CN110199004A - 放热的可膨胀的组合物 - Google Patents

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Abstract

一种可膨胀的放热的形成凝胶的组合物，其主要用于消费品和医疗工业。更具体地，其涉及可膨胀的颗粒状的放热的形成凝胶的组合物的使用，该组合物具有有效和持久的产热，用于加热表面和物体而无需电力或可燃燃料。

Description

放热的可膨胀的组合物
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2016年12月13日的美国临时申请62/433,766号的优先权，通过引用，犹如逐字陈述地将其内容整体并入本申请。
技术领域
本公开总体上涉及放热的组合物，其主要用于消费品和医疗工业。
背景技术
在许多应用中需要能够产生热而不使用电力或燃烧燃料。在化妆品工业中，需要热以将各种化妆品施用于皮肤和头皮。在医学界，热的应用在物理治疗、整形外科、伤口愈合、关节炎治疗等中是重要的。在消费品中，当其他加热方式不方便或不可用时，需要能使食物和其他物质保持热以及初步地加热它们。
在这些应用中使用放热的化学反应已被描述过。例如，至少从1973年以来，军方已经使用“无焰加热装置”来在野外加热军粮。这些装置呈由镁阳极、碳电极和电解质盐组成的“热薄片”的形式。最近，军方开发了一种拆卸的军粮加热装置(dismounted rationheating device，DRHD)，该装置利用由捕获在半固体聚乙烯基质中的镁-铁合金颗粒组成的化学加热垫(参见例如美国专利4,522,190号)。
已经描述了在化妆品工业中产生热的金属合金颗粒的其他示例,其与纸基的“绒(fluff)”一起用作吸收材料。然而，这种系统具有相对低的能量潜力，因此表现出短时间的放热反应，以及不均匀的加热。
因此，需要可以用来以方便的形式产生热的组合物，该形式是安全、均匀、可控和持久的。因此，需要解决本领域中的这些问题和其他问题。
发明内容
提供以下简化的发明内容以提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解。本发明内容不是全面的概述，并且不旨在标识关键/重要元素或描述所要求保护的主题的范围。其目的是以简化形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
在一个实施方式中，提供了一种可膨胀的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物，其包括第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒(或至少两种不同的金属电偶合金颗粒，其可选地合金化在一起)。在其他实施方式中，可以提供两种以上不同的金属电偶合金颗粒。由至少一种过渡金属组成的金属次级壳层；和高吸水性聚合物；其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒(或两种或更多种不同的金属电偶合金颗粒中的每一种)、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合；其中当形成凝胶的组合物暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。在一些实施方式中，第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合实现电接触。在一些实施方式中，从与高吸水性聚合物混合的第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒形成粉末混合物。预定的持续时间可以从几分钟(例如，5分钟)到几个小时(例如，8小时)，但可以是任何期望或需要的持续时间。在本公开中，与持续时间相连使用的术语“预定”可以是基于相应组合物已知的或预期的，但不是在每个实例中确定的或者是用户必须知道的，除非明确地限定其如此。
要求保护的组合物提供气体抑制，例如氢气抑制，或对通常由底层放热反应产生的气体进行抑制，使得这些气体不会逃逸出形成的组合物(指反应过的、反应中的、形成的、凝胶/泡沫的、膨胀中的或已膨胀的、放热的等的组合物)或它们的逃逸被抑制达本文讨论的显著程度。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在一些实施方式中，活性炭与组合物一起使用，作为气味吸收剂。活性炭可以按组合物的约2％至25％的量存在。活性炭可包括石墨材料、各种粒径的其他碳粉的组合。
在一个实施方式中，可膨胀的放热的组合物可包含两种或更多种不同的金属颗粒，每种金属颗粒具有不同的氧化电位。可以包括金属次级壳层，其具有至少一种过渡金属。可以包括高吸水性聚合物。第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物可以彼此混合(例如，混合成均匀的粉末混合物)，当形成凝胶的组合物暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，以产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在通常包括的实施方式中，提供一种可膨胀的放热的组合物，其包含：第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒(或至少两种不同的金属电偶合金颗粒，其可选地合金化在一起)；高吸水性聚合物；和高锰酸钾或高铁酸钾；其中，第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒(或者两种或更多种不同的金属电偶合金颗粒中的每一种)、高锰酸钾或高铁酸钾，和高吸水性聚合物彼此混合；其中，当组合物仅暴露于水和电解质时，随着组合物水合而膨胀，以产生放热反应，并产生热达预定的持续时间。在某些实施方式中，第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒包含MgFe和MnO2。通常，在放热反应过程中，约37％至约93％的，或者93％以上的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在另一个实施方式中，提供了一种可膨胀的放热的组合物，其包含：与高吸水性聚合物混合的氧化锰；并且其中，当组合物仅暴露于含水溶液时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，以产生放热反应并产生热达预定的持续时间。在一些实施方式中，氧化锰是二氧化锰。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在一些实施方式中，组合物膨胀以形成硬泡沫。在一些实施方式中，随着组合物水合，组合物蓬起。在一些实施方式中，含水溶液是过氧化氢，缓冲剂是压缩海绵和/或粘土颗粒混合的混合物。关于这一点的实施方式，该实施方式的组合物可以膨胀以形成硬泡沫。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
