CN109620522A - 一种纸状自发热膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种纸状自发热膜及其制备方法。自发热膜包括自发热金属粉和纤维载体，自发热金属粉均匀分布在纤维载体中，并与纤维载体共同形成纸状膜。纤维载体包括纤维和活性炭粉末。自发热金属粉为铁粉和铝粉的混合物，其中铝粉的质量百分比含量为0.05％～50％。纸状自发热膜按照面密度100～1000g/m2配置。纤维包括纸纤维、木纤维、亲水化学纤维、碳纤维、碳纳米纤维。金属粉、纤维、活性炭粉末和离子表面活性剂溶解于水并搅拌均匀，加入工业盐浓缩，然后采用均匀涂布法或辊压法将浓浆液涂抹到基体上，烘干后即得到纸状自发热膜。本发明采用纤维作为载体，为金属粉的氧化剂提供了扩散通道，提高了能效，并避免金属粉脱落。

Description

一种纸状自发热膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纸状自发热膜及其制备方法，属于材料合成及其医疗保健应用领域。
背景技术
自发热薄膜，如加热蒸汽贴在健康保健市场具有重要的应用，如可增强人体内的血液循环，有效缓解慢性腰痛，肩膀僵硬,眼睛疲劳、治疗干眼症等。同时，这些加热蒸汽贴还可以用于加热腰部或腹部，起到调节神经活动的生理功能、缓解疼痛等功效。在这些加热蒸汽贴中，主要通过铁粉氧化成氧化铁产生热量，使水蒸气挥发。然而，在自发热贴中，当铁粉氧化时，容易产生板结现象，造成剩余的铁粉不能在氧气、水及电解质的作用下顺利反应，从而导致发热和蒸汽产生不足，影响了正常医疗保健效果。另外，自发热贴在运输、使用过程中，铁粉有可能与基体分离、脱落，造成加热位置变化、铁粉氧化过程失控、甚至存在安全隐患。
现有的自发热贴技术，主要将铁粉、活性炭与盐及蛭石等混合后，通过胶粘合在一起构成发热材料，当接触空气时，空气中的氧与铁在水和盐的共同作用下，快速发生氧化反应并释放热量。现有的技术由于铁粉和水分分散不均匀，很难控制铁粉的氧化过程，容易造成过热或者发热不足等问题。铁粉的氧化过程需要良好的控制，才能准确控制自发热贴的温度和蒸汽量。
发明内容
本发明旨在提供一种基于微米或纳米级纤维的纸状自发热膜，将表面钝化的自发热金属粉均匀负载在纤维上形成复合纤维，然后将复合纤维制成纸状自发热膜。
本发明通过以下技术方案实现：
一种纸状自发热膜，所述自发热膜包括自发热金属粉和纤维载体，所述自发热金属粉均匀分布在所述纤维载体中，并与所述纤维载体共同形成纸状膜；所述纤维载体包括纤维和水分；所述纤维和自发热金属粉的质量比为1:10～1:1；所述自发热金属粉为铁粉和铝粉的混合物，其中所述铝粉的质量百分比含量为0.05％～50％。
所述自发热金属粉的粒径范围为20μm～0.5mm。
所述纸状自发热膜按照面密度100～1000g/m2配置。
所述纤维载体还包括活性炭粉末。
所述纤维包括纸纤维、木纤维、亲水化学纤维、碳纤维、碳纳米纤维。
所述纤维的直径为纳米级至微米级；所述纤维的长度为微米级至分米级。
一种纸状自发热膜的制备方法，能够用于上述纸状自发热膜的制备，所述方法包括：
准备基体；
分别称取适量的铁粉和铝粉；
分别称取适量纤维和活性炭粉末；
将所述纤维加入到盛有适量水的容器中，使纤维分散溶解形成纤维溶液；
将活性炭粉末加入到纤维溶液中，搅拌均匀后，加入阳离子表面活性剂并继续搅拌成为纤维混合溶液；
将适量铁粉和铝粉加入到纤维混合溶液中搅拌10分钟后，加入阴离子表面活性剂，搅拌10分钟以上，形成混合均匀的纸浆溶液；
将纸浆溶液过滤，取出滤后浓缩液，并将适量盐加入到浓缩液中搅拌形成浓浆液；
采用均匀涂布法或辊压法将浓浆液涂抹到基体上，烘干后即得到纸状自发热膜。
所述方法还包括：在所述纸状自发热膜表面贴设微孔透气膜。
上述技术方案中，所述纤维和自发热金属粉的比例为1:10～1:1。
上述技术方案中，所述阳离子表面活性剂包括胺盐、季铵盐或杂环型阳离子表面活性剂；所述胺盐包括三烷基氯化铵、聚酰胺环氧氯丙烷；所述阴离子表面活性剂包括磺酸盐型、羧酸盐型、硫酸酯盐型或磷酸酯盐型阴离子表面活性剂。
