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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Reaktionsmischungen, die Wärme erzeugende
Teilchen einschließen,
welche eine wasserlösliche
Beschichtung, die einen Teil der Teilchen umschließt, und
wahlweise eine wässrige
Lösung
und einen Puffer aufweisen. Die Reaktionsmischungen sind besonders
geeignet zum Erzeugen von Wärme
in einer steuerbaren Art und Weise. Vorrichtungen und Verfahren,
die diese Reaktionsmischungen verwenden, werden ebenfalls offenbart.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eigenständige exotherme
Reaktionsmischungen, die durch die Zugabe einer wässrigen
Lösung
initiiert werden, sind seit vielen Jahren verwendet worden, um Wärme zu erzeugen.
Die Wärme,
die durch die exotherme Reaktion erzeugt wird, kann für verschiedene
Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel verwenden viele Endprodukte
exotherme Reaktionen zum Erwärmen.
Bestimmte Lebensmittelprodukte werden mit einer eigenständigen exothermen
Reaktionsmischung vertrieben. Eine wässrige Lösung, in der Regel Wasser,
wird zu der exothermen Reaktionsmischung hinzugefügt. Dies
initiiert die Reaktion, welche Wärme
erzeugt, die das Lebensmittelprodukt erwärmt. Andere Endprodukte wie
transportable Wärmekissen,
Fingerhandschuh- und Sockenwärmer
usw. benutzen eine exotherme Reaktionsmischung zum Erwärmen.
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Eine
eigenständige
exotherme Reaktion ist kostengünstig,
relativ sicher und eine transportable Alternative zum Erwärmen mit
einer Verbrennungsquelle oder einer elektrischen Quelle. Bei diesen
Reaktionen gibt es jedoch ein wesentliches Problem: Sie sind schwer
zu steuern. Zum Beispiel ist es schwierig gewesen, ein Reaktionssystem
zu gestalten, das eigenständig
ist und bei einer konstanten Temperatur für einen längeren Zeitraum funktioniert.
Gleichermaßen
ist es schwierig, ein Reaktionssystem zu gestalten, das bei einer
Temperatur für
einen ersten Zeitraum funktioniert und dann zu einer zweiten Temperatur
für einen
zweiten Zeitraum wechselt. Grundsätzlich kann die Wärmeabgabe
an die gewünschte
Quelle ohne Steuern der Temperatur des Reaktionssystems nicht leicht
gesteuert werden.
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Folglich
besteht ein Bedarf an verbesserten exothermen Reaktionsmischungen
und Vorrichtungen zur Bereitstellung von Wärme. Diese verbesserten Verfahren
und Vorrichtungen sollen die oben erläuterten Probleme überwinden.
Genauer sollen sie keine Verbrennung oder Elektrizität erfordern,
sondern Wärme
in einer steuerbaren Art und Weise bereitstellen. Darüber hinaus
sollen diese verbesserten Verfahren und Vorrichtungen transportabel
und relativ kostengünstig
sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktionsmischung, umfassend
Wärme erzeugende
Teilchen, welche eine wasserlösliche
Beschichtung umfassen, die einen Teil der Teilchen umschließt. Wahlweise
umfasst die Reaktionsmischung ferner eine wässrige Lösung und einen Puffer.
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Bezüglich eines
Gesichtspunktes dieser Erfindung werden die Wärme erzeugende Teilchen und
eine wässrige
Lösung
miteinander vermischt, und die Temperatur der Reaktionsmischung
wird in weniger als etwa 20 Minuten auf eine festgelegte Temperatur
erhöht,
die höher
als etwa 35°C
und niedriger als etwa 75°C
ist. Mehr bevorzugt verbleibt die Reaktionsmischung mindestens etwa
45 Minuten innerhalb von 1°C
der festgelegten Temperatur.
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Die
Wärme erzeugenden
Teilchen der vorliegenden Erfindung sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus nicht komplexierten Metallen, Metallsalzen, Metalloxiden, Metallhydroxiden,
Metallhydriden und Mischungen davon. Die Metalle sind ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Beryllium, Magnesium, Lithium, Natrium,
Calcium, Kalium, Eisen, Kupfer, Zink, Aluminium und Mischungen davon.
Die wasserlösliche
Beschichtung für
diese Wärme
erzeugenden Teilchen umfasst ein wasserlösliches Material, das ausgewählt ist aus
der Gruppe, bestehend aus wasserlöslichen Alkylenglycolen, wasserlöslichen
Alkoholen und Mischungen davon.
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Weiterhin
wird in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von
Wärme bereitgestellt, umfassend
die Schritte: Bereitstellen von Wärme erzeugenden Teilchen, die
eine wasserlösliche
Beschichtung umfassen, die einen Teil der Teilchen umschließt; Bereitstellen
einer wässrigen
Lösung;
und Hinzufügen
der wässrigen
Lösung
zu den beschichteten Wärme
erzeugenden Teilchen.
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In
Hinblick auf einen wieder anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung
wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wärme bereitgestellt, die einen
Behälter
und Wärme
erzeugende Teilchen umfasst, die eine wasserlösliche Beschichtung umfassen,
welche einen Teil der Teilchen umschließt.
