Home made Gloeikousen pag 1-1
23/11/04
Op het derde Petromax weekend in Hall ontmoette ik een duitse heer die het voor elkaar gekregen had om zijn eigen spiritus lampen te maken en tevens zelf gloeikousen maakte.
Dat wil zeggen zijn vrouw haakte de gloeikous en hij impregneerde deze en zorgde ervoor dat ze licht gaven.
Deze handarbeid zorgde voor de nodige opwinding onder de aanwezige verzamelaars.
Op verzoek heeft Ludwig Gebauer het proces opgeschreven en kunnen we nu zelf aan de slag. Vooralsnog is er alleen voorzien in een engelse en duitse tekst. Ik denk dat zij die ermee aan de slag willen het engels redelijk meester zullen zijn.

LEES IN IEDER GEVAL DE WAARSCHUWINGEN IN BEIDE TALEN !!!!!
READ THE WARNING CAREFULLY !!!!!
BITTE LESEN SIE DIE WARNUNG !!!!!

Homemade Gaslight Mantles
Ludwig Gebauer 24.8.2004


First a word of caution. The process of making incandescent mantles involves handling chemicals and although I made some effort to create a recipe based on the use of comparatively harmless chemicals some precautions are necessary.
Keep everything out of the reach of children, do not store the chemicals or finished articles near food. Do not handle the raw materials or finished mantles in the kitchen. Avoid contact with eyes and skin so wear rubber gloves and a protective eye mask.
Ensure absolute cleanliness. This is not really for safety reasons but because traces of impurities such as Iron, copper, or talcum from disposable latex gloves, may affect the quality of the results.

Secondly a note: This is not intended to be the definitive method to create mantles.
It is rather in the nature of an experiment to discover the secrets commercial mantle manufacturers might have. The answer to that is they have none or at least none that could not be found by normal experimental development which of course would involve an extensive series of tests. The following describes how I succeeded and suggests some possible hints for possible improvements.

In principle making mantles is simple. An absorptive textile fabric of a suitable shape is impregnated with a suitable solution of metal salts and dried.


Impregnation Solution

Until a few years ago, mantles in burned-in condition consisted of 99.1 % thorium oxide and 0.9 % cerium oxide. Since thorium fell into disrepute because of its (very weak) radioactivity a few years ago, today (Modern) mantle manufacturers use yttrium oxide instead.

Cerium and yttrium must be converted in a water soluble form. For this purpose, mantle manufacturers use nitric acid salts (nitrates) of the mentioned metals.
Since the handling of nitric acid is not especially pleasant, and because it is not always easily available for the hobby chemist, I use acetic acid instead 1, 2. 		Impregnation Solution


Chemicals Required:

  • Yttrium oxide 99.9 %
  • Cerium(IV)sulphate tetra hydrate
  • Distilled water
  • Acetic acid 25 %
As a source of supply for yttrium oxide and cerium oxide, normal suppliers of laboratory chemicals, e.g. Merck or Sigma-Aldrich, may be considered, through a local distributor of industrial chemicals.
Distilled water should be no problem, and acetic acid of the required purity is available, at least in Germany, in every super market as "Essigessenz" ("Vinegar essence").



Tools required:
  • Precision balance, accuracy at least +/- 0.1 g, or if possible +/- 0.01 g
  • Suitable reaction container, or retort. e.g.
  • a 750 ml preserving jar with glass cap, rubber gasket and knee lever lock or
  • a glass bottle with plastic cap (Not a metal cap!)
  • A water bath that can be heated on a hot plate or burner, in which the retort may be immersed, so that the liquid level inside the vessel is below the outside water level.

Highly recommended:
  • A magnetic stirrer with magnetic stirring bar capable of being used in the retort whilst it is being heated.

Weigh into the retort:
  • 10 g Yttrium oxide
  • 0.4 g Cerium(IV)sulphate tetra hydrate
  • 75 g Acetic acid 25 %
  • 225 g Distilled water

The retort is closed and heated in the boiling water bath. During heating, the retort should be agitated to avoid settling of the yttrium oxide. Due to thermal expansion during heating, some pressure will build up in the vessel.
If a bottle is used, the cap should be opened occasionally to prevent it from bursting. If the mentioned preserving jar is used, the pressure will automatically open the cap sufficiently to release excessive pressure; nevertheless some care should be taken when agitating to prevent liquid from leaking out.
The temperature must be maintained for 3 - 4 hours. During this time the yttrium oxide will dissolve. The milky turbid liquid gets nearly clear, only a very slight, transparent residue may remain.

