ES2272307T3 - Metodos y mezclas de reaccion para controlar reacciones exotermicas. - Google Patents
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Abstract
Una mezcla de reacción exotérmica que genera calor mediante la adición de una solución acuosa que comprende partículas generadoras de calor que comprenden un recubrimiento hidrosoluble que encierra una parte de las partículas, en donde el recubrimiento comprende un material seleccionado del grupo que consiste en alquilenglicoles hidrosolubles, alcoholes hidrosolubles, y mezclas de los mismos, y en donde las partículas generadoras de calor se seleccionan del grupo que consiste en metales no acomplejados, sales de metal, óxidos de metal, hidróxidos de metal, hidruros de metal y mezclas de los mismos, en donde los metales se seleccionan del grupo que consiste en berilio, magnesio, litio, sodio, calcio, potasio, hierro, cobre, zinc, aluminio y mezclas de los mismos.
Description
Métodos y mezclas de reacción para controlar
reacciones exotérmicas.
La presente invención se refiere a mezclas de
reacción que incluyen partículas generadoras de calor que tienen un
recubrimiento hidrosoluble que encierra una parte de las partículas
y, opcionalmente, una solución acuosa y un tampón. Las mezclas de
reacción son especialmente adecuadas para generar calor de una
manera controlada. Asimismo, se describen aparatos y métodos que
utilizan estas mezclas de reacción.
Las mezclas de reacción exotérmica
autocontenidas que son iniciadas añadiendo una solución acuosa han
sido utilizadas durante muchos años para producir calor. El calor
generado por la reacción exotérmica puede utilizarse para
diferentes fines. Por ejemplo, muchos productos de consumo utilizan
reacciones exotérmicas para calentar. Ciertos productos
alimentarios son comercializados con una mezcla de reacción
exotérmica autocontenida. A la mezcla de reacción exotérmica se
agrega una solución acuosa, de forma típica agua. Esta inicia la
reacción, que genera calor para calentar el producto alimentario.
Otros productos de consumo, tales como almohadillas calefactoras
portátiles, calentadores de guantes y calcetines, etc., utilizan una
mezcla de reacción exotérmica para calentar.
Una reacción exotérmica autocontenida es una
alternativa al calentamiento mediante una fuente de combustión o
eléctrica que resulta barata, relativamente segura y portátil. Sin
embargo, estas reacciones presentan un problema importante ya que
son difíciles de controlar. Por ejemplo, ha sido difícil diseñar un
sistema de reacción que sea autocontenido y que funcione a una
temperatura constante durante un período de tiempo prolongado. De
forma análoga, es difícil diseñar un sistema de reacción que
funcione a una temperatura durante un primer período de tiempo y
después cambie a una segunda temperatura durante un segundo período
de tiempo. Es axiomático que no resulta fácil controlar el
suministro de calor a la fuente deseada sin controlar la temperatura
del sistema de reacción.
Por tanto, existe la necesidad de disponer de
mejores mezclas de reacción exotérmica y aparatos para proporcionar
calor. Estos métodos y aparatos mejorados deberían superar los
problemas discutidos anteriormente. En particular, no deberían
requerir combustión o electricidad, pero deberían proporcionar calor
de una forma controlable. Además, estos métodos y aparatos mejorados
deberían ser portátiles y relativamente baratos.
La presente invención se refiere a una mezcla de
reacción que comprende partículas generadoras de calor que
comprenden un recubrimiento hidrosoluble que encierra una parte de
las partículas. Opcionalmente, la mezcla de reacción también
comprende una solución acuosa y un tampón.
En un aspecto de esta invención se mezclan las
partículas generadoras de calor con una solución acuosa y la
temperatura de la mezcla de reacción aumenta a una temperatura
fijada que es superior a aproximadamente 35ºC e inferior a
aproximadamente 75ºC antes de 20 minutos. Más preferiblemente, la
mezcla de reacción se mantiene dentro de un margen de 15ºC con
respecto a la temperatura fijada durante al menos aproximadamente 45
minutos.
Las partículas generadoras de calor de la
presente invención se seleccionan del grupo que consiste en metales
no acomplejados, sales de metal, óxidos de metal, hidróxidos de
metal, hidruros de metal y mezclas de los mismos. Los metales se
seleccionan del grupo que consiste en berilio, magnesio, litio,
sodio, calcio, potasio, hierro, cobre, zinc, aluminio y mezclas de
los mismos. Y el recubrimiento hidrosoluble para estas partículas
generadoras de calor comprende un material hidrosoluble seleccionado
del grupo que consiste en alquilenglicoles hidrosolubles, alcoholes
hidrosolubles, y mezclas de los mismos.
En la presente invención se proporciona asimismo
un proceso para generar calor que comprende las etapas de:
proporcionar partículas generadoras de calor que comprenden un
recubrimiento hidrosoluble que encierra una parte de las
partículas; proporcionar una solución acuosa; y añadir la solución
acuosa a las partículas generadoras de calor recubiertas.
En otro aspecto de esta invención se proporciona
un aparato para generar calor que comprende un recipiente y
partículas generadoras de calor que comprenden un recubrimiento
hidrosoluble que encierra una parte de las partículas.
Los métodos y aparatos de esta invención
proporcionan formas portátiles y baratas para producir calor de una
forma controlable. Los dispositivos pueden ser relativamente
pequeños y a la vez funcionar de modo controlable durante un
período de tiempo prolongado. Por ejemplo, una mezcla de reacción
puede ser diseñada para suministrar calor a una temperatura
predeterminada durante un período de tiempo prolongado a una
velocidad relativamente controlada. Además, utilizando la mezcla de
reacción de la presente invención puede suministrarse calor a una
primera temperatura y después la mezcla de reacción puede cambiar a
una temperatura diferente durante un segundo período de
tiempo.
tiempo.