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Die
Verfahren und Vorrichtungen dieser Erfindung stellen transportable
und kostengünstige
Wege bereit, Wärme
in einer steuerbaren Art und Weise zu erzeugen. Die Vorrichtungen
können
relativ klein sein und gleichzeitig über einen längeren Zeitraum in einer steuerbaren
Art und Weise wirken. Zum Beispiel kann eine Reaktionsmischung gestaltet
sein, um Wärme
bei einer vorbestimmten Temperatur für einen längeren Zeitraum mit einer relativ
gesteuerten Geschwindigkeit abzugeben. Darüber hinaus kann Wärme unter
Verwendung der Reaktionsmischungen der vorliegenden Erfindung bei
einer ersten Temperatur abgegeben werden, und danach kann die Reaktionsmischung
auf eine andere Temperatur für
einen zweiten Zeitraum geändert werden.
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Die
Vorrichtungen dieser Erfindung können
verwendet werden, um eine Vielzahl von nützlichen Verbindungen an die
umgebende Luft und an Kleidung, Teppiche, Haustiere, Haut und viele
andere Oberflächen abzugeben.
Darüber
hinaus können
die Vorrichtungen dieser Erfindung mit Farbe und Licht kombiniert
werden, um die ästhetischen
Qualitäten
zu verbessern und schließlich
die Gesamtwirkung auf den Benutzer der Vorrichtung zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Während diese
Erfindung mit Ansprüchen
schließt,
welche die Erfindung speziell darstellen und beanspruchen, wird
angenommen, dass die Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
besser verständlich
wird, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
in denen:
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1 eine
grafische Darstellung von zwei gesteuerten Reaktionen bei einer
festgelegten Temperatur von etwa 50°C unter Verwendung von Reaktionsmischungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer ungesteuerten Reaktion ist;
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2 eine
grafische Darstellung von zwei gesteuerten Reaktionen bei einer
festgelegten Temperatur von etwa 40°C unter Verwendung von Reaktionsmischungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer ungesteuerten Reaktion ist; und
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
erwähnt,
richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Reaktionsmischung,
die Wärme
erzeugende Teilchen umfasst, welche eine wasserlösliche Beschichtung umfassen,
die einen Teil der Teilchen umschließen. Wahlweise können die
Reaktionskomponenten ferner einen Puffer, eine wässrige Lösung oder beides umfassen.
Die Reaktionsmischung kann benutzt werden, um Wärme in einer steuerbaren Art
und Weise zu erzeugen. Vorrichtungen, welche die hierin gelehrten
Reaktionsmischungen einsetzen, werden ebenfalls offenbart.
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Reaktionsmischung
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Bezüglich eines
Gesichtspunktes dieser Erfindung wird eine Reaktionsmischung durch
Vermischen der Wärme
erzeugenden Teilchen mit Bestandteilen einer wässrigen Lösung gebildet, um eine exotherme
Reaktion zwischen den Wärme
erzeugenden Teilchen und der wässrigen
Lösung
zu initiieren. Die exotherme Reaktion erzeugt Wärme, welche die Temperatur
der Reaktionsmischung erhöht.
Die Wärme,
genauer gesagt die erhöhte
Temperatur der Reaktionsmischung, kann verwendet werden, um ein
Objekt in der Umgebung zu erwärmen.
Selbstverständlich
kann die wasserlösliche
Beschichtung der Wärme
erzeugenden Teilchen verwendet werden, um die Geschwindigkeit der
exothermen Reaktion und die erzeugte Wärme zu steuern. Die Fähigkeit,
die Wärmemenge,
welche durch die Reaktionsmischung erzeugt wird, ohne irgendwelche
externen Steuerungen zu steuern, ermöglicht die gesteuerte Abgabe
der Wärme.
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Wie
Fachleute wissen, können
chemische Reaktionen schwierig zu steuern sein. Annehmend ein Chargenverfahren
und außer
Acht lassend thermodynamische Überlegungen,
hängt die
Rate einer exothermen chemischen Reaktion hauptsächlich von der Temperatur und
Konzentration der Reaktionsmischung ab. Ohne externe Steuerungen
wird die Temperatur einer exothermen Reaktionsmischung in den frühen Stadien der
Reaktion rasch ansteigen. Dies beruht hauptsächlich auf zwei Faktoren, nämlich darauf,
dass die Konzentration der Reaktionspartner am höchsten ist und dass bei Fortschreiten
der Reaktion Wärme
erzeugt wird, welche die Temperatur der Reaktionsmischung erhöht, die
wiederum die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Bei Verbrauch der Reaktionspartner
nimmt die Geschwindigkeit der Reaktion ab und führt zu einer plötzlichen
Abnahme der Temperatur der Reaktionsmischung. Dieser Effekt ist
sowohl in 1 als auch 2 grafisch
dargestellt, und insbesondere stellen die Linien „A" und „a" die Temperatur einer
ungesteuerten exothermen Reaktionsmischung als eine Funktion der
Zeit dar. 1 und 2 werden
unten ausführlicher
erläutert,
jedoch veranschaulichen sie eindeutig ein Problem, das von der vorliegenden
Erfindung angesprochen wird. Das heißt, die Temperatur der Reaktionen,
die durch die Linien „A" und „a" von jeweils 1 und 2 dargestellt ist,
verändert
sich stetig. Darüber
hinaus ist die Änderungsrate
der Temperatur fast nie konstant.