本发明具有以下优点及有益效果：1)在铁粉中混入一定比例的表面钝化的铝粉，从而提升初始氧化速率并解决快速发热的问题；2)纵横交错的纤维在纸状自发热膜中形成了众多的微米级孔，为存储充足的水分和氧气的快速扩散提供通道，使金属粉容易充分氧化，而产生足够的热量；3)金属粉末均匀分散在纤维上，可减少金属粉末由于氧化板结带来的氧化不充分；4)采用纤维作为负载和固定金属粉末，可有效避免金属粉末脱落带来的诸多问题。
附图说明
图1为基于纤维的纸状自发热膜结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种自发热膜的光镜照片。
图3为本发明所涉及的实施例1自发热膜的温度输出曲线。
图4为本发明所涉及的实施例2自发热膜的温度输出曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本发明为一种基于金属粉末氧化的自发热薄膜。用作自发热金属粉末的主要为铝粉和铁粉的混合物，其中，铝粉在铁粉中的重量比为0.05％～50％。这是由于氧化铝的标准摩尔生成焓为-1676kJ/mol，远高于氧化铁的标准摩尔生成焓(-824.2kJ/mol)，因此铝粉比铁粉的发热效率更高，并且比重也更轻(2.7g/cm3，低于铁的7.8g/cm3)。这些自发热金属粉末与适量的碳粉、工业盐、保水剂等辅助材料充分混合均匀后，可作为自发热材料。
一种纸状自发热膜，包括自发热金属粉和纤维载体，自发热金属粉均匀分布在纤维载体中，并与纤维载体共同形成纸状膜，其结构如图1所示。纤维载体包括纤维和水分，水分既作为纤维的溶解分散剂也同时作为自发热金属粉的氧化剂储存在纤维孔隙中。
采用纤维作为金属粉末及辅助材料的载体，并利用纤维间丰富的孔结构来储存水分和气体扩散。纤维包括纸纤维、木纤维、亲水化学纤维、碳纤维、碳纳米纤维。纤维的直径为纳米级至微米级；纤维的长度为微米级至厘米级，甚至达到分米级。纤维和自发热金属粉的质量比为1:10～1:1。自发热金属粉为铁粉和铝粉的混合物，其中铝粉的质量百分比含量为0.05％～50％。
自发热金属粉的粒径范围为20μm～0.5mm。
纸状自发热膜按照面密度100～1000g/m2配置。面密度即所有固体物料在纸膜上的质量与面积比。
纤维载体还包括活性炭粉末。
一种纸状自发热膜的制备方法，能够用于上述纸状自发热膜的制备，所述方法包括：
准备基体；
分别称取适量的铁粉和铝粉；
分别称取适量纤维和活性炭粉末；纤维和自发热金属粉的比例为1:10～1:1。
将所述纤维加入到盛有适量水的容器中，使纤维分散溶解形成纤维溶液；
将活性炭粉末加入到纤维溶液中，搅拌均匀后，加入阳离子表面活性剂并继续搅拌成为纤维混合溶液；
将适量铁粉和铝粉加入到纤维混合溶液中搅拌10分钟后，加入阴离子表面活性剂，阴离子表面活性剂包括磺酸盐型、羧酸盐型、硫酸酯盐型或磷酸酯盐型阴离子表面活性剂，具体包括十二烷基苯磺酸、脂肪醇醚硫酸钠、羧甲基纤维素钠等。搅拌10分钟以上，形成混合均匀的纸浆溶液；阳离子表面活性剂包括胺盐、季铵盐或杂环型阳离子表面活性剂。胺盐包括三烷基氯化铵、聚酰胺环氧氯丙烷。
将纸浆溶液过滤，取出滤后浓缩液，并将适量盐加入到浓缩液中搅拌形成浓浆液；盐包括。。。
采用均匀涂布法或辊压法将浓浆液涂抹到基体上，烘干后即得到纸状自发热膜。
制备完纸状自发热膜后，然后将纸状自发热膜按需裁剪，在纸状自发热膜表面贴设微孔透气膜，制成自发热料包便于使用。该自发热料包需根据需要进一步包装，并用隔氧袋密封。使用时，将隔氧袋打开，暴露在空气中，在空气和水的共同作用下金属粉末氧化而发热。
根据不同发热温度、发热时间的要求，将调控纸状自发热膜中的金属粉末和纤维的比例、自发热膜的面密度、自发热膜中的水分含量等。
图2为光镜照片，可以看出金属颗粒及碳粉分布在纤维上。
以下为其中几个具体实施例。
实施实例1：
1)将100克木浆纤维(针叶木浆，纤维直径为30-50微米)、10克活性炭粉和5000mL水混合，强烈搅拌30分钟，使纤维均匀分散在水中；
2)在纤维溶液中加入140克金属粉末，铁铝重量比为95:5，继续搅拌5分钟；
3)在上述溶液中加入浓度为4.0％的PAE(Polyamideamine，氯丙烷)阳离子表面活性剂100毫升，搅拌1分钟；
4)加入1％的CMC(羧甲基纤维素)阴离子表面活性剂100毫升，搅拌3分钟；
5)过滤，获得金属粉末颗粒均匀负载在木浆纤维和活性碳粉上的混合物；
