CN105163845B - 用于调节环境水分的组合物、其制备方法和其在调节环境水分中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水分调节的凝胶形式的组合物，该组合物由氯化镁、选自羟丙基甲基纤维素和甲基羟乙基纤维素的纤维素和水组成，其中氯化镁和所述纤维素的量(重量)之间的比在0.1与16之间；本发明还涉及一种该组合物的制备方法和该组合物在调节环境水分中的应用。

Description

用于调节环境水分的组合物、其制备方法和其在调节环境水 分中的应用
技术领域
本发明涉及一种用于在密闭环境(例如包装、容器、箱子、或者甚至鞋子)中调节水分的组合物。
背景技术
已知的是，由于形成真菌、霉菌、异味或凝结，过量水分的存在能够影响多种产品的状况。
同时，环境太干燥对其他材料有害。在这些条件下，例如，木制乐器的状态会受到影响，以及食品和香料的味道和香味会改变。
为了减少在密闭体系中的水分，通常使用一般应用于透气袋的除湿材料。最常用的除湿材料包括硅胶，活性粘土和吸湿的盐。
然而，使这些材料不适合用作水分调节剂的限制很多。首先，即使在不必要时它们也捕获水分(直到它们完全饱和)，具有使环境过于干燥的风险。
第二个限制是一旦达到最大吸收它们差的再生能力或没有再生能力(即水分释放)。在这些情况下，它们变得无法使用，且重新激活它们必须将它们加热到超过100℃，导致高能耗且在使用方面差的实用性。
其中一些材料的第三个限制是它们潮解，这一现象在于固体吸湿盐吸收水分后形成水溶液。此外，所述溶液可含有对要保护的材料具有潜在腐蚀性的离子。
为了解决这个问题，已知有多种构思，其中将吸湿盐的颗粒与增稠物质混合。然而，有机增稠剂(如改性淀粉或糖)具有对细菌生长的发展和增殖来说是优良的营养这一不幸的缺点，特别是如果大量使用时。
一个重要的方面是，大多数上面提到的除湿产品不能与食品直接接触使用。对于这个问题的解决方法可能是使用合适的包含除湿材料的保护膜。然而，在这种情况下，吸湿速度不可避免地被减小，且同时产品的最终成本增加。
除上述以外，为了提高在干燥体系中的水分含量，通常使用加湿器不断释放水分直到水分完全耗尽。正如对于干燥剂的描述一样，在这种情况下，这个过程也是不可控的，具有从过度干燥的环境过渡到过度潮湿的环境的风险。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种新的水分调节材料，所述材料具有高的根据使用要求保留或释放水分的能力，在所有的工作条件下不发生潮解现象，具有快速的再生能力，并且可以与食品直接接触使用。
所述目的可通过本发明实现，本发明涉及一种根据权利要求1的水分调节材料和一种根据权利要求4用于制备水分调节材料的方法。由于所述水分调节剂由保持其形状的稳定凝胶形式的固体材料组成，因此它不需要任何容器，如箱子或袋子，从而促进了它的使用。
附图说明
下面将参考附图详细描述本发明，其中：
图1示出了在实施例3中进行的测试的结果；
图2示出了在实施例4中进行的测试的结果；
图3示出了在实施例6中进行的测试的结果；
图4示出了在实施例7中进行的测试的结果；
图5示出了实施例8的与现有技术体系比较分析的结果。
具体实施方式
本发明第一个实施例提供了一种用于水分调节的保持其形状的稳定凝胶形式的组合物，该组合物由氯化镁、选自羟丙基甲基纤维素和甲基羟乙基纤维素的纤维素和水组成，其中氯化镁和所述纤维素的量(重量)之间的比在0.1与16之间，优选地在0.5与4之间，更优选地等于1。
术语“用于水分调节的组合物”表示组合物能够在第一步骤中吸收环境水分，然后在第二步骤中在环境温度下将其释放，而无需使用烘箱或高温。
如此得到的组合物为保持其形状的稳定凝胶形式，并且能够在极端的相对湿度条件下吸收水分多达高于250％(重量)。
有利地，选择用于上述组合物的特定的盐和特定的胶凝剂允许获得不具有氯化物典型的潮解且在吸收前后不改变其外观的水分调节剂，其在应用方面有巨大优势。此外，它只由食品部门FDA批准的组分组成，因此所述组合物可用于直接与食品接触，或作为涂层用于食品包装材料。
另外，由于氯化镁被广泛地用作食品补充剂且上述纤维素通常在制药工业中用作药片和胶囊的糖衣，因此本文描述的水分调节剂是可食用的。