When the solution for impregnation has cooled to room temperature, it is ready for use. It can be prepared in advance; according to existing experience it is stable for at least 9 months.

This impregnation solution is not at all optimal. Due to the limited water solubility of yttrium acetate, it contains relatively little active substances; with nitric acid, more concentrated solutions should be obtainable.
The remaining residue (Yttrium sulphate) could be avoided by the use of cerium(IV)ammonium nitrate instead of cerium(IV)sulphate, which is however more difficult to obtain.
Experiments in these directions should only be carried out by people who are used to handling such chemicals. Possibly the ratio of cerium vs. yttrium may be not optimal, a little more or less cerium may yield better luminosity. I didn't try that because I considered the results I achieved with the above recipe to be sufficient.
 The


Mantle Fabric

The material mantle manufactures normally use today is viscose ("Rayon"). This is not readily available as crochet or knitting yarn, therefore Theodora and I use cotton. That is really only second choice, because it absorbs less solution than viscose.
As, furthermore, the described solution is rather diluted, relatively thick cotton yarn is necessary to absorb the necessary amount of metal salts to produce sufficiently stable mantles.

For mantles of the size 150 - 250 cp a cotton yarn with a length near 250 m/50 g is required. For a mantle to fit a Petromax 250 cp ceramic nozzle, about 60 stitches should be taken up on 3.5 mm diameter knitting needles.
Because mantles produced in this way are relatively thick, it is not possible to simply knit a hose and to tie or sew the bottom afterwards as with commercially available mantles; like real stockings (Mantle in German: "Glühstrumpf", "glowing stocking") they must be knitted in a shape to resemble the final shape.
When used, they shrink more than commercially produced mantles, therefore they must be knitted a bit larger than those.

After knitting the mantles must be thoroughly washed with washing detergent and thourghouly rinsed with water to remove any agents remaining from the spinning process, which will reduce the absorption capacity of the cotton yarn.

Impregnation...

...is simple. The mantles are immersed for some minutes into the impregnation solution until they are completely soaked. Then they are allowed to drip for some minutes (Do not squeeze or wring out!). For drying they are put over a suitable clean device (Preferably made of glass or plastic; no metal, no absorbent material like wood etc.), e.g. a liqueur glass or a bottleneck. 		Raw mantle material

For fixing the mantles to the burner head, thin iron or stainless steel wire (Diameter 0.2 - 0.3 mm) may be used (Not copper wire because it will melt!). Fastening is critical because of the bulk of the mantles; Care should be taken to ensure a sound fastening so they do not slip down from the bulge of the mantle carrier because the new mantle will be thicker and with a heavier weave than a commercially produced one.

Literature:
  1. C. K. Joergensen, Narrow Band Thermoluminescence (Candoluminescence) of Rare Earths in Auer Mantles,
    Structure and Bonding 25, Springer-Verlag Heidelberg, 1976, page 6.
  2. Edita Garskaite, Darius Jasaitis, Aivaras Kareiva, Sol-Gel Preparation and Electrical Behaviour
    of Ln:YAG (Ln = Ce, Nd, Ho. ER), J.Serb.Chem.Soc 68(2003), page 677 ff.

Corrected for English syntax and spelling. Neil A McRae 25/August/2004
Web-Editor Wim van der Velden, 27/08/04
Worldwide international copyright
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Glühstrümpfe selber machen
Ludwig Gebauer 21.8.2004


Zunächst eine Warnung: Die Herstellung von Glühstrümpfen erfordert den Umgang mit Chemikalien. Obwohl ich mich bemüht habe, eine Rezeptur auf Basis möglichst harmloser Rohstoffe auszuarbeiten, sollte man ein Mindestmaß an Vorsicht walten lassen: Auf keinen Fall in die Hände von Kindern gelangen lassen, getrennt von Lebensmitteln aufbewahren, nicht in der Küche damit arbeiten, Haut- und Augenkontakt vermeiden, Gummihandschuhe und Schutzbrille tragen.
Bei der Arbeit sollte man auf absolute Sauberkeit achten, nicht nur aus Sicherheitsgründen: Spuren von Verunreinigungen (Eisen, Kupfer etc., auch Talkum von an sich empfehlenswerten Latex-Einweghandschuhen usw.) können die Leuchtkraft von Glühstrümpfen verschlechtern bis töten.

