CN1228411C - 自发热材料组合物及无火焰自热式加热器 - Google Patents
自发热材料组合物及无火焰自热式加热器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种发热材料组合物，它由镁粉、铁粉、氯化钠、包埋剂、以及缓释均布剂按重量份120-280∶30-80∶2-10∶5-20∶2-10组配而成，其中，包埋剂为选自甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或几种，缓释均布剂为选自水杨酸、戊二酸、己二酸、马尿酸、丁烯二酸、羧甲基纤维素钠和海藻酸钠中的一种或几种。同时提供用上述自发热材料组合物制备的无火焰自热式加热器，是将颗粒状发热材料组合物封装在一透水性的外袋中。本发明提供的自发热材料组合物，发热效率高、可控制发热速率、放热持续稳定；加热器为软体袋状，可以与任何形状被加热食品相适应，并适应自动化大规模生产，产品成本可以大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种发热材料，具体涉及一种发热材料的组合物以及用该组合物制作的用于食品、饮料等加热的自热式加热器。
背景技术
目前，在方便食品中，普遍使用的自热式加热器为镁水型加热器，其中使用的发热材料，为镁铁合金和其他催化剂的组合物，为增加加热器与被加热食品的接触面积，保证一定的加热效果，一般将加热器加工成片状，由发热材料组合物(颗粒)再添加其它粘合剂、成型剂共同制成。该加热器有固定的形状，附在食品袋的外面，使用时，加水使发热颗粒反应放热，从而加热食品。现有这种结构的加热片，受加工工艺影响，发热材料必须结合粘合剂以及成型剂一同使用，粘合剂以及成型剂对发热颗粒形成包覆，降低了发热颗粒的产热效率；从自发热材料组合物本身看，产热速率不能得到合理控制，加热效果不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以控制产热速率以及产热效率高、加热效果好的自发热材料组合物。
本发明的另一目的是提供一种利用上述自发热材料组合物的无火焰自热式加热器。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
本发明提供一种自发热材料组合物，它由下述组份组成：
镁粉 120-280重量份；
铁粉 30-80重量份；
氯化钠 2-10重量份；
包埋剂 5-20重量份；以及
缓释均布剂 2-10重量份。
其中，所述包埋剂为选自甲基纤维素(MC)、乙基纤维素(EC)、羟丙基纤维素(H-HPC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)中的一种或两种或两种以上的复合。
其中，所述缓释均布剂为选自水杨酸、戊二酸、己二酸、马尿酸、丁烯二酸、羧甲基纤维素钠和海藻酸钠中的一种或两种或两种以上的复合。
本发明同时提供用上述自发热材料组合物制备的无火焰自热式加热器，其中，自发热材料组合物为颗粒状，封装在一透水性的外袋中。
上述无火焰自热式加热器中，所述外袋有1～8个分隔区，所述自发热材料组合物在各个分隔区均匀分配。
上述无火焰自热式加热器中，所述外袋为无纺布材料制成，也可以为无纺布和衬于其里面的网格状粘合层复合而成。
采用上述技术方案，本发明的优点是：
自发热材料组合物中，采用镁、铁金属粒子分散于电解质溶液中共同组成微电池体系，产热效率高；使用包埋剂，可以控制微电池粒子与电解质的接触程度，从而控制产热速率，延长加热时间；使用缓释均布剂，可以在产热反应过程中逐渐清除堆积物，使放热反应持续稳定进行，还可以使组合物中粒子在反应过程中自动泡腾均布，使被加热食品受热均匀；采用自发热材料组合物制备的无火焰自热式加热器，外袋采用的为透水性材料，水可以迅速透过外袋与发热材料接触，作为激活剂使发热反应进行，有外袋包裹，该加热器可以直接附在需加热的食品或饮料袋外，以方便携带和使用。
附图说明