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Durch
Beschichten der Wärme
erzeugenden Teilchen, wie nachstehend ausführlich beschrieben, kann eine
exotherme Chargenreaktionsmischung ausgeführt werden, um über relativ
lange Zeiträume
eine konstante Wärme
bereitzustellen. Auch andere Steuerungsschemata können vom
Fachmann ohne weiteres gestaltet werden, zum Beispiel kann eine
Reaktionsmischung gestaltet werden, bei welcher die Temperatur für einen relativ
langen Zeitraum schrittweise mit einer konstanten Geschwindigkeit
steigt. Andere Steuerungsschemata werden auf der Grundlage der folgenden
Details offenbar.
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In
einem solchen Steuerungsschema wird eine Reaktionsmischung durch
Vermischen der Wärme
erzeugenden Teilchen und einer wässrigen
Lösung
hergestellt, um eine exotherme Reaktion zu initiieren. Die Temperatur
der Reaktionsmischung wird innerhalb von weniger als 20 Minuten,
vorzugsweise innerhalb von weniger als 10 Minuten und mehr bevorzugt
innerhalb weniger als 5 Minuten auf eine festgelegte Temperatur erhöht, die
höher als
35°C und
niedriger als 75°C
ist, vorzugsweise zwischen 35°C
und 60°C
und am meisten bevorzugt zwischen 35°C und 50°C liegt. Vorzugsweise bleibt
die Reaktionsmischung innerhalb von 15°C mehr bevorzugt innerhalb von
10°C und
noch mehr bevorzugt innerhalb von 5°C der festgelegten Temperatur für mindestens
45 Minuten, vorzugsweise mindestens 60 Minuten und mehr bevorzugt
mindestens 90 Minuten. Es versteht sich, dass der Ausdruck „verbleibt
innerhalb", wie
hier verwendet, das gleiche bedeutet wie „±". Zum Beispiel bedeutet „innerhalb
von 10°C" einer festgelegten
Temperatur von 50°C „zu verbleiben", dass die Temperatur
zwischen 40°C
und 60°C
schwanken kann. Dieses Steuerungsschema ist in 1 und 2 durch
die Linien „B", „C", „b" und „c" grafisch dargestellt.
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1 zeigt
eine „ungesteuerte" exotherme Reaktion
gemäß dem Stand
der Technik („A") im Vergleich zu
zwei „gesteuerten" Reaktionen gemäß der vorliegenden
Erfindung („B" und „C") dar. Die Reaktionskomponenten
und die resultierende Reaktionsmischung sind in Tabelle 1 angegeben
und in Tabelle 2 zusammengefasst. Wie zu sehen ist, wird Magnesiumpulver
als die Wärme
erzeugenden Teilchen verwendet, und ein Citronensäurepuffer
wird verwendet.
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Die
Wärme erzeugenden
Teilchen von Reaktionsmischung „A" sind unbeschichtet (Vormischung 2), wohingegen
die Wärme
erzeugenden Teilchen von Reaktionsmischung „B" und „C" sowohl unbeschichtete Teilchen (Vormischung
2) als auch Teilchen aufweisen, die mit Polyethylenglycol („PEG") mit unterschiedlichen Molekulargewichten
(Vormischung 1) beschichtet sind. Das Gewicht der Reaktionspartner
(ausschließend
des Beschichtungsmaterials) wurde in diesen drei Reaktionsmischungen
konstant gehalten. Das heißt,
das Gewicht der Wärme
erzeugenden Magnesiumteilchen und des Citronensäurepuffers wurde in allen drei
Reaktionsmischungen relativ konstant gehalten, siehe Tabelle 2.
Darüber
hinaus wurden die Wärme
erzeugenden Magnesiumteilchen und der Citronensäurepuffer zu 100,0 Gramm Wasser
hinzugegeben, um jede der Reaktionsmischungen zu bilden.
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Wie
oben kurz erläutert,
ist die Linie „A" ein typisches Schaubild
von Temperatur und Zeit für
eine ungesteuerte exotherme Reaktion. Die Temperatur steigt zunächst schnell
auf ein Maximum von über
65°C an. Dann,
mit zunehmendem Verbrauch der Reaktionskomponenten, beginnt die
Temperatur in einer logarithmischen Kurve zu sinken. Und innerhalb
von ungefähr
35 Minuten hat sich die Reaktion auf einen Bereich abgekühlt, der
nicht mehr als 5°C
von der Ausgangstemperatur (Raumtemperatur) abweicht. Während dieser
ersten 35 Minuten der Reaktion, die durch die Linie „A" dargestellt ist,
bleibt die Temperatur nie länger
als ein paar Minuten konstant.
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Im
scharfen Gegensatz dazu werden die Reaktionsmischungen, die durch
die Linien „B" und „C" von 1 dargestellt
sind, innerhalb von 10 Minuten auf die festgelegte Temperatur von
50°C erhöht. Die
Reaktionstemperaturen pendeln sich dann ein und verbleiben für mindestens
45 Minuten innerhalb von 5°C
von der festgelegten Temperatur.