Los aparatos de la presente invención pueden
utilizarse para proporcionar una variedad de compuestos útiles al
aire del entorno y a vestimentas, moquetas, mascotas, piel y muchas
otras superficies. Por otra parte, los aparatos de la presente
invención pueden combinarse con color y luz para mejorar las
cualidades estéticas y, en última instancia, mejorar la experiencia
global para el usuario del aparato.
Aunque la memoria concluye con reivindicaciones
que indican particularmente y reivindican de forma específica la
invención, se considera que la invención se comprenderá mejor a
partir de la descripción siguiente de las realizaciones preferidas,
considerada en combinación con los dibujos que se acompañan, en
donde:
La Fig. 1 es una representación gráfica de dos
reacciones controladas con una temperatura fijada de aproximadamente
50ºC utilizando mezclas de reacción según la presente invención, y
una reacción no controlada;
La Fig. 2 es una representación gráfica de dos
reacciones controladas con una temperatura fijada de aproximadamente
40ºC utilizando mezclas de reacción según la presente invención, y
una reacción no controlada; y
La Fig. 3 es una representación esquemática de
un aparato según la presente invención.
Como se ha mencionado, la presente invención se
refiere a una mezcla de reacción que comprende partículas
generadoras de calor que comprenden un recubrimiento hidrosoluble
que encierra una parte de las partículas. Opcionalmente, los
componentes de reacción también comprenden un tampón, una solución
acuosa o ambos. La mezcla de reacción puede utilizarse para generar
calor de una forma controlable. Asimismo se describen aparatos que
utilizan las mezclas de reacción presentadas en la presente
memoria.
En un aspecto de esta invención se forma una
mezcla de reacción mezclando las partículas generadoras de calor
con componentes de solución acuosa para iniciar una reacción
exotérmica entre las partículas generadoras de calor y la solución
acuosa. La reacción exotérmica genera calor, el cual eleva la
temperatura de la mezcla de reacción. El calor, de forma más
precisa la elevada temperatura de la mezcla de reacción, puede
utilizarse para calentar un objeto del entorno circundante. Como se
entenderá, el recubrimiento hidrosoluble de las partículas
generadoras de calor puede utilizarse para controlar la velocidad de
la reacción exotérmica y el calor generado. La capacidad para
controlar la cantidad de calor generado por la mezcla de reacción,
sin ayuda de controles externos, permite un suministro controlado
del
calor.
calor.
Como bien saben los expertos en la técnica, las
reacciones químicas pueden ser difíciles de controlar. Asumiendo un
procesamiento discontinuo y dejando de lado consideraciones
termodinámicas, la velocidad de una reacción química exotérmica
depende en gran medida de la temperatura y de la concentración de la
mezcla de reacción. Sin controles externos, la temperatura de una
mezcla de reacción exotérmica aumentará rápidamente durante las
primeras etapas de la reacción. Esto es debido en gran parte a dos
factores: la concentración de los reactivos está a su máximo nivel
y a medida que la reacción progresa se genera calor que eleva la
temperatura de la mezcla de reacción, lo que a su vez aumenta la
velocidad de la reacción. Conforme se agotan los reactivos, la
reacción se ralentiza y provoca un descenso rápido de la temperatura
de la mezcla de reacción. Este efecto está gráficamente ilustrado en
las Figuras 1 y 2, en particular, en donde las líneas "A" y
"a" ilustran la temperatura de una mezcla de reacción
exotérmica no controlada en función del tiempo. Las Figuras 1 y 2 se
analizan con mayor detalle más adelante, pero ilustran claramente un
problema abordado por la presente invención. Es decir, la
temperatura de las reacciones representadas por las líneas "A"
y "a" de las Figuras 1 y 2, respectivamente, cambia
constantemente. Además, la velocidad de cambio de la temperatura
casi nunca es constante.
Recubriendo las partículas generadoras de calor
como se describe en detalle más adelante, puede diseñarse una
mezcla de reacción exotérmica discontinua para proporcionar calor
constante durante períodos de tiempo relativamente largos. Otros
esquemas de control pueden ser fácilmente diseñados por el experto
en la técnica, por ejemplo, puede diseñarse una mezcla de reacción
donde la temperatura sube gradualmente hasta alcanzar una velocidad
de aumento constante durante un período de tiempo relativamente
largo. Otros esquemas de control resultarán evidentes a la vista de
los detalles siguientes.
En un esquema de control de este tipo se prepara
una mezcla de reacción mezclando las partículas generadoras de
calor y una solución acuosa para iniciar una reacción exotérmica. La
temperatura de la mezcla de reacción aumenta a una temperatura
fijada que es superior a 35ºC e inferior a 75ºC, preferiblemente
entre 35ºC y 60ºC, y con máxima preferencia entre 35ºC y 50ºC, antes
de 20 minutos, preferiblemente antes de 10 minutos y más
preferiblemente antes de 5 minutos. Preferiblemente, la mezcla de
reacción se mantiene dentro de un margen de 15ºC, más
preferiblemente de 10ºC e incluso más preferiblemente de 5ºC, con
respecto a la temperatura fijada durante al menos 45 minutos,
preferiblemente durante al menos 60 minutos y más preferiblemente
durante al menos 90 minutos. Se sabe que la expresión "se mantiene
dentro de un margen de" en la presente memoria significa lo
mismo que "\pm". Por ejemplo, "permanecer dentro de un
margen de 10ºC" con respecto a una temperatura fijada de 50ºC
significa que la temperatura puede fluctuar entre 40ºC y 60ºC. Este
esquema de control se ilustra gráficamente en las Figuras 1 y 2
mediante las líneas "B", "C", "b" y "c".
