一種自發熱材料的配方的製作方法

2023-08-11 17:18:51

專利名稱：一種自發熱材料的配方的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自發熱材料的配方。
背景技術：
在日常生活中，人們總離不開各種各樣的能源的應用。日常飲食中需用到的熱能、 取暖的太陽能地熱能等到無所不用的電能光能都是其中的典型代表。不同能源類型有著不 同的來源方式，但都不脫離各種物理化學反應。如光能來自太陽輻射，熱能(一般而言)來 自燃燒中的放熱反應，電能由勢能風能熱能等其他能源轉化而來，核能則通過原子的核聚 變產生。由於製備方式各異，對生產力的要求也不同，在使用過程中的應用必定有所局限。 例如電能只能限制在有輸入輸出設備等家居環境中使用，即便電池的發明將電能在時間和 空間的應用距離延伸，但仍然只能維持在一段時間內，當需要野外出行或因職業等原因要 求外出作業時，電能就顯得不那麼方便了。因此利用一些簡單的化學放熱反應製成的自發 熱裝置就有用武之地了。很早之前人們就知道石灰石加水會產生大量熱量，這就是化學放熱的最基本應 用，但此反應過於激烈而且持續時間短，不僅不能有效利用，還會汙染環境，因此應用範圍 不廣。還有一些人發現醋酸鈉溶液結晶會放熱且可循環使用。鐵粉與空氣接觸氧化放熱 等。這些都是化學自發熱的應用。洞悉商機的人利用這些原理製成「暖手蛋」、自發熱護膝 護腰、自發熱耳貼等各種產品放到市場銷售，以滿足人們的需要。良好的自發熱材料是人們 一直努力尋找的材料。如今人們的視野已不止局限於普通的化學自發熱材料，發熱機理也 不僅限於化學反應。用聚合物固體電解質(SPE)代替水、無機鹽製備固態的一次性自發熱 材料。這種新材料的使用賦予了自發熱材料優良的性能接觸空氣釋放熱量均勻，比能量 高。熱電材料可以通過將熱能和電能進行轉換，在溫差製冷和發電方面有著極其廣闊的應 用前景。複合材料的相繼發展，納米材料、非晶材料、超晶格等新型體系，讓人們有可能以更 大自由度比較、選擇性能更好的自發熱材料。電光轉換材料使得自發熱材料能夠在日常生 活中的得到充分普及。總而言之，自發熱材料的研究將使人們的生活越來越便利，簡單。

發明內容
本發明的目的在於提供一種自發熱材料的配方，發熱配方的主要原理是鐵粉與空 氣中的氧氣發生放熱反應，這個反應是一個氧化還原反應，故我們可以還原性更好的金屬 物質，例如，還原鋅粉，還原鐵粉，還原銅粉等，考慮到價格與反應效率，我們這裡採用還原 鐵粉。配方中的碳粉具有催化劑的作用，吸附性質使其自發熱的熱量來源於還原鐵粉與空 氣中的氧氣發生快速反應釋放出熱量，使放熱量大於散熱量而導致溫度升高，從而出現了 自發熱現象，因此我們採用吸附性更好的活性炭粉-200目。在該反應中水和木粉的作用是 使各種固體粉粒混和，使各部分均勻，提供氣固兩相反應的接觸面以利於鐵粉完全反應和 提高配方的熱容量，以便於控制溫度，根據硅藻土的性質我們可以將木粉該成硅藻土。並且 我們採用正交實驗研究它的最優配方。
本發明是這樣來實現的，其特徵是按下列重量克數組成鐵40_60g、硅藻土 7. 5-12g、活性炭 4. 0-5. 5g、鹽 2. 8-4. 0g、水 18_26g。其最優配方是(1)鐵為 40g、50g、60g、70g、80g 時硅藻土、活性炭、鹽、水分別為 12g、5. 5g、4. Og和 26g；(2)硅藻土為 7. 5g、9. OgUO. 5g、12g、13. 5g 時鐵、活性炭、鹽、水分別為 60g、5. 5g、 4. Og 和 26g ；③活性炭為4. 0g、4. 5g、5. 0g、5. 5g、6. Og時鐵、硅藻土、鹽、水分別為60g、12g、
4.Og 和 26g ；④鹽為2. 8g、3. 2g、3. 6g、4. 0g、4. 4g時鐵、硅藻土、活性炭、水分別為60g、12g、
5.5g 和 26g ；⑤水為18、20、22、24、26g時鐵、硅藻土、活性炭、鹽分別為60g、12g、5. 5g和4. Ogo本發明的優點是該配方組成的自發熱材料發熱溫度高，可達60攝氏度以上，發 熱持續時間長，發熱啟動時間短，易包裝，使用方便。