优选地，所述组合物可以原样使用或者可选地可以在水分可透过的包装(例如容器或袋子)内使用。
本发明的第二个实施例提供了一种用于制备上述组合物的方法。
在现有技术中，包括吸湿盐和纤维素的组合物的制备方法是已知的，例如在US7326363和US 7927655中所说明的。
第一个专利包括将少量的纤维素加入到预先制备氯化钙溶液中(溶液中的方法)。如在该专利中所强调的，所述方法具有产生高度不均匀样品的缺点，且有块状物的存在，这就需要在制备过程中采取各种防范措施(纤维素的最小渐进剂量，溶液的雾化等)。因此，与本发明的合成方法相比，所述方法效果欠佳，成本更高，且在能量方面不利。
为了克服在合成过程中存在的样品不均匀的缺点，现有技术提出了如在US7927655中所示的第二种干燥方法。所述方法包括将两种固体组分混合，然后在人工气候室中调节。所述调节需要两个不同的步骤：第一步具有高湿度水平，例如RH＝90％，第二步具有低湿度和高温度，因此合成时间大致加倍。
本发明的方法克服了上述缺点。
第一步在于制备通过将氯化镁溶解在水中得到的溶液。将由此得到的溶液加热到高于50℃，优选70℃的温度。加热后，搅拌加入粉末状的纤维素。由此得到的溶液然后骤冷至低于10℃，优选低于5℃的温度。然后根据最终的应用，将得到的凝胶在人工气候室中在所需条件下进行调节。
有利地，不像迄今所用的方法，在添加胶凝剂之前，通过将溶液加热至高温可以得到非常均匀且可以使用的不受潮解的溶液。而且所述制备方法比现有技术中已知的干燥制备方法更便宜且更快。
由此获得的产物可以用于多种应用中以调节环境(如内包装，容器，箱子或甚至鞋子)中的水分。
有利地，本发明的组合物中可以加入与期望用途有关的其他添加剂，例如香料和抗菌物质。
本发明的其他特点将在下面的一些说明性和非限制性实施例的描述中变得明显。
实施例1
组合物的制备
如下所述制备了组合物的各种样品。
已知量的盐溶解在10ml的软化水中。然后将得到的溶液在水浴中加热至约70℃的温度。在搅拌棒搅拌下加入1g粉末状的羟丙基甲基纤维素(HPMC)，由此得到的混合物在冰浴中骤冷至5℃的温度以确保快速胶凝化。
下表1示出了调节前用于制备样品的量。
表1
样品 水(g) 氯化镁(g) HPMC(g) 氯化镁/凝胶
C0.1 10.0 0.1 1.0 0.1
C0.5 10.0 0.5 1.0 0.5
C1 10.0 1.0 1.0 1
C2 10.0 2.0 1.0 2
C4 10.0 4.0 1.0 4
C8 10.0 8.0 1.0 8
C16 10.0 16.0 1.0 16
由此得到的样品在受控大气中被调节以得到特定用途所需的特性。
如果所述调节剂必须保护材料以免受高湿度条件的影响并避免例如真菌、霉菌、异味或凝结的形成，那么调节参数可具有23℃的温度和40％的相对湿度。所述调节后样品具有表2中所列的组成。
表2
样品 水(％) 氯化镁(％) 增稠剂(％) 氯化镁/凝胶
C0.1-低 34 6 60 0.1
C0.5-低 40 20 40 0.5
C1-低 54 23 23 1
C2-低 58 28 14 2
C4-低 61 31 8 4
C8-低 64 32 4 8
C16-低 66 32 2 16
反之亦然，如果所述调节剂必须保持高湿度的条件，例如在烟草的装运和保存中，那么调节参数可具有30℃的温度和90％的相对湿度。所述调节后样品具有表3中所列的组成。
表3
样品 水(％) 氯化镁(％) 增稠剂(％) 氯化镁/凝胶
C0.1-高 64 3 33 0.1
C0.5-高 76 8 16 0.5
C1-高 82 9 9 1
C2-高 85 10 5 2
C4-高 87 10 3 4
C8-高 87.8 10.8 1.4 8
C16-高 88.4 10.9 0.7 16
在表2和表3中的后缀“低”和“高”确定样品中所含的水量，根据由特定应用所决定的两个不同的调节。
实施例2
最大吸收测试
当经受高湿度条件时，对表2中的样品关于它们的最大吸收能力进行了分析。该测试通过将样品放置在40℃且相对湿度值为75％的人工气候室中来进行。所得结果示于表4。
表4
样品 吸收(％)
C0.1-低 20
C0.5-低 39
C1-低 47
C2-低 52
C4-低 55
C8-低 57
