СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2002 года по МПК A61F7/00 

Изобретение относится к области химических источников тепла, применяемых для защиты человека от переохлаждения при длительном выполнении работ в условиях воздействия холода при авариях и катастрофах на суше и на море, при занятиях спортом, туризмом, альпинизмом, а также для использования в медицинских грелках и компрессах.

Известны составы для осуществления окислительно-восстановительных реакций между металлом из группы Fe, Mg, Al, Zn и оксидами металлов переменной валентности MnO₂, PbO₃, Ni₂O₃ (RU N 2019160, бюл. N 17, 1994), между магнием и хлоридом меди (US N 5517981, 1996), реакции алюминиевой фольги с сернокислой и хлористой медью (RU N 2103959, бюл. N 4, 1998). Недостатком таких составов является то, что природа электрохимических реакций не допускает контакта компонентов смеси: окислителя, восстановителя, и воды в условиях хранения и предопределяет сложную многокамерную конструкцию грелок и компрессов, что затрудняет их применение, т.к. до начала реакции компоненты надо тщательно смешивать.

Другим существенным недостатком окислительно-восстановительных реакций является большое тепловыделение в начальной стадии, что приводит к нагреву до 65^oC и может вызвать локальные ожоги при применении в грелках и компрессах.

Особенности применения, связанные с комфортным состоянием человеческого тела, предопределяют осуществление процессов тепловыделения, протекающих длительно при сравнительно невысоких температурах 36 - 42^oC.

Для этих целей применяют составы, тепловыделение которых основанно на экзотермической реакции окисления порошкообразного железа кислородом воздуха. Такие реакции проводят в присутствии электролита для разрушения оксидной пленки, образующейся на поверхности железа. До открытия доступа кислорода водный раствор электролита находится во влагоудерживающем сорбенте и инициаторе реакции. Инициатором процесса окисления служит активированный уголь, процесс десорбции электролита из которого происходит уже на начальной стадии тепловыделения.

Известен состав шихты медицинской грелки для подогрева биологических жидкостей, крови и плазмы, используемых при переливаниях (US N 5042455, 1991), включающий порошок железа 15-40 вес.%, активированный древесный уголь 5-30%, деревянные опилки (сорбент) 20-40%, дигидрат хлорида кальция (электролит) 5-20% и воду 10-30%. Недостатком такого состава, обусловленным недопустимостью перегрева биологических жидкостей, является заведомо заниженное содержание основного реагента (железа), многократный избыток электролита и, как следствие, относительно высокое содержание сорбента и угля. На практике такие составы обеспечивают стабильную температуру только до 38^oC.

Известен также состав шихты грелки для тела (US N 5046479, 1991), включающий порошок железа 55-65 вес.%, активированный уголь 3,5-4,5%, влагоудерживающий сорбент 9-11%, хлорид натрия (электролит) 4,5-6% и воду 18-22%. Грелка устойчиво работает в диапазоне температур 38 - 41^oC в течение 20 - 24 часов. К недостаткам такого состава относится то, что удовлетворительные температурно-временные показатели достигаются благодаря использованию конструктивных особенностей грелки, в данном случае дополнительному полувоздухонепроницаемому слою, существенно снижающему доступ кислорода. Использование этого состава шихты в грелках примитивных конструкций, таких как описанные в патенте US N 4516564, 1985 и реализованные в серии грелок "Белый медведь", производство НПФМА "Марафонское Зимнее Плавание", ТУ 2389-001-00082337-99, согласно которому грелка состоит из воздухонепроницаемой пленки с отверстиями, заслонки, закрывающей и открывающей эти отверстия, и наружного влагонепроницаемого материала, приводит к существенным перегревам на начальной стадии реакции окисления железа и, как следствие, к прекращению реакции из-за бурного выделения влаги из угля, заливающей поверхность реагента.

Технической задачей является оптимизация состава шихты для устойчивой работы тепловыделяющих элементов в интервале температур 38 - 42^oC вне зависимости от конструктивных особенностей грелок и компрессов.

Наиболее близким по достигаемому эффекту и по составу является состав шихты теплового компресса, приведенный в патенте US N 5233981, 1993, A 61 F 7/00 (прототип), включающий порошок железа 40-75 вес.%, инициатор реакции (активированный уголь) 1-10%, влагоудерживающий сорбент 1-40%, хлорид натрия 1-10% и воду 10-40%. Компресс устойчиво работает в интервалах температур 38 - 44^oC. Недостатком состава, как и в случае предыдущего аналога, является то, что эффект стабильности тепловыделения достигается за счет конструктивного ограничения доступа кислорода.

Температурная характеристика состава прототипа мас.%: порошок железа 50, активированный уголь 5, влагоудерживающий сорбент (песок перлитовый) 6, хлорид натрия 5, вода 20, снятая с поверхности вышеупомянутой грелки "Белый медведь", показывает, что к недостаткам состава прототипа относится значительный, до 55^oC, перегрев в начальной стадии реакции окисления и малая продолжительность устойчивой работы (см. чертеж, кривая "прототип").

