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Flammpunkt

Der Flammpunkt ist eine Größe, die für diverse brennbare Stoffe und insbesondere für Kraftstoffe und Treibstoffe häufig angegeben wird. Er bedeutet die Temperatur, die mindestens notwendig ist, um an der Grenzfläche des Stoffs zu umgebenden Luft ein brennbares Gemisch von Dampf und Luft zu erhalten. Unter diesen Umständen ist es möglich, mithilfe einer zusätzlichen Zündquelle (etwa einer kleinen Flamme oder eines Lichtbogens) den Stoff zu entzünden.

Leicht entzündliche Substanzen zeichnen sich durch einen Flammpunkt unterhalb der relevanten Temperatur (z. B. der Raumtemperatur) aus. Solange keine Zündquelle vorhanden ist, reichern sich in ihrer Nähe brennbare Dämpfe an, die bei genügender Menge auch die Gefahr einer Explosion mit sich bringen können.

Es geht beim Flammpunkt wohlgemerkt nicht um eine Selbstentzündung (→ Zündtemperatur), sondern nur um die Entzündung mithilfe einer zusätzlichen Zündquelle. Beispielsweise ist es bei Benzin erwünscht, dass der Flammpunkt recht tief liegt, während andererseits die Tendenz zur Selbstentzündung möglichst niedrig sein soll (hohe Oktanzahl). Ein niedriger Flammpunkt bedeutet keineswegs, dass die Zündtemperatur auch niedrig ist; oft ist sogar das Gegenteil der Fall.

Bei einer Temperatur nur knapp oberhalb des Flammpunkts kann es passieren, dass die Entzündung nicht zu einer dauerhaften bestehenden Flamme führt, sondern rasch wieder erlöscht – wenn nämlich die brennbare Substanz in der Gasphase schneller erschöpft wird, als sie durch Erwärmung wieder ergänzt werden kann. Erst oberhalb des Brennpunkts, der typischerweise um einige Grad Celsius höher liegt, entsteht eine dauerhafte Flamme.

Tabelle 1: Flammpunkte einiger Substanzen

Flammpunkte werden meistens für flüssige Substanzen angegeben, aber es gibt sie genauso für bei Zimmertemperatur feste oder gasförmige Stoffe. Für gasförmige Brennstoffe liegt der Flammpunkt meist sehr niedrig, z. B. bei −60 °C für n-Butan.

Für die Bestimmung des Flammpunkt seiner Substanz gibt es genormte Verfahren mit genau vorgeschriebenen Versuchsbedingungen. Diese betreffen beispielsweise die Zusammensetzung der Luft und die Zündenergie, die von der Zündquelle genau beschriebener Art zugeführt wird. Es sind Messgeräte erhältlich, die den Flammpunkt nach einer dieser Normen automatisch bestimmen können.

Völlig anderes ist übrigens eine Flammentemperatur – nämlich eine Temperatur, mit der eine Flamme brennt. Dies hat mit dem Flammpunkt nichts zu tun.

Physikalische Details

Die Verbrennung eines Stoffs bedeutet eine chemische Reaktion mit der Umgebungsluft, genauer gesagt mit dem darin enthaltenen Sauerstoff. Sie ist erst dann möglich, wenn eine genügend hohe Konzentration des Dampfs der brennbaren Substanz in der umgebenden Luft auftritt. Eine solche Konzentration kann bei ausreichend hoher Temperatur durch Verdunstung auftreten – auch weit unterhalb des Siedepunkts.

Für viele brennbare Stoffe ist die untere Explosionsgrenze bekannt – das ist die minimale Konzentration in der Luft, die eine Flamme oder Explosion ermöglicht. Andererseits kennt man auch die Abhängigkeit des Dampfdrucks von der Temperatur. Der Flammpunkt ergibt sich dann als die Temperatur, bei der der Dampfdruck die untere Explosionsgrenze erreicht.

Für eine beständig brennende Flamme ist es notwendig, dass die Erhitzung des festen oder flüssigen Brennstoffs durch die Flamme schnell genug neuen Brennstoff in die Gasphase überführt, weil nur dort eine zügige Reaktion mit dem Sauerstoff möglich ist. Diese Bedingung ist manchmal nicht erfüllt – nämlich zwischen Flammpunkt und Brennpunkt (siehe oben).