C16-低 58
从所得的结果中可以看出吸收的水蒸汽的量随着氯化镁的量的增加而增加。
吸收数据的增加与氯化镁的量的增加不是线性关系，因为后者决定了起始体系中胶凝水的量的增加。
实施例3
在温和的条件下进行循环测试以模拟其中使用时间比再生时间短的应用
对表2中的样品C0.5-低关于其在温和的条件下吸收水分的能力和在大气条件的再生能力进行分析。该测试通过将样品放置在40℃且相对湿度为75％的人工气候室中8小时，然后在空气中再生16小时来进行。选择这些条件以模拟作为干燥剂相对较短的使用条件(8小时)，和较长的再生阶段(16小时)。
测试以循环的方式(5个周期)来进行以评估体系的使用可重复性和连续性。所得结果示于图1。
从图1中可以看出，体系在环境干燥阶段(8H各)能够吸收40％的水分。所述值等于吸收水分的最大可能量(见表1)，表示在环境条件下极好的响应速度。
在使用过程中，这种环境的快速调节得益于本发明。
在再生过程中，在环境条件下16小时后，体系能够回到起始状态(完全再生)。应当注意的是体系在每个分析周期中具有相同的吸收和再生行为，突出一种极端的可逆性。
实施例4
在严格条件下进行循环测试以模拟其中使用时间比再生时间长的应用
对表2中的样品C0.5-低关于其在压力条件下吸收水分的能力和在大气条件的再生能力进行分析。该测试通过将样品放置在40℃且相对湿度值为75％的人工气候室中16小时，然后在空气中再生8小时来进行。与在前一个实施例中所观察到的相反，选择这些条件以模拟相对较长的使用条件(16小时)和较短的再生阶段(8小时)。
同样，在这种情况下，测试循环进行(5个周期)以评估体系的使用可重复性和连续性。
所获得的结果示于图2。
同样，在这种情况下，从图2中可以看出，体系在第一个周期中能够吸收大约40％的水分。正如前面所观察到的，所述值等于吸收水分的最大可能量(见表1)。
体系在较短的再生(8小时)后能够回到起始状态(完全再生)。所述数据突出了体系在短的时间内能够再生，从而优化其使用。
在图2中可以看出体系在每个分析周期中具有相同的吸收和再生行为，突出一种极端的可逆性。
大体上，从示出的实施例中得出，无论使用条件温和还是严格，所述体系可以被使用多次而不改变其特性。
实施例5
最大解吸测试
对表3中示出的样品关于它们当经受干燥环境时释放水分的最大能力进行了分析。该测试通过将样品放置在23℃且相对湿度为40％的人工气候室中来进行。所得结果示于表4。
表4
样品 解吸(％)
C0.1-高 45
C0.5-高 59
C1-高 61
C2-高 64
C4-高 65
C8-高 66
C16-高 66
同样，在这种情况下，解吸的水蒸汽的量随着氯化镁的量的增加而增加。解吸数据的增加与氯化镁的量的增加不是线性关系。
实施例6
在温和的条件下进行循环测试以模拟使用时间比再生时间短的应用
对表3中的样品C0.5-高关于其在温和的使用条件下释放水分的能力和在高相对湿度下的再生能力进行分析。该测试通过将样品放置在23℃且相对湿度为40％的人工气候室中8小时，然后再生16小时(T＝30℃,RH＝90％)来进行。所得结果示于图3。
与在实施例3和4中所讨论的相反，在这种情况下，体系被用作加湿器，由于水分在干燥环境中释放，因此，在使用阶段表示重量损失(而不是增加)。
通常，可以看出，在样品循环使用中(5个周期)，其能够与环境交换数值等于其重量36％的水分。另外，在第一个使用周期中，样品显示出相对于平衡值(36％)更大的加湿能力，稳定在50％左右的值。如在前面的循环测试中已经强调的一样，在这种情况下，体系仍保持其特性而不随时间改变。
实施例7
在严格的条件下进行循环测试以模拟使用时间比再生时间长的应用
对与前面的实施例相同的样品C0.5-高关于其在压力条件下释放水分的能力和在高相对湿度下的再生能力进行分析。该测试通过将样品放置在23℃且相对湿度为40％的人工气候室中16小时，然后再生8小时(T＝30℃,RH＝90％)来进行。所得结果示于图4。
在这种情况下，在严格的条件需要短的再生和长的使用的情况下，样品显示出相当大的除湿能力。事实上，样品能够与环境交换达到数值等于28％(重量)的水分。
同样在这种情况下，在第一个使用周期中，样品显示出相对于平衡值(28％)更大的加湿能力，稳定在57％左右的值。
