CN106999293A - 用于生物机械装置的化学基热源和待加热的制品 - Google Patents
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Abstract
具有材料的能够被加热的制品，该材料具有在其中形成的多个空腔。该制品包括至少一个热源，该至少一个热源可嵌入该材料中形成的多个空腔中的至少一个。多孔材料片可在该材料上方可操作地与该制品接合使得该多个空腔被覆盖并且在其中容纳该至少一个热源。
Description
相关申请
无
技术领域
本发明整体上涉及热源和在其中嵌入热源的制品。更具体地，本发明涉及基本上干燥的氧激活热源和可热成形的制品，该可热成形的制品具有在其中嵌入或植入(engrain)的热源。
发明背景
当向可热成形的制品施加热量来源时,它们典型地变成可模塑的或可成形的。在一些已知的制品中，该制品可包括有热源或类似物或者可与热源或类似物连接。例如在充电电池公司悬而未决但未公开的申请中，公开了夹板形式的可热成形的制品，其中该制品包括连接至该制品外部的热源。虽然将该热源附着至制品的外部提供了令人满意的结果(特别是用于较薄或较小的制品)，但是由表面热源所得的制品的加热可能是不均匀的并且可能不会迅速地、显著地渗透该制品。这可导致较长的加热时间，没有用于模塑的均匀加热的制品，并且还可导致较高的模塑温度，而这又可引起较长的固化时间或对制品的损坏。另外，仅在制品的外表面上设置热源意味着仅一部分由热源产生的热被传输至仅一部分的该制品。对于较厚的制品而言，热可能不会成功地遍及该制品传递热，其引起该制品的至少一部分保持静态而其余部分是可模塑的。
用于可热成形的制品的热源典型地是氧激活热源如在充电电池公司悬而未决但未公开的申请中描述的那些。除了使用该氧激活热源用于可热成形的物体之外，它们可具有大量其他用途，例如加热食物和作为手、足或身体取暖器。典型地使用湿法采用包括锌、碳、任选的粘结剂和水的材料来制造已知的氧激活热源。将热源混合物压成片材并且在烘箱中干燥。随着在烘箱中水从该片材蒸发，在该片材内产生空隙。在导致锌和氧之间的反应的热源后续激活过程中，该空隙提供对于以有效方式接触锌所需要的孔隙率。
湿法具有至少一个关键的优势：因为湿法产出具有充分的结构完整性的热源片，所以可以以各种方式处理、设置和利用热源片。然而，虽然产生令人满意的热源，但是湿法在制备和干燥两方面是耗费时间的，且干燥为制备工艺中的主要瓶颈。额外的时间使制备生产能力下降并提高成本。
湿法的替代是干法，在干法中不使用或基本上不使用水来制备热源。然而，不存在用于制造所发展的热源的干法，其可与湿法热源的机械完整性和性能相似。
因此，如果可使用基本上或完全去除水和一旦构造就干燥热源的任何必要性的干法来制造氧激活或化学热源，将会是有利的。
还将有利的是产生可热成形的制品，其与热源以允许热源和制品之间更有效的热交换并确保尽可能迅速地均匀加热整个制品的方式结合。
提供本发明以解决这些和其他问题。
发明内容
本发明针对热源和制品，该制品具有嵌入该制品内的热源。该热源可为使用干法制造的氧激活或化学热源，其导致具有的性能与使用湿法制造的热源的性能相似的热源。
根据本发明的一个方面，提供能够被加热的制品。使用材料形成该制品，该材料包括在其中形成的至少一个空腔。该制品还包括至少一个热源，该至少一个热源嵌入在该材料中形成的多个空腔的至少一个中。该制品最后具有可操作地与该材料接合的多孔材料片使得该至少一个空腔被该多孔材料片覆盖并且在其中容纳热源材料。为了使表面积最大化并且提供必要的空腔，可以以特定的构造或方式(例如蜂窝构造)来成形该材料。
