ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2006 года по МПК C09K5/00 C09K5/16 

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, а также в медицинских грелках и устройствах для обогрева аппаратуры, приборов.

Известен ряд грелок и компрессов [US №4516564, 1985; US №5042455, 1991; US №5046479, 1991], в которых применяют составы, тепловыделение которых основано на экзотермической реакции окисления порошкообразного железа кислородом воздуха. Эту реакцию проводят в присутствии активного угля, водного раствора электролита и нейтрального сорбента.

Количественный состав реагентов экзотермической композиции, используемой в химических источниках тепла, варьируется в широких пределах и может включать [US №5233981, 1993], вес.%: порошок железа 40-75; активный уголь 1-10; нейтральный влагоудерживающий сорбент 1-40; хлорид натрия 1-10 и воду 1-40.

Существенным недостатком изделий на основе экзотермических композиций вышеприведенных патентов является процесс газовыделения при хранении. Поскольку каждый из применяемых реагентов вносит с собой в герметично закрытое изделие определенное количество окклюдированного и растворенного воздуха, начинается самопроизвольный процесс взаимодействия железа с водой, активным углем и кислородом воздуха. Продуктами этого взаимодействия [Н.Ф.Дробот, И.З.Бабиевская, К.С.Гавричев и др. Неорган. материалы, 2002, т.38. №5, с.610-615] являются газообразный водород и, как следствие, метан и диоксид углерода. На чертеже представлена характеристика (объем/время) газовыделения из 100 г экзотермической композиции, содержащей 55 вес.% порошка железа. Как видно из кривой "без подавления газовыделения", количество выделенных газов вполне достаточно, чтобы нарушить герметичную упаковку изделия, вызвав тем самым его произвольное срабатывание. Кроме того, смесь водорода и метана взрывоопасна.

Известна экзотермическая композиция, предотвращающая взаимодействие реагентов с кислородом окклюдированного или растворенного в них воздуха [US №4649895, 1987], в которой порошкообразное железо, используемое для получения тепловыделяющей композиции, предварительно обрабатывается при нагревании серусодержащими реагентами: сульфидом или сульфатом аммония, серой, тиогликолем, тиомочевиной.

Недостатком композиции является введение в технологический процесс приготовления тепловыделяющих композиций дополнительной энергозатратной операции. Кроме того, при введении в состав композиции серы неминуемо образование в процессе использования изделия сероводорода.

Технической задачей является изыскание состава экзотермической композиции, исключающего процесс газовыделения при хранении изделия.

Наиболее близким по достигаемому эффекту и по составу является состав шихты нательной грелки, приведенный в патенте JP №58-037075, 1993 (прототип), включающий, на 100 весовых частей (вес.ч.) порошка железа, 25-40 вес.ч. смеси активного угля и скорлупы кокосового ореха, 2,5-7 вес.ч. хлорида металла и 30-40 вес.ч. воды, на 100 весовых частей которой состав содержит 3-30 вес.ч. влагоудерживающего сорбента и 4-20 вес.ч. вещества для подавления газовыделения, в качестве которого используются гидроксиды кальция или натрия, либо углекислый натрий. Грелка работает в интервалах температур 64-65°С на протяжении 8 часов, при этом достижение температуры 40°С происходит приблизительно за 20 минут, а рабочих температур грелка достигает через 1,5 часа работы. Процесс газовыделения существенно подавляется и перестает наблюдаться при соотношении гидроксид кальция (натрия): порошок железа равном 0,5:35, что соответствует содержанию вещества для подавления газовыделения в пределах 0,6-0,8 вес.% общего веса шихты.

Недостатком экзотермической композиции прототипа является введение в систему реагентов, обладающих щелочными свойствами, тогда как реакция окисления железа требует кислой среды [Н.Ф.Дробот, И.З.Бабиевская, К.С.Гавричев и др. Неорган. материалы, 2002, т.38. №5, с.610-615]. Таким образом, действие реагента направлено на замедление процесса окисления, а не на нейтрализацию продуктов газовыделения, т.к. гидроксиды кальция и натрия в реакцию с водородом и метаном не вступают. Как следствие действия реагента, разогрев грелки происходит медленно, причем в шихте применяется десятикратный избыток хлорида металла для разрушения оксидной пленки, образующейся на поверхности железа.

Кроме того, гидроксиды кальция и натрия являются весьма гигроскопичными веществами, которые частично поглощают раствор электролита, необходимый для осуществления процесса тепловыделения, снижая тем самым температурно-временные характеристики изделий.

Изобретение направлено на изыскание состава экзотермической композиции, включающей вещество для подавления газовыделения путем химического взаимодействия выделяющегося водорода с указанным веществом в условиях хранения при сохранении высоких эксплуатационных (температурно-временных) характеристик изделий на основе экзотермической композиции.