Eine feine Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs setzt im Prinzip den Flammpunkt nicht herab, da sie den Dampfdruck und die minimale nötige Konzentration des Dampfs nicht ändert. Jedoch ist eine wesentliche Erwärmung des zerstäubten und daher wenig dichten Materials durch eine Zündquelle viel leichter als die Erwärmung einer Flüssigkeit, und insofern wird die Entzündung doch wesentlich begünstigt. Der Grund hierfür ist also nicht eine Herabsetzung des Flammpunkts, sondern die leichtere Erreichung des Flammpunkts.

Flammpunkt von Stoffgemischen

Ein Gemisch zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Flammpunkt hat einen Flammpunkt, der zwischen den Werten beider Flüssigkeiten liegt – und zwar deutlich näher bei dem niedrigeren Wert, als man vom Mischungsanteil her erwarten würde. Dies liegt daran, dass der Dampfdruck der niedriger siedenden Substanz z. B. bei einem Mischungsverhältnis von 1:1 viel höher sein kann als der der anderen Substanz.

Ein interessantes Beispiel ist Benzin, ein Gemisch von diversen Kohlenwasserstoffen recht unterschiedlicher Art und Molekülgröße. Die mittlere Größe der Moleküle entspricht ungefähr der des n-Heptans, welches einen Flammpunkt von −4 °C aufweist. Andere Bestandteile haben einen wesentlich niedrigeren oder höheren Flammpunkt, aber der Flammpunkt des Benzins liegt weit unterhalb des gewichteten Mittelwerts seiner Bestandteile, nämlich unterhalb von −20 °C. Also ist es beispielsweise selbst bei −15 °C noch leicht entzündlich.

Wichtige Einflüsse auf den Flammpunkt

Normalerweise wird der Flammpunkt für normale Luft unter Normaldruck bestimmt. Jedoch kann er wesentlich niedriger ausfallen, wenn die Luft mit Sauerstoff angereichert wird, und umgekehrt wesentlich höher, wenn der Sauerstoffgehalt der Luft reduziert wird. Letzteres wird in manchen Lagerhallen angewandt, um die Gefahr von Feuern massiv zu reduzieren. Selbst eine moderate Reduktion des Sauerstoffgehalts, die immer noch das Arbeiten in der Halle (mit gewissen Einschränkungen) ermöglicht, kann die Brandgefahr erheblich vermindern. Dann liegt nämlich der Flammpunkt vieler sonst gut brennbarer Stoffe oberhalb der Raumtemperatur.

Auch der Luftdruck hat einen gewissen Einfluss auf den Flammpunkt: Ein höherer Luftdruck erhöht den Flammpunkt, erschwert also die Entzündung, weil dann mehr brennbarer Dampf nötig ist, um eine genügend hohe Konzentration zu erreichen.

Bedeutung für Funktion und Sicherheit

Der Flammpunkt z. B. von Brennstoffen und Kraftstoffen ist zunächst einmal wichtig für die Anwendung solcher Stoffe beispielsweise in Verbrennungsmotoren und Brennern von Heizkesseln. Eine Überschreitung des Flammpunkts ist in den meisten Fällen unabdingbar.

Auf der anderen Seite ist ein genügend hoher Flammpunkt aus sicherheitstechnischen Gründen oft wünschenswert oder nötig. Beispielsweise kann Heizöl oder Dieselkraftstoff in einem Tank einigermaßen ungefährlich gelagert werden, weil sein Flammpunkt mit ca. 55 °C deutlich oberhalb der Raumtemperatur liegt. Beispielsweise wird sich durch eine defekte Leitung auslaufendes Heizöl, welches sich am Boden sammelt, nicht sofort beim Kontakt mit einer Zündquelle entzünden und einen großen Brand auslösen, weil sich dafür zu wenig des brennbaren Dampfs in der Luft befindet. Benzin wäre diesbezüglich viel gefährlicher.

Siehe auch: Kraftstoff, Treibstoff, Brennpunkt, Verbrennung