形成该制品的材料可为非可热成形的材料或可热成形的材料(伴随由使该可热成形的材料可模塑的热源产生的任何热。该材料还可为织造或非织造材料。
该制品包括的热源还可为形成化学或氧激活热源的热源混合物。该热源混合物的至少一部分可嵌入一个、一部分或全部的多个空腔中。这些空腔在制备和使用过程中起限制该热源混合物的作用。例如，如果在激活之后切割或修整该制品，则使可用于释放的热源混合物的量最小化。该空腔还提供额外的表面区域用于将热传递至该制品。该热源混合物还可包括在其中包括的电解质以便触发激活。可将制品密封在气密容器内以便防止氧或一些其他化学品接触该热源，并且当使用可热成形的材料时，该制品可包括基本上围绕并隔绝该可热成形的材料的隔绝体材料。
还可使用一种或多种方法激活热源或者可替代性地使用一种或多种方法激活热源。例如，可使用微波或感应法激活热源。
当使用干法被构造为化学或氧激活热源时，该热源混合物可包括锌、碳和粘结剂，以及小于该热源总重量的2％的一些量的水。该热源混合物还可包括电解质、粘结剂和/或填料。该热源混合物优选具有在0.5g/cm3和1.8g/cm3范围内的密度。
根据本发明的另一方面，该制品可为可修整的或可调节的(scalable)同时保持任何热源的大部分嵌入该制品中。
在阅读以下附图说明和本发明的详细说明时本发明的其他优势和方面将变得明显。
附图简要说明
图1显示由本发明设想的待加热的制品的一部分的透视图；
图2显示由本发明设想的待加热的制品的一部分的分解图；
图3显示密封在容器内的待加热的制品的透视图；和
图4显示由本发明设想的制品的加热和冷却的图形表示。
优选实施方案的详细说明
虽然此发明易于以许多不同形式实施，但是在这里基于如下理解来详细地描述了本发明的优选实施方案：本公开内容被认为是本发明原理的举例并且不意图将本发明的广泛方面限制为所说明的实施方案。
图1和图2显示如由本发明设想的能够被加热的制品的示例性实施方案。制品10包括形成该制品的材料12。材料12包括在其中形成的至少一个空腔14。在图1和图2中多个空腔14显示为圆形开口的网络(见图1)和蜂窝构造(见图2)两者。然而应理解当提供多个空腔时，可以以任何形成物、尺寸或构造来构造该空腔并达到本发明的目的。在一种简单形式中，可仅存在一个空腔，其导致容纳热源内容物的槽(tray)。另外，空腔的分布不需要是均匀的。例如，在需要给制品的外边缘提供较多热时，空腔可为较大的以允许添加较多的热源材料。还可将空腔完全或基本上限制在仅一侧待加热的制品的一侧。
制品10还包括至少一个热源16(图2中显示为热源混合物)，该热源嵌入材料12的至少一个空腔14内。虽然仅以几个空腔显示，但是如对于特定制品或用途所需要的那样，至少一个或一部分热源可嵌入更少或更多的空腔中。对于许多应用而言，为了确保最快最有效的热传递，至少一个热源(或如将在这里讨论的一部分热源混合物)可嵌入每个空腔中所以整个制品基本上同时被均匀地加热。当然嵌入每个特定空腔或空腔区域中的热源的量可变化。例如，嵌入位于周长部分或边缘(例如周长21)中的空腔中的热源的量可大于嵌入位于中间部分或区域(例如中部23)中的空腔中的热源的量。由本发明可实现嵌入的热源的其他构造或量，例如具有在其中嵌入更多或更少的热源的不同的特定区域、侧或空腔。