La Figura 1 presenta una reacción exotérmica
"no controlada" según el estado de la técnica ("A")
comparado con dos reacciones "controladas" según la presente
invención ("B" y "C"). Los componentes de reacción y la
mezcla de reacción resultante se presentan en la Tabla 1 y se
resumen en la Tabla 2. Como puede observarse, se utiliza polvo de
magnesio como las partículas generadoras de calor y un tampón de
ácido cítrico. Las partículas generadoras de calor de la mezcla de
reacción "A" están sin recubrir (premezcla 2), mientras que las
partículas generadoras de calor de las mezclas de reacción "B"
y "C" incluyen partículas sin recubrir (premezcla 2) y
partículas recubiertas con polietilenglicol ("PEG") de
diferentes pesos moleculares (premezcla 1). El peso de los
reactivos (excluyendo el material de recubrimiento) se mantuvo
constante en estas tres mezclas de reacción. Es decir, el peso de
las partículas generadoras de calor de magnesio y el peso del tampón
de ácido cítrico se mantuvieron relativamente constantes en las tres
mezclas de reacción, ver Tabla 2. Además, se añadieron 100,0 gramos
de agua a las partículas generadoras de calor de magnesio y al
tampón de ácido cítrico para formar cada una de las mezclas de
reacción.
| A | B | C | ||||
| Ingrediente | Peso (%) | Peso (%) | Peso (%) | |||
| Premezcla 1 | ||||||
| \hskip0,5cm PEG 600 | 0,0 | 15,0 | 13,5 | |||
| \hskip0,5cm PEG 1000 | 0,0 | 5,0 | 4,5 | |||
| \hskip0,5cm Magnesio | 0,0 | 5,0 | 4,5 | |||
| \hskip0,5cm Ácido cítrico | 0,0 | 32,5 | 29,3 | |||
| Premezcla 2 | ||||||
| \hskip0,5cm Magnesio | 13,3 | 5,7 | 6,4 | |||
| \hskip0,5cm Ácido cítrico | 86,7 | 36,8 | 41,8 | |||
| Peso total (%) | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
\vskip1.000000\baselineskip
| A | B | C | ||||
| Ingrediente | Peso (g) | Peso (g) | Peso (g) | |||
| Recubrimiento | 0,0 | 4,8 | 4,3 | |||
| Mg | 2,6 | 2,6 | 2,6 | |||
| Ácido cítrico | 16,6 | 16,6 | 17,1 | |||
| Agua | ||||||
| Peso total (g) | 19,2 | 24,0 | 24,0 |
Como se ha descrito brevemente más arriba, la
línea "A" es una típica gráfica de temperatura frente a tiempo
de una reacción exotérmica no controlada. La temperatura aumenta
rápidamente al principio hasta un máximo superior a 65ºC. Después,
a medida que se van consumiendo los componentes de la reacción, la
temperatura comienza a descender a lo largo de una curva
logarítmica. A los aproximadamente 35 minutos la reacción se ha
enfriado hasta una temperatura dentro de un margen de 5ºC con
respecto a la temperatura inicial (temperatura ambiente). En ningún
momento durante estos primeros 35 minutos de la reacción ilustrada
por la línea "A" la temperatura permanece constante más de
algunos minutos.
En fuerte contraste, las mezclas de reacción
representadas por las líneas "B" y "C" de la Figura 1
alcanzan la temperatura fijada de 50ºC a los 10 minutos. Las
temperaturas de reacción después se equilibran y permanecen dentro
de un margen de 5ºC con respecto a la temperatura fijada durante al
menos 45 minutos.
De forma similar, la Figura 2 presenta una
reacción exotérmica "no controlada" según el estado de la
técnica ("a") comparada con dos reacciones "controladas"
según la presente invención ("b" y "c"). Los componentes
de reacción y la mezcla de reacción resultante se presentan en la
Tabla 3 y se resumen en la Tabla 4. Se utiliza polvo de magnesio
para las partículas generadoras de calor y un tampón de ácido
cítrico. Las partículas generadoras de calor de la mezcla de
reacción "a" están sin recubrir (premezcla 2), mientras que las
partículas generadoras de calor de las mezclas de reacción "b"
y "c" incluyen partículas sin recubrir (premezcla 2) y
partículas recubiertas con polietilenglicol ("PEG") de
diferentes pesos moleculares (premezcla 1). El peso de los reactivos
(excluido el material de recubrimiento) se mantuvo constante en
estas tres mezclas de reacción. Es decir, los pesos de las
partículas generadoras de calor de magnesio y del tampón de ácido
cítrico se mantuvieron relativamente constantes en las tres mezclas
de reacción, ver la Tabla 4. Además, las partículas generadoras de
calor de magnesio y el tampón de ácido cítrico se añadieron a 100,0
gramos de agua para formar cada una de las mezclas de reacción.