圖1為本發明還原鐵粉對持續時間的影響圖。圖2為本發明還原鐵粉對最高溫度影響圖。圖3為本發明硅藻土對持續時間影響圖。圖4為本發明硅藻土對最高溫度影響圖。圖5為本發明活性炭粉對持續時間影響圖。圖6為本發明活性炭粉對最高溫度的影響圖。圖7為本發明食鹽對持續時間的影響圖。圖8為本發明食鹽對最高溫度的影響圖。圖9為本發明水對持續時間的影響。圖10為本發明水對最高溫度的影響。
具體實施例方式實驗藥品還原鐵粉 CP100目上海晶體試劑有限公司氯化鈉CP上海晶體試劑有限公司硅藻土CP上海晶體試劑有限公司活性炭粉 CP200目上海晶體試劑有限公司實驗過程1.按照以下實驗表頭設計正交試驗表。正交實驗因素水平表 (1)取一 250ml燒杯，按順序分別加入B g硅藻土、C g活性炭、D g食鹽、A g鐵 粉和E g水，同時攪拌使其混合均勻並記下時間。用紙將燒杯罩住，讀取室溫後將溫度計插 入反應物中，當溫度上升至30°C時記下時間。記下溫度上升至最高溫度的時間並記下最高 溫度。記下開始降溫的時間和降至30°C時的時間。計算出持續時間。處理後記錄於表一。(2)將對表一分析所得持續時間和最高溫度的優化方案每組做三次實驗，綜合持 續時間和最高溫度兩個結果，得出最優配方。(3)確定最佳配方後做各因素對持續時間和最高溫度的影響分析。①鐵為40g、50g、60g、70g、80g 硅藻土活性炭鹽水分別為 12g、5. 5g、4. Og 和 26ml②硅藻土為7. 5g、9. OgUO. 5g、12g、13. 5g 鐵活性炭鹽水分別為 60g、5. 5g、4. Og 和 26ml③活性炭為4. 0g、4. 5g、5. 0g、5. 5g、6. Og 鐵硅藻土鹽水分別為 60g、12g、4. Og 和 26ml④鹽為2. 8g、3. 2g、3. 6g、4. 0g、4. 4g 鐵硅藻土活性炭水分別為 60g、12g、5. 5g 和 26ml⑤水為18、20、22、24、26ml鐵硅藻土活性炭鹽分別為60g、12g、5. 5g和4. Og三、結果與討論持續時間是指自發熱材料的體系溫度高於30°C時的時間。3. 1實驗結果表一 注1 實驗過程中溫度為25°C，持續時間單位為小時分注2 :1為某一水平5次持續時間因素之和注3 :R為極差注4 :i為某一水平5次最高溫度因素之和3. 2結果分析1)持續時間
根據對正交表處理得出結果，使持續時間達到最長的最優方案為A3B4C4D4E5，影 響因子鐵粉>水>硅藻土>活性炭>食鹽。持續時間最短為14小時，最長能達到18小時， 平均時間在16小時以上。最優時各物質量的關係見表二。表二 2)最高溫度最優方案為A5B3C3D1E1時溫度達到最高，影響因素水>鐵粉>硅藻土>活性炭 >食鹽。最低溫度為56°C，最高溫度為76°C，平均溫度在65°C以上。達到最高溫度時各物 質量如表三。表三 3. 2. 1最優配方的確定以上兩種配方一個是溫度最優配方，一個是持續時間最優配方，慮到成本的問題 並且為了得到一個能過兼顧時間與溫度的配方，我們做如下實驗按表二和表三配方分別做三次對比實驗，結果如表四表四 注1 實驗過程中溫度為25°C從上面的實驗可知，還原鐵粉為60g、硅藻土為12g、活性碳粉為5. 5、食鹽為4. 0、水26ml配方的持續時間平均為18小時，最高溫度平均為69°C，而還原鐵粉為80g、硅藻土 為10. 5g、活性碳粉為5. 0、食鹽為2. 8、水為18ml的配方持續時間的平均值為14小時左右， 最高溫度平均值為74°C。溫度相差不時很大而時間相差比較大，而且所用的還原鐵粉要少 很多，綜合這些考慮我們得出的最優配方為如下 3. 3因素影響(下面所有實驗中的溫度均為25°C )3. 3. 1鐵粉對持續時間和最高溫度的影響以還原鐵粉為變量其餘因素為最優配方值設計實驗觀察鐵粉對持續時間和最高