为了保持一个或多个热源16或热源混合物的任何部分，制品10还可包括至少一个多孔材料片18，其可基本上覆盖材料12并设置在材料12上方，在空腔14的顶部上方。可构造该多孔材料片以在需要时允许氧和电解质流体中的一者或两者经过该片并到达制品或热源。除了允许氧和电解质穿过之外，多孔材料片可允许沿着轴n(例如该制品的窄轴)修整该制品，同时该至少一个空腔或多个空腔保持大量的位于该制品待使用部分中的热源。保持大部分的热源(例如95％或更多)将允许修整的制品产生用于制品剩余部分的任何必需或所需量的热。可调节性将允许在原位或当需要时设计制品并且然后调节制品的尺寸，而不是必须产生定制尺寸的制品。如将在这里进一步讨论的当与可热成形的材料配对时，可提供单个制品如夹板，其可被调节尺寸并成形以匹配相当大量的单体而不是需要购买定制尺寸的夹板或携带具有不同尺寸的多个夹板。
还如图1和图2中所示，制品10还可包括隔绝体材料20，其围绕并覆盖至少一部分的制品10和材料12。该隔绝体材料可粘附至制品10的单侧或部分，例如可接触使用者皮肤的底部或部分或者充当媒介物的一些其他材料。或者，该隔绝体可基本上完全围绕(除了多孔材料)、或平均地围绕，或在一些情况下可成形为多孔材料。该隔绝体材料例如可为毡或其他织物材料，其可为至少局部柔性的，同时提供在该制品与该制品所附着的本体的接触表面之间的热阻挡体。
取决于特定制品，在该制品中利用的材料可为织造和/或非织造材料，并且可为可热成形的或非可热成形的材料。在本发明的一个实施方案中，材料12可为可热成形的材料，一旦一个或多个热源16在制品10内被激活，该可热成形的材料为响应由该一个或多个热源产生的热可变成可模塑的或有延性的。可热成形的材料(其可用作形成一部分制品的材料)可包括例如聚乳酸、乙烯醋酸乙烯酯、聚己内酯、聚羟基丁酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、及其任何组合。设想该可热成形的材料可任选地含有填料以使成本最小化和/或改进机械性质例如模量。还可采用能够改进材料的热导率的填料。在可热成形的材料被用于该材料时，应构造该可热成形的材料和一个或多个热源使得在大约90秒内由热源将该可热成形的材料加热至可模塑状态。一旦加热，从激活时间开始的小于10分钟内该制品和热源的温度应降低至小于模塑该可热成形的材料所需的温度。在热源激活的十分钟内，应将由热源产生的并在该制品中保持的热下降至该材料不再是可模塑的并且处于基本上静态的已模塑情况的点(其中该制品已返回到所需水平或刚度)。
虽然在图1和图2中显示加热的制品的一部分，但是本发明设想可以以任何所需方式构造用于形成制品的一部分的材料(不论是可热成形的还是其他方式的)。例如，材料12可成形为夹板、衬套、短袜、手套、衬衫或衬衫的一部分、背心、裤子、裤子的部分或单个裤腿、帽子或其他头饰或者帽子或其他头饰的部分、个人穿戴的盔甲或盔甲的一部分、固定器或固定器的部分、假肢或假肢的部分、或外骨骼装置。
取决于制品的用途和材料及所需性质，嵌入的一个或多个热源可具有不同的特性和形式。例如，如果该热源和制品的主要目的是为本体提供热，则可构造并设计嵌入制品内的一个或多个空腔中的一个或多个热源来保持激活较长时间段。然而，如果在制品中使用的材料是可热成形的并且意图将该制品作为可热成形的制品，或如果该热源仅意图提供持续少量时间的热，则该热源可迅速地提高和降低热制备。温度的迅速提高和降低可允许任何可热成形的材料达到可模塑温度并且允许该材料在基本上成形的情况和状态下迅速地冷却。