| a | b | c | ||||
| Ingrediente | Peso (%) | Peso (%) | Peso (%) | |||
| Premezcla 1 | ||||||
| \hskip0,5cm PEG 600 | 0,0 | 13,0 | 13,4 | |||
| \hskip0,5cm PEG 1000 | 0,0 | 21,3 | 22,0 | |||
| \hskip0,5cm PEG 2000 | 0,0 | 7,1 | 7,3 | |||
| \hskip0,5cm Magnesio | 0,0 | 5,0 | 4,7 | |||
| \hskip0,5cm Ácido cítrico | 0,0 | 32,3 | 30,5 | |||
| Premezcla 2 | ||||||
| \hskip0,5cm Magnesio | 13,3 | 2,8 | 2,9 | |||
| \hskip0,5cm Ácido cítrico | 86,7 | 18,5 | 19,0 | |||
| Peso total (%) | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
\vskip1.000000\baselineskip
| a | b | c | ||||
| Ingrediente | Peso (g) | Peso (g) | Peso (g) | |||
| Recubrimiento | 0,0 | 10,5 | 10,4 | |||
| Mg | 2,0 | 2,0 | 1,9 | |||
| Ácido cítrico | 12,9 | 12,9 | 12,2 | |||
| Peso total (g) | 14,9 | 25,4 | 24,5 |
Como se ha descrito brevemente más arriba, la
línea "a" es una típica gráfica de temperatura frente a tiempo
de una reacción exotérmica no controlada. La temperatura asciende
rápidamente al principio y después, a medida que los componentes de
reacción se van consumiendo, la temperatura comienza a descender a
lo largo de una curva logarítmica. Son necesarios aproximadamente
15 minutos para que la temperatura de la mezcla de reacción
"a" reduzca su exceso y vuelva a enfriarse a 55ºC, temperatura
que está dentro de un margen de 15ºC con respecto a la temperatura
fijada, 40ºC. Después la mezcla de reacción se mantiene dentro de un
margen de 15ºC con respecto a la temperatura de 40ºC durante sólo
aproximadamente 40 minutos cuando la reacción cae por debajo de
25ºC. En ningún momento durante estos 55 primeros minutos de la
reacción ilustrada por la línea "a" la temperatura permanece
constante durante más de algunos minutos.
En fuerte contraste, las mezclas de reacción
representadas por las líneas "b" y "c" de la Figura 2
alcanzan la temperatura fijada de aproximadamente 40ºC a los
aproximadamente 10 minutos. Las temperaturas de reacción después se
equilibran y permanecen dentro de un margen de 5ºC con respecto a la
temperatura fijada durante al menos aproximadamente 60 minutos.
Se sabe que el esquema de control mostrado en
las Figuras 1 y 2, es decir, en el que la mezcla de reacción alcanza
una temperatura fijada y esta temperatura permanece relativamente
constante durante un período de tiempo prolongado, es sólo uno de
los muchos posibles esquemas de control contemplados en la presente
invención. A título ilustrativo, otro esquema de control se produce
cuando se mezclan las partículas generadoras de calor y una
solución acuosa, la temperatura de la mezcla de reacción alcanza una
primera temperatura fijada y se mantiene dentro de un margen de
15ºC, preferiblemente dentro de un margen de 10ºC y más
preferiblemente dentro de un margen de 5ºC, con respecto a la
primera temperatura fijada durante un primer período de tiempo y
después cambia a una segunda temperatura fijada y se mantiene dentro
de un margen de 15ºC, preferiblemente dentro de un margen de 10ºC y
más preferiblemente dentro de un margen de 5ºC, con respecto a la
segunda temperatura fijada durante un segundo período de tiempo.
Preferiblemente, el primer período de tiempo es al menos
aproximadamente 15 minutos, preferiblemente al menos aproximadamente
20 minutos, y el segundo período de tiempo es al menos
aproximadamente 15 minutos, preferiblemente al menos aproximadamente
20 minutos. Y también se prefiere que la primera temperatura fijada
sea al menos aproximadamente 10ºC, preferiblemente al menos
aproximadamente 15ºC, superior a la segunda temperatura fijada, o de
forma alternativa, que la primera temperatura fijada sea al menos
aproximadamente 10ºC, preferiblemente al menos aproximadamente 15ºC,
inferior a la segunda temperatura fijada.
Otro ejemplo de un esquema de control de la
presente invención es cuando los componentes de reacción se mezclan,
la temperatura de la mezcla de reacción aumenta a una velocidad de
aumento real que se mide en°C/minuto y la velocidad de aumento real
se mantiene dentro de un margen de 0,5ºC/minuto, preferiblemente
dentro de un margen de 0,1ºC/minuto y más preferiblemente dentro de
un margen de 0,01ºC/minuto, con respecto a una velocidad de aumento
predeterminada durante al menos aproximadamente 45 minutos,
preferiblemente durante al menos aproximadamente 60 minutos y más
preferiblemente durante al menos aproximadamente 90 minutos.
Preferiblemente la velocidad de aumento predeterminada es inferior a
2ºC/minuto, preferiblemente inferior a 1,5ºC/minuto y más
preferiblemente inferior a 1ºC/minuto.
Volviendo ahora a los componentes de reacción,
estos incluyen como mínimo partículas generadoras de calor que
comprenden un recubrimiento hidrosoluble que encierra una parte de
las partículas. Preferiblemente, los componentes de reacción también
comprenden un tampón, una solución acuosa o ambos.
Las partículas generadoras de calor de la
presente invención se seleccionan del grupo que consiste en metales
no acomplejados, sales de metal, óxidos de metal, hidróxidos de
metal, hidruros de metal y mezclas de los mismos. Los metales se
seleccionan del grupo que consiste en berilio, magnesio, litio,
sodio, calcio, potasio, hierro, cobre, zinc, aluminio y mezclas de
los mismos. Estas partículas también pueden seleccionarse del grupo
que consiste en hidróxido de berilio, óxido de berilio, óxido de
berilio monohidratado, hidruro de litio-aluminio,
óxido de calcio, hidruro de calcio, óxido de potasio, cloruro de
magnesio, sulfato de magnesio, bromuro de aluminio, yoduro de
aluminio, tetraborato de sodio, fosfato de sodio y mezclas de los
mismos. La concentración de las partículas generadoras de calor en
la mezcla de reacción es de 3% a 70%, preferiblemente de 5% a 65% y
más preferiblemente de 8% a 60%, en peso, de la mezcla de
reacción.
Es preferible, aunque no necesario, que las
partículas generadoras de calor (sin el recubrimiento) tengan un
diámetro medio de partículas de 10 micrómetros a 1000 micrómetros,
preferiblemente de 100 micrómetros a 500 micrómetros y más
preferiblemente de 200 micrómetros a 400 micrómetros. En la presente
mezcla de reacción, las partículas generadoras de calor pueden estar
en forma de un polvo seco, suspendidas en un gel o suspendidas en
una solución no acuosa.
