CN102803937B - 溴化铜湿度指示卡 - Google Patents

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Abstract

本发明包含一种湿度指示的方法，该方法包含提供基底和包含溴化铜、溴化物盐、染料和纤维素纤维的湿度指示区域。在本发明的另一实施方案中，本发明包含湿度指示阵列，其包含在基底上含有多个湿度指示区域的基底，其中每一区域包含溴化铜、染料和溴化物盐，其中区域内溴离子与铜离子的摩尔比为约7.5:1。

Description

溴化铜湿度指示卡
发明领域
本发明涉及用于指示环境中相对湿度的湿度指示器，更具体地，涉及在环境中不同相对湿度下改变颜色的溴化铜湿度指示器。
相关技术描述
现存多种湿度指示器。一种类型的湿度指示器是湿度指示卡，用于多种目的，包括确定运输容器和包装中的相对湿度，诸如封装电子设备和通信产品。通常用湿度敏感的组合物浸渍湿度指示卡并干燥。现在制造的大多数湿度指示卡使用氯化钴作为指示剂，其基于氯化钴水合的水平改变颜色。氯化钴可从蓝色(此时其具有一水的水合)变化为粉色(此时其具有六水的水合)。即，随着每一另外的水合的水增加，蓝色渐变为红色。因此，可基于卡上呈现的颜色确定近似湿度。可在卡上包括湿度指示区域的阵列，其中需要递增的湿度水平将卡上不同的指示区域从蓝色变为粉色。
使用氯化钴的湿度指示器的问题为氯化钴是已知的刺激物和毒素。另外，当用于食品和药物产品时，氯化钴的使用受到控制。因此，氯化钴湿度指示器具有有限的应用且在食品和药物工业中不可用。
某些类型的湿度指示卡浸渍卤化物或其他可释放Cu2+离子的盐类。国际公布号WO02/44712公开了用铜盐、协同盐和染料浸渍的湿度试纸。
其他类型的湿度指示器包括湿度指示凝胶的使用。在美国专利申请公布号2004/0051081中，Moreton公开了用铜和溴化物浸渍的硅胶材料以提供相对湿度指示器。在美国专利号6,655,315中，Gattiglia公开了用氯化铜和吸湿盐浸渍的硅胶，其中硅胶改变颜色以指示水分的存在。
仍然需要提供容易被发现的颜色变化且无毒的改进的湿度指示器。
发明概述
本发明包含湿度指示的方法，其包含提供基底和包含溴化铜、溴化物盐、染料和纤维素纤维的湿度指示区域。
在本发明的另一实施方案中，本发明包含湿度指示阵列，其包含在基底上具有多个湿度指示区域的基底，其中每一区域包含溴化铜、染料和溴化物盐，其中区域内溴离子与铜离子的摩尔比为约7.5∶1。
附图的若干视图简述
图1是本发明的湿度指示卡的俯视图。
发明描述
本发明克服了先前实践的缺点。本发明提供无毒湿度指示器。本发明也提供可用于食品和药物产品包装的装置。另外，本发明提供指示何时干燥剂需要更换的装置。本发明也提供在卡或其他基底的区域中容易被使用者发现的颜色变化。另外，本发明允许人们改变指示区域的颜色。这些和其他优点从以下详细叙述将是显而易见的。
本发明包括含有至少一个湿度指示区域的湿度指示装置。在一个优选的形式中，本发明包括湿度指示阵列，其在基底上包含多个湿度指示区域。每一湿度指示区域具有能在特定相对湿度改变颜色的组合物。湿度指示组合物包括溴化铜、溴化物盐和染料的有效组合，它们将与水蒸汽反应以提供[Cu(H2O)6]2+离子。
在一个优选的形式中，组合物可通过将五水合硫酸铜(II)、溴化钠、纤维素纤维、染料和水混合在一起而制得。含有增加量的五水合硫酸铜(II)和溴化钠以及相同量的染料和纤维素纤维的溶液的阵列被流延在基底的分离区域上。染料通常被吸入纸中，且只有在[Cu(H2O)6]2+离子呈现浅黄褐色时可见，如下所述。
五水合硫酸铜II和溴化钠反应形成溴化铜络合物，其以无水的形式提供深棕色外观并遮盖染料。当溴化铜接触特定的相对湿度时，环境中的水蒸汽分子与溴化铜络合物中的铜结合，形成[Cu(H2O)6]2+离子，其中[Cu(H2O)6]2+离子为浅黄褐色且基本上是无色的。这些[Cu(H2O)6]2+离子不能遮盖染料。因此，当达到特定的相对湿度时，[Cu(H2O)6]2+离子的存在赋予湿度指示区域以颜色变化，从溴化铜络合物的深棕色变为通常不可见的浅黄褐色。随后染料颜色可见。组合物中硫酸铜II和溴化钠的量可在每一湿度指示区域增加或减少，以控制发生颜色变化的相对湿度水平。即，增加组合物中存在的溴化铜和溴化钠的量可增加观察到颜色变化时的相对湿度水平，这部分因为组合物中过量的溴化物与水竞争并延缓[Cu(H2O)6]2+离子的形成。
