JP2017536898A - 水強化性火災抑制ヒドロゲル - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、>75%の非毒性の消費者グレード成分を含むヒドロゲルをその場で生成するのに使用するための濃縮組成物を提供する。所定の実施形態では、濃縮組成物の成分は、生分解性、再生可能、及び/または天然由来であってもよい。任意に、濃縮組成物は、>80%、>85%、>90%、>95%、または>98%の非毒性の消費者グレード成分を含む。
本明細書に記載されているヒドロゲル形成濃縮物は、ヒドロゲルの生成を助けるための増粘剤として作用する少なくとも1種を必要とする。増粘剤は、例えば、ポリマーであり得る。生分解性で天然由来のポリマーであるデンプンは、水及び熱の存在下でゲルを形成し得る。デンプン系ヒドロゲルは、それらの高い保水性及び表面接着能力のため、難燃剤として作用し得る[Ioanna G.Mandala(2012).Viscoelastic Properties of Starch and Non−Starch Thickeners in Simple Mixtures or Model Food,Viscoelasticity−From Theory to Biological Applications,Dr.Juan De Vicente (Ed.),ISBN:978−953−51−0841−2,InTech,DOI:10.5772/50221.http://www.intechopen.com/books/viscoelasticity−from−theory−to−biological−applications/viscoelastic−properties−of−starch−and−non−starch−thickeners−in−simple−mixtures−or−model−foodから入手可能]。天然デンプン系ヒドロゲル形成増粘剤の一例は、個人的潤滑剤、練り歯磨き、及びアイスクリームにおける増粘剤としての使用が見出されているカルボキシメチルセルロースナトリウム塩である。それは食品グレードであり、生分解性であり、水中で1%ほどの低い濃度で水を吸収することができる。本濃縮物に使用するために実行可能な他の種類のデンプンとして、トウモロコシデンプン、ジャガイモデンプン、タピオカ、及び/またはコメデンプンが挙げられるがこれらに限定されない。
上記のように、ヒドロゲル形成濃縮物は、固体成分の混合物(粉末など)、または液体懸濁液/溶液であり得る。固体または液体濃縮物のいずれかを水と混合して、水強化性火災抑制ヒドロゲルを形成することができるであろう。しかしながら、濃縮物の成分を液体媒体に事前溶解または事前懸濁することにより、水との混合を容易にすることができ、ヒドロゲルが形成する速度及び/または容易さを潜在的に高めることができることが当業者に理解されるであろう。非毒性の消費者グレードの液体媒体の例として、堅果/種子油、または野菜/植物油などの食用油、グリセロール、及び低分子量ポリエチレングリコール(PEG)が挙げられるがこれらに限定されない。
液体媒体(例えば、野菜油)に懸濁または溶解した固体成分(例えば、増粘剤)から形成されたヒドロゲル形成液体濃縮物は、経時的に固体成分の沈澱を示すことがある。そのような沈澱が起こった場合には、その成分を再懸濁または再溶解させるために、液体濃縮物を物理的に攪拌することができる。あるいは、懸濁化剤(例えば、界面活性剤または乳化剤)または懸濁化剤の組み合わせを液体濃縮物に添加して組成物を安定化させることができるか、または無期限にもしくはヒドロゲル形成のための濃縮物の実用性を維持するのに十分な時間の長さ、固体成分を液体媒体中で懸濁または溶解させておくのを促進することができる。