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In ähnlicher
Weise zeigt 2 eine „ungesteuerte" exotherme Reaktion
gemäß dem Stand
der Technik („a") im Vergleich zu
zwei „gesteuerten" Reaktionen gemäß der vorliegenden
Erfindung („b" und „c"). Die Reaktionskomponenten
und die resultierende Reaktionsmischung sind in Tabelle 3 angegeben
und in Tabelle 4 zusammengefasst. Magnesiumpulver wird als die Wärme erzeugenden
Teilchen verwendet, und ein Citronensäurepuffer wird verwendet. Die
Wärme erzeugenden
Teilchen von Reaktionsmischung „a" sind unbeschichtet (Vormischung 2),
wohingegen die Wärme
erzeugenden Teilchen von Reaktionsmischung „b" und „c" sowohl unbeschichtete Teilchen (Vormischung
2) als auch Teilchen aufweisen, die mit Polyethylenglycol („PEG") von unterschiedlichem
Molekulargewicht beschichtet sind (Vormischung 1). Das Gewicht der
Reaktionspartner (ausschließend
des Beschichtungsmaterials) wurde in diesen drei Reaktionsmischungen
konstant gehalten. Das heißt,
das Gewicht der Wärme
erzeugenden Magnesiumteilchen und des Citronensäurepuffers wurde in allen drei
Reaktionsmischungen relativ konstant gehalten, siehe Tabelle 4.
Darüber
hinaus wurden die Wärme
erzeugenden Magnesiumteilchen und der Citronensäurepuffer zu 100,0 Gramm Wasser
hinzugegeben, um jede der Reaktionsmischungen zu bilden.
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Wie
oben kurz erläutert,
ist die Linie „a" ein typisches Schaubild
von Temperatur zu Zeit für
eine ungesteuerte exotherme Reaktion. Die Temperatur steigt zuerst
schnell an und beginnt dann mit zunehmendem Verbrauch der Reaktionskomponenten
entlang einer logarithmischen Kurve zu sinken. Die Temperatur von
Reaktionsmischung „a" benötigt etwa
15 Minuten, um hochzuschnellen und sich wieder auf 55°C abzukühlen, was
innerhalb von 15°C
von der festgelegten Temperatur, nämlich 40°C, liegt. Die Reaktionsmischung
verbleibt für
nur etwa 40 Minuten später,
wenn die Reaktion auf unter 25°C
abfällt,
innerhalb von 15°C
von 40°C. Während dieser
ersten 55 Minuten der Reaktion, die durch die Linie „a" dargestellt ist,
bleibt die Temperatur niemals für
mehr als wenige Minuten konstant.
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Im
scharfen Gegensatz dazu werden die Reaktionsmischungen, die durch
die Linien „b" und „c" von 2 dargestellt
sind, innerhalb von etwa 10 Minuten auf die festgelegte Temperatur
von etwa 40°C
erhöht. Die
Reaktionstemperaturen pendeln sich dann ein und verbleiben für mindestens
etwa 60 Minuten innerhalb von 5°C
von der festgelegten Temperatur.
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Es
versteht sich, dass das Steuerungsschema, das in 1 und 2 dargestellt
ist und in dem sich die Reaktionsmischung auf eine festgelegte Temperatur
erhöht
und die Temperatur für
einen längeren
Zeitraum relativ konstant bleibt, nur eines von vielen möglichen
Steuerungsschemata ist, die von der vorliegenden Erfindung abgedeckt
werden. Zum Beispiel tritt ein anderes Steuerungsschema auf, wenn
die Wärme
erzeugenden Teilchen und die wässrige
Lösung
miteinander vermischt werden, die Temperatur der Reaktionsmischung
für einen
ersten Zeitraum auf eine erste festgelegte Temperatur steigt und
innerhalb von 15°C,
vorzugsweise innerhalb von 10°C
und mehr bevorzugt innerhalb von 5°C von der ersten festgelegten
Temperatur verbleibt und dann für
einen zweiten Zeitraum zu einer zweiten festgelegten Temperatur übergeht
und innerhalb von 15°C,
vorzugsweise innerhalb von 10°C
und mehr bevorzugt innerhalb von 5°C von der zweiten festgelegten
Temperatur verbleibt. Vorzugsweise beträgt der erste Zeit raum mindestens
etwa 15 Minuten, vorzugsweise mindestens etwa 20 Minuten, und der
zweite Zeitraum beträgt
mindestens etwa 15 Minuten, vorzugsweise mindestens etwa 20 Minuten.
Ferner wird auch bevorzugt, dass die erste festgelegte Temperatur mindestens
etwa 10°C,
vorzugsweise mindestens etwa 15°C
höher als
die zweite festgelegte Temperatur ist oder alternativ die erste
festgelegte Temperatur mindestens etwa 10°C, vorzugsweise mindestens etwa
15°C niedriger
als die zweite festgelegte Temperatur ist.
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Ein
wieder anderes Beispiel eines Steuerungsschemas der vorliegenden
Erfindung liegt vor, wenn die Reaktionskomponenten miteinander vermischt
werden, die Temperatur der Reaktionsmischung mit einer tatsächlichen
Anstiegsgeschwindigkeit steigt, die in °C/Minute gemessen wird, und
die tatsächliche
Anstiegsgeschwindigkeit mindestens innerhalb von 0,5°C/Minute,
vorzugsweise innerhalb von 0,1°C/Minute
und mehr bevorzugt innerhalb von 0,01°C/Minute von einer vorbestimmten
Anstiegsgeschwindigkeit für
mindestens etwa 45 Minuten, vorzugsweise mindestens etwa 60 Minuten
und mehr bevorzugt mindestens etwa 90 Minuten verbleibt. Vorzugsweise
beträgt
die vorbestimmte Anstiegsgeschwindigkeit weniger als 2°C/Minute,
vorzugsweise weniger als 1,5°C/Minute
und mehr bevorzugt weniger als 1°C/Minute.