如在前面的循环测试中已经强调的一样，在这种情况下，体系仍保持其特性而不随时间改变，无论使用条件温和还是严格。
实施例8
与已知技术的对比测试：在密闭环境中的水分调节
根据本发明在实施例1中所阐述的及表1中的配方制备水分调节剂C1样品。然后在23℃且相对湿度为40％的条件下调节样品以用作高的环境湿度值的水分调节剂。
将矩形且尺寸为5x4x0.2cm3的10g调节样品置于具有封口按扣和1.5升的内部容积的塑料箱(下面称为C1箱)中，用数据记录器验证内部温度和水分条件。通过混合95％的MgCl2和5％的羟乙基纤维素制备现有技术中代表性的除湿材料，如在WO2005087364中所描述的。将10g该粉末混合物放入含有T-RH数据记录器的第二塑料箱(下面称为除湿箱)，和前面的情况一样。准备只包括T-RH数据记录仪而没有任何干燥剂或水分调节剂的第三塑料箱(下面称为参考箱)。
将C1箱、除湿箱和参考箱密封并放置在人工气候室中，相应的T-RH数据记录器每隔5分钟采集数据。
然后开启循环程序，该循环程序模拟温度和相对湿度的典型昼/夜波动。5天后停止实验；采集的箱子中的温度和相对湿度数据被记载在图5的曲线图中。
应当注意的是，只有本发明的主题水分调节剂(C1箱)在大偏差和小偏差的情况下均能够保持水分条件。事实上，当参考箱中的波动在35-55％的范围内时，样品C1显示出优异的水分控制，保持水分在44±1％的值。另一方面，除湿箱的样品大大降低了箱子中的水分，在实验的整个持续时间中保持水分稍低于10％，显然用作常规干燥剂，与本发明组合物所表现出的调节性能相差很大。
实施例9
力学性能的评估
本发明组合物的力学性能根据欧洲标准ISO 527-3用测力计评估。根据实施例1中所描述的方法合成样品并将其在23℃且相对湿度为40％的条件下或在40℃且相对湿度为75％的条件下进行调节。然后制成20×150mm，厚度为2.0mm的条。
将这些样品用两个合适的夹子放置在测力计上并经过100mm/min的持续拉伸直到断裂。所述实验允许计算杨氏模量和抗张强度，其示于表5。
表5
样品 杨氏模量(MPa) 抗张强度(MPa)
C0.1-低 10-100 1-10
C0.5-低 1.0–10 0.1–1.0
C1-低 0.1–1.0 0.01–0.1
C2-低 0.05–0.5 0.005–0.05
C0.1-高 0.1–1.0 0.01–0.1
C0.5-高 0.05–0.5 0.005–0.05
考虑所得到的结果，本发明的主题组合物的力学性能可以与凝胶状材料相比。

Claims (7)

1.一种用于制备组合物的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)将氯化镁溶解在水中以得到溶液；
b)将所述溶液加热至高于50℃的温度；
c)向所述溶液中加入选自羟丙基甲基纤维素和甲基羟乙基纤维素的纤维素；
d)骤冷至低于10℃的温度；
e)在人工气候室中调节，
其中氯化镁和纤维素的按重量计的量之间的比在0.1与16之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤b)在70℃的温度下进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤d)在低于5℃的温度下进行。
4.一种通过根据权利要求1-3中任一项的方法获得的用于水分调节的凝胶形式的组合物，所述组合物由氯化镁、选自羟丙基甲基纤维素和甲基羟乙基纤维素的纤维素和水组成，其特征在于氯化镁和纤维素的按重量计的量之间的比在0.1与16之间。
5.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于氯化镁和纤维素的量之间的比在0.5与4之间。
6.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于氯化镁和纤维素的量之间的比为1。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的组合物在调节环境水分中的应用。
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