还提供了套件，例如一种套件，其包含：容器；根据前述权利要求中任一项所述的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物；含水活化剂溶液，其中高吸水性聚合物可以起作用来吸收含水活化剂溶液，以使形成凝胶的组合物随着形成凝胶的组合物水合而膨胀；和操作指南，其说明了在没有空气的情况下组合物与含水活化剂溶液接触时被活化以产生热达预定的持续时间。
在另一个实施方式中，提供了一种可膨胀的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物，其包含：第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒，其包含镁和铁；金属次级壳层，其由至少一种过渡金属组成，所述过渡金属包含二氧化锰；和高吸水性聚合物，其包含聚丙烯酰胺钠；其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合；其中，当形成凝胶的组合物暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在另一个实施方式中，提供了一种可膨胀的放热的组合物，其具有第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒，该电偶合金颗粒包含镁和氧化锰(即，由此该电偶合金颗粒不包括铁)。可以包括高吸水性聚合物和碳颗粒。第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、高吸水性聚合物和碳颗粒可以彼此混合。该组合物随着组合物与水水合而膨胀，不需要诸如盐的电解质包含在水中。使组合物水合能够产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在另一个实施方式中，提供了一种可膨胀的放热的(颗粒状的)形成凝胶的组合物，其包含：第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒，其包含镁和铁；高吸水性聚合物，其包含聚丙烯酰胺钠；和高锰酸钾或高铁酸钾；其中，第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、高锰酸钾或高铁酸钾，和高吸水性聚合物彼此混合；其中，当形成凝胶的组合物仅暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并产生热达预定的持续时间。在某些相关的实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在另一个实施方式中，提供了一种可膨胀的放热的组合物，其是可蓬起的和/或可隆起的，其包含：氧化锰，其与高吸水性聚合物混合，所述高吸水性聚合物包含聚丙烯酰胺钠。本实施方式可以使用本文中公开的高吸水性聚合物，其不是聚丙烯酰胺钠。当组合物仅暴露于含水溶液时，随着组合物水合而膨胀，并且产生热达预定的持续时间。在某些实施方式中，在放热反应过程中，大部分(或本文所述的百分比)的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
在另一个实施方式中，提供了一种套件，其包含：容器；根据前述权利要求中任一项所述的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物；含水活化剂溶液，其包含水或盐溶液，其中，高吸水性聚合物可以起作用来吸收含水活化剂溶液，以使形成凝胶的组合物随着形成凝胶的组合物水合而膨胀；和操作指南，其说明了在没有空气的情况下组合物与含水活化剂溶液接触时被活化以产生热达预定的持续时间。
在本文考虑的常见实施方式中，组合物适于提供最小的或近似为零的气体，该气体是在放热反应过程中或者作为放热反应的结果，从组合物(指反应过的、反应中的、形成的、凝胶/泡沫的、膨胀中的或已膨胀的、放热的等的组合物)中产生或释放的。通常，在放热反应过程中或作为放热反应的结果，约37％至约93％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。通常，在放热反应过程中或作为放热反应的结果，约93％至约100％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。在通常包括的实施方式中，在放热反应过程中或作为放热反应的结果，超过40％或超过约40％、超过45％或超过约45％、超过50％或超过约50％、超过55％或超过约55％、超过60％或超过约60％、超过65％或超过约65％、超过70％或超过约70％、超过75％或超过约75％、超过80％或超过约80％、超过85％或超过约85％、超过90％或超过约90％或者超过95％或超过约95％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物(同样，指反应过的、反应中的、形成的、凝胶/泡沫的、膨胀中的或已膨胀的、放热的等的组合物)中释放。
在本说明书中可以看到本公开的技术方案的其他方面。然而，为了实现前述和相关目的，说明书中公开的方面仅说明可以采用所要求保护的主题的原理的各种方式中的一些，并且所要求保护的主题旨在包括所有这些方面及其等同情况。其他优点和新颖特征从以下具体描述中变得明晰。
具体实施方式
本技术方案属于可膨胀的放热的形成凝胶的组合物领域，其主要用于消费品和医疗工业。更具体地，本文公开的解决方案涉及可膨胀的颗粒状的放热的形成凝胶的组合物的使用，其能够持久且有效地产热，用于在没有空气的情况下加热表面和物体而无需电力或可燃燃料。本公开的放热的形成凝胶的组合物通常由几种方法配制而成。
为了清楚和/或为了便于参考，本文中可以定义具有通常理解的含义的术语，并且本文中包含的这些定义不应被解释为表示与本领域通常理解的实质性差异。本文提及的所有专利、申请、公开申请和其他出版物均通过引用整体并入。如果在本部分中提出的定义与通过引用并入本文的专利、申请、公开申请和其他出版物中所述的定义相抵触或不一致，则本部分中提出的定义优先于通过引用并入本文的定义。
如本文中所用的，“一个”或“一种”意指“至少一个(种)”或“一个(种)或多个(种)”。
如本文所用的，术语“用户”、“受试者”、“最终用户”等并不限于特定的个体或个人。例如，术语“用户”可以指使用本文描述的系统和方法的人，并且通常可以是技术人员。然而，该术语不限于最终用户或技术人员，因此包括可以使用所公开的系统和方法的各种各样的人。
转向以下详细描述，现在可以更好地理解所公开的技术方案。要清楚地理解的是，描述的实施例是作为示例而不是通过如权利要求中最终定义的对实施例的限制而提出的。
要理解的是，“电偶合金”可以指通过组合两种或更多种金属元素(包括组合两种或更多种不同的金属盐)制成的金属。该组合通常通过已知的合金化方法，包括例如使用应用了球磨机等的合金化方法。
要理解的是，术语“混合”可意指将两种或更多种物质混合在一起以形成混合物，例如(均匀地或不均匀地)混合的粉末、均匀的混合物或均匀的粉末。可用于将两种或更多种物质“混合”在一起的混合器可包括市售搅拌器和混合器，例如滚筒搅拌器、布劳恩搅拌器、带式混合器、叶片混合器、V形混合器、分批搅拌器等。
要理解的是，术语“活化剂溶液，”可以指水、水和电解质，或其他含水溶液，当其与本公开的任何放热的组合物接触，则开始、增加或更新放热反应。