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Reaktionskomponenten
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Nun
wird auf die Reaktionskomponenten Bezug genommen, die als ein Minimum
Wärme erzeugende Teilchen
aufweisen, welche eine wasserlösliche
Beschichtung umfassen, die einen Teil der Teilchen umschließt. Vorzugsweise
umfassen die Reaktionskomponenten ferner einen Puffer, eine wässrige Lösung oder beides.
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Wärme erzeugende
Teilchen
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Die
Wärme erzeugenden
Teilchen der vorliegenden Erfindung sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus nicht komplexierten Metallen, Metallsalzen, Metalloxiden, Metallhydroxiden,
Metallhydriden und Mischungen davon. Die Metalle sind ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Beryllium, Magnesium, Lithium, Natrium,
Calcium, Kalium, Eisen, Kupfer, Zink, Aluminium und Mischungen davon.
Diese Teilchen können auch
ausgewählt
sein aus der Gruppe, bestehend aus Berylliumhydroxid, Berylliumoxid,
Berylliumoxid-Monohydrat, Lithiumaluminiumhydrid, Calciumoxid, Calciumhydrid,
Kaliumoxid, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Aluminiumbromid,
Aluminiumiodid, Natriumtetraborat, Natriumphosphat und Mischungen
davon. Die Konzentration der Wärme
erzeugenden Teilchen in der Reaktionsmischung beträgt von 3
Gew.-% bis 70 Gew.-%, vorzugsweise von 5 Gew.-% bis 65 Gew.-% und
mehr bevorzugt von 8 Gew.-% bis 60 Gew.-% der Reaktionsmischung.
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Es
ist bevorzugt, wenngleich nicht erforderlich, dass die Wärme erzeugenden
Teilchen (ohne die Beschichtung) einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 10 Mikrometer bis 1000 Mikrometer, vorzugsweise von 100 Mikrometer
bis 500 Mikrometer und mehr bevorzugt von 200 Mikrometer bis 400
Mikrometer aufweisen. In der vorliegenden Reaktionsmischung können die
Wärme erzeugenden
Teilchen in Form eines trockenen Pulvers, in einem Gel suspendiert
oder in einer nichtwässrigen
Lösung
suspendiert vorliegen.
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Wasserlösliche Beschichtung
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Das
Steuern der Temperatur der Reaktionsmischung als eine Funktion der
Zeit ist eine der Aufgaben dieser Erfindung, und die Steuerung wird
größtenteils
durch das Beschichten mindestens eines Teils der Wärme erzeugenden
Teilchen erreicht. Ohne sich an eine Theorie binden zu wollen, wird
angenommen, dass die beschichteten Wärme erzeugenden Teilchen erst
dann mit der wässrigen
Lösung
reagieren können,
wenn die Beschichtung sich auflöst.
Sobald die Beschichtung auf den Wärme erzeugenden Teilchen beginnt,
sich aufzulösen,
beginnen die frei werdenden Teilchen zu reagieren und erzeugen Wärme. Angesichts
dieses Mechanismus kann man den Nutzen der Verwendung einer Mischung
von Wärme
erzeugenden Teilchen mit unterschiedlichen Beschichtungen, unterschiedlichen
Beschichtungsdicken oder beidem ohne weiteres erkennen. Gleichermaßen wird
oft die Aufnahme einer kleinen Menge unbeschichteter, Wärme erzeugender
Teilchen bevorzugt, um den Anstieg der Temperatur während der
frühen
Reaktionsstufen zu unterstützen.
Die Konzentration des wasserlöslichen
Beschichtungsmaterials in der Reaktionsmischung beträgt von 3
Gew.-% bis 70 Gew.-%, vorzugsweise von 5 Gew.-% bis 65 Gew.-% und
mehr bevorzugt von 8 Gew.-% bis 60 Gew.-% der Reaktionsmischung.
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Folglich
versteht es sich, dass nicht alle Teilchen beschichtet sein müssen, wenngleich
ein Teil der Wärme
erzeugenden Teilchen mit den wasserlöslichen Beschichtungen beschichtet
sein muss. Darüber
hinaus können
einige Teilchen unterschiedliche Dicken aufweisen, und die Beschichtungen
können
unterschiedlich sein. Genauer können
die Wärme
erzeugenden Teilchen ausgewählt
sein aus der Gruppe, bestehend aus unbeschichteten Teilchen, beschichteten
Teilchen und Mischungen davon, vorzugsweise umfassen die Wärme erzeugenden
Teilchen solche, die ausgewählt
sind aus der Gruppe, bestehend aus unbeschichteten Teilchen, ersten
beschichteten Teilchen, zweiten beschichteten Teilchen und Mischungen
davon, wobei sich die ersten beschichteten Teilchen von den zweiten
beschichteten Teilchen im Hinblick auf das Beschichtungsmaterial,
die Dicke der Beschichtung oder beides unterscheiden.