濃縮物または濃縮物から形成されるヒドロゲルの1つ以上の性質に影響または変化を及ぼすために、他の成分、即ち、添加剤を濃縮物に添加することができる。適切な添加剤は、特定の用途のために必要に応じて組み込むことができる。例えば、濃縮物、及び/または結果として生じるヒドロゲルの粘度及び/または安定性に影響を及ぼすために添加剤を添加することができる。本濃縮物及びヒドロゲル組成物に組み込むことができる追加的な添加剤として、pH変更剤、分散剤(例えば、界面活性剤、乳化剤、粘土)、塩、抗菌剤、抗真菌剤、及び染料/着色剤が挙げられるがこれらに限定されない。非毒性の消費者グレードの添加剤の具体的な非限定例として、ヒドロゲルの粘度及び/または安定性に影響を及ぼすことができるナトリウム及びマグネシウム塩(例えば、ホウ砂、重炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム)[Kesavan,S.et al.,Macromolecules,1992,25,2026−2032;Rochefort,W.E.,J.Rheol.31,337(1987)]、抗菌剤として作用することができるキトサンまたはイプシロンポリリシン[Polimeros:Ciencia e Tecnologia,vol.19,no3,p.241−247,2009;http://www.fda.gov/ucm/groups/fdagov−public/@fdagov−foods−gen/documents/document/ucm 267372.pdf(2014年9月26日にアクセス)]、及びヒドロゲルの形成において助けとなり得るペクチンが挙げられる。
本出願は、非毒性の消費者グレード成分を含む、上記濃縮物から形成された水強化性火災抑制ヒドロゲルを更に提供する。一実施形態では、ヒドロゲルは、熱、燃料、酸素、及び連鎖反応からなる「火災四面体」の少なくとも1つの構成概念を排除することによって家庭の、工業の、及び/または林野の火災に対処するために使用される。別の実施形態では、ヒドロゲルは、消火機器を介して、燃焼しているまたは火災の危険性がある構造物、例えば大建築物及び/または景観の構成要素(例えば、樹木、潅木、フェンス)に適用される。一実施形態では、本明細書に記載されているヒドロゲルは、クラスA火災(即ち、木材及び紙の火災)に対処するために使用することができる。別の実施形態では、前記ヒドロゲルは、クラスB火災(即ち、石油及びガス火災)に対抗するのに好適である。
本明細書に記載されている水強化性火災抑制ヒドロゲルは、上述の濃縮物を水または水溶液と混合することにより形成することができる。消火機器を使用して適用する場合、濃縮物はその機器の給水と混合され、次いで、火災を消火、抑制、または防止するため、または火災から保護するために対象物体(構造物、大建築物、及び/または景観の構成要素など)に適用される。本出願のヒドロゲルを適用するのに有用な消火機器は、濃縮物を水または水溶液と混合するための手段と、結果として生じるヒドロゲルを対象物体に噴霧するための手段とを含む。一実施形態では、消火機器は、必要になるまで濃縮物を保持するための容器を含み、その容器は、濃縮物が容器から水または水溶液と混合するための混合手段に移動することができるように、混合手段と流体連通している。別の実施形態では、消火機器は、水または水溶液を混合手段または混合手段に流体的に接続した容器に導入するための手段を追加的に含み、これにより、水または水溶液は容器から濃縮物と混合するための混合手段に移動することができる。消火機器の非限定例として、噴霧ノズルを備えたバックパック、またはスプリンクラーシステムが挙げられる。消火機器は、車、飛行機、またはヘリコプターなどの乗り物の上または中に搭載することができる。
本明細書で提供される濃縮物から形成される本明細書で提供されるヒドロゲルは、それらの物理的及び/または化学的性質のため、消火剤としての使用に好適である。ヒドロゲルは、水より粘性があり、一般に、それらの水分を吸収し、粘度を増加させる成分のために、高温条件(例えば、火災)に曝された場合、蒸発、流出、及び/または燃焼に抵抗する。これらのヒドロゲルはまた、せん断減衰性、チキソトロピー性、擬塑性、及び/または非ニュートン性流体挙動を示し、これにより、それらがせん断応力などのストレスを受けた場合にそれらの粘度が減少し、それらの粘度はそれらのストレスが取り除かれたときに再度上昇する。
材料