Еще одним существенным недостатком состава шихты прототипа является диффузия угольной пыли на поверхность грелок и компрессов, даже через дополнительный защитный слой влагонепроницаемой оболочки, что приводит к загрязнению одежды и тела человека и снижает показатели потребительских свойств изделий по санитарно-гигиеническим нормам. Кроме того, уголь загрязняет и производственные помещения на стадии приготовления шихты.

Целью предлагаемого изобретения является изыскание состава шихты для тепловыделяющего элемента, обеспечивающего стабильную и продолжительную работу в интервале температур 38 - 42^oC, вне зависимости от конструктивных особенностей грелок и компрессов, а также повышение потребительских свойств упомянутых изделий и улучшение условий труда на производстве.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается состав шихты для тепловыделяющего элемента, включающий порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, отличающийся тем, что в качестве инициатора реакции окисления состав содержит силикагель с удельным объемом пор 0,75 - 1,15 см³/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Порошок железа - 40-55
Силикагель - 12-30
Влагоудерживающий сорбент - 5-20
Хлорид натрия - 3-5
Вода - 10-20
при этом влагоудерживающий сорбент выбирают из ряда: вермикулит, целлюлоза, песок перлитовый.

Содержание в составе шихты основного реагента - порошка железа обусловлено тем, что при количестве менее 40% значительно увеличивается время выхода на температурный режим и не удается достичь температуры выше 38^oC, а при количестве более 55% наблюдается неустойчивость тепловыделения.

Силикагель выбирают с размерами частиц от 130-270 меш до 200-425 меш (Catalogue Handbook of Fine Chemicals Aldrich 1999-2000, с. 1535-1536).

Предлагаемый экзотермический состав работает следующим образом. При открытии доступа кислорода воздуха происходит окисление порошка железа с выделением тепла. Одновременно начинается интенсивный процесс десорбции водного раствора хлорида натрия из силикагеля, в результате чего поверхность железа очищается от образовавшейся оксидной пленки, что обеспечивает дальнейшее его окисление. По мере повышения температуры начинается процесс медленной десорбции электролита из влагоудерживающего сорбента, при этом электролит выполняет еще одну функцию, а именно устраняет возможное слипание частиц основного реагента.

Достижение цели изобретения проиллюстрировано на чертеже, где показана температурная характеристика поверхности грелки "Белый медведь" в зависимости от состава шихты и времени осуществления реакции.

Ниже приведены примеры предлагаемого состава шихты для тепловыделяющих элементов.

Пример 1. Состав, мас.%:
Порошок железа - 40
Силикагель - 30
Целлюлоза (влагоудерживающий сорбент) - 5
Хлорид натрия - 5
Вода - 20
Шихту готовят следующим образом: перемешанную композицию из порошка железа, силикагеля и влагоудерживающего сорбента пропитывают в инертной среде водным раствором хлорида натрия при t = 20 - 25^oC. Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 1.

Пример 2. Состав, мас.%:
Порошок железа - 55
Силикагель - 12
Вермикулит (влагоудерживающий сорбент) - 20
Хлорид натрия - 3
Вода - 10
Способ приготовления тот же, как в примере 1.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 2.

Пример 3. Состав, мас.%:
Порошок железа - 50
Силикагель - 15
Песок перлитовый (влагоудерживающий сорбент) - 15
Хлорид натрия - 4
Вода - 16
Способ приготовления тот же, как в примере 1.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 3.

Изобретение относится к медицине, в частности к химическим источникам тепла, применяемым для защиты человека от переохлаждения при длительном выполнении работ в условиях воздействия холода. Изобретение характеризуется тем, что состав шихты для тепловыделяющего элемента, включающий порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, отличается тем, что в качестве инициатора реакции окисления состав содержит силикагель с удельным объемом пор 0,75-1,15 см³/г, при этом влагоудерживающий сорбент выбирают из ряда: вермикулит, целлюлоза, песок перлитовый. Предложенный состав обеспечивает стабильную и продолжительную работу в интервале температур 38-42^oС, вне зависимости от конструктивных особенностей грелок и компрессов, а также повышает потребительские свойства изделий и улучшает условия труда на производстве. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Состав шихты для тепловыделяющего элемента, включающий порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, отличающийся тем, что в качестве инициатора реакции окисления состав содержит силикагель с удельным объемом пор 0,75-1,15 см³/г при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Порошок железа - 40-55
Силикагель - 12-30
Влагоудерживающий сорбент - 5-20
Хлорид натрия - 3-5
Вода - 10-20
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что влагоудерживающий сорбент выбирают из ряда: вермикулит, целлюлоза, песок перлитовый.