Controlar la temperatura de la mezcla de
reacción en función del tiempo es uno de los objetos de esta
invención y este control se consigue ampliamente al recubrir al
menos una parte de las partículas generadoras de calor. Sin
pretender imponer ninguna teoría, se cree que las partículas
generadoras de calor recubiertas no pueden reaccionar con la
solución acuosa hasta que no se disuelva el recubrimiento. Cuando el
recubrimiento de las partículas generadoras de calor comienza a
disolverse, las partículas expuestas comienzan a reaccionar y a
generar calor. A la vista de este mecanismo se observa fácilmente la
ventaja de utilizar una mezcla de partículas generadoras de calor
que tengan diferentes recubrimientos, diferentes espesores de
recubrimiento, o ambos. De forma análoga, a menudo se prefiere
incluir una pequeña cantidad de partículas generadoras de calor sin
recubrir para ayudar a aumentar la temperatura durante las primeras
etapas de la reacción. La concentración del material de
recubrimiento hidrosoluble en la mezcla de reacción es de 3% a 70%,
preferiblemente de 5% a 65% y más preferiblemente de 8% a 60%, en
peso, de la mezcla de reacción.
Por tanto, se entiende que aunque parte de las
partículas generadoras de calor deben ser recubiertas con el
recubrimiento hidrosoluble descrito en la presente memoria, no todas
las partículas necesitan ser recubiertas. Además, algunas
partículas pueden tener diferente espesor y los recubrimientos
pueden ser diferentes. Más en particular, las partículas generadoras
de calor pueden seleccionarse del grupo que consiste en partículas
sin recubrir, partículas recubiertas y mezclas de las mismas,
preferiblemente, las partículas generadoras de calor comprenden
partículas seleccionadas del grupo que consiste en partículas sin
recubrir, primeras partículas recubiertas, segundas partículas
recubiertas y mezclas de las mismas, en donde las primeras
partículas recubiertas difieren de las segundas partículas
recubiertas en el material de recubrimiento, el espesor del
recubrimiento o en ambos.
El recubrimiento de estas partículas generadoras
de calor debería ser un material hidrosoluble preferiblemente
seleccionado del grupo que consiste en polímeros hidrosolubles
naturales, polímeros hidrosolubles inorgánicos, polímeros
hidrosolubles sintéticos, polímeros hidrosolubles
semi-sintéticos, polímeros de origen vegetal,
polímeros derivados de microorganismos, polímeros de origen animal,
polímeros de almidón, polímeros de celulosa, polímeros de alginato,
polímeros de vinilo, polímeros de polioxietileno, polímeros de
acrilato, y mezclas de los mismos. Más en particular, el
recubrimiento de las partículas generadoras de calor comprende un
material hidrosoluble seleccionado del grupo que consiste en goma
arábiga, goma tragacanto, galactano, goma guar, goma de semilla de
algarroba, goma karaya, carragenina, pectina, agar, semilla de
membrillo, ficocoloides, almidón (de maíz, patata, etc), ácido
glicirrícico, goma xantano, dextrano,
succin-glucano, pululano, colágeno, caseína,
albúmina, gelatina, carboxi-metil almidón,
metil-hidroxipropil almidón,
metil-celulosa, nitrocelulosa,
etil-celulosa,
metil-hidroxipropil-celulosa,
hidroxietil-celulosa, sulfato sódico de celulosa,
hidroxipropil-celulosa,
carboxi-metilcelulosa sódica, celulosa cristalina,
celulosa en polvo, alginato sódico, propilenglicol éter alginato,
poli(alcohol vinílico), poli (éter vinilmetílico),
poli-vinil-pirrolidona, polímeros de
carboxivinilo, co-polímeros alquílicos de ácido
acrílico y ácido metacrílico, polietilenglicol con un peso molecular
de 200 a 100.000, preferiblemente de 600 a 20.000,
co-polímeros de polioxietileno y polioxipropileno,
poliacrilato sódico, poli etilacrilato, poliacrilamida,
polietilenimina, polímeros catiónicos, bentonita, silicato de
aluminio-magnesio, hectorita, anhídrido silícico, y
mezclas de los mismos. Preferiblemente, el recubrimiento comprende
un material seleccionado del grupo que consiste en alquilenglicoles
hidrosolubles, alcoholes hidrosolubles, y mezclas de los mismos. Y
aún más preferiblemente el recubrimiento no es inflamable. Ejemplos
de recubrimientos útiles en la presente invención se presentan a
continuación en la Tabla 5.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Como resultará obvio para el experto en la
técnica, la hidrosolubilidad del recubrimiento discutida
anteriormente varía en un amplio intervalo. Y en general, la
hidrosolubilidad depende de la temperatura. Por tanto, para
controlar la temperatura de una mezcla de reacción el experto en la
materia puede fácilmente seleccionar recubrimientos que se
disuelvan a la temperatura fijada deseada y variar el espesor del
recubrimiento de forma que las partículas generadoras de calor sean
expuestas a la solución acuosa varias veces. Otro método de control
consiste en utilizar diferentes recubrimientos que se disuelvan a
diferentes velocidades. Mediante este método, ciertas partículas
serán expuestas al principio de la reacción mientras que otras
partículas generadoras de calor tardarán más tiempo en ser
expuestas. Otros métodos de recubrir las partículas generadoras de
calor para controlar una reacción exotérmica resultarán evidentes
para el experto en la técnica química. Se sabe que en cualquier
esquema de control puede preferirse, aunque no necesariamente,
incluir algunas partículas que no estén recubiertas.
El recubrimiento puede aplicarse a las
partículas generadoras de calor utilizando cualquier medio adecuado.
