkt im flüssigen Kohlenwasserstoff aufgelöst oder in Form ihrer wässrigen Dispersion zum Brennstoff hinzugesetzt, das Wasser entfernt und das Pdymere gleichzeitig durch angemessenes Erwärmen aufgelöst.

[0005] Derartige Kohlenwasserstoffkraftstoffgemische mit den vorgenannten Zusätzen weisen aber den Nachteil auf, daß sie noch Reste Wasser enthalten und/oder daß beim thermischen Lösevorgang ein Polymerabbau stattgefunden hat. Im ersten Fall sind deshalb Antijcingzusätze und im anderen Fall höhere Polymergehalte erforderlich, wodurch die Viskosität des flüssigen Kraftstoffs angehoben und die Ausfällbarkeit des Polymeren bei tiefen Temperaturen bis -40°C erhöht wird.

[0006] Die gleichen oben aufgeführten Nachteile treten auch bei den aus den Druckschriften EP-A1 00 19 390, GB-PS 1 285 197, GB-PS 1 337 288 und GB-PS 1 384 536 bekannten Verfahren auf, bei denen jeweils eine 0,1 bis 2 gewichtsprozentige Lösung eines Copolymeren des tert-Butylstyrols, Polymere des 2-Ethylhexylacrylats, Polymere der 2-Ethylhexylacrylsäure u.a. in Kohlenwasserstoffbrennstoffen verwendet werden.

[0007] Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoff mit Flammpunkten von mindestens 32°C aufzufinden, der die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist und bei Schockeinwirkung eine relativ geringe teilchenförmige Ausbreitung, d.h. Nebelbildung, zeigt und dessen Explosionsgefahr und Brenneigenschaft bei Schockeinwirkung daher beträchtlich vermindert ist.

[0008] Diese Aüfgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Konzentration des Polyisobutylens 0,0010 bis 0,0099, vorzugsweise 0,0050 bis 0,0095 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Kraftstoffgemischs, beträgt.

[0009] Zur Verwendung gemäß der Erfindung soll der flüssige Kohlenwasserstoffkraftstoff einen Flammpunkt von mindestens 32°C (bestimmt nach dem Prüfungsverfahren ASTM Standard D 93) besitzen.

[0010] Zu geeigneten flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoffen, bei denen die Erfindung Anwendung finden kann, gehören Flugzeugturbinenkraftstoffe der Qualität JP-8 (Flammpunkt min. 43°C, beschrieben in der "U.S. Military Specification NIL-T-83 133"), der Qualität JP-5 (Flammpunkt min. 60 C, beschrieben in der "U.S. Military Specification MIL-T-5 624 G"), der Qualitäten Jet A und JetA-1 (Flammpunkt min. 43⁰C, beschrieben in der "ASTM Specification DI 655/66 T") und der Qualität AVTUR-NATO mit dem Code No. F-35 (Flammpunkt min. 38°C, beschrieben in der "U.K. Ministry of Aviation Specification", NO. D.Eng. R.D. 2494 (Issue 4).

[0011] Die flüssigen Kohelenwasserstoffkraftstoffe, die zur Verwendung in einem mit Gasturbinen beschriebenen Luftfahrzeug geeignet sind, können z.B. folgende Antioxidationsmittel enthalten:

a) N,N'-Diisopropylparaphenylendiamin

b) N,N^r-Disek.-butylparaphenylendiamin

c) 2,6-Ditert.-butyl-4-methylphenol

d) 2,4-Dimethyl-6-tert.-butylphenol

e) 2,6-Ditert.-butylphenol

f) min. 75 % 2,6-Ditert.-butylphenol max. 25 % Tert.-und Tritert-butylphenol

g) min. 72 % 2,4-Dimethyl-6-tert.-butylphenol max. 28 % Monomethyl- und Dimethyltert.-butylphenol

h) min. 65 % N,N'-Disek.-butylparaphenylendiamin max. 35 % N,N'-Disek.-butylorthophenylendiamin

[0012] Diese Materialien sind gewöhnlich in einer Menge von nicht mehr als 24 mg/l und vorzugsweise von mindestens 8,6 mg/l vorhanden.

[0013] Der Kraftstoff kann ferner enthalten:

- einen Metalldesaktivator wie N,N'-Disalicyliden-1,2-propandiamin, in einer 5,8 mg/l nicht überschreitenden Menge,

- einen Korrosionsinhibitor (eine relevante "U.S. Military Specification" für kraftstofflösliche Korrosionsinhibitoren ist MIL-1-25 017), ein Frostschutzmittel, wie Ethylenglykol-oder Diethylenglykolmonomethylether oder eine Mischung desselben mit Glycerin (eine geeignete Menge beträgt 0,10 bis 0,15 Volumprozent des Kraftstoffs; eine relevante "U.S. Military Specification" für Kraftstoffsystem-Frostschutzmittel ist MIL-1-27-686), und

- einen antistatischen Zusatz, wie Shell Antistatic Additive ASA-3, in einer Konzentration von nicht mehr als 1,0 Teile je Million. Durch Verwendung dieses Zusatzes kann die elektrische Leitfähigkeit des Kraftstoffs in den Bereich von 50 bis 300 Pico-Siemens/Meter eingestellt werden.