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Die
Beschichtung für
diese Wärme
erzeugenden Teilchen sollte ein wasserlösliches Material sein, das vorzugsweise
ausgewählt
ist aus der Gruppe, bestehend aus natürlichen wasserlöslichen
Polymeren, anorganischen wasserlöslichen
Polymeren, synthetischen wasserlöslichen
Polymeren, halbsynthetischen wasserlöslichen Polymeren, Polymeren
pflanzlicher Herkunft, Polymeren aus Mikroorganismen, Polymeren
tierischer Herkunft, Stärkepolymeren,
Cellulosepolymeren, Alginatpolymeren, Vinylpolymeren, Polyoxyethylenpolymeren,
Acrylatpolymeren und Mischungen davon. Insbesondere umfasst die
Beschichtung für
die Wärme
erzeugenden Teilchen ein wasserlösliches
Material, das ausgewählt
ist aus der Gruppe, bestehend aus Gummiarabikum, Traganthgummi,
Galactan, Guargummi, Johannisbrotsamengummi, Karayagummi, Carrageenan,
Pektin, Agar-Agar, Quittensamen, Algenkolloid, Stärke (aus
Mais, Kartoffeln usw.), Glycyrrhizinsäure, Xanthangummi, Dextran,
Succinglucan, Pullulan, Kollagen, Casein, Albumin, Gelatine, Carboxymethylstärke, Methylhydroxypropylstärke, Methylcellulose,
Cellulosenitrat, Ethylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose, Hydroxyethylcellulose,
Natriumcellulosesulfat, Hydroxypropylcellulose, Natriumcarboxymethylcellulose,
kristalliner Cellulose, Cellulosepulver, Natriumalginat, Propylenglycolalginatether,
Polyvinylalkohol, Poly(vinylmethylether), Polyvinylpyrrolidon, Carboxyvinylpolymeren,
Alkylcopolymeren von Acrylsäure
und Methacrylsäure,
Polyethylenglycol mit einem Molekulargewicht zwischen 200 und 100.000,
vorzugsweise zwischen 600 und 20.000, Copolymeren von Polyoxyethylen
und Polyoxypropylen, Natriumpolyacrylat, Polyethylacrylat, Polyacrylamid,
Polyethylenimin, kationischen Polymeren, Bentonit, Aluminiummagnesiumsilicat,
Hectorit, Kieselsäureanhydrid
und Mischungen davon. Vorzugsweise umfasst die Beschichtung ein
Material, das ausgewählt
ist aus der Gruppe, bestehend aus wasserlöslichen Alkylenglycolen, wasserlöslichen
Alkoholen und Mischungen davon. Und noch mehr bevorzugt ist die
Beschichtung nicht entflammbar. Beispielhafte Beschichtungen, die in
der vorliegenden Erfindung nützlich
sind, sind unten in Tabelle 5 angegeben.
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Wie
der Fachmann verstehen wird, variiert die Wasserlöslichkeit
der oben erläuterten
Beschichtungen über
ein breites Spektrum Im Allgemeinen hängt die Wasserlöslichkeit
von der Temperatur ab. Um die Temperatur einer Reaktionsmischung
zu steuern, kann ein Fachmann folglich ohne weiteres Beschichtungen
auswählen,
die sich bei der gewünschten
festgelegten Temperatur auflösen,
und die Dicke der Beschichtungen derart variieren, dass die Wärme erzeugenden
Teilchen der wässrigen
Lösung
zu verschiedenen Zeitpunkten freigesetzt werden. Ein anderes Steuerverfahren
ist das Verwenden unterschiedlicher Beschichtungen, die sich mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten auflösen. Durch dieses Verfahren
werden bestimmte Teilchen in der Reaktion früher freigesetzt, während andere
Wärme erzeugende
Teilchen später
freigesetzt werden. Andere Verfahren zur Beschichtung von Wärme erzeugenden
Teilchen zur Steuerung einer exothermen Reaktion sind für den Fachmann
der Chemie offensichtlich. Es versteht sich, dass in jedem beliebigen
Steuerungsschema die Aufnahme einiger Teilchen bevorzugt werden
kann, die nicht beschichtet sind, wenngleich dies nicht notwendig
ist.
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Die
Beschichtung kann durch jedes geeignete Mittel auf die Wärme erzeugenden
Teilchen aufgetragen werden. Das einfachste Verfahren ist das Weichmachen
oder Schmelzen des Beschichtungsmaterials und das Mischen dieses
Materials mit der gewünschten
Menge Wärme
erzeugender Teilchen. Um unterschiedliche Beschichtungsdicken zu
erreichen, können
getrennte Chargen von Teilchen und Beschichtungsmaterialien hergestellt
werden. Zum Beispiel können
100 g Teilchen mit 100 g PEG 600 vermischt werden, und separat davon
können
100 g Wärme
erzeugende Teilchen mit 200 g PEG 600 vermischt werden. Die zwei
Chargen von Teilchen können
dann kombiniert werden. Die Dicke der Beschichtung kann durch einen
einfachen Materialausgleich bestimmt werden, indem die durchschnittliche
Teilchengröße der Wärme erzeugenden
Teilchen verwendet und die Menge des Beschichtungsmaterials hinzuaddiert
wird. Wenn eine genauere Messung gewünscht wird, kann die spektroskopische
Analyse der Teilchen vor und nach der Beschichtung eine sehr genaue
Teilchengrößenverteilung
bereitstellen. Spektroskopische Teilchengrößen-Analysiergeräte sind
gut bekannt.