Zweite Warnung: Dies ist keine Bauanleitung. Es war nicht meine Absicht, meinen bescheidenen Bedarf an Glühstrümpfen in Zukunft selbst herzustellen. Mich interessierte, welche Geheimnisse die Glühstrumpfhersteller wohl haben mögen.
Das Ergebnis sei vorweggenommen: Sie haben keine, jedenfalls keine, die sich nicht durch normale Entwicklungsarbeit (also endlose Reihenversuche!) herauskriegen ließen.
Da ich weder die Zeit noch die Lust habe, diese endlosen Reihenversuche durchzuführen, kann ich im Folgenden nur beschreiben, wie ich Erfolg hatte und noch einige allgemeine Hinweise für eine evtl. Optimierung geben.

Im Prinzip ist die Herstellung von Glühstrümpfen einfach: Man tränkt ein saugfähiges textiles Gewebe geeigneter Form mit einer Lösung geeigneter Metallsalze und lässt trocknen.


Imprägnierlösung

Bis vor wenigen Jahren bestanden Glühstrümpfe in eingebranntem Zustand aus 99,1 % Thoriumoxid und 0,9 % Ceroxid. Nachdem Thorium wegen seiner (geringen) Radioaktivität in Verruf geraten ist, verwenden professionelle Glühstumpfhersteller heute Yttriumoxid.

Cer und Yttrium müssen in eine wasserlösliche Form gebracht werden. Professionelle Hersteller verwenden hierfür die Salpetersäuresalze (Nitrate) der genannten Metalle.
Da der Umgang mit Salpetersäure nicht sehr angenehm ist und sie für den Hobbychemiker nicht immer einfach zu beschaffen ist, verwende ich an ihrer Stelle Essigsäure 1, 2. 		Impregnation Solution


Benötigte Chemikalien:

  • Yttriumoxid 99,9 %
  • Cer(IV)sulfat Tetrahydrat >98 %
  • Destilliertes Wasser
  • Essigsäure 25%
Als Bezugsquelle für Yttriumoxid und Cersulfat kommen die üblichen Lieferanten für Laborchemikalien wie z.B. Merck oder Aldrich in Frage, evtl. über einen örtlichen Chemikalienhändler.
Ich habe die betreffenden Substanzen über einen Internet-Händler bezogen, der auf den Versand von Kleinmengen an Hobbychemiker spezialisiert ist.
Destilliertes Wasser sollte kein Problem sein, und 25 %-ige Essigsäure der erforderlichen Reinheit ist, zumindest in Deutschland, in jedem Supermarkt unter der Bezeichnung „Essigessenz" erhältlich.


Benötigte Geräte:
  • Präzisionswaage, Genauigkeit mindestens +/- 0,1 g, besser +/- 0,01g
  • Geeignetes Reaktionsgefäß aus Glas, z.B. Einmachglas 750 ml mit Gummidichtung und Kniehebelverschluss oder Glasflasche mit Kunststoffdeckel (Kein Metalldeckel!).
  • Beheizbares Wasserbad, in das das Reaktiongefäss bis über den Flüssigkeitsspiegel im Inneren eingehängt werden kann.

Wünschenswert:
  • Beheizbarer Magnetrührer mit Rührfisch.

In das Reaktiongefäss werden eingewogen:
  • 10 g Yttriumoxid
  • 0,4 g Cer(IV)sulfat Tetrahydrat
  • 75 g Essigsäure 25 %
  • 225 g Destilliertes Wasser

Das Reaktionsgefäß wird verschlossen und im kochenden Wasserbad erwärmt. Während des Aufheizens muss häufig umgeschwenkt werden, um ein Zusammenbacken des Bodensatzes zu verhindern. Während des Aufheizens baut sich im Reaktionsgefäß auf Grund der Wärmeausdehnung des Inhalts Druck auf.
Bei Verwendung einer Flasche sollte der Überdruck durch gelegentliches Öffnen des Verschlusses abgelassen werden, damit sie nicht gesprengt wird; beim Einmachglas mit Kniehebelverschluss drückt der Überdruck den Deckel von selbst so weit auf, dass der Überdruck entweichen kann; trotzdem Vorsicht beim Umschwenken, dass keine Flüssigkeit mit nach außen gedrückt wird. Anschließend muß die Temperatur noch weitere 3 - 4 Stunden gehalten werden.
Während dieser Zeit geht das Yttriumoxid in Lösung, der anfangs milchig trübe Inhalt wird fast klar, nur ein leichter, transparenter Bodensatz (Yttriumsulfat) darf zurückbleiben.

Nach Abkühlung auf Raumtemperatur ist die Imprägnierlösung fertig zur Verwendung. Sie kann auf Vorrat hergestellt werden; nach bisherigen Erfahrungen ist sie mindestens 9 Monate haltbar.