ポリエチレングリコール(PEG200またはPEG300)及びグリセロールを除き、使用された全ての材料は天然由来であった。PEG200/300及びグリセロールは、毒性の低い非可燃性液体であり、食品/食品接触/個人的ケア/医薬添加物のいずれかである食品/個人的ケア/医薬グレードで入手可能である。実験は、化学的及び/または分析的グレードのポリエチレングリコール及びグリセロールを用いて行った。しかしながら、それらの化学的/物理的性質は、それらの食品グレードの形態と同等であると考えられた。新鮮な水道水を更に精製することなく直接使用した。全ての化学物質は、商業的供給者から受け取ったまま使用した。キサンタンガム(食品グレード、PO#DW−456270,Univar,17425 NE Union Hill Road,Redmond,WA、Bulk Barn Canada)、グアーガム(P.L.Thomas&Co.Inc.,119 Head Quarters Plaza,Morristown,NJ;Bulk Barn Canada)、トウモロコシデンプン(Bulk Barn Canada)、キャノーラ油(FreshCo,Kingston,ON,Canada)、PEG200(Sigma−Aldrich,Oakville,ON,Canada)、PEG300(Sigma−Aldrich,Oakville,ON,Canada)、及びグリセロールPEG200(Sigma−Aldrich,Oakville,ON,Canada)。
液体濃縮物は、少なくとも4種類の材料:増粘剤(例えば、ガム)、デンプン、液体媒体、及び任意に、他の天然由来及び/または生分解性の添加剤(例えば、界面活性剤)から構成された。全ての乾燥原料(例えば、ガム、デンプンなど)を測定し、ビーカー内で組み合わせた。適度に均質な乾燥混合物が得られるまで、前記原料をスパチュラでゆっくりと混合した。必要量の選択液体媒体(例えば、キャノーラ油、PEGなど)を、メスシリンダーを使用して測定し、その後、前記乾燥混合物を含むビーカーに添加し、乾燥粉末または分離液体媒体が観察されなくなるまでスパチュラでゆっくりと攪拌した。その後、液体濃縮物は使用の準備ができていると考えられた。選択された液体濃縮物の一般的配合を表1に概説する。
前述の液体濃縮物からヒドロゲルを生成することは、150mLのビーカー内で液体濃縮物(3g)を新鮮な水道水(97g)と混合することを含んでいた。次いでIKA T25ホモジナイザーを使用して、成分を一緒に完全に混合し(8600rpmで10秒間)、その後ヒドロゲルが形成された。
粘度試験
CS−34スピンドルを有するBrookfield LVDVE粘度計を使用して液体濃縮物の粘度を測定した。各サンプルを小さなサンプルアダプターに添加し、粘度を室温で6.0rpmで試験した。
ヒドロゲルのガラス接着性を試験するために、3×1インチ(L×W)の顕微鏡ガラススライドを秤量した後、そのスライドをヒドロゲル中に1.5インチの深さまで60秒間浸漬した。ガラススライドをヒドロゲルから取り除いた後、それを10分間吊るした後、再度秤量した。スライドに接着したままのヒドロゲルの質量を前後の重量の差から計算した。
各液体濃縮物は懸濁液であり、そこから固体原料が時間の経過と共にゆっくりと沈澱することができ、その結果、上に液体層を有する二相混合物となる。前記液体濃縮物中の分離を定量するために、沈澱試験を使用した。試験された各液体濃縮物を100mLのメスシリンダーに添加した。シリンダー内で沈澱が生じたので、前記液体の頂部層の体積を沈澱が完了するまで連続的に記録することができた。試験結果は、液体濃縮物の総体積における頂部層の体積として示されている。
その後、沈澱試験からの各サンプルをフロント流れ試験において使用して、どのサンプルが良好な流れを維持しながら最小の沈澱を提供するのかを確立した。その後、沈澱について試験された液体濃縮物を、反転によって、予め計量したビーカー上で1分間空にした。次に、ビーカーに移された液体濃縮物の総質量を記録した。良好な流れ及び最小の沈澱を有する液体濃縮物は、更なる検討のために実行可能な配合と考えられた。
増粘剤スクリーニング
増粘剤の初期スクリーニングは、キサンタンガム、グアーガム、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、またはこれらの組み合わせを含んでいた。ヒドロゲルは、濃縮物を水と10秒間ブレンドすることにより(水99g中1gの液体濃縮物)、各増粘剤を単独でまたはこれらの組み合わせ(表2参照)を含む1重量%の液体濃縮物から調製した。