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Wenngleich
es notwendig ist, mindestens einen Teil der Wärme erzeugenden Teilchen der
Reaktionsmischung zu beschichten, kann der optionale Puffer beschichtet
werden oder nicht. Genauer kann der optionale Puffer zusammen mit
den Wärme
erzeugenden Teilchen beschichtet werden, er kann getrennt von den Wärme erzeugenden
Teilchen beschichtet werden, oder er kann ohne Beschichtung hinzugefügt werden. Kombinationen
dieser Möglichkeiten
werden in vielen Fällen
ebenfalls zu annehmbaren Ergebnissen führen. Daher ist das Beschichten
anderer Komponenten als der Wärme
erzeugenden Teilchen das Vorrecht des Herstellers.
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Wässrige Lösung
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Ein
fakultativer Bestandteil der vorliegenden Reaktionsmischungen ist
eine wässrige
Lösung.
Die wässrige
Lösung
erfüllt
zwei Funktionen in der Reaktionsmischung.
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Insbesondere
löst sie
die wasserlösliche
Beschichtung auf den exothermen Teilchen auf und reagiert anschließend mit
den Wärme
erzeugenden Teilchen, um Wärme
zu erzeugen. Es sei klargestellt, dass die Menge der wässrigen
Lösung
recht flexibel ist. Während
eine ausreichende Menge der wässrigen
Lösung
vorhanden sein muss, um die Beschichtung aufzulösen und mit den exothermen
Teilchen zu reagieren, ist ein Überschuss
an wässriger
Lösung
häufig
akzeptabel und kann sogar wünschenswert
sein. Tatsächlich
wirkt überschüssige wässrige Lösung wie
eine Wärmesenke
für das
Reaktionssystem. In dieser Eigenschaft kann die wässrige Lösung, unter
bestimmten Umständen,
verwendet werden, um die Höchsttemperatur
eines bestimmten Reaktionssystems zu steuern. Die wässrige Lösung ist
jedoch in der Regel nicht zum Steuern der Zeit/Temperatur-Kurven
für das
Reaktionssystem, wie oben beschrieben, geeignet. Folglich werden
Fachleute in der Lage sein, die geeignete Menge an wässriger
Lösung
für ein
bestimmtes Reaktionssystem auszuwählen.
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Die
gebräuchlichste
und am meisten bevorzugte wässrige
Lösung
sind Wasser und Lösungen,
die Wasser enthalten. Einwertige Alkohole und andere niedermolekulare
Flüssigkeiten
sind für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Das einzige
Kriterium für
eine „wässrige Lösung" ist, dass sie die
oben beschriebenen wasserlöslichen
Beschichtungen auflösen
muss und dass sie mit den ausgewählten
Wärme erzeugenden
Teilchen reagiert. Die Konzentration der wässrigen Lösung in der Reaktionsmischung
beträgt
von 30 Gew.-% bis 97 Gew.-%, vorzugsweise von 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%
und mehr bevorzugt von 60 Gew.-% bis 90 Gew.-% der Reaktionsmischung.
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Puffer
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Die
Reaktionsmischungen der vorliegenden Erfindung weisen oft als fakultativen
Bestandteil einen Puffer auf. Der Puffer kann verschiedene Vorteile
wie die Beschleunigung oder Verlangsamung der exothermen Reaktion
und die pH-Steuerung
am Ende der Reaktion bereitstellen. Es ist bekannt, dass bestimmte
Wärme erzeugende
Teilchen schneller reagieren als andere. Ein Puffer kann ei ne Reaktionsmischung
beschleunigen oder verlangsamen. Es versteht sich jedoch, dass sogar
mit einem Puffer die ungesteuerten exothermen Reaktionen im Allgemeinen
den Zeit-Temperatur-Kurven folgen werden, die mit Hilfe der Linien „A" und „a" von 1 und 2 dargestellt
sind. Folglich hat der Puffer die Aufgabe, eine günstige thermodynamische
Umgebung für
die Reaktionsmischung bereitzustellen, der Puffer steuert jedoch
nicht das Zeit-Temperatur-Profil der
Reaktion. Im Hinblick auf den pH-Wert ist es häufig wünschenswert, den pH-Wert sowohl
während
der Reaktion als auch am Ende der Reaktion zu steuern. Während der
Reaktion kann der pH-Wert zu der oben beschriebenen günstigen
thermodynamischen Umgebung beitragen und den pH-Endwert der Reaktionsmischung
regulieren, wenn sich die exotherme Reaktion der Vollendung nähert. Der
pH-Endwert kann wichtig sein, da die Reaktionsprodukte bei bestimmten
pH-Werten ausfällen
und eine relativ klare Lösung
hinterlassen. Die klare Lösung
kann wünschenswert
sein und das Ende der Reaktion signalisieren. Ungeachtet dessen kann
ein Puffer den Hersteller der hierin offenbarten Reaktionsmischungen
unterstützen.