El método más fácil es ablandar o fundir el material de
recubrimiento y mezclarlo con la cantidad deseada de partículas
generadoras de calor. Para conseguir diferentes espesores de
recubrimiento pueden prepararse lotes de partículas y de materiales
de recubrimiento por separado. Por ejemplo, 100 g de partículas
pueden mezclarse con 100 g de PEG 600 y por separado 100 g de
partículas generadoras de calor pueden mezclarse con 200 g de PEG
600. Los dos lotes de partículas pueden después ser combinados. El
espesor del recubrimiento puede determinarse mediante un simple
equilibrio de materiales utilizando el tamaño medio de partículas de
las partículas generadoras de calor y la cantidad de material de
recubrimiento añadida a las mismas. Si se desea una medición más
precisa, el análisis espectroscópico de las partículas antes y
después del recubrimiento puede proporcionar una distribución de
tamaño de partículas muy exacta. Los analizadores espectroscópicos
de tamaño de partículas son bien conocidos.
Es necesario recubrir al menos una parte de las
partículas generadoras de calor de la mezcla de reacción pero puede
o no ser necesario recubrir el tampón opcional. Más en particular,
el tampón opcional puede recubrirse junto con las partículas
generadoras de calor, puede recubrirse por separado de las
partículas generadoras de calor o puede añadirse sin ningún
recubrimiento. En muchos casos, las combinaciones de estas opciones
producirán también resultados aceptables. Por consiguiente, el
formulador podrá elegir componentes de recubrimiento diferentes a
las partículas generadoras de calor.
Un componente opcional de la presente mezcla de
reacción es una solución acuosa. La solución acuosa cumple dos
funciones en la mezcla de reacción: por un lado disuelve el
recubrimiento hidrosoluble sobre las partículas exotérmicas y por
otro a continuación reacciona con las partículas generadoras de
calor para generar calor. Se sobreentiende que la cantidad de
solución acuosa es bastante flexible. Aunque tiene que haber una
cantidad suficiente de solución acuosa presente para disolver el
recubrimiento y para reaccionar con las partículas exotérmicas, un
exceso de solución acuosa es, a menudo, aceptable y puede ser
incluso deseable. De hecho, un exceso de solución acuosa actúa como
un sumidero de calor para el sistema de reacción. Por ello, en
algunas circunstancias la solución acuosa puede usarse para
controlar la temperatura máxima de un sistema de reacción
determinado. La solución acuosa, no obstante, no es adecuada
generalmente para controlar las curvas de tiempo/temperatura del
sistema de reacción según se ha descrito anteriormente. Por
consiguiente, los expertos en la técnica serán capaces de
seleccionar la cantidad correcta de solución acuosa para un sistema
de reacción determinado.
Las soluciones acuosas más comunes y más
preferidas son el agua y las soluciones que contienen agua. Los
alcoholes monohidratados y otros líquidos de bajo peso molecular
son adecuados para su uso en la presente invención. El único
criterio para una "solución acuosa" es que disuelva el
recubrimiento hidrosoluble descrito anteriormente y que reaccione
con las partículas generadoras de calor elegidas. La concentración
de solución acuosa en la mezcla de reacción es de 30% a 97%,
preferiblemente de 50% a 95% y más preferiblemente de 60% a 90%, en
peso, de la mezcla de reacción.
La mezcla de reacción de la presente invención a
menudo incluirá un tampón como componente opcional. El tampón puede
proporcionar diferentes ventajas tales como acelerar o ralentizar la
reacción exotérmica y controlar el pH al final de la reacción. Es
bien conocido que determinadas partículas generadoras de calor
reaccionarán más rápidamente que otras. Un tampón puede acelerar o
ralentizar una mezcla de reacción. Se sabe, sin embargo, que
incluso con un tampón las reacciones exotérmicas no controladas
generalmente presentarán las curvas tiempo/temperatura mostradas por
las líneas "A" y "a" de las Figuras 1 y 2. Por tanto, el
tampón actúa proporcionando un entorno termodinámico favorable para
la mezcla de reacción aunque no controla el perfil
tiempo/temperatura de la reacción. Con respecto al pH, a menudo es
deseable controlar el pH durante la reacción y al final de la
reacción. Durante la reacción, el pH puede mejorar el entorno
termodinámico favorable como se ha descrito anteriormente y puede
regular el pH final de la mezcla de reacción cuando la reacción
exotérmica está próxima a finalizar. El pH final puede ser
importante porque a ciertos pH los productos de reacción
precipitarán dejando una solución relativamente transparente. La
solución transparente puede ser deseable y puede indicar el fin de
la reacción. Independientemente, un tampón puede ayudar al
formulador de las mezclas de reacción descritas en la presente
memoria.
Preferiblemente, si un tampón está presente en
las mezclas de reacción de esta invención, la relación en peso entre
las partículas generadoras de calor y el tampón está en el intervalo
de 1000:1 a 1:1000, preferiblemente de 500:1 a 1:500 y más
preferiblemente de 200:1 a 1:200. Y el tampón preferiblemente se
selecciona del grupo que consiste en ácido cítrico, ácido málico,
ácido fumárico, ácido succínico, ácido tartárico, ácido fórmico,
ácido acético, ácido propanoico, ácido butírico, ácido valérico,
ácido oxálico, ácido malónico, ácido glutárico, ácido adípico,
ácido glicólico, ácido aspártico, ácido pimélico, ácido maleico,
ácido ftálico, ácido isoftálico, ácido tereftálico, ácido glutámico,
ácido láctico, ácido hidroxilacrílico, ácido alfa hidroxilbutírico,
ácido glicérico, ácido tartrónico, ácido salicílico, ácido gálico,
ácido mandélico, ácido trópico, ácido ascórbico, ácido glucónico,
ácido cinámico, ácido benzoico, ácido fenilacético, ácido
nicotínico, ácido caínico, ácido sórbico, ácido
pirrolidoncarboxílico, ácido trimelítico, ácido bencenosulfónico,
ácido toluensulfónico, fosfato diácido de potasio, sulfito ácido de
sodio, fosfato diácido de sodio, sulfito ácido de potasio,
pirosulfito ácido de sodio, hexametafosfato ácido de sodio,
pirofosfato ácido de sodio, pirofosfato ácido de potasio, ácido
sulfámico, ácido orto-fosfórico, ácido
piro-fosfórico y mezclas de los mismos.