在某些情况下，可期望将单一溶液(而不是溶液阵列)流延在基底上，以形成单一的相对湿度指示区域。对于单一指示区域，基于颜色是否发生改变，可确定相对湿度是高于还是低于特定的相对湿度。或者，可通过将湿度指示区域的颜色与含有一组染料的卡上的区域比较，而确定湿度水平。这组染料显示在特定相对湿度下应出现什么颜色。例如，当环境中的相对湿度达到30％时，指示区域的颜色可从棕色变为黄色。因此，基底上的区域应包括可与湿度指示区域比较的黄色染料点和棕色染料点。代替一组染料，基底可仅包括一种染料颜色，以显示当达到特定相对湿度时指示区域应有的颜色。
优选与溴化物混合的硫酸铜是五水合硫酸铜II，因为这种材料，当与溴化物盐混合时，干燥时产生深色，且达到预设湿度水平时产生浅黄褐色，且不与食品染料反应。其他适合于本发明的硫酸铜II材料为无水硫酸铜II或水合硫酸铜II。其他典型的硫酸铜为氨基硫酸铜(硫酸铜，氨化)和三盐基硫酸铜。
优选与硫酸铜II混合的溴化物盐为溴化钠或溴化钾，因为这些材料，当与硫酸铜II混合时，干燥时提供深色，且达到预设湿度水平时产生浅黄褐色，且不与食物染料反应。其他适合于本发明的溴化物盐为溴化钙、溴化镁、溴化锌或溴化铵。意外地，将溴化铜用作溴化物盐不产生容易发现的颜色变化。其他典型可用的盐类包括氯化铜、碘化铜、氟化铜、硝酸铜、铬酸盐和高锰酸盐。
虽然任何种类的食品着色剂可用作染料，应理解FD&C染料是优选的，因为它们容易得到且用于食品、化妆品和药物是安全的。优选的染料为FD&C黄#5和FD&C红#40的组合，因为它在达到某一相对湿度时提供容易发现的颜色变化。另一优选的染料为FD&C绿#3和FD&C黄#5的组合。在这种情况下，当达到某一相对湿度时，基底将从棕色变为绿色。然而，仅使用FD&C黄#5、FD&C绿#3或FD&C红#40是合适的。应理解除棕色染料外的其他染料，也可在本发明中使用。
优选地，湿度指示溶液包括纤维素溶液。例如，可以使用Klucel羟丙基纤维素jf，由Hercules，Inc.生产。Klucel羟丙基纤维素jf是粒径为99％通过20％目筛(851微米)或85％通过30％目筛(600微米)的粉末。纤维素溶液增加湿度指示溶液的粘度，防止当溶液流延在湿度指示卡上时溶液迁移太远。认为纤维素还使溴化铜络合物的聚集极小化，以提供均匀的颜色分布并防止由溴化铜络合物形成暗点。纤维素纤维溶液容纳湿度指示溶液，使得每一湿度指示区域更小，允许卡上包括更多数目的相对湿度检测区域。另外，由于溴化铜络合物和染料处于更集中和均匀的区域，颜色改变更容易被发现。湿度指示溶液中优选的纤维素纤维浓度范围为约0.8％-1.2％，因为它提供适合的粘度以保持硫酸铜II和溴化物盐溶液在湿度指示卡上要求的区域内。然而，湿度指示溶液中纤维素纤维合适的范围为约0.5％-1.5％。其他增稠剂适合增加湿度指示溶液的粘度，其包括羧甲基纤维素、羧丙基纤维素角叉菜胶、瓜尔胶或黄原胶。
在本发明的一个优选实施方案中，使用的基底为吸墨纸，因为它容易吸收染料并迅速地干燥。不过，应理解可使用其他种类的基底。例如，该湿度指示化学品可用于其他种类的纸、粘性贴纸(stamp)、塑料片、膜或衬底材料上的涂层，诸如在诸如金属的基底上的聚合物或纤维涂层。另外，湿度指示化学品可以固体形式使用，或在材料诸如树脂聚合物和热熔性胶黏剂中使用。更具体地，聚乙酸乙烯酯乙烯乙酸乙烯酯、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚丙烯酸酯可包括该湿度指示化学品。湿度指示化学品可在材料整体中或在材料的部分中。在本发明的一个优选实施方案中，该材料通常为透明或无色，因此颜色变化更明显。该湿度指示化学品也可包括在由各种粉末或聚集体与粘合剂或不与粘合剂一起压制而制得的压制部件或片剂中。
应理解湿度指示溶液也可包括其他添加剂，诸如表面活性剂、抑菌剂和杀真菌剂。
湿度指示区域的颜色被组合物中存在的溴化铜和溴化钠的量影响。随着组合物中存在的溴化铜和溴化钠的量增加，观察到颜色变化时的相对湿度水平增加。优选地，在用于检测10％-60％范围的相对湿度的溶液中，溴化钠与五水合硫酸铜(II)以比如重量比为约3∶1-5∶1的范围的量存在。更具体地，对于检测10％-50％范围的相对湿度的溶液，溴化钠与五水合硫酸铜(II)的优选重量比为约3∶1。对于检测高于60％的相对湿度的溶液，溴化钠与五水合硫酸铜(II)的优选重量比为至少5∶1，因为需要更多过量的溴化物以防止溴化铜在达到60％相对湿度水平之前改变颜色。