无论该材料是否为可热成形的，可将热源16构造为热源混合物或化学混合物，当引入额外的化学品或刺激时其可反应以产生热。例如，可将热源16构造为充当氧激活热源的热源混合物(使用基本上干法制造)。在制品10中使用氧激活热源时，可包括气密的或不可透过空气的外部容器或袋状物22(在图3中显示)以便防止不想要的或过早的热源激活。虽然优选氧激活热源，但是设想可以以其他方式(例如使用微波或感应加热)来激活热源16。
为了使用干法制造氧激活热源或热源混合物，可混合和组合化学品或化合物的组合。该热源混合物例如可为具有以下的混合物：大约70.0％-90.0％并且更特别是大约80.0％的锌或对氧为反应性的其他化学品，大约5.0％-15.0％的碳，大约0.0％-20.0％的充当任选的粘结剂的聚四氟乙烯(“PTFE”)和大约0.0％-5.0％的水(具有不大于5％的水)。可任选地将填料添加至混合物以提高该热源混合物的密度。锌或其他氧反应性化学品、碳、任何任选的粘结剂、任何任选的填料和任何水的组合应在0.5-2.0g/cm3的体密度范围内。
虽然由于锌的一旦被暴露至氧并被激活就迅速地提供大量热的能力，锌是热源内的优选活性化学品，但是设想可利用其它化学品，包括但不限于铝、铜或铁。对于任选的粘结剂而言，不是或除了PTFE之外可使用聚乙烯。当包括任选的填料以改变热源混合物的密度时，该任选的填料可为锯屑、木浆、纸产物、棉籽绒、磨碎的种子或坚果壳或产物、膨胀珍珠岩、蛭石、硅藻土、开孔聚氨酯泡沫、聚丙烯酸、空心珠或球、或其一些组合。
可将每种化学品或化合物提供至混合器(例如旋转混合器)中并且混合持续一段时间以便组合每种组分。因为使用完全或基本上干法构造混合物，所以不存在在烘箱中干燥该混合物的需求。
为了一旦引入氧就激活热源，该热源混合物可包括电解质，一旦组合化学品和化合物，就可将该电解质添加至该混合物。对于没有用电解质制造的热源，可在将热源设置在例如这里讨论的制品的空腔中之后添加电解质。可将该电解质直接添加至一个或多个热源，或在多孔部件装在该热源和包括热源的任何制品上方以后，可经过该多孔部件或类似物添加该电解质。无论是被包括在热源混合物中还是随后被添加，可使用的电解质包括但不限于氯化钠、溴化钠、氯化钾、溴化钾或氢氧化钾。添加至热源混合物的电解质的优选的量在该热源混合物的15重量％－40重量％范围内。例如，对于10g热源混合物，优选具有30％装料，其需要大约3g的电解质。与热源混合物一起使用的电解质的浓度应在溶液的1重量％－40重量％范围内。
就任何热源或热源混合物来说，添加至每个特定空腔或空腔区域的电解质的量可变化。按照以上实例，添加至嵌入位于周长部分或边缘(例如周长21)中的空腔中的热源的电解质的量可大于添加至嵌入位于中间部分或区域(例如中部23)中的空腔中的热源的电解质的量。可基于每个空腔中的热源的量选择添加至每个空腔或空腔区域的电解质的量，或可选择添加至每个空腔或空腔区域的电解质的量以引起对于制品中的特定空腔或区域的所需结果或加热时间。可改变添加至任何特定空腔或空腔区域的电解质的浓度，而不是将较多或较少的电解质添加至特定的空腔或区域。可将具有较高浓度(例如溶液的40重量％)的电解质添加至沿着周长21的空腔，同时可将具有溶液的20重量％的浓度的电解质添加至位于中部23中的空腔。一旦组合热源混合物和添加任何电解质，如果在没有制品的情况下该热源混合物将被用作独立的热源，则该热源可封装在不可透过空气或气密的容器中。该容器可包括内部的分隔或间隔以防止热源混合物的移动，并且可由以下构造该容器：聚乳酸、乙烯醋酸乙烯酯、聚己内酯、聚羟基丁酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其组合。装有独立的热源的任何封装的至少一部分应拥有具有至少10W/mK的热导率的材料以便一旦激活热源就供给令人满意的热传递。该封装还应供给撕裂处(tear away)或其他接入点以允许热源混合物暴露至氧以便激活该热源。该独立的热源封装还可包括至少一个将允许该热源附着至本体或装置的附着元件。该附着元件可为允许该热源直接附着至本体或装置的物理元件如夹子或针，或可为胶黏剂或允许该热源连接至本体或装置的其他涂层。该封装还可为柔性的以便允许控制热源从而实现特定的形状或构造。