图1为镁铁电池反应原理示意图；
图2为本发明加热器产热曲线与标准曲线对照图；
图3为本发明加热器结构示意图；
图4为图3加热器中外袋为复合层的示意图。
具体实施方式
本发明提供的自发热材料组合物，包括了镁粉、铁粉组成的微电池粒子，电解质氯化钠，以及包埋剂和缓释均布剂。以下从几方面说明本发明：
一、镁铁微电池粒子产热效率高：
根据电化学反应原理，当活性金属与一阴极材料进行接触，并浸泡在电解质溶液中时，活性金属会迅速发生腐蚀反应。本发明将镁和铁制成紧密接触的镁铁电池粒子，并将镁铁合金浸泡在电解质(氯化钠)溶液中，变成短路的原电池，迅速发生腐蚀反应。当大量的镁铁电池粒子被同时浸泡在电解质溶液中时，短时间内就会释放出大量的热量，该热量通过合理利用，就可用于加热食品。
镁铁微电池粒子在电解质溶液中作用的具体过程可以分解为以下几个部分：
(1)Mg失去电子变成Mg2+，Mg2+从阳极向阴极方向移动；
(2)Mg、Fe两极短路时，自由电子从阳极移至阴极；
(3)水在阴极电解，OH-向阳极方向移动，H2在阴极排放；
(4)在两极中间区某一点，Mg2+与OH-离子反应形成Mg(OH)2↓。
(5) ，增加溶液离子，Na+向阴极移动，Cl-向阳极移动，加快阴阳极间电荷的传递速度，也就是提高了电池反应速度和产热效率。
上述镁铁电池反应过程可参见图1。
二、包埋剂可以控制镁铁微电池粒子产热速率：
微电池粒子与电解质溶液接触越充分，初始反应速率就越快，控制接触程度，可实现控制加热器初始产热速率的目的。
在不降低产热效率的前提下，减少接触程度的主要办法就是对微电池粒子进行适度的包裹。
本发明采用的包埋剂为纤维素胶物质，具体可选用甲基纤维素(MC)、乙基纤维素(EC)、羟丙基纤维素(H-HPC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)。此类物质具有两重性，通过有机溶剂溶胀后可将镁铁微电池粒子包裹，当有机溶剂挥发干燥后，包裹微电池粒子的纤维素胶会在微电池粒子的表面形成一层膜，并在膜上形成一定量的网孔；当它与电解质溶液接触时，纤维素胶通过吸水溶胀，将电解液渗透到内部，形成电解液与纤维素胶一体的类似盐桥的胶体状电荷导体，使离子迁移畅通无阻，电池反应顺利进行下去。本发明采用的包埋剂特点是纤维网膜的包裹几乎不影响微电池粒子的产热效率，测试产品的产热效率接近97.8％。
本发明通过控制纤维素胶的量，可控制网膜的形成量，能很好地控制加热器产热速率。本发明中控制微电池粒子在产热初期的产热曲线应当与食品初期吸热曲线相似。首先，本发明制成的加热器启动准备时间约需30-60秒，因此注入激活剂后30-60秒内，加热器不应有明显的蒸汽产生，以防烫手。其次启动后所产生的有效热量应能满足食品加热要求。
参见图2，将采用本发明包埋剂后微电池粒子产热曲线b，与食品在5℃下的理论吸热曲线a进行比较，可以发现，本发明采用纤维素胶包埋后使得发热的启动时间延缓了接近60秒，初期产热曲线b的形状与理论吸热曲线a较为接近。
三、缓释均布剂可以清除反应产物堆积和使反应粒子泡腾均布：
随着反应的进行，微电池粒子放热反应的主要产物之一氢氧化镁会在纤维网膜中产生堆积，影响反应的继续进行，因而反应表现为后期产热不足。从基本产热机理知道，产热反应的主要产物为氢氧化镁和氢气，氢气会自动逸出，不会产生堆积，因而氢氧化镁的堆积便成为影响加热中后期产热速率的主要因素。为此，本发明采用酸性物质来中和碱性氢氧化镁，使其可变成可溶性的盐类，使产热反应便能继续正常进行。
本发明所选用的酸性物质为水杨酸(S1)、戊二酸(S2)、己二酸(S3)、马尿酸(S4)、丁烯二酸(S5)、羧甲基纤维素钠(S6)和海藻酸钠(S7)中的一种或两种或两种以上的复合，其稳定性好，无毒副作用，酸性适中，中和反应所产生的盐类可溶，不会产生盐类沉淀，形成新的堆积；最重要的是，此类物质的H+可以逐渐释放。这是因为这些有机物质本身在常温下溶解度不大，在水溶液中有 ，随着反应的进行，体系温度升高，有机酸溶解度逐渐增大，保证有机酸的H+是缓释剂，使溶液始终保持相对稳定的pH值，是一种很好的缓冲剂，能促使反应体系在相对稳定pH值条件下，以较稳定的速率进行，有利于食品吸热平衡。当堆积过量时，该酸会在偏碱性环境下加快电离，以中和过多的碱性物质；当堆积量较少时，在PH值较低的环境下，电离减慢，中和能力下降，即H+缓慢释放的，逐渐均量清除堆积物，使中后期的有效产热速率仍能与食品的吸热曲线相接近，以达到最大限度地利用产热加热食品的目的。