如本文所用的，术语“凝胶”旨在表示本领域中传统上已知为凝胶的材料，以及泡沫及其组合。通常，当形成时，泡沫是具有一定程度的结构刚性或形状附着性的泡沫，例如硬泡沫。这种硬泡沫能够抵抗一定程度的外力而承受变形，或者是自支撑的泡沫组合物。因此，在本文中，形成凝胶的组合物旨在指形成凝胶的组合物，除非明确说明其不是，否则也指形成泡沫的组合物。以及例如，在本文中，放热的凝胶旨在指放热的凝胶组合物，除非明确说明其不是，否则也指放热的泡沫组合物。以及例如，在本文中，隆起的凝胶或凝胶基质旨在指隆起的泡沫或泡沫基质，除非明确说明其不是。
如本文所用的，“放热的组合物”可以指在使用组合物开始放热反应之前、期间或之后的“放热的组合物”。
自加热的组合物的使用是众所周知的。军用和娱乐市场使用由盐和水活化的镁-铁合金已有数十年。然而，所有这些反应都是无法控制的、剧烈的并且持续时间短。这些反应使用氧化还原反应，通过将水分子分裂成氧来有效地氧化金属元素，以产生热量同时释放氢气。由于氢气在正常大气条件下的易爆炸性，氢气的这种演变可能是对可以使用这些组合物的场所的主要限制因素。
现有的自加热方法将电偶合金(例如Mg-Fe合金)与高吸水性聚合物(superabsorbent polymer，SAP)配合加入。继而，这样的方法已经实现了自膨胀凝胶，其通过在SAP与含水溶液(例如水或盐水溶液)接触时的蓬起作用形成。这继而允许相应的放热的凝胶膨胀到物体周围的轮廓并填充空隙。更重要的是，SAP的膨胀剂的电子地干扰Mg-Fe的氧化过程，并且在了解反应中发挥作用的氢键力的情况下，可以设计受控的反应，其在已知的时间段上具有计算出的热量输出。通过在水和电解质存在下的电偶合金的氧化趋势之间拉锯战中利用电子共享和氢键力，SAP的热-时间缓冲效应在其自身结构内起作用。更具体地，盐溶液和SAP基质的电子吸引力，即氢键和价态共享。但是，尽管由水供能的受控的、计算的、时间释放的放热反应适用于很多情况，其仍然具有将氢气形成为反应的副产物的缺点。
电偶合金颗粒
如贯穿本公开所讨论的，所公开的技术方案的包括电偶合金(galvanic alloy，GA)颗粒的那些实施例可以由两种或更多种金属试剂(每个具有不同的氧化电位)的混合物组成，使得一旦组合物的两种组分通过活化剂溶液彼此电接触，则在电化学反应中一个用作阴极而另一个作为阳极。
示例性金属试剂可包括下述的混合物：铜、镍、钯、银、金、铂、碳、钴、铝、锂、铁、氧化亚铁(II)、氧化铁(III)、镁、锰、Mg2Ni、MgNi2、Mg2Ca、MgCa2、MgCO3、MnO2以及它们的组合。例如，铂可以分散在碳上，并且该分散体用作阴极材料。参见，例如，美国专利3,469,085、4,264,362、4,487,817和5,506,069号。
示例性的阳极材料是镁，其与水反应形成氢氧化镁(Mg(OH)2)和氢气以产生大量的热量。具有高标准氧化电位的其他金属试剂(例如锂)也可以用作阳极材料，但从成本和安全角度来看是不太优选的。阴极材料将具有比阳极材料更低标准的氧化电位。阴极不会在电化学相互作用中消耗，而是作为腐蚀阳极放出的电子的中和电解质中带正电离子的位置。示例性的阴极材料包括铁、铜和钴。
在某些示例性实施例中，电偶合金包含合金化在一起的两种不同合金。最常见的是，这种合金包含本文描述和/或考虑的两种不同的电偶合金的组合。例如，在一个实施例中，电偶合金包含与MnO2合金化的MgFe。
任何常用方法都可用于生产电偶合金，例如常规溶解或机械合金化。机械合金化的工艺包括，例如，通过使用高能球磨机的球-粉末-球的碰撞引起的重复机械变形，在初始粉末混合物的组分之间引发固态反应。这种机械变形可以包括，例如，金属成分(例如，活性或惰性金属颗粒)的重复平坦化、压裂和焊接。由碰撞的钢球与夹在它们之间的颗粒的撞击产生的合成能量产生了原子级清洁的颗粒表面。这些原子级清洁的颗粒表面允许它们冷焊接在一起。
研磨前金属组分的粒度可以从几微米到几百微米变化。在一个实施例中，可能希望具有小于200微米，例如100微米至150微米的平均粒度，以促进有效的合金化。
暴露于氧气或某些其他反应性化合物会产生表面层，其减少了或完全消除了冷焊接效应。因此，可以在研磨机中保持惰性气氛以防止清洁表面的再氧化，从而避免在颗粒表面上形成氧化物覆盖层，其减少了原电池反应。本文使用的“惰性气体”是非反应性气体，如氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气，还包括非氧化性的气体，二氧化碳。惰性气体应基本上不含水(小于10ppm，例如小于5ppm或小于1ppm)。
通常，当允许研磨过程进行延长的时间段时，颗粒结构变得更精细并且阴极颗粒尺寸减小。然而，在研磨过程中的某一点之后，由于阴极材料在整个阳极材料中变得过于细微地分散，任何额外的研磨将导致腐蚀速率的降低。当这发生时，可用于与电解质接触的阴极/阳极颗粒表面积的比率降低，因此腐蚀速率降低。由研磨工艺得到的机械合金化的粉末是小颗粒，其组成其中分散有较小惰性金属颗粒的活性金属基质。因此，应优化研磨时间以获得导电性方面的最佳结果。在一个实施例中，电偶合金颗粒由镁和镍、镁和铁、镁和铜以及镁和钴组成(美国专利4,264,362号)。在含镁合金中，镁通常以更大的丰度存在，例如大于75％、80％、90％或95％的重量百分比。
高吸水性聚合物
在公开的技术方案的包括高吸水性聚合物(SAP)的那些实施例中，要理解的是，SAP可以是“搪塑粉末(slush powder)”、“水不溶吸收性的形成水凝胶的聚合物(water-insoluble absorbent hydro gel-formingpolymer)”、“形成水凝胶的”聚合物或“水胶体”。SAP的使用很重要，因为当其与含水溶液结合时，可以产生膨胀的凝胶。由于其高比热容，这种水基凝胶可以储存由放热反应产生的大量的热。因此，凝胶在相对长的时间(与在没有凝胶的情况下进行的放热反应相比)内保持热。凝胶还延长了被加热物体可以被保持在相对恒定的高温下的持续时间。另外，随着形成凝胶的组合物膨胀，与凝胶不膨胀相比，热可以转移到外部物体的更多表面区域。
术语“高吸水性聚合物”可以是任何能够在暴露于水时隆起至200克每克干聚合物的聚合物。通常，SAP是松散地交联的柔性聚合物链的三维网络，其携带离解的离子官能团。SAP对特定材料(例如水)的吸收能力由渗透压和聚合物与该材料的亲和力以及聚合物的橡胶弹性决定。
SAP内部的离子浓度与周围水溶液的离子浓度之间的差异决定了可用的渗透压的强度。因此，渗透压使SAP能够吸收大量的水。另外，特定聚合物对其周围溶液的亲和力也影响聚合物的吸收能力。因此，基于聚合物的吸收能力(其归因于周围的渗透压和聚合物对水的亲和力)，SAP可以吸收大量的水和其他含水溶液，而不会被水分子经由氢键的溶解而溶解，增加了网络的熵以使SAP大幅地隆起。
相反，抑制SAP吸收能力的因素在于其网络结构导致的凝胶弹性。聚合物的类橡胶弹性随着聚合物的交联密度而增加，其中当给定SAP的橡胶弹性与其吸水能力达到平衡时，给定SAP的吸收能力达到其最大值。
SAP的示例可包括基于聚丙烯酸盐的聚合物、基于乙烯醇-丙烯酸盐的聚合物、基于PVA的聚合物或异丁烯-马来酸酐聚合物。SAP的其他示例包括多糖，例如羧甲基淀粉、羧甲基纤维素和羟丙基纤维素；非离子类型，如聚乙烯醇和聚乙烯醚；阳离子类型，如聚乙烯吡啶、聚乙烯吗啉酮、和N,N-二甲基氨基乙基或N,N-二乙基氨基丙基丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯；和羧基，包括水解淀粉-丙烯腈接枝共聚物、部分中和的水解淀粉-丙烯腈接枝共聚物、水解丙烯腈或丙烯酰胺共聚物和聚丙烯酸。