相似地，随着组合物中存在的铜离子和溴离子的量增加，观察到颜色变化时的相对湿度水平增加。已发现，在用于检测10％-60％范围的相对湿度的溶液中，溴离子与铜离子的摩尔比为从约7.5∶1到12.2∶1的范围。对于检测湿度10％-50％范围的湿度指示溶液，溴离子与铜离子的优选摩尔比为约7.5∶1，且对于检测湿度高于60％的湿度指示溶液，溴离子与铜离子的摩尔比为至少12.2∶1。
应理解本发明很好地描述了在多种应用中的用途，诸如确定干燥剂材料是否仍为有效的。本发明也可确定产品包装和容器中的相对湿度，包括食品、化妆品和药物包装和容器，以及在需要优选的相对湿度的环境，诸如实验室、生产设施、动物圈地和设施中。
现参考图，图1显示具有六个相对湿度指示区域12、14、16、18、20、22的湿度指示卡10。在该结构中，区域12包括含有最少量的五水合硫酸铜II和溴化钠的溶液，且区域22包括含有最多量的五水合硫酸铜II和溴化钠的溶液。相对湿度检测区域12、14、16、18、20、22以递增10％的间隔分别在10％、20％、30％、40％、50％和60％颜色从棕色变为黄色。因此，可将卡10带入具有湿度的环境中，并通过读取显示黄色染料的最高百分数相对湿度指示区域来确定环境中的相对湿度。
每一区域12、14、16、18、20和22通过圆圈24限定，其隐藏迁移超出由圆圈24限定的内部区域的任何溶液。优选地，圆圈24是不透明的，例如，黑色。
对于指示卡10上的每一湿度指示区域，制备具有不同溴化钠浓度的不同溶液。
例如，要产生指示卡10，其具有检测10％、20％、30％、40％、50％和60％的相对湿度水平的相对湿度检测区域，对于各种相对湿度水平，将表1显示的含有五水合硫酸铜(II)、溴化钠、水和染料溶液的以下溶液以以下浓度加入：
表1
染料溶液包括下表2所示浓度的水、丙二醇、FD&C红第40号和FD&C黄#5。
表2
制备用于检测上述10％相对湿度的湿度指示区域中的溶液的方法如下所述：
1.按对于10％指示区域的以上规定量将4.1克五水合硫酸铜(II)，12.3克溴化钠和9.4克黄色染料溶液加入900.0克水和100.0克的10％纤维素溶液；和，
2.以强力搅拌混合成分10分钟，来确保所有成分在溶液中。
以相同方法制得20％-60％溶液且与表1一致。随后，每一溶液被喷洒、印迹或点在卡上的要求区域。随后在传统烘箱中300℉下干燥卡约2-5分钟，以蒸发水。
当湿度指示卡10在区域12、14、16、18、20或22干燥时，加入溶液中的五水合硫酸铜(II)和溴化钠形成溴化铜(II)络合物。
10％、20％、30％、40％、50％和60％的溶液分别含有递增量的五水合硫酸铜(II)和溴化钠，这使得卡上不同区域在不同的湿度水平改变颜色。应理解10％湿度指示区域在10％的湿度下完全改变颜色，从棕色变为黄色，且在任何高于10％的湿度水平将保持黄色。相似地，50％湿度指示区域在50％的湿度下完全改变颜色，且在任何高于50％的湿度水平将保持黄色。50％湿度指示区域可在达到50％相对湿度前开始改变颜色并呈现棕/黄色，例如在45％的相对湿度下，但与较低湿度指示区域相比，该颜色变化将是微小的。
例如，当使用表1所述的包括表2所述染料溶液的湿度指示溶液时，观察到以下颜色变化：
表3
如上表所示，当达到其计划的相对湿度水平时，区域从棕色变为黄色。例如，在15％的相对湿度水平，10％相对湿度指示区域为黄色且20％-60％指示区域为棕色。在35％的相对湿度水平，10％-30％相对湿度指示区域为黄色且40％-60％湿度指示区域为棕色。
由此描述本发明，显然其可以多种方式改变。不应认为这样的改变违背本发明的精神和范围，且所有这样的变更意欲包括在所述权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种湿度指示器，所述湿度指示器包含选自纸、贴纸、塑料片、聚合物膜和衬底材料上的吸收性涂层的基底，所述基底具有多个湿度指示区域，每一湿度指示区域具有包含溴化铜、溴化物盐、染料和纤维素纤维的组合物，其中溴离子与铜离子的摩尔比从7.5:1到12.2:1，且其中将每一湿度指示区域配制为通过包括不同量的溴化物盐和溴化铜来指示不同的相对湿度。