溫度的影響，結果如下表 從圖1中我們可以看出隨著鐵粉的增加持續時間開始呈現增加的趨勢，當達到一 個最大值後就出現快速的下降。還原鐵粉是發熱的主要原料，還原鐵粉越多反應時間越長， 但由於受到其他因素的影響，在其他量一定的情況下打到最大最會出現下降。如圖2所示，當還原鐵粉增加時，由於單位時間內鐵與氧接觸反應增多，所以大體 呈現出最高溫度隨還原鐵粉增加而增加的情形。3. 3. 2硅藻土對持續時間和最高溫度的影響以硅藻土為變量其餘因素為最優配方值設計實驗觀察鐵粉對持續時間和最高溫
度的影響，結果如下表 如圖3、圖4所示，硅藻土在自發熱體系與水一起中提供反應界面作用是各種固體 粉粒混和，使各部分均勻，提供氣固兩相反應的接觸面以利於鐵粉完全反應和提高配方的 熱容量，以便於控制溫度，並且無硅藻土時會出現鐵粉迅速板結而不發熱。當其量合適時持 續時間和最高溫度達到最大值。3. 3. 3活性炭對持續時間和最高溫度的影響以活性炭為變量其餘因素為最優配方值設計實驗觀察鐵粉對持續時間和最高溫 度的影響，結果如下表 如圖5、圖6所示，在自發熱體系中，活性炭粉具有催化性，在界面上吸附氧氣使其 使其自發熱的熱量來源於還原鐵粉與空氣中的氧氣發生快速反應釋放出熱量，使放熱量大 於散熱量而導致溫度升高，從而出現了自發熱現象。活性炭粉越多，氧越多，單位時間單位 面積還原鐵粉氧化加快並且反應更加充分，持續時間逐漸增長，最高溫度也逐漸增加，但活 性炭粉太多時，由於反應的速度過快而會導致時間和最到溫度的下降。因此，隨著活性炭粉 的增加，持續時間和最高溫度會隨之增加、升高但當各自達到一個最優值後會出現下降。3. 3. 4鹽對持續時間和最高溫度的影響
以鹽為變量其餘因素為最優配方值設計實驗觀察鐵粉對持續時間和最高溫度的 影響，結果如下表 如圖7、圖8所示，從上面兩個圖中可以看出隨著食鹽的增加持續時間和最高溫度 也會隨之增加，當達到各自的最優值後會逐漸下降，說明食鹽太少或太多對自發熱體系都 不太好。食鹽在自發熱體系中具有氧化觸媒、平衡水分和保持發熱穩定的作用，不至於局部 溫度過高而導致水分的蒸發從而影響發熱效果。3. 3. 5水對持續時間和最高溫度的影響以水為變量其餘因素為最優配方值設計實驗觀察鐵粉對持續時間和最高溫度的
影響，結果如下表 如圖9、圖10所述，水在體系中是與硅藻土一起形成反應的界面，也是反應的參與 物，沒有水反應就不會進行，在一定程度上水制約著反應的利用率。故持續時間隨水量的增 加而增加。水越多散熱也快，使整個反應體系的最高溫度下降。
權利要求
一種自發熱材料的配方，其特徵是由按下列重量克數組成鐵40-60g、硅藻土7.5-12g、活性炭4.0-5.5g、鹽2.8-4.0g、水18-26g。
2.根據權利要求1所述的一種自發熱材料的配方，其特徵是最優配方是(1)鐵為40g、50g、60g、70g、80g時硅藻土、活性炭、鹽、水分別為12g、5.5g、4. Og和26g ；(2)硅藻土為7. 5g、9. OgUO. 5g、12g、13. 5g 時鐵、活性炭、鹽、水分別為 60g、5. 5g、4. Og 和 26g ；③活性炭為4.0g、4. 5g、5. 0g、5. 5g、6. Og時鐵、硅藻土、鹽、水分別為60g、12g、4. Og和26g ；④鹽為2.8g、3. 2g、3. 6g、4. 0g、4. 4g時鐵、硅藻土、活性炭、水分別為60g、12g、5. 5g和26g；⑤水為18、20、22、24、26g時鐵、硅藻土、活性炭、鹽分別為60g、12g、5.5g和4. Ogo
全文摘要
一種自發熱材料的配方，由按下列重量克數組成鐵40-60g、硅藻土7.5-12g、活性炭4.0-5.5g、鹽2.8-4.0g、水18-26g。本發明的優點是該配方組成的自發熱材料發熱溫度高，可達60攝氏度以上，發熱持續時間長，發熱啟動時間短，易包裝，使用方便。
文檔編號C09K5/16GK101838523SQ20101018503
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月27日 優先權日2010年5月27日
發明者彭強, 熊寶存, 謝英寶 申請人:南昌航空大學