制备SAP的方法是众所周知的，并且可以容易地优化以获得所需的隆起性。例如，SAP可以在引发剂存在下由与氢氧化钠混合的丙烯酸聚合以形成聚丙烯酸钠盐(即“聚丙烯酸钠”)而制得。还用其他材料来制备SAP，它们是聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧基甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物和交联聚环氧乙烷。
尽管市场上有许多类型的SAP，但大多数是丙烯酸酯和丙烯酸的轻度交联共聚物，以及通过反相悬浮、乳液聚合或溶液聚合制备的接枝淀粉-丙烯酸聚合物。反相悬浮聚合通常用于制备基于聚丙烯酰胺的SAP，并涉及将单体溶液分散在非溶剂中，形成添加有稳定剂的精细单体液滴。然后通过引发剂热分解的自由基引发聚合。
发现特别合适的SAP包括，例如由住友精化株式会社(Sumitomo Seika ChemicalCompany)(日本大版)制造的高吸水性聚合物。对于一些实施例，发现合适的的快速作用形式是 10SH-P。发现能市售的其他聚合物如：CABLOC 80HS，可从北卡罗来纳州格林斯伯勒的Stockhausen公司获得；2G-40，可从北卡罗来纳州格林斯伯勒的Emerging Technologies公司获得；SANWET IM1000F，可从新泽西州布里奇沃特的Hoechst Celanese公司获得；AQUALICCA，可从日本大阪的Nippon Shokubai公司获得；和SUMIKA GEL，可从日本的SumitomoKagaku Kabushiki Kaisha获得。另外的SAP也可从许多制造商商购，例如陶氏化学公司(密歇根州米德兰)和Chemdal(伊利诺伊州阿灵顿高地)。任何上述SAP可以作为两种或更多种聚合物的混合物而被包括，只要大部分聚合物(大于50％的，优选大于70％的重量/重量)具有等于或大于200克每克的吸收能力。
吸收测量可以按照多种方法(包括茶袋法、离心法和筛法)进行。根据茶袋法，将样品放入测量约为5cm×5cm的袋中，然后将袋围绕其周边密封。然后将袋放入装有过量水或0.9％NaCl溶液的盘中，使样品吸收溶液并在袋中自由隆起1小时或直至达到平衡。然后取出袋以将样品与任何过量的溶液分离并称重以计算隆起能力。然后可以根据下式计算聚合物样品的吸收能力：
其中：As＝样品吸收性；Ab＝茶袋材料吸收性；mm＝吸收后带有样品的茶袋重量；mb＝空的干燥茶袋的重量；以及ms＝干燥的样品的重量。
在一个实施例中，SAP(或至少大部分的SAP，如果其是使用两种或更多种的混合物)具有至少200克/克的吸收能力，其中1克SAP能够吸收高达200克的水。SAP也可以是一种快速作用的聚合物，其具有的不超过20秒的吸收速率，并且更优选地不超过10秒或不超过5秒。
包封
所有的公开的实施例可以被进一步加工以包括对组分的一定程度包封，以控制放热反应。例如，一种方法是将GA颗粒或形成凝胶的组合物包封以既延长其保存期限又控制其暴露于活化溶液时的能量的释放。如本文所用的，“包封”是指GA的至少一部分或形成凝胶的组合物的其他部分被基本上包在合适的包封材料中，使得包封材料附着到颗粒的表面。如本文所用的，“合适的包封材料”或“包封剂”是指足够结实以承受形成凝胶的组合物的配方和制造条件的材料，其与配方相容并且不会对其性能产生不利影响，需要注意的是，延长产热不会产生不利影响。另外，合适的包封材料附着到组合物上。包封剂的附着可以通过共价化学键合或通过非共价相互作用(例如，离子的、范德华力的、偶极-偶极的相互作用等)发生。
如本文使用的，“微包封”是指被包封的组分的平均直径为约1μm至约1000μm。如果被包封的组分是椭圆形的或不对称的，则沿该组分具有最大长度的部分测量该平均直径。在一个实施例中，前述组合物的全部或一部分可以被微包封，并且被包封的产物具有约1μm至约1000μm，或者约1μm至约120μm，或者约1μm至约50μm，以及或者约1μm至约25μm的平均直径。在另一个实施例中，包封产物的平均直径为约100μm至约800μm，或约500μm至约700μm，例如600μm。
合适的包封材料的非限制性示例包括聚苯乙烯、甲基丙烯酸酯、聚酰胺、尼龙、聚脲、聚氨酯、明胶、聚酯、聚碳酸酯、改性的聚苯乙烯和乙基纤维素可降解聚合物基质。在一个实施例中，包封材料是聚(丙交酯-共-乙交酯)(poly(lactide-co-glycolide)，PLG)、聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯)(poly(glycidylmethacrylate)，PGMA)、聚苯乙烯，或其组合。在另一个实施例中，包封剂是羟丙基甲基纤维素。合适的包封材料可具有下述的分子量：约5kDa至约250kDa，或者约200kDa至约250kDa，或者约50kDa至约75kDa，或者约10kDa至约50kDa的分子量，以及或者从约10kDa至约25kDa。
还应当理解的是，不管用不用粘合剂，都能包封任何或所有的合金组分(即，阴极和阳极两者)，或者单独包封阴极和/或阳极。通过使用不同组分的涂层的不同组合的以及使用已知的包封技术的常规优化，可以基于组合物的用途来确定理想的包封形式。例如，对于旨在获得更长时间的治疗益处的身体裹敷，需要较不可溶的涂层来延长产热时间。或者，对于药物的给药，需要更易溶的涂层以在更短的时间跨度内获得更高的温度。
上述的涂层的化学性质及其在各种领域(如纳米技术、能量材料及医疗领域)的使用是众所周知的，可以基于该大量知识体来容易地实现这样的优化。
粘合剂
除SAP之外，形成凝胶的组合物还可以包括至少一种粘合剂，例如聚合物或塑料。示例性粘合剂包括天然树脂、合成树脂、明胶、橡胶、聚(乙烯醇)、羟乙基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、聚(乙烯基吡咯烷酮)、酪蛋白、淀粉、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methyl methacrylic acid))、聚(氯乙烯)、聚(甲基丙烯酸)、苯乙烯-马来酸酐共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚(乙烯醇缩醛)(如聚(乙烯基缩甲醛)和聚(乙烯醇缩丁醛))、聚(酯)、聚(氨酯)、苯氧基树脂、聚(偏二氯乙烯)、聚(环氧化物)、聚(碳酸酯)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(烯烃)、纤维素酯和聚(酰胺)。粘合剂可以作为在水或有机溶剂中的溶液或乳液添加到形成凝胶的组合物中，并使用已知方法混合在一起。
氢气抑制
如本文所考虑的，相对于类似的或相同的无抑制的反应来查看气体抑制，特别是氢气抑制。在无抑制的反应中，气体以已知水平、先前已知的水平或可基于反应物计算的水平自由地产生。如本文所考虑的气体抑制是指相对于无抑制的反应，来自形成的放热的组合物(例如，凝胶、泡沫等)的气体产生和释放上的百分比减少。本文提供的用于示例性实施例的实验数据表明了超过90％的气体抑制，尽管预期更高水平的气体抑制高达并包括100％的气体抑制。在某些实施例中，提供了从30％或约30％到95％或约95％之间的气体抑制。在某些实施例中，提供了37％或约37％或约37％以上的气体抑制。在某些实施例中，提供了约37％至93％、93％或约93％或者约93％以上的气体抑制。