如果该热源混合物不是意图用在如那些在这里讨论的制品中，则可按以下构造该制品。应再一次理解虽然将使用可热成形的夹板作为实例，但是可以以相似的方式构造非可热成形的材料和夹板以外的制品。首先可设计并构造材料，例如成形为具有蜂窝表面的夹板的可热成形的材料。接下来，可使用热源混合物来覆盖并填充该蜂窝表面或构造，在每个空腔中设置该热源混合物。可去除过量的热源混合物使得在空腔内均匀地形成该热源混合物。然后可将该多孔材料片设置在蜂窝表面上方并且与蜂窝表面粘附以便固定热源混合物并防止其漏出。如果热源混合物不包括任何电解质，则可经过该多孔材料片将电解质添加至该热源混合物。然后该制品可具有附着至该制品的任何隔绝，并且然后被封装在不可透过空气或气密的容器中直至可供使用。
操作中，一旦从不可透过空气或气密的封装去除该制品，热源混合物与电解质的组合将使热源开始加热。如果形成部分制品的材料不是可热成形的材料，则将传输热至制品并且经过该制品。如果形成部分制品的材料是可热成形的材料，应向该可热成形的材料提供足够的热以使该材料在非常短的时间段内是可模塑的，优选180秒或更少，更优选90秒或更少。例如，如果该制品是夹板，该夹板将优选在约90秒内变成可模塑的使得其可迅速成形至本体。由热源产生的热应迅速地消散并且然后该热源应冷却下来并使该制品处于如所需的基本上静态的成形型材。因为热源嵌入制品内，所以遍及材料和制品的热传递将是较快、较有效并较一致的，从而允许较好和较快的制品模塑。
图4显示由附着至图1中描述的制品中部的热电偶产生的加热曲线。此实例中的热源混合物由80.6％的Zn、8.6％的碳、9.8％的PTFE和1.0％的H2O组成。该热源混合物加入有30％热源重量的量的25％溴化钠溶液作为电解质。在此情况下由非晶聚丙烯酸聚合物(用热源混合物填充15％图案空隙体积)制作该制品，该非晶聚丙烯酸聚合物在大于其大约140℉的玻璃化转变温度时软化。干燥的热源混合物重量为30g，且该制品重量为45g。可见该制品和其嵌入的热源的最大温度在热源激活的两分钟内超过该聚合物的软化温度，并且大约五分钟后迅速地冷却至小于该转变温度以便使该可热成形的材料固化。
虽然在前述中已经列出本发明的各种实施方案，但是应理解可以以其他特别的形式实施本发明而不脱离其精神或中心特征。因此，将在所有方面认为本实施方案为说明性的而非限制性的，并且本发明将不限于这里给出的细节。虽然已经说明并描述了特别的实施方案，但是在没有明显脱离本发明的特征的情况下可想到许多改变并且仅由所附权利要求的范围限制保护的范围。
Claims (32)
1.能够被加热的制品，该制品包含：
形成该制品的材料，该材料在该材料的表面中具有至少一个空腔；
至少一个热源，该热源嵌入该材料的表面中的该至少一个空腔中；和
多孔材料片，该多孔材料片可操作地与该材料接合使得该至少一个空腔被覆盖并且在其中容纳该至少一个热源。
2.权利要求1的制品，其中形成该制品的该材料是可热成形的材料并且由热源产生的热使该可热成形的材料可模塑。
3.权利要求1或2的制品，其中该热源是热源混合物，该热源混合物为氧激活热源，并且该热源混合物的至少一部分嵌入该至少一个空腔中。