Diese Imprägnierlösung ist keineswegs optimal. Sie enthält wegen der begrenzten Wasserlöslichkeit von Yttriumacetat nur relativ wenig aktive Substanz; mit Salpetersäure sollten sich konzentriertere Lösungen herstellen lassen.
Der verbleibende geringe Bodensatz sollte sich durch Verwendung von Cer(IV)ammoniumnitrat anstatt Cer(IV)sulfat vermeiden lassen, das jedoch schwieriger erhältlich ist.
Experimente in dieser Richtung sollten nur Leute machen, die im Umgang mit derartigen Chemikalien geübt sind. Das Verhältnis von Cer zu Yttrium ist möglicherweise nicht optimal, möglicherweise ergibt sich bei etwas mehr oder etwas weniger Cer noch eine bessere Leuchtkraft.
Ich habe das nicht überprüft, da mir das mit obiger Rezeptur erreichte Ergebnis ausreichte. 		The


Glühstrumpfgewebe

Üblich ist bei professionellen Glühstrumpfherstellern heute Viskose („Kunstseide", „Rayon"). Das ist als Häkel- oder Strickgarn nur schwer erhältlich, daher verwenden Theodora und ich Baumwollgarn. Das ist nur zweite Wahl, da es weniger Imprägnierflüssigkeit aufnimmt als Viskose. Da außerdem die oben beschriebene Imprägnierflüssigkeit relativ dünn ist, ist ziemlich dickes Baumwollgarn nötig, um die für einen ausreichend stabilen Glühstrumpf erforderliche Menge an Metallsalzen aufnehmen zu können.

Für Glühstrümpfe der Größe 150 - 250 HK hat sich Baumwollgarn mit einer Lauflänge von ca. 250 m/50 g bewährt. Für einen Glühstrumpf, der auf einen Tonbrenner der Petromax 250 HK (Durchmesser 21,5 mm) passt, sollten ca. 60 Maschen aufgenommen werden, Nadeln 3,5 mm Durchmesser. Da sich relativ dicke Strümpfe ergeben ist es nicht möglich, wie bei serienmäßigen Glühstrümpfen einfach einen Schlauch zu stricken und ihn dann unten zuzubinden oder zu -nähen; sie müssen wie richtige Strümpfe in einer der endgültigen Form angenäherten Form gestrickt werden. Sie müssen etwas größer gestrickt werden als serienmäßige Socken, da sie später bei Inbetriebnahme etwas stärker schrumpfen.

Die Strümpfe müssen nach dem Stricken gründlich z.B. mit Handspülmittel und Wasser gewaschen werden, um aus dem Spinnprozess zurückgebliebene Verarbeitungshilfsmittel (Schmälzmittel), die die Saugfähigkeit der Baumwolle reduzieren, zu entfernen. Nach dem Waschen vollständig trocknen lassen.


Das Impägnieren...

...ist einfach: Die Strümpfe werden ein paar Minuten vollständig in die Imprägnierflüssigkeit eingetaucht, bis sie sich gründlich vollgesogen haben. Dann lässt man ein paar Minuten abtropfen (Nicht ausdrücken oder auswinden!) und stülpt sie anschließend zum Trocknen über einen geeigneten sauberen Gegenstand (Vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff; kein Metall, kein saugfähiges Material wie z.B. Holz), z.B. über ein Likörglas oder einen Flaschenhals. 		Raw mantle material

Zur Befestigung am Brenner ist dünner Draht (0,2 - 0,3 mm) aus Eisen oder rostfreiem Stahl geeignet (Kein Kupferdraht, schmilzt). Wegen der Dicke der Strümpfe ist die Befestigung kritisch; hier sollte mit Überlegung und Sorgfalt vorgegangen werden, damit einem beim Abflammen der Strumpf nicht vom Brennerwulst abrutscht.

Literatur:
  1. C. K. Joergensen, Narrow Band Thermoluminescence (Candoluminescence) of Rare Earths in Auer Mantles,
    Structure and Bonding 25, Springer-Verlag Heidelberg, 1976, page 6.
  2. Edita Garskaite, Darius Jasaitis, Aivaras Kareiva, Sol-Gel Preparation and Electrical Behaviour
    of Ln:YAG (Ln = Ce, Nd, Ho. ER), J.Serb.Chem.Soc 68(2003), page 677 ff.

Web-Editor Wim van der Velden, 27/08/04
Worldwide international copyright
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