在一个实施例中，抑制氢气副产物的形成凝胶的放热的组合物可从SAP、一种或多种GA颗粒以及具有次级壳层或电子轨道成键特性的金属(也被称为金属次级壳层)的均匀的混合物制备。该金属次级壳层可以阻碍或防止由于与次级壳层电子反应或在电子共享形态内反应形成氢气，消除了GA合金颗粒最外表面处的氢气副产物。有效地，金属次级壳层阻碍了在表面层次上的氢气产生。通常，大多数元素只能使用来自其外部轨道的电子与其他元素成键。具有“次级壳层”成键特性的这些金属可以使用两个最外壳层/电子轨道(例如这些金属次级壳层的电子结构共有的s轨道、d轨道、p轨道和/或f轨道)，以与其他元素成键，以产生意想不到的组合。在该实施例的情况下，代替氢原子被还原并变成H2或分子氢气，这在其与元素镁原子、氢氧化镁、氧化镁和/或水分子成键时被这种次级相互作用阻碍。
示例性的金属次级壳层可以包括过渡金属，如钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、鈩、或
金属次级壳层的一个实施例可包括二氧化锰。二氧化锰是一种有效的氢气阻碍剂，其相对便宜，易于获得，对环境、人、植物和动物生命安全无害。
本文公开的任何金属次级壳层可与GA颗粒组合，通过用球磨机将它们一起研磨，然后再将高吸水性聚合物(SAP)材料与该组合物搅拌在一起。在某些实施例中，可以使用各种市售搅拌器和混合器(例如滚筒搅拌器、布劳恩搅拌器、带式混合器、叶片混合器、V形混合器、分批搅拌器等)中的任何一个产生均匀的混合物。优选的混合器是一种不会过分剪切GA颗粒、金属次级壳层或SAP的混合器。根据所用设备的类型，将两种主要组分和任何可选组分依次或同时加入搅拌容器中，并进行搅拌直至形成均匀的混合产物。
通过这种形成凝胶的组合物，在不存在氧来活化时，输出气体被急剧减少并安全地且有效地产生热，基本上没有氢气副产物。在一些实施例中，已经发现，与形成凝胶的组合物不包括次级壳层的情况相比，这已经抑制或阻碍了90％至100％的氢气副产物。
在该组合物的其它实施例中，氢气的净阻碍导致提供其它的改进。例如，典型的镁-铁合金与水反应产生非常“金属的气味”，由于人类嗅觉可将氢气检测为金属气味。典型的镁-铁合金与水反应产生了非常“金属的气味”，人类嗅觉可以辨别该“金属的气味”。该气味虽然无毒，但对某些人来说可能是非常令人不快的，特别是在有食物的情况下。饮食体验与味道和气味有关，因此令人不快的气味会破坏饮食体验。虽然食物和饮食是一个示例，但是防止这种金属的气味的益处提供了许多其他益处以及基础组合物的更广泛的潜在用途。该组合物的某些实施例通过防止金属的气味产生，以及通过将任何其他气味吸收到由SAP形成的水凝胶来解决该问题。
在该组合物的其他实施例中，为了减少或阻碍镁-铁合金反应的“金属的气味”，与该组合物一起使用活性炭用作为气味吸收剂。而在某些实施例中，活性炭可能难以吸收氢气副产物，向组合物添加活性炭将意外地与放热反应的电子之间的“推-拉”或“拔河”相互作用，使得轨道壳层和氢键结合力以协同和对抗SAP凝胶基质的方式起作用。在这方面，添加活性炭可以影响SAP的缓冲、控制、延长和实现预测热量分布的能力。令人惊讶地，活性炭的添加有助于使放热反应更有效率并实现具有更高的热量输出的更长久的产出。活性炭可以按组合物的约2％至25％的量存在。
活性炭可包括石墨材料、各种粒径的其他碳粉的组合。通常，本文考虑的活性炭的形式是活性炭的导电形式。对形成凝胶的组合物的电相互作用使用一些或所有这些改性剂的组合，是对于放热反应的整体效率特别有利的。具体地，由于导电矿物的磁性与SAP和合金之间的上述电/氢键的斗争相互作用。
在其它实施例中，公开了可膨胀的放热的组合物，其将磁铁矿(Fe3O4)与一种或多种本公开中描述的电偶合金颗粒和SAP实施例配合使用。使用磁铁矿是特别有利的，因为当用含水溶液活化时，可以产生具有独特的热曲线的放热反应(例如，可较长持续时间地和/或在较高温度下产生热)而不会牺牲热输出的持续时间。
活化溶液可以通常是含水溶液，例如水。同样重要需要注意的是，形成凝胶的组合物或活化溶液含有至少一种电解质，其有助于引发放热反应所需的电化学过程。如本文所用的，术语“电解质”是指含有导电的自由离子的物质。电解质溶液通常是离子溶液并且通常作为酸、碱或盐溶液存在。当置于水溶剂(如水)中时，盐分解成它们的组分元素。优选的电解质的示例包括氯化钾、氯化钠和氯化钙。
通过测量膨胀体积和速率以及产热和保持来测试颗粒状的形成凝胶的组合物。如果颗粒状的形成凝胶的组合物膨胀(体积/体积)至少两倍，优选五倍甚至十倍，则认为它是最佳的。如果其能够达到至少105℉的温度并且将温度保持在至少100℉达1小时，则认为其是“有效的”。
在一个实施例中，可以通过将2％至20％重量百分比的铁与80％至98％重量百分比的镁在气密密封的球磨机中搅拌在一起来制备镁-铁颗粒。
在一个实施例中，放热的颗粒状的形成凝胶的组合物具有大于400克/克的吸收能力。
在一个实施例中，混合的混合物通过电偶合金颗粒对高吸水性聚合物的重量比为20:1至5:1的混合而形成。在其他实施例中，混合物通过电偶合金颗粒对高吸水性聚合物的重量比为约1:1的混合而形成。在其他实施例中，混合物通过高吸水性聚合物对电偶合金颗粒的重量比为20:1至5:1的混合而形成。
在碾磨之前用惰性干燥气体排空空气。在室温或接近室温(例如，15℃至50℃)持续研磨直至产物均匀。通过测量重量损失(其主要由于水蒸气的排放)，可以测试电偶合金产物在与盐溶液(例如，0.5％至10％的氯化钠)接触时的反应能力。
在本文考虑的常见实施例中，组合物适于提供最小的或近似为零的气体，该气体是在放热反应过程中或者作为放热反应的结果，从组合物(指反应过的、反应中的、形成的、凝胶/泡沫的、膨胀中的或已膨胀的、放热的等的组合物)中产生或释放的。在通常包括的实施例中，在放热反应过程中或作为放热反应的结果，超过40％或超过约40％、超过45％或超过约45％、超过50％或超过约50％、超过55％或超过约55％、超过60％或超过约60％、超过65％或超过约65％、超过70％或超过约70％、超过75％或超过约75％、超过80％或超过约80％、超过85％或超过约85％、超过90％或超过约90％或者超过95％或超过约95％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物(同样，指反应过的、反应中的、形成的、凝胶/泡沫的、膨胀中的或已膨胀的、放热的等的组合物)中释放。
氢副产物隔离
在另一个实施例中，GA颗粒可以与高吸水性聚合物和高锰酸盐或高铁酸盐氧化剂(如高锰酸锂、高锰酸钠、高锰酸钾、高铁酸锂、高铁酸钠，或高铁酸钾)混合或搅拌以形成均匀的混合物。在这方面，公开了基于GA颗粒(如镁-铁)的氧化反应的自加热的组合物，用于在氢气体副产物能逸出之前，在该组合物内氧化或消除氢。如先前所描述的，形成凝胶的组合物可以在无空气的情况下在与活化溶液(如含水电解质溶液，例如水或盐溶液)接触时被活化。
对GA和SAP的混合物添加高锰酸盐或高铁酸盐氧化剂(如高锰酸钾或高铁酸钾)将产生氧源，其能够在Mg-Fe合金释放的氢转化为氢气并逸出之前，与该氢结合。继而，在该反应中可以产生水和过氧化氢(H2O2)，这反过来又反馈供给Mg-Fe合金以水源，以辅助其氧化-还原反应。在本实施例中，过氧化氢最终分解为水和另一个氧分子源。换句话说，可以捕获H2气体副产物并将其转化为水。尽管高锰酸钾或高铁酸钾可能是优选的，但是在本公开的范围内可以使用其他可还原的物质。