加入缓释均布剂后组合物的产热曲线c请见图2。从图2可以看出，该产热曲线c无论在产热初期，还是在中后期，都与理论吸热曲线a形式相接近，可见加入缓释均布剂可有效地调节产热速率，有利于食品吸收反应放出的热量，而不影响加热器的产热效率。
另外，本发明中使用缓释均布剂，可以在发热材料吸水反应后在包装袋内泡腾均布，使加热器与被加热物可以均匀接触，达到最佳加热效果。
四、软体袋状加热器可以很好满足加热需求：
加热器将热量传递给被加热食品的最主要途径是接触传热，目前通用的方法是将加热颗粒通过粘合、硬衬等途径制成片状。此方法存在以下问题：①由于加热器为片状，要求被加热食品也只能是扁平状，限制了被加热食品的形状；②由于粘合效应，大大降低了加热器的产热效率；③生产工艺复杂，实现自动化规模化生产很困难；④造成产品的成本较高
本发明在设计加热器时采用不同于现有方法的思路，在发热材料组合物中使用了缓释均布剂，它与其余粉末状原料均匀混合在一起，并封装在透水性的外袋内而形成本发明的加热器。当将激活剂(水)注入加热器时，在反应初期很短的时间内，整个反应体成稀稠的沸腾状，并能迅速均匀充满整个反应空间，实现加热器与被加热物的均匀接触加热，随着反应时间的进行，激活剂减少，反应空间的加热介质能逐渐均匀地固定下来，且与被加热物的形状相吻合，继续实现与被加热物良好均匀接触加热。
本发明的加热器具有非常显著的优点，如：加热器可软体，可与各种形状的被加热物相适应，扩大了加热器的适应范围；微电池粒子在加热器中仍以独立状态存在，不必添加粘合剂等成型物质，产热效率达95％以上；加热器生产工艺简单可靠，方便快捷地实现全自动化规模化生产，产品成本大大降低。
参见图3，在加热器外袋1设计上，采用透水性材料制成，其可以设若干区域11，如1~8个区域，外袋1四周以及区域之间密合封闭(15为密合区)，发热颗粒2就密封在其中，如为多个区域11，则将发热颗粒平均分配在各个区域。为使外袋密合处密闭性较优越，加工生产更便利，外袋使用的无纺布最好有热粘合性，或者使用复合材料制成，如图4所示，该外袋材料由里层的网状层1 3和外层12复合而成，网状层13为热粘合性材料，外层12为无纺布层材料，附于网状层13外，使用这种材料，外袋四周以及中间区域之间可以采用加热的方式密合，以适应工业化生产的要求。
依据以上说明，以下提供具体实施例说明本发明。
实施例一
自发热材料组合物组成：金属镁粉200克，铁粉40克，氯化钠5克，羟丙基纤维素(H-HPC)15克，丁烯二酸4克，海藻酸钠2克。
称取上述物质，将其加工混合均匀，形成本发明的一种自发热材料组合物。
将无纺布和网格状粘合层复合而成的17.5×11.5厘米的外袋分隔为三个区域，取上述组合物21克并平均分成三份，分别封装在三个区域中，则形成本发明的一种加热器。
实施例二
自发热材料组合物组成：金属镁粉280克，铁粉60克，氯化钠8克，甲基纤维素(MC)15克，戊二酸1克，丁烯二酸3克、羧甲基纤维素钠3克和海藻酸钠2克。
称取上述物质，将其混合均匀，形成本发明的另一种自发热材料组合物。
将无纺布制成约17.5×11.5厘米的外袋，取上述组合物21克直接装入袋中，适当抚平，则形成本发明的另一种加热器。
实施例三至实施例七
采用下表1的组配，按照实施例一或实施例二的的方法得到不同的组合物和加热器，其中装入加热器中的自发热材料组合物均为21克，加热器外袋尺寸均为17.5×11.5厘米。
表1：实施例三至实施例七
| 组分(g) | 实施例三 | 实施例四 | 实施例五 | 实施例六 | 实施例七 | |