2.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述基底为吸墨纸。
3.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述溴化物盐为溴化钠。
4.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述纤维素纤维的浓度为1%重量。
5.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述染料为FD&C黄染料。
6.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述染料为FD&C黄染料和FD&C红染料。
7.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述溴化铜由五水合硫酸铜(II)和所述溴化物盐的反应形成。
8.权利要求7所述的湿度指示器，其中溴化钠与五水合硫酸铜的重量比从3:1到5:1。
9.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述溴化铜包含溴化铜络合物。
10.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述基底选自贴纸、塑料片、聚合物膜和衬底材料上的吸收性涂层。
11.权利要求1所述的湿度指示器，其中所述多个湿度指示区域中的每一个具有渐增量的溴化铜和溴化物盐，并检测从10%到50%的湿度。
12.权利要求11所述的湿度指示器，其中硫酸铜(II)和溴化钠反应产生所述溴化铜。
13.权利要求11所述的湿度指示器，其中染料为FD&C颜色。
14.权利要求11所述的湿度指示器，其中多个湿度指示区域具有从10%到50%的10%的间隔。
15.权利要求12所述的湿度指示器，其中溴化钠与五水合硫酸铜(II)的重量比从3:1到5:1。
16.权利要求12所述的湿度指示器，其中溴化钠与五水合硫酸铜(II)的重量比为3:1。
17.一种湿度指示方法，其包含：
在指示卡上提供用于检测从低到高排列的不同湿度的多个湿度指示区域，其中所述指示卡选自纸、贴纸、塑料片、聚合物膜和衬底材料上的吸收性涂层，其中每一区域包含溴化铜、染料、纤维素纤维和溴化物盐的混合物，其中所述多个湿度指示区域中的每一个与该多个湿度指示区域中的其它区域彼此不同地包含适量的溴化铜和适量的溴化物盐，且其中每一区域中溴离子与铜离子的摩尔比从7.5:1到12.2:1；
将所述指示卡带入包含某一湿度水平的环境中，由此低于该湿度水平的湿度指示区域改变颜色；
读取具有颜色变化的最高湿度区域处的湿度水平。
18.权利要求17所述的方法，其中所述区域在10%-50%的范围内以10%间隔检测湿度。
19.权利要求17所述的方法，其中所述染料为FD&C黄。
20.权利要求17所述的方法，其中所述卡为吸墨纸。
21.一种制备湿度指示器的方法，其包含：
提供溴化物盐、硫酸铜(II)、纤维素纤维和染料的溶液组，其中每一溶液的溴离子与铜离子的摩尔比从7.5:1到12.2:1；以及
将每一溶液流延在基底的分离区域上，其中所述基底选自纸、贴纸、塑料片、聚合物膜和衬底材料上的吸收性涂层，其中各溶液的溴化物和硫酸铜(II)的量改变，在不同的相对湿度下，每一分离区域改变颜色，且其中在所述组的每一溶液中，染料的量相同。
22.权利要求21所述的方法，其中意欲检测低湿度的每一区域含有的溴化物盐和硫酸铜(II)的浓度比意欲检测高湿度的区域中存在的浓度更低。
23.权利要求21所述的方法，其中意欲检测高湿度的每一区域含有的溴化物盐和硫酸铜(II)的浓度比意欲检测低湿度的区域中存在的浓度更高。
24.权利要求21所述的方法，其中所述基底为吸墨纸。
25.权利要求21所述的方法，其中溴化物与铜的摩尔比为7.5:1。
26.权利要求21所述的方法，其中所述的溶液组检测从10%到50%的湿度。
27.权利要求21所述的方法，其中所述的溶液组在10%到50%范围内以10%间隔检测湿度。
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