在该组合物的某些实施例中，使用这样的氧化剂与凝胶可能导致紫色染色或变色，这可归因于例如高锰酸钾。对于某些应用，如加热食品，这可能是一个令人望而却步的副产品，因为食物容器可能接触可渗透的小袋，染色剂将通过可渗透的小袋到食品容器上，从而到吃食物的人的手上。然而，可以通过组合物的凝胶化来解决这种变色和染色。例如，在某些实施例中展示的橡胶状的厚的水凝胶可在液体使周围材料染色或变色之前隔离该液体。由于染色剂被凝胶“捕获”或隔离，从而可以减少或消除变色的溶液的转移。同时，这些还原物质生成的氧可以流过或“冒泡通过”凝胶，使其能够与自由氢分子结合，这能发生在凝胶中。
经由液体活化剂的合成和活化可发生在密闭容器内，以给与时间让任何染色剂被吸收且隔离于形成凝胶的组合物。在某些实施例中，容器的一个或多个层可选地是可渗透的，而其他层可选地是不可渗透的。
在某些实施例中，在容器内产生的热使容器膨胀，这由于空气的产生和水蒸汽的流出。因此，容器必须通风到外部大气压。这种通风可以通过可渗透材料(例如无纺(或织造)织物、穿孔塑料盖等)的面板进行。该可渗透的层可以被布置在一个腔室之上，在该腔室中组合物与含水溶液接触。为了进一步延迟染色溶液的渗漏，也可以将一层水溶性的薄膜或涂层施加到紧邻组合物的可渗透的层的内侧。水溶性的材料的非限制性示例可以是聚乙烯醇(PVA或PVOH)，但是可以根据需要或要求使用任何水溶性的涂层或薄膜。在其他实施例中，容器可包括蒸汽压力阀。这些“阀”可以在预定的水平排放蒸汽或热空气的压力。在某些实施例中延迟的水平是编程的时间，以确保所有液体染色剂被隔离。
通过延迟蒸汽和已加热的副产物气体从密封容器排放，可能发生被以上可还原的物质引入的自由氧和由GA合金的氧化产生的自由氢的进一步的混合和结合。继而，氢气副产物可被进一步消除。另外，在某些实施例中，随着凝胶和蒸汽的热和湿气渗透水溶性的涂层，其可以在容器内会累积相当大的压力之前快速消除。反过来，压力可以通过可渗透的层释放。这一延迟也能保证去除全部的自由氢气。
没有氢气副产物的放热的凝胶
在另一个实施例中，用于过氧化物分解的催化剂可以与缓冲剂(例如前述的SAP)混合或搅拌，以形成混合物(诸如粉末混合物)，其是均匀的或者均质的。当催化剂与过氧化物分解和缓冲剂结合时，可以引起不产生氢气副产物的放热反应。考虑了其他缓冲剂用于和组合物一起使用，包括来自混合的压缩海绵、粘土颗粒和其它合成的和改性的天然材料的颗粒。考虑的用于作为缓冲剂与组合物一起使用的一些合成的高吸水性材料聚合物包括：碱金属和聚(丙烯酸)和聚(甲基丙烯酸)的铵盐、聚(丙烯酰胺)、聚(乙烯基醚)、具有乙烯基醚和α-烯烃的马来酸酐共聚物、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(乙烯基吗啉酮)、聚(乙烯醇)，以及它们的混合物和共聚物。然而，该组合物不限于此，考虑到的用于与组合物一起使用的其它高吸水性材料包括其他天然的和改性的天然聚合物，例如水解丙烯腈接枝淀粉、丙烯酸接枝淀粉、甲基纤维素、壳聚糖、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素，和某些天然树胶，如藻酸盐、黄原胶、刺槐豆胶等。
可以选择性地改变用于与过氧化物分解的催化剂一起使用的缓冲剂的量和特性，以控制和/或稳定与组合物相关的放热反应。也可以选择性地改变该缓冲剂以调节组合物的热值输出在较高或较低的速率，例如通过用例如硫酸镁抑制碳酸盐溶液。继而，这会影响组合物反应的机制，使得过氧化氢分解能够变平坦。这是特别有利的，因为它使得分解更有效，因为还已发现，使得稳定的放热反应较为低效或较为不稳定，是一种控制或改变反应输出的方法。
这些实施例中，放热的可膨胀的组合物在与含有过氧化物(例如过氧化氢(H2O2))的活化剂溶液接触时被活化。例如，过氧化物分解催化剂可与SAP混合并用过氧化氢活化以产生放热反应。过氧化物分解催化剂可以是适合与SAP或一种或多种其他缓冲剂混合的任何过氧化物分解催化剂。例如，过氧化物分解催化剂可以是氧化锰、铁盐(如氯化铁)或酶(如过氧化氢酶)。
在某些实施例中，催化剂的包封可以根据包封的可溶性，影响热输出曲线、延迟或延长反应。影响热输出的其他方法可包括改变催化剂，催化剂包括氧化锰(MnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化铜、PhO2、二氧化铅、红氧化铁(III)、过氧化物酶、碘化钾、氯化铁等。
该组合物是特别有利的，因为与该组合物相关的放热反应是持久的、安全的、受控的，并且活化剂溶液具有比盐溶液或水低得多的凝固点。这在温度可能大幅降低的操作环境(例如较高的海拔高度或零下的条件)中特别有用。优选地，35％重量百分比的过氧化氢可以用于-31℃的凝固点，然而，可以根据需要或要求使用其它的重量百分比。此外，因为反应是催化的，所以在SAP混合物中或具有一种或多种其它缓冲剂的混合物中可以使过氧化物分解催化剂的存在最小化。在一个优选的实施例中，可以用过氧化物溶液处理氧化锰和SAP的均匀混合物，以产生仅产生水和氧气的放热反应。
本公开的形成凝胶的组合物是有用的，因为它们在水合时形成膨胀的凝胶或泡沫基质，并在能量释放和能量管理之间建立了平衡。在某些实施例中，这是由本文公开的组合物中的SAP和其他活性成分之间的关系引起的。虽然不希望受任何操作理论的束缚，但SAP迅速吸收含水溶液，这限制了组合物的其余成分的反应能力。随着水分从凝胶组分转移到其余组分，随后发生了受控的反应。该反应释放出热，热被传递回凝胶中，其储存热而不是让它以加热气体的形式逸出到空气中。这种协同的热储存和分配系统为诸如医疗、治疗和美容治疗的商业应用提供了有益效果。由于形成凝胶的颗粒在水合时膨胀，它们可以结合到许多不同装置的任何一种中，并且当它们膨胀时，它们在需要的地方膨胀，这可以用于产生均匀的放热凝胶毯，从而使表面区域接触最大化且消除不均匀热的区域。过氧化物分解速率可以被改变，例如，通过添加和变化碳酸钠溶液，以及盐或离子形式的镁(例如，硫酸镁)的相对高浓度来改变。
在下面的实施例中，可以很容易地针对特定用途优化各种条件，如重量比、混合时间，和其它的数据点。例如，在消费品应用中，通常希望提供一种组合物，其实现比用于接触皮肤的医疗产品更高的温度。
实施例1
MgFe实施例，其氢气无抑制
在一个实施例中，电偶合金材料包括0.5克MgFe和0.5克SA60S。将电偶合金和SAP(SA60S)混合物置于试管中，并加入5克3％的盐水溶液。设置塞子，其迫使由放热反应排出的气体通过管道进入完全充满水的烧瓶。水被置换到烧杯中。记录由气体逸出置换出的水量，试验1显示置换出303.2克水，试验2显示置换出305.6克水，试验3显示置换出298.7克水，试验4显示置换出301.2克水，试验5显示置换出304.6克水。
实施例2
A.未研磨的MnO2组合物混合物，氢气抑制
在一个实施例中，通过在一个混合装置中一起混合来制备电偶合金颗粒、SAP和MnO2以形成粉末混合物。该材料包括0.5克MgFe、0.5克SA60S和0.5克MnO2。将该粉末混合物置于试管中，加入5克3％的盐水溶液。设置塞子，其迫使由放热反应排出的气体通过管道进入完全充满水的烧瓶。水被置换到烧杯中。记录由气体产生置换出的水量，相比无抑制的示例1，其产生的气体约为62.9％，其产生约37％的气体抑制。