6)在上述混合物中加入10克工业盐，和200mL水，继续搅拌均匀形成较浓的浆料；
7)使用涂布设备将浆料均匀涂覆在纸质基体上，辊压成一定厚度的纸状膜；
8)将上述纸状膜在负压或者气体保护下快速烘干，制得由纤维基体组成的纸状自发热膜。
将纸状自发热膜的面密度控制在500g/m2，测试其发热性能，其温度随时间变化曲线如图2所示。可以看出，自发热膜很快达到34，℃最高达到42，℃并持续自发热1.5小时以上。
实施实例2：(改变纤维比例，种类和金属粉末)
1)将150克木浆纤维(针叶木浆，纤维直径为30-50微米)、10克活性炭粉和5000mL水混合，强烈搅拌30分钟，使纤维均匀分散在水中；
2)在纤维溶液中加入90克金属粉末，铁铝重量比为5：95，继续搅拌5分钟；
3)在上述溶液中加入浓度为4.0％的PAE阳离子表面活性剂100毫升，搅拌1分钟；
4)加入1％的CMC阴离子表面活性剂100毫升8，搅拌3分钟；
5)过滤，获得金属粉末颗粒均匀负载在木浆纤维和活性碳粉上的混合物；
6)在上述混合物中加入10克工业盐，和200mL水，继续搅拌均匀形成较浓的浆料；
7)使用涂布设备将浆料均匀涂覆在纸质基体上，辊压成一定厚度的纸状膜；
8)将上述纸状膜在负压或者气体保护下快速烘干，便制得由纤维基体组成的纸状自发热膜。
将纸状自发热膜的面密度控制在250g/m2，测试其发热性能，其温度随时间变化曲线如图3所示。可以看出，自发热膜很快达到34，℃最高达到近42，℃并持续自发热1.5小时以上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纸状自发热膜，其特征在于，所述自发热膜包括自发热金属粉和纤维载体，所述自发热金属粉均匀分布在所述纤维载体中，并与所述纤维载体共同形成纸状膜；所述纤维载体包括纤维和水分；所述纤维和自发热金属粉的质量比为1:10～1:1；所述自发热金属粉为铁粉和铝粉的混合物，其中所述铝粉的质量百分比含量为0.05％～50％。
2.根据权利要求1所述的纸状自发热膜，其特征在于，所述自发热金属粉的粒径范围为20μm～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的纸状自发热膜，其特征在于，所述纸状自发热膜按照面密度100～1000g/m2配置。
4.根据权利要求1所述的纸状自发热膜，其特征在于，所述纤维载体还包括活性炭粉末。
5.根据权利要求1所述的纸状自发热膜，其特征在于，所述纤维包括纸纤维、木纤维、亲水化学纤维、碳纤维、碳纳米纤维的其中之一或多个。
6.根据权利要求1或5所述的纸状自发热膜，其特征在于，所述纤维的直径为纳米级至微米级；所述纤维的长度为微米级至分米级。
7.一种纸状自发热膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
准备基体；
分别称取适量的铁粉和铝粉；
分别称取适量纤维和活性炭粉末；
将所述纤维加入到盛有适量水的容器中，使纤维分散溶解形成纤维溶液；
将活性炭粉末加入到纤维溶液中，搅拌均匀后，加入阳离子表面活性剂并继续搅拌成为纤维混合溶液；
将适量铁粉和铝粉加入到纤维混合溶液中搅拌后，加入阴离子表面活性剂，搅拌，形成混合均匀的纸浆溶液；
将纸浆溶液过滤，取出滤后浓缩液，并将适量工业盐加入到浓缩液中搅拌形成浓浆液；
采用均匀涂布法或辊压法将浓浆液涂抹到基体上，烘干后即得到纸状自发热膜。
8.根据权利要求7所述的一种纸状自发热膜的制备方法，其特征在于，所述纤维和自发热金属粉的比例为1:10～1:1。
9.根据权利要求7所述的一种纸状自发热膜的制备方法，其特征在于：所述阳离子表面活性剂选自胺盐、季铵盐或杂环型阳离子表面活性剂；所述胺盐包括三烷基氯化铵、聚酰胺环氧氯丙烷；所述阴离子表面活性剂选自磺酸盐型、羧酸盐型、硫酸酯盐型或磷酸酯盐型阴离子表面活性剂。
10.根据权利要求7所述的一种纸状自发热膜的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述纸状自发热膜表面贴设微孔透气膜。
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