En otro aspecto de esta invención se proporciona
un aparato para generar calor, comprendiendo el aparato un
recipiente y partículas generadoras de calor que comprenden un
recubrimiento hidrosoluble que encierra una parte de las
partículas. El aparato opcionalmente también comprende un tampón,
una solución acuosa, o combinaciones de estos. Los componentes de la
reacción de uso en los aparatos de la presente invención son los
mismos que los discutidos anteriormente. El aparato de la presente
invención es preferiblemente un dispositivo controlado y portátil en
el que tiene lugar una reacción exotérmica. Preferiblemente, el
recipiente del aparato debería tener por lo menos un respiradero o
abertura para liberar los componentes volátiles que se desprenden
durante la reacción exotérmica. Asimismo, el recipiente debería
estar construido con un material capaz de resistir la temperatura
máxima de la reacción exotérmica. Muchos materiales cumplen este
requisito porque la temperatura máxima de la reacción podría no ser
superior a 35ºC y una reacción de temperatura más elevada podría
exigir una tolerancia de temperatura más alta. Los materiales de
vidrio, plástico, styrofoam, metal, papel impermeable a los líquidos
y muchos otros son adecuados para su uso en la presente invención.
El recipiente puede ser límpido, transparente, traslúcido u opaco.
En el presente aparato, las partículas generadoras de calor pueden
estar en forma de polvo seco, suspendidas en un gel o suspendidas en
una solución no acuosa.
La figura 3 es una representación esquemática de
un aparato 10 según la presente invención. El aparato 10 comprende
un recipiente 12 y una mezcla de reacción 20 que incluye partículas
generadoras de calor 22 con recubrimiento 24. La mezcla de reacción
20 también comprende partículas de tampón 26 y una solución acuosa
28.
La mezcla de reacción usada en los aparatos
según la presente invención debería ser controlable según se ha
discutido anteriormente. Es decir, cuando los componentes de
reacción se mezclan en el presente aparato, la mezcla de reacción
debería elevar su temperatura hasta una temperatura fijada que es
superior a 35ºC e inferior a 75ºC, preferiblemente entre 35ºC y
60ºC, y con máxima preferencia entre 35ºC y 50ºC, antes de 20
minutos, preferiblemente antes de 10 minutos y más preferiblemente
antes de 5 minutos. Preferiblemente, la mezcla de reacción dentro
del aparato se mantiene dentro de un margen de 15ºC con respecto a
la temperatura fijada durante al menos 45 minutos, preferiblemente
durante al menos 60 minutos y más preferiblemente durante al menos
90 minutos. También se contemplan otras secuencias de control tales
como las descritas anteriormente junto con la mezcla de reacción
para su uso en el presente aparato.
Los siguientes ejemplos ilustran las mezclas de
reacción de la presente invención aunque no significan
necesariamente una limitación o una definición de otro tipo del
ámbito de la invención.
Las partículas generadoras de calor se recubren
con polietilenglicol de la forma siguiente: se prepara una premezcla
combinando polvo de magnesio y ácido cítrico anhidro (1:6,5 p/p,
ambos componentes de Wako Chemicals). La premezcla se añade a
continuación al polietilenglicol fundido. El polietileno fundido es
una mezcla de tres pesos moleculares diferentes: PEG 600 (de Union
Carbide), PEG 1000 (de Wako Chemicals) y PEG 2000 (de Wako
Chemicals). La mezcla fundida de PEG tiene una temperatura de
alrededor de 50ºC. A continuación se enfría la mezcla a 5ºC durante
10 min hasta aproximadamente una temperatura de
20-25ºC. El producto comprende PEG de tres pesos
moleculares diferentes, polvo de magnesio y ácido cítrico anhidro en
polvo y es un gel con partículas suspendidas.
Claims (25)
1. Una mezcla de reacción exotérmica que genera
calor mediante la adición de una solución acuosa que comprende
partículas generadoras de calor que comprenden un recubrimiento
hidrosoluble que encierra una parte de las partículas, en donde el
recubrimiento comprende un material seleccionado del grupo que
consiste en alquilenglicoles hidrosolubles, alcoholes
hidrosolubles, y mezclas de los mismos, y en donde las partículas
generadoras de calor se seleccionan del grupo que consiste en
metales no acomplejados, sales de metal, óxidos de metal, hidróxidos
de metal, hidruros de metal y mezclas de los mismos, en donde los
metales se seleccionan del grupo que consiste en berilio, magnesio,
litio, sodio, calcio, potasio, hierro, cobre, zinc, aluminio y
mezclas de los mismos.
2. La mezcla de reacción de la reivindicación
1, en donde la mezcla de reacción comprende además una solución
acuosa.
3. La mezcla de reacción de la reivindicación
1, en donde la mezcla de reacción comprende además un tampón.
4. La mezcla de reacción de la reivindicación
2, en donde cuando se mezclan las partículas generadoras de calor y
la solución acuosa, la temperatura de la mezcla de reacción aumenta
hasta una temperatura fijada que es superior a 35ºC e inferior a
75ºC, antes de 20 minutos.