B.研磨的MnO2组合物混合物，氢气抑制
在一个实施例中，通过使用高速球磨机将MgFe和MnO2合金化并使其与SAP(SA60S)结合来制备电偶合金颗粒和SAP。该材料包括和0.5克SA60S混合的0.5克MgFe/MnO2合金。该MgFe/MnO2合金与SAP混合。混合的MgFe/MnO2合金和SAP置于试管中，加入5克3％的盐水溶液。设置塞子，其迫使由放热反应排出的气体通过管道进入完全充满水的烧瓶。水被置换到烧杯中。记录由气体产生置换出的水量。结果显示，由反应产生的气体大部分被抑制。
实施例3
KMnO4高锰酸钾组合物混合物，氢气抑制
在一个实施例中，通过在混合装置中一起混合来制备电偶合金颗粒、SAP和KMnO4以形成粉末混合物。电偶合金材料包括和0.5克MgFe、0.5克SA60S和0.5克KMnO4。将该粉末混合物置于试管中，加入5克3％的盐水溶液。设置塞子，其迫使由放热反应排出的气体通过管道进入完全充满水的烧瓶。水被置换到烧杯中。记录由气体产生置换出的水量，相比无抑制的实施例1，其产生的气体约为6.8％，其产生约93.2％的气体抑制。
应当理解的是，本领域技术人员可以对已在本文中描述和说明以解释本发明的性质的细节、材料、步骤和部件布置做出许多其他的变化，而不脱离如所附权利要求中表述的本发明的原理和范围。
因此，以下权利要求中的用词或元素的定义在本说明书中定义为不仅包括字面阐述的元素的组合。还可以想到的是，可以对以下权利要求中的任何一个元素进行两个或更多个元素的等同替换，或者想到，可以用单个元素替代权利要求中的两个或更多个元素。尽管上面的元素可以描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但是应该清楚地理解的是，来自所要求保护的组合的一个或多个元素在某些情况下可以从组合中去除，并且所要求保护的组合可以被引导为子组合或一种或多种子组合的变型。
本领域普通技术人员视为所要求保护的主题的非实质性变化，无论是现在已知或以后设计的，皆被明确地预期为在权利要求的范围内等同。因此，本领域普通技术人员现在或以后知道的明显的替代被定义为在所定义的元素的范围内。因此，权利要求应理解为包括上面具体说明和描述的内容、概念上等同的内容、可以明显替代的内容以及包含实施例的基本思想的内容。
上面已描述的内容包括一个或多个实施例的示例。当然，出于描述前述实施例的目的，不可能描述每个可想到的组合或方法，但是本领域普通技术人员可以认识到各种实施例的许多其他组合和变换是可能的。因此，所描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这样的改变、修改和变化。此外，对于具体说明书或权利要求中使用术语“包含”的范围，这样的术语旨以类似于术语“包括”的方式是包含性的，如“包括”在被用作权利要求中的过渡词时所解释的。

Claims (60)

1.一种可膨胀的放热的形成凝胶的组合物，包含：
第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒；
金属次级壳层，其由至少一种过渡金属组成；和
高吸水性聚合物；
其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合；
其中，当形成凝胶的组合物暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合实现电接触。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中从与高吸水性聚合物混合的第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒形成粉末混合物。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中通过混合设备将金属电偶合金颗粒与高吸水性聚合物混合以形成粉末混合物。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合以形成均匀的混合物。
6.根据权利要求1所述的组合物，其中金属次级壳层的过渡金属由下述组成：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、鈩、或
7.根据权利要求1所述的组合物，其中次级壳层的过渡金属是二氧化锰。
8.根据权利要求1所述的组合物，还包含活性炭，其与电偶合金颗粒、次级壳层和高吸水性聚合物混合，
其中，活性炭吸收在凝胶形成过程中由放热反应产生的气味。
9.根据权利要求8所述的组合物，其中活性炭与磁铁矿混合或形成合金。
10.根据权利要求8所述的组合物，其中活性炭占组合物总重量的2％至25％。
11.根据权利要求1所述的组合物，其中放热反应的输出由第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒与高吸水性聚合物之间的第一重量比确定。
12.根据权利要求1所述的组合物，还包含：电解质，其中高吸水性聚合物包含至少200g/g的吸收能力，并且其中高吸水性聚合物能够起作用来吸收水，而不被水分子经由氢键的溶化作用溶解。
13.根据权利要求10所述的组合物，其中电解质包含氯化钾、氯化钠或氯化钙。
14.根据权利要求1所述的组合物，其中第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒包含镁和铁。
15.根据权利要求1所述的组合物，其中放热的颗粒状的形成凝胶的组合物还包含至少一种粘合剂。
16.根据权利要求1所述的组合物，其中高吸水性聚合物是聚丙烯酰胺钠。
17.根据权利要求1所述的组合物，其中形成凝胶的组合物膨胀至少五倍(体积/体积)。
18.根据权利要求1所述的组合物，其中形成凝胶的组合物膨胀至少十倍(体积/体积)。
19.根据权利要求1所述的组合物，其中放热的颗粒状的形成凝胶的组合物具有大于400g/g的吸收能力。
20.根据权利要求1所述的组合物，其中电偶合金颗粒从2％至20％重量百分比的铁和80％至98％重量百分比的镁的混合物形成。
21.根据权利要求1所述的组合物，其通过电偶合金颗粒对高吸水性聚合物的重量比为20:1至5:1的混合而形成。
22.根据权利要求1所述的组合物，其通过电偶合金颗粒对高吸水性聚合物的重量比为1:1的混合而形成。
23.根据权利要求1所述的组合物，其通过高吸水性聚合物对电偶合金颗粒的重量比为20:1至5:1的混合而形成。
24.根据权利要求1所述的组合物，其中电偶合金颗粒被聚合物微包封。
25.根据权利要求24所述的组合物，其中所述聚合物是羟丙基甲基纤维素。
26.根据权利要求1所述的组合物，其中电偶合金颗粒被由高吸水性聚合物形成的凝胶包封，并且其中，预定的持续时间为至少一小时。
27.根据权利要求1所述的组合物，其中第一电偶合金颗粒是阳极，第二电偶合金颗粒是阴极，并且其中将第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒与高吸水性聚合物混合形成组合物。
28.一种可膨胀的放热的可膨胀的组合物，包含：
第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒；
高吸水性聚合物；和
高锰酸钾或高铁酸钾；