液体濃縮物における使用のため、キャノーラ油(これに限定されない)などの天然由来の及び/または生分解性の油は、それらの予期される低コスト及び相対存在量のために液体媒体と考えられた。しかしながら、このような油は、典型的には、水への溶解度が制限されており、そのようなものとして、PEG200、PEG300、及びグリセロール(これらに限定されない)などの水溶性の代替物も考えられる。
前述の増粘剤及び液体媒体を使用して、最小量の液体媒体を使用して4つの配合物を作成し、その各々をガラス接着性により評価した(表3参照)。
垂直面に対するより大きなガラス接着性、及び濃縮物成分の沈澱の減少が望ましいと考えられた。理論に縛られることを望むものではないが、レシチン(これに限定されない)などの天然の界面活性剤は、濃縮物中での沈澱を遅らせ、増粘剤として作用することによって濃縮物の粘度を上昇させるであろうことが仮定された。結果的に、液体レシチン及び固体レシチンの両方が評価された(表6参照)。
表8の液体濃縮物の配合4の一般的配合(キサンタンガム:グアーガム:トウモロコシデンプン:液体大豆レシチン:液体ベース=1g:0.6g:0.6g:0.1g:2.5mLキャノーラ油)を更なる研究のために選択し、材料の含有量が増えると濃縮物の粘度に対してどのような影響を有するのか決定した(表10参照)。次に、消火用バックパック及び消防車のフィールドテストのために表10の液体濃縮物の配合3を選択した。消防車でヒドロゲルを生成する際の液体濃縮物の有効性を適切に試験するために、より大きなスケールの濃縮物が必要とされた。
キャノーラ系濃縮物
消防車試験のために、表10の液体濃縮物の配合3の60Lのバッチが必要とされた。この60Lの濃縮物バッチの調製は、10Lバッチ内で行い、2バッチ毎に組み合わせて20LのHDPEプラスチックバケツに保管した。
キャノーラ系濃縮物の60Lのバッチについて上に概説したのと同じ手順に従って、PEG300系液体濃縮物の10Lのバッチも調製した。PEG系濃縮物の最終配合及び粘度を表12に概説する。
キャノーラ系濃縮物
広々とした草で覆われた地面上で、毎分1500ガロン(毎分1500ガロンの水)のHaleポンプを有する86Hahnポンプ車を使用してフィールドでの消防車試験を完了した。液体濃縮物をポンプで汲み上げ、消防車システム内の水とインライン混合した。インライン混合後、接着性試験のために、結果として生じたヒドロゲルを消防車ホースから垂直のガラス表面に噴霧した。また、現場粘度試験のために4Lのビーカー内でホースからサンプルを直接収集した。
PEG300系液体濃縮物の消防車試験を、200フィートのホースを用いて3重量%で行った。ガラス接着性試験の間、結果として生じたヒドロゲルは、均一である一方でキャノーラ系ヒドロゲルについて観察されたものよりも薄いフィルムを形成した。更に、PEG300系ヒドロゲルの粘度は、キャノーラ系ヒドロゲルと比較して、より低いことが分かった(図4参照)。
各炎試験のため、木製ペイント攪拌スティックを試験ヒドロゲルと共に使用した。木製攪拌スティックの端部をヒドロゲルで被覆し、その被覆された端部をプロパントーチからの炎に曝した。攪拌スティックが焦げる及び/または燃えるのにどのくらい時間がかかるかを記録した(表13参照)。
本明細書に記載された液体濃縮物及びそれらの結果として生じたヒドロゲルと、100%の天然由来の及び/または生分解性材料から構成されていない2つの市販されているヒドロゲル(CAH):CAH1(Barricade(商標))及びCAH2(TetraOK(商標))とを比較するために定性試験を実施した。これらの比較試験を10〜15Lのリザーバを有し、手押しポンプの噴霧ノズルを備える消火用バックパック、及び毎分1500ガロン(毎分1500ガロンの水)のヘイルポンプを有する86Hahnポンプ車を用いて行った。
Claims (39)
- (a)少なくとも1つの増粘剤、
(b)少なくとも1つの液体媒体、及び、任意に
(c)少なくとも1つの懸濁化剤、を含む組成物であって、
前記組成物が、75重量%を超える消費者グレード成分からなり、前記組成物と水または水溶液との混合が火災抑制水強化性(water−enhancing)ヒドロゲルを形成する、組成物。 - 前記組成物が、
10〜75重量%の少なくとも1つの増粘剤、
0〜10重量%の少なくとも1つの懸濁化剤、及び
15〜90重量%の少なくとも1つの液体媒体を含む、請求項1に記載の組成物。 - 1つ以上の添加剤を更に含み、その各々が任意に非毒性かつ生分解性である、請求項1または2に記載の組成物。