5. La mezcla de reacción de la reivindicación
4, en donde la mezcla de reacción se mantiene dentro de un margen de
15ºC con respecto a la temperatura fijada durante al menos
aproximadamente 45 minutos.
6. La mezcla de reacción de la reivindicación
1, en donde las partículas generadoras de calor tienen un diámetro
medio de partículas de 10 micrómetros a 1000 micrómetros.
7. La mezcla de reacción de la reivindicación
1, en la que las partículas generadoras de calor se seleccionan del
grupo que consiste en hidróxido de berilio, óxido de berilio, óxido
de berilio monohidratado, hidruro de litio y aluminio, óxido de
calcio, hidruro de calcio, óxido de potasio, cloruro de magnesio,
sulfato de magnesio, bromuro de aluminio, yoduro de aluminio,
tetraborato de sodio, fosfato de sodio y mezclas de los mismos.
8. La mezcla de reacción de la reivindicación
3, en la que el tampón se selecciona del grupo que consiste en ácido
cítrico, ácido málico, ácido fumárico, ácido succínico, ácido
tartárico, ácido fórmico, ácido acético, ácido propanoico, ácido
butírico, ácido valérico, ácido oxálico, ácido malónico, ácido
glutárico, ácido adípico, ácido glicólico, ácido aspártico, ácido
pimélico, ácido maleico, ácido ftálico, ácido isoftálico, ácido
terftálico, ácido glutámico, ácido láctico, ácido
hidroxil-acrílico, ácido
alfa-hidroxil-butírico, ácido
glicérico, ácido tartrónico, ácido salicílico, ácido gálico, ácido
mandélico, ácido trópico, ácido ascórbico, ácido glucónico, ácido
cinámico, ácido benzoico, ácido fenilacético, ácido nicotínico,
ácido caínico, ácido sórbico, ácido
pirrolidon-carboxílico, ácido trimelítico, ácido
bencenosulfónico, ácido toluensulfónico, fosfato diácido de
potasio, sulfito ácido de sodio, fosfato diácido de sodio, sulfito
ácido de potasio, pirosulfito ácido de sodio, hexametafosfato ácido
de sodio, pirofosfato ácido de sodio, pirofosfato ácido de potasio,
ácido sulfámico, ácido ortofosfórico, ácido pirofosfórico y mezclas
de los mismos.
9. La mezcla de reacción de la reivindicación
3, en donde la relación en peso entre las partículas generadoras de
calor y el tampón está en el intervalo de 1000:1 a 1:1000.
10. La mezcla de reacción de la reivindicación
2, en donde cuando se mezclan las partículas generadoras de calor y
la solución acuosa, la temperatura de la mezcla de reacción aumenta
a una velocidad de aumento real que se mide en ºC/minuto, y la
velocidad de aumento real se mantiene dentro de un margen de
0,5ºC/minuto con respecto a una velocidad de aumento predeterminada
durante al menos 45 minutos.
11. La mezcla de reacción de la reivindicación
10, en donde la velocidad de aumento predeterminada es menos de
2ºC/minuto.
12. La mezcla de reacción de la reivindicación
1, en donde las partículas generadoras de calor comprenden
partículas sin recubrir.
13. La mezcla de reacción de la reivindicación
12, en donde las partículas generadoras de calor comprenden mezclas
de partículas sin recubrir, primeras partículas recubiertas y
segundas partículas recubiertas.
14. Un proceso para generar calor, comprendiendo
el proceso las etapas de:
- a)
- proporcionar las partículas generadoras de calor de la reivindicación 1; y
- b)
- añadir a las partículas generadoras de calor recubiertas una solución acuosa.
15. El proceso de la reivindicación 14, que
comprende además las etapas de:
- c)
- proporcionar un tampón; y
- d)
- añadir el tampón a la solución acuosa y a las partículas generadoras de calor.
16. Un aparato para generar calor que comprende
un recipiente y las partículas generadoras de calor de la
reivindicación 1.
17. El aparato de la reivindicación 16, en donde
la mezcla de reacción comprende además un tampón.
18. El aparato de la reivindicación 17, en donde
se crea una mezcla de reacción cuando las partículas generadoras de
calor se mezclan con una solución acuosa, y la temperatura de la
mezcla de reacción aumenta hasta una temperatura fijada que es
superior a 40ºC e inferior a 75ºC, antes de al menos 20 minutos.
19. El aparato de la reivindicación 18, en donde
la mezcla de reacción se mantiene dentro de un margen de 15ºC con
respecto a la temperatura fijada durante al menos 45 minutos.
20. El aparato de la reivindicación 16, en donde
las partículas generadoras de calor están en forma de un polvo
seco.
21. El aparato de la reivindicación 16, en donde
las partículas generadoras de calor están suspendidas en un gel, un
líquido no acuoso y mezclas de los mismos.
22. La mezcla de reacción de la reivindicación
2, en donde cuando se mezclan las partículas generadoras de calor y
la solución acuosa, la temperatura de la mezcla de reacción aumenta
hasta una primera temperatura fijada y se mantiene dentro de un
margen de 15ºC con respecto a la primera temperatura fijada durante
un primer período de tiempo y después la temperatura de la mezcla de
reacción cambia a una segunda temperatura fijada y se mantiene
dentro de un margen de 15ºC con respecto a la segunda temperatura
fijada durante un segundo período de tiempo.
23. La mezcla de reacción de la reivindicación
22, en donde el primer período de tiempo es de al menos 15 minutos y
el segundo período de tiempo es de al menos 15 minutos.
24. La mezcla de reacción de la reivindicación
22, en donde la primera temperatura fijada es al menos 10ºC superior
a la segunda temperatura fijada.
25. La mezcla de reacción de la
reivindicación 22, en donde la primera temperatura fijada es al
menos 10ºC inferior a la segunda temperatura fijada.
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