Технический результат достигается тем, что предлагается экзотермическая композиция, включающая порошок железа, активный уголь, нейтральный влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия, воду и вещество для подавления процесса газовыделения, при этом, согласно изобретению в качестве вещества для подавления процесса газовыделения, композиция содержит порошок моногидрата оксида железа (III) в количестве 0,1-1 вес.%.

Содержание основных компонентов композиции, определяющих процесс тепловыделения, может составлять любые эффективные количества.

Все эффективные количества компонентов в экзотермической композиции обеспечивают работу грелок в течение 12-18 часов.

Экспериментально установлено, что при использовании воды, как единственного источника водорода, максимально выделяемое количество газа не превышает 20 мл на 100 г композиции.

Содержание остальных указанных компонентов не влияет на процесс образования водорода.

Таким образом, существенными признаками изобретения, определяющими достижение технического результата, являются вещество для подавления процесса газовыделения и его концентрация.

Целесообразно нейтральный влагоудерживающий сорбент выбирать из ряда: вермикулит, перлит, цеолит; но могут использоваться и другие нейтральные сорбенты.

Порошок моногидрата оксида железа (III) выбирают с размерами частиц 50-80 меш (Справочник химических реактивов и лабораторного оборудования Алдрич, Россия, Евро 2003-2004, с.1084), что обеспечивает высокую удельную и реакционную поверхность для взаимодействия с водородом.

Содержание моногидрата оксида железа (III), химической формулы α-FeOOH (техническое название - гетит), обусловлено тем, что при его количестве менее 0,1 вес.% подавление процесса газовыделения малоэффективно, а при количестве более 1 вес.% газовыделение не наблюдается.

Подавление процесса газовыделения достигается следующим образом. Во время приготовления тепловыделяющей композиции и помещении ее в герметичную упаковку, туда попадает воздух, окклюдированный порошками железа, активного угля и нейтрального сорбента, а также воздух, растворенный в воде электролита. В изолированном объеме в присутствии железа, активного угля и воды происходит процесс образования водорода. Введенный в состав смеси мелкодисперсный порошок моногидрата оксида железа (III) взаимодействует с водородом по реакции

6FeOOH+H₂=2Fe₃O₄+4Н₂О,

поглощая водород и предотвращая, таким образом, накопление водорода в системе.

Ниже приведены примеры предлагаемой экзотермической композиции, не ограничивающие возможность использования составов в других соотношениях, а именно характеристики газовыделения при температуре 30°С из 100 г заявленной экзотермической композиции, помещенной в герметичную упаковку в зависимости от содержания моногидрата оксида железа (III).

Пример 1 (чертеж, кривая 1). Состав, вес %:

порошок железа57уголь активный12вермикулит6хлорид натрия0,2вода24,7моногидрат оксида железа (III)0,1

Пример 2 (чертеж, кривая 2). Состав, вес %:

порошок железа44уголь активный29вермикулит2хлорид натрия0,4вода23,9моногидрат оксида железа (III)0,7

Пример 3 (чертеж, кривая 3). Состав, вес %:

порошок железа60уголь активный6вермикулит9хлорид натрия0,5вода23,5моногидрат оксида железа (III)1

Пример 4 (чертеж, кривая 4). Состав, вес %:

порошок железа 57уголь активный9вермикулит16,8хлорид натрия1,2вода15,9моногидрат оксида железа (III)0,1

Пример 5 (чертеж, кривая 5). Состав, вес %:

порошок железа64уголь активный16вермикулит6,3хлорид натрия0,8вода12,2моногидрат оксида железа (III)0,7

Как следует из чертежа, кривая 1 и 4, - процесс газовыделения частично подавляется; кривая 2 и 5 - процесс газовыделения практически исключается; кривая 3 - процесс газовыделения исключается полностью.

Преимущества предлагаемой экзотермической композиции заключаются в следующем: исключается процесс газовыделения при хранении изделий, включающих композицию, что продлевает сроки хранения изделий; сохраняются тепловыделяющие свойства изделий; исключается возможность взрыва хранящихся изделий на основе теплогенерирующих композиций с использованием процесса окисления железа.

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, а также в медицинских грелках и устройствах для обогрева аппаратуры, приборов. Экзотермическая композиция включает порошок железа, активный уголь, нейтральный влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия, воду и вещество для подавления процесса газовыделения, в качестве которого композиция содержит порошок моногидрата оксида железа (III) в количестве 0,1-1 вес.%. Преимущества экзотермической композиции заключаются в следующем: полностью исключается процесс газовыделения при хранении изделий, включающих композицию, что продлевает сроки хранения изделий; сохраняются тепловыделяющие свойства изделий; исключается возможность взрыва хранящихся изделий на основе теплогенерирующих композиций с использованием процесса окисления железа. 1 ил.

Экзотермическая композиция, включающая порошок железа, активный уголь, нейтральный влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия, воду и вещество для подавления процесса газовыделения, отличающаяся тем, что в качестве вещества для подавления процесса газовыделения композиция содержит порошок моногидрата оксида железа (III) в количестве 0,1-1 вес.%.