[0014] Das zur Anwendung kommende Polyisobutylen ist ein Polymerisat des Isobutylens mit einem Molekulargewicht aus dem Viskositätsmittel größer als 10^6. Derartige Polymerisate des Isobutylens sind an sich bekannt und beispielsweise in der Literaturstelle "Chemische Technologie der Kunststoffe in Einzeldarstellungen Polyisobutylen" Springer-Verlag, Berlin/ Göttingen/Heidelberg, 1959, Seiten 77 bis 105, beschrieben. Auch das in der eingangs zitierten GB-PS 1 259 133 verwendete Polyisobutylen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar. Das Molekulargewicht des Polyisobuylens Viskositätsmittel, bestimmt in Isooktanlösung bei 20°C und einer Konzentration von 0,1 g/100 ml) soll zweckmäßig zwischen 2,5 bis 7,0 · 10⁶, vorzugsweise 3,5 bis 6,0 · 10⁶ liegen.

[0015] Für die Herstellung der beanspruchten Lösungen von Polyisobuten in Kraftstoffen sind alle Verfahren geeignet, welche unter solchen Bedingungen arbeiten, die ein Beibehalten des ursprünglichen Molekulargewichtes sicherstellen.

[0016] Als eine Möglichkeit für die Herstellung einer Polyisobutylenlösung. unter schonenden Bedingungen kann man das feste Polymer bei z.B. 20°C einfach dem Kraftstoff zugeben. Die Lösung tritt dann ohne weitere mechanische oder thermische Maßnahme nach 3 - 10 Tagen ein. Beschleunigend für den Lösungsvorgang und daher vorteilhaft ist ein Zerteilen größerer Stücke in kleinere Teile, z.3. durch Zerschneiden mit einem Messer oder einer Schere.

[0017] Das Polyisobutylen kann auch direkt in der vorgesehenen Anwendungskonzentration oder über ein Konzentrat in dem Kraftstoff, welches anschließend weiter verdünnt wird, gelöst werden.

[0018] Es ist ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kohlenwasserstoffkraftstoffmischung, daß durch den geringen Polyisobutylenzusatz die Viskosität des flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoffs nur unwesentlich angehoben wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das im flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoff gelöste Polyisobutylen bis -40°C in Lösung bleibt und nicht ausfällt.

[0019] Zur Demonstration der Nebelbildungseigenschaft (Antimisting-Wirkung) wurde das Polyisobutylen Oppanol B 230 mit einem Molekulargewicht aus der Lösungsviskosität von 5,7 · 10⁶ in Flugturbinentreibstoff (JP-5) gelöst. Bei dem verwendeten Lösungsmittel JP-5 (Nato Code F 44) handelt es sich um ein Kerosin mit hohem Flammpunkt. Folgende physikalischen Eigenschaften seien genannt:

[0020] 

Die Versuche werden wie folgt ausgeführt:

[0021] Auf einer Schiene wurde eine konstant brennende Zündflamme und im Abstand von 15 - 20 cm auf der gleichen Schiene eine Halterungfür eine Spraydose angebracht.

[0022] Die Spraydose (Typ 60Z Alu-Monoblock) wurde für alle Versuche mit jeweils 40 g Oppanol B 230-Lösung und 60 g Treibgas, bestehend aus einer Mischung von 50 % Fluortrichlormethan und 50 % Difluordichlormethan, befüllt.

[0023] Anschließend wurde die Spraydose auf der Schiene befestigt, so daß der Strahl waagrecht über die Zündflamme gerichtet war. Das Entleerungsventil wurde von Hand betätigt und das Volumen der Flamme fotografisch festgehalten. Die Versuche 1 - 5 geben mit Oppanol B 230-Zusätzen von 0, 5, 10, 25 und 95 Gew.-ppm die Verminderung der Brennintensität der Flamme mit steigendem Oppanolzusatz wieder.

[0024] Eine Verminderung des Volumens der Flammfront ist wie folgt abzuschätzen:

[0025] Das heißt, durch Zusatz von 95 Gew.-ppm Oppanol B 230 läßt sich die Kraftstoffverbrennung und damit das relative Flammvolumen um ca. 80 %, bezogen auf den nichtadditivierten JP-5-Flugtreibstoff, reduzieren.

Ansprüche

₁. Flüssiges Kohlenwasserstoffkraftstoffgemisch mit einem Flammpunkt von mindestens 32°C, das ein Polyisobutylen mit einem Molekulargewicht aus dem Viskositätsmittel größer als 10⁶ gelöst enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Polyisobutylens 0,0010 bis 0,0099 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Kraftstcffgemischs, beträgt.

2. Flüssiges Kohlenwasserstoffkraftstoffgesisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Polyisobutylens 0,0050 bis 0,0095 Gewichtsprozent beträgt.

3. Verwendung des flüssigen Kraftstoffgemischs gemäß Anspruch für den Antrieb von Flugzeugen mit Gasturbinen.