4.权利要求3的制品，还包含电解质，该热源混合物包括有该电解质。
5.权利要求4的制品，其中该电解质包含来自包含以下的组中的一种或多种：氯化钠、溴化钠、氯化钾、溴化钾或氢氧化钾。
6.权利要求4或5的制品，还包含气密容器，该气密容器被密封在该制品周围以防止氧接触该材料。
7.权利要求4-6任一项的制品，还包含隔绝体材料，该隔绝体材料至少局部围绕并隔绝该可热成形的材料。
8.权利要求2-7任一项的制品，其中该材料是来自包含以下的组中的一种或多种：聚乳酸、乙烯醋酸乙烯酯、聚己内酯、聚羟基丁酯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。
9.权利要求8的制品，其中该材料含有添加剂以改进该材料的热导率。
10.权利要求1的制品，其中该材料是来自包含织造和非织造材料的组中的一种或多种。
11.权利要求1-10任一项的制品，其中可使用微波激活该热源。
12.权利要求1-10任一项的制品，其中可使用感应加热法激活该热源。
13.权利要求3的制品，其中该热源混合物包括锌、碳和PTFE。
14.权利要求13的制品，其中该热源混合物包括电解质。
15.权利要求14的制品，其中该电解质包含来自包含以下的组中的一种或多种：氯化钠、溴化钠、氯化钾、溴化钾和氢氧化钾。
16.权利要求13-15任一项的制品，其中该热源混合物包括粘结剂。
17.权利要求16的制品，其中该粘结剂是来自包含聚四氟乙烯和聚乙烯的组中的一种或多种。
18.权利要求13-17任一项的制品，其中该热源混合物包括填料。
19.权利要求18的制品，其中该填料是来自包含以下的组中的一种或多种：锯屑、木浆、纸产物、棉籽绒、磨碎的种子或坚果壳或产物、植物微孔材料、膨胀珍珠岩、蛭石、硅藻土、开孔聚氨酯泡沫、聚丙烯酸和空心珠或球。
20.权利要求13-19任一项的制品，其中该热源混合物包括不大于2％的水。
21.权利要求13-20任一项的制品，其中该热源混合物具有在0.5g/cm3至2.0g/cm3范围内的体密度。
22.权利要求1-21任一项的制品，其中在该材料中形成多个空腔。
23.权利要求22的制品，其中以蜂窝构造来构造该多个空腔。
24.权利要求22或23的制品，其中该热源的一部分嵌入在该材料中形成的多个空腔的每个中。
25.权利要求24的制品，其中布置该材料、空腔、多孔材料片和热源的组合使得可沿着窄轴修整该制品并且该热源的大部分可保持在该多个空腔内。
26.权利要求24的制品，其中嵌入位于沿着该材料的周长部分或边缘的空腔中的热源的量比嵌入该材料的中间部分或区域中的空腔中的热源的量大。
27.权利要求24的制品，其还包含电解质，其中将该电解质添加至该热源。
28.权利要求27的制品，添加至位于沿着该材料的周长边缘或部分的任何热源空腔的电解质的量或浓度大于添加至位于该材料的中间部分或区域的任何热源的电解质的量或浓度。
29.权利要求1-28任一项的制品，其中该材料成形为以下一者：夹板、矫正器、衬套、短袜、手套、衬衫、背心或裤子。
30.权利要求2的制品，其中在大约90秒内该热源加热该可热成形的材料至可模塑状态。
31.权利要求30的制品，其中在小于10分钟内温度和热源降低至小于模塑该可热成形的材料所需的温度。
32.权利要求1的制品，其中如果沿着窄轴修整该制品，该制品将保持该热源的大部分在该至少一个空腔内。
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