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Falls
ein Puffer in den Reaktionsmischungen dieser Erfindung vorhanden
ist, liegt das Gewichtsverhältnis
von den Wärme
erzeugenden Teilchen zu dem Puffer vorzugsweise im Bereich von 1000:1
bis 1:1000, vorzugsweise von 500:1 bis 1:500 und mehr bevorzugt
von 200:1 bis 1:200. Vorzugsweise wird der Puffer ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Citronensäure, Äpfelsäure, Fumarsäure, Bernsteinsäure, Weinsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propansäure, Buttersäure, Valeriansäure, Oxalsäure, Malonsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Glycolsäure, Asparaginsäure, Pimelinsäure, Maleinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Glutaminsäure, Milchsäure, Hydroxylacrylsäure, alpha-Hydroxylbuttersäure, Glycerinsäure, Tartronsäure, Salicylsäure, Gallussäure, Mandelsäure, Tropasäure, Ascorbinsäure, Gluconsäure, Zimtsäure, Benzoesäure, Phenylessigsäure, Nicotinsäure, Kaininsäure, Sorbinsäure, Pyrrolidoncarbonsäure, Trimelithsäure, Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, Kaliumdihydrogenphosphat,
Natriumhydrogensulfit, Natriumdihydrogenphosphat, Kaliumhydrogensulfit,
Natriumhydrogenpyrosulfit, saurem Natriumhexametaphosphat, saurem Natriumpyrophosphat,
saurem Kaliumpyrophosphat, Sulfaminsäure, Orthophosphorsäure, Pyrophosphorsäure und
Mischungen davon.
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Vorrichtung
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Im
Hinblick auf noch einen anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung wird
eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wärme bereitgestellt, wobei die
Vorrichtung einen Behälter
und Wärme
erzeugende Teilchen umfasst, welche eine wasserlösliche Beschichtung umfassen,
die einen Teil der Teilchen umschließt. Die Vorrichtung umfasst
ferner wahlweise einen Puffer, eine wässrige Lösung oder Kombinationen davon.
Die Reaktionskomponenten für
die Verwendung in den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind
dieselben wie diejenigen, die weiter oben erläutert wurden. Die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine in sich geschlossene
und transportable Vorrichtung, in der eine exotherme Reaktion durchgeführt wird.
Vorzugsweise sollte der Vorrichtungsbehälter mindestens eine Belüftungsöffnung oder Öffnung zur
Abgabe der flüchtigen
Bestandteile aufweisen, die während
der exothermen Reaktion austreten. Darüber hinaus sollte der Behälter aus einem
Material bestehen, das der Höchsttemperatur
der exothermen Reaktion standhalten kann. Viele Materialien erfüllen diese
Anforderung, weil die Höchsttemperatur
der Reaktion so niedrig wie 35°C
sein kann, eine Reaktion bei höheren
Temperaturen könnte
eine höhere
Temperaturtoleranz erfordern. Glas, Kunststoff, Styropor, Metall,
flüssigkeitsundurchlässiges Papier
und viele andere Materialien sind für die Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet. Der Behälter
kann klar, durchsichtig, lichtdurchlässig oder undurchsichtig sein.
In den vorliegenden Vorrichtungen können die Wärme erzeugenden Teilchen in
Form eines trockenen Pulvers, suspendiert in einem Gel oder suspendiert
in einer nichtwässrigen
Lösung
vorliegen.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Behälter 12 und eine Reaktionsmischung 20,
welche Wärme
erzeugende Teilchen 22 mit der Beschichtung 24 aufweist.
Die Reaktionsmischung 20 umfasst ferner die Pufferteilchen 26 und
eine wässrige Lösung 28.
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Die
in den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendete Reaktionsmischung
sollte steuerbar sein, wie oben erläutert. Das heißt, wenn
die Reaktionskomponenten in den vorliegenden Vorrichtungen vermischt
werden, sollte die Reaktionsmischung innerhalb von weniger als 20
Minuten, vorzugsweise innerhalb von weniger als 10 Minuten und mehr
bevorzugt innerhalb von weniger als 5 Minuten auf eine festgelegte
Temperatur erhöht
werden, die höher
als 35°C
und niedriger als 75°C
ist, vorzugsweise zwischen 35°C
und 60°C und
am meisten bevorzugt zwischen 35°C
und 50°C
liegt. Vorzugsweise verbleibt die Reaktionsmischung in der Vorrichtung
für mindestens
45 Minuten, vorzugsweise mindestens 60 Minuten und mehr bevorzugt
mindestens 90 Minuten innerhalb von 15°C von der festgelegten Temperatur.
Andere Steuersequenzen wie diejenigen, die oben in Verbindung mit
der Reaktionsmischung beschrieben worden sind, werden zum Gebrauch
in der vorliegenden Vorrichtung in Betracht gezogen.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele illustrieren die Reaktionsmischungen der vorliegenden
Erfindung, sollen jedoch nicht notwendigerweise den Schutzumfang
der Erfindung einschränken
oder auf andere Art und Weise begrenzen.
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Verfahren
zum Beschichten der Wärme
erzeugenden Teilchen
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Wärme erzeugende
Teilchen werden mit Polyethylenglycol wie folgt beschichtet. Eine
Vormischung wird durch Kombinieren von Magnesiumpulver und wasserfreier
Citronensäure
(1:6,5 Gewicht/Gewicht, beide Bestandteile von Wako Chemicals) hergestellt.
Die Vormischung wird dann zu geschmolzenem Polyethylenglycol hinzugefügt. Das
geschmolzene Polyethylen ist eine Mischung aus drei verschiedenen
Molekulargewichten, PEG 600 (von Union Carbide), PEG 1000 (von Wako
Chemicals) und PEG 2000 (von Wako Chemicals). Die geschmolzene PEG-Mischung
beträgt
etwa 50°C.
Die Mischung wird danach bei 5°C
für 10
Minuten auf etwa 20–25°C abgekühlt. Das
Produkt umfasst PEG mit drei unterschiedlichen Molekulargewichten,
Magnesiumpulver und wasserfreies Citronensäurepulver und ist ein Gel mit
suspendierten Teilchen.