| 镁粉 | 120 | 180 | 220 | 280 | 200 | |
| 铁粉 | 40 | 60 | 80 | 30 | 50 | |
| 氯化钠 | 2 | 8 | 10 | 6 | 4 | |
| 包埋剂 | MC | 5 | 8 | 3 | ||
| EC | 3 | 7 | ||||
| H-HPC | 10 | 5 | 6 | |||
| HPMC | 2 | 6 | ||||
| 缓释均布剂 | S1 | 6 | 3 | |||
| S2 | 1 | 3 | ||||
| S3 | 4 | 5 | ||||
| S4 | 6 | |||||
| S5 | 5 | |||||
| S6 | 2 | 2 | 2 | |||
| S7 | 1 | 2 | 2 | |||
| 外袋材料 | 无纺布 | 复合材料 | 复合材料 | 复合材料 | 复合材料 | |
| 外袋区域 | 2 | 4 | 5 | 3 | 3 | |
对实施例一至实施例七得到的加热器进行产热效率和加热性能测试，产热效率用RD-1型热导式量热计，以KCL为标准物的化学标定法测定；加热性能测试环境为-15℃，被加热食品为280克软包装什锦米饭，加热器为两个，食品上下表面各一个，还配套有加热器操作袋、保温纸筒，测试前，将加热器和被加热食品在测试环境中放置24小时，时间测定采用秒表，温度测定采用TESTO 905-T1迷你型数字测温棒。测定结果如表2：
表2：实施例一至七产热效率及加热性能测试结果：
| 测定项目 | 一 | 二 | 三 | 四 | 五 | 六 | 七 |
| 产热效率(％) | 97 | 97.5 | 95.5 | 96 | 96.6 | 97.4 | 97.8 |
| 反应延迟时间(s) | 60 | 55 | 62 | 58 | 57 | 51 | 56 |
| 20min后被加热物温度(℃) | 82 | 80 | 88 | 83 | 78 | 82 | 85 |
| 加热效果评价 | 好 | 好 | 好 | 好 | 好 | 好 | 好 |
通过上述描述可以看出，本发明提供的自发热材料组合物，合理组配了多种功能物质，使其可以协同作用，在不损失发热效率的前提下，可以合理控制发热速率、调整放热持续稳定进行，适应被加热物对热量的吸收。本发明用自发热材料组合物制作的发热器为软体袋状，可以与任何形状被加热食品相适应，并适应自动化大规模生产，产品成本可以大大降低。本发明加热器适应的被加热物，可以为固体食品，如带包装的米饭、速食菜，也可以为液体饮品，如袋装牛奶、咖啡等。该加热器可以和上述食品、饮品等组合形成多种多样的方便食品，在此不一一例举。
Claims (5)
1、一种自发热材料组合物，其特征在于，它由下述组份组成：
镁粉 120-280重量份；
铁粉 30-80重量份；
氯化钠 2-10重量份；
包埋剂 5-20重量份；以及
缓释均布剂 2-10重量份；
所述包埋剂为选自甲基纤维素(MC)、乙基纤维素(EC)、羟丙基纤维素(H-HPC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)中的一种或两种以及两种以上的复合；
所述缓释均布剂为选自水杨酸、戊二酸、己二酸、马尿酸、丁烯二酸、羧甲基纤维素钠和海藻酸钠中的一种或两种以及两种以上的复合。
2、由权利要求1所述的自发热材料组合物制备的无火焰自热式加热器，其特征在于：自发热材料组合物为颗粒状，封装在一透水性的外袋中。
3、根据权利要求2所述的无火焰自热式加热器，其特征在于：所述外袋有1～8个分隔区，所述自发热材料组合物在各个分隔区均匀分配。
4、根据权利要求2或3所述的无火焰自热式加热器，其特征在于：所述外袋为无纺布材料制成。
5、根据权利要求2或3所述的无火焰自热式加热器，其特征在于：所述外袋为无纺布和衬于其里面的网格状粘合层复合而成。
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