其中，第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒、高锰酸钾或高铁酸钾，和高吸水性聚合物彼此混合；
其中，当组合物仅暴露于水和电解质时，随着组合物水合而膨胀，并产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。
29.根据权利要求28所述的组合物，其中在放热反应过程中从组合物产生的氢气被高锰酸钾或高铁酸钾水解。
30.根据权利要求28所述的组合物，其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合以形成均匀的混合物。
31.根据权利要求28所述的组合物，其中水和过氧化氢(H2O2)是放热反应的副产物。
32.根据权利要求28所述的组合物，其中由放热反应产生的染色剂被形成凝胶的组合物隔离。
33.根据权利要求28所述的组合物，其中组合物置于密封容器中。
34.根据权利要求33所述的组合物，其中密封容器包含可渗透的层。
35.根据权利要求33所述的组合物，其中密封容器还包括蒸汽阀。
36.根据权利要求28所述的组合物，其中放热反应的输出由第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒与高吸水性聚合物之间的第一重量比确定。
37.根据权利要求38所述的组合物，其中第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒包含MgFe和MnO2。
38.一种可膨胀的放热的组合物，包含：
与缓冲剂混合的氧化锰；并且
其中，当形成凝胶的组合物仅暴露于含水溶液时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并且产生热达预定的持续时间。
39.根据权利要求38所述的组合物，其中氧化锰是二氧化锰。
40.根据权利要求38所述的组合物，其中含水溶液是过氧化氢，缓冲剂是高吸水性聚合物。
41.根据权利要求40所述的组合物，其中组合物膨胀以形成放热的凝胶。
42.根据权利要求40所述的组合物，其中组合物膨胀以形成硬泡沫。
43.根据权利要求40所述的组合物，其中随着组合物水合，组合物蓬起。
44.根据权利要求38所述的组合物，其中含水溶液是过氧化氢，缓冲剂是压缩海绵和/或粘土颗粒混合的混合物。
45.根据权利要求44所述的组合物，其中组合物膨胀以形成硬泡沫。
46.根据权利要求38所述的组合物，其中放热反应的输出由氧化锰与缓冲剂之间的第一重量比确定。
47.根据权利要求38所述的组合物，其中缓冲剂是高吸水性聚合物，并且其中氧化锰和高吸水性聚合物彼此混合以形成均匀的混合物。
48.根据权利要求38所述的组合物，其中组合物置于密封容器中。
49.根据权利要求1至48中任一项所述的组合物，其中在放热反应过程中，从组合物中产生或释放最小的或近似为零的气体。
50.根据权利要求1至48中任一项所述的组合物，其中在放热反应过程中，约37％至约93％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
51.根据权利要求1至48中任一项所述的组合物，其中在放热反应过程中，约93％至约100％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
52.根据权利要求1至48中任一项所述的组合物，其中在放热反应过程中，超过40％或超过约40％、超过45％或超过约45％、超过50％或超过约50％、超过55％或超过约55％、超过60％或超过约60％、超过65％或超过约65％、超过70％或超过约70％、超过75％或超过约75％、超过80％或超过约80％、超过85％或超过约85％、超过90％或超过约90％或者超过95％或超过约95％的由放热反应产生的气体被抑制并且不从组合物中释放。
53.一种套件，包含：
容器；
根据前述权利要求中任一项所述的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物；
含水活化剂溶液，
其中缓冲剂或高吸水性聚合物能够起作用来吸收含水活化剂溶液，以使形成凝胶的组合物随着形成凝胶的组合物水合而膨胀；和
操作指南，其说明了在没有空气的情况下组合物与含水活化剂溶液接触时被活化以产生热达预定的持续时间。
54.根据权利要求53所述的套件，其中容器是包、茶包或可渗透的小袋。
55.根据权利要求53所述的套件，其中所述套件用于饮料容器、食品容器、医疗装置、按摩器具等。
56.一种可膨胀的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物，包含：第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒，其包含镁和铁；
金属次级壳层，其由至少一种过渡金属组成，所述过渡金属包含二氧化锰；和
高吸水性聚合物，其包含聚丙烯酰胺钠；
其中第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、金属次级壳层和高吸水性聚合物彼此混合；
其中，当形成凝胶的组合物暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并产生放热反应，该放热反应产生热达预定的持续时间。
57.一种可膨胀的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物，包含：
第一电偶合金颗粒和第二电偶合金颗粒，其包含镁和铁；
高吸水性聚合物，其包含聚丙烯酰胺钠；和
高锰酸钾或高铁酸钾；
其中，第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、高锰酸钾或高铁酸钾，和高吸水性聚合物彼此混合；
其中，当形成凝胶的组合物仅暴露于水和电解质时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并产生热达预定的持续时间。
58.一种可膨胀的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物，包含：
氧化锰，其与高吸水性聚合物混合，所述高吸水性聚合物包含聚丙烯酰胺钠；以及
其中，当形成凝胶的组合物仅暴露于含水溶液时，随着形成凝胶的组合物水合而膨胀，并且产生热达预定的持续时间。
59.一种可膨胀的放热的组合物，包含：
第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒，其包含镁和氧化锰，其中所述电偶合金颗粒不包括铁；
高吸水性聚合物；和
碳颗粒；
其中，第一金属电偶合金颗粒和第二金属电偶合金颗粒、高吸水性聚合物和碳颗粒能够彼此混合；
其中，组合物随着组合物与水水合而膨胀，并且产生热达预定的持续时间。
60.一种套件，包含：
容器；
根据前述权利要求中任一项所述的放热的颗粒状的形成凝胶的组合物；
含水活化剂溶液，其包含水或盐溶液，
其中，高吸水性聚合物能够起作用来吸收含水活化剂溶液，以使形成凝胶的组合物随着形成凝胶的组合物水合而膨胀；和
操作指南，其说明了在没有空气的情况下组合物与含水活化剂溶液接触时被活化以产生热达预定的持续时间。
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