- 前記1つ以上の添加剤が、塩、抗菌剤、抗真菌剤、酸化防止剤、着色剤、粘土、分散剤、またはこれらの任意の2つ以上の組み合わせを含む、請求項3に記載の組成物。
- 前記少なくとも1つの増粘剤、懸濁化剤、及び液体媒体の各々が、非毒性かつ生分解性である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記組成物が、CS−34スピンドルを有するBrookfield LVDVE粘度計を用いて6.0rpmで測定した場合に、≧1000cP、≧2500cP、≧5000cP、または≧10000cPの粘度を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記少なくとも1つの増粘剤及び懸濁化剤の各々が、周囲条件下で固体または液体である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記少なくとも1つの増粘剤が、ガム、デンプン、またはガムとデンプンとの組み合わせを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記ガムが、グアーガム、キサンタンガム、アルギン酸ナトリウム、寒天、もしくはローカストビーンガム、またはこれらの組み合わせである、請求項8に記載の組成物。
- 前記ガムが、キサンタンガム、ガウルガム、またはこれらの組み合わせである、請求項9に記載の組成物。
- 前記デンプンが、トウモロコシデンプン、ジャガイモデンプン、タピオカ、コメデンプン、もしくはカルボキシメチルセルロースナトリウム塩、またはこれらの組み合わせである、請求項8に記載の組成物。
- 前記デンプンがトウモロコシデンプンである、請求項11に記載の組成物。
- 前記懸濁化剤が、界面活性剤、乳化剤、またはその両方である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記懸濁化剤が、レシチン、リゾレシチン、ポリソルベート、カゼイン酸ナトリウム、モノグリセリド、脂肪酸、脂肪アルコール、糖脂質、もしくはタンパク質、またはこれらの組み合わせである、請求項13に記載の組成物。
- 前記懸濁化剤が、レシチン、またはレシチンと脂肪アルコールとの組み合わせである、請求項14に記載の組成物。
- 前記液体媒体が、食用油、グリセロール、もしくは低分子量ポリエチレングリコール(PEG)、またはこれらの組み合わせである、請求項1〜15のいずれか1項に記載の組成物。
- 前記PEGが、PEG200〜PEG400である、請求項16に記載の組成物。
- 前記食用油が、堅果油、種子油、植物油、野菜油、もしくはキャノーラ油、またはこれらの組み合わせである、請求項16に記載の組成物。
- 前記食用油がキャノーラである、請求項18に記載の組成物。
- 前記組成物が、
15〜25重量%のキサンタンガム、
10〜20重量%のグアーガム、
10〜20重量%のトウモロコシデンプン、
1〜5重量%のレシチン、及び
30〜64重量%のキャノーラ油、を含む、請求項1〜19のいずれか1項に記載の組成物。 - 前記組成物が、>80重量%、>85重量%、>90重量%、>95重量%、>98重量%、または100重量%の消費者グレード成分からなる、請求項1〜20のいずれか1項に記載の組成物。
- 約0.1〜30重量%の請求項1〜21のいずれか1項に記載の組成物と、
70〜99.9重量%の水または水溶液と、を含むヒドロゲルであって、
消火、火災抑制、及び/または防火に有用な水強化性火災抑制剤である、ヒドロゲル。 - 前記組成物の重量百分率が、0.1〜1重量%、1〜5重量%、5〜10重量%、15〜30重量%である、請求項22に記載のヒドロゲル。
- 前記組成物の重量百分率が、1〜5重量%である、請求項21に記載のヒドロゲル。
- 前記ヒドロゲルの粘度が、Viscolite700粘度計で測定した場合、0.1〜1cP、1〜5cP、5〜10cP、10〜15cP、15〜30cP、30〜60cP、60〜90cP、90〜120cP、120〜150cP、または>150cPである、請求項22〜24のいずれか1項に記載のヒドロゲル。
- 前記ヒドロゲルが、非ニュートン流体性、擬塑性、及び/またはチキソトロープ性挙動を示す、請求項22〜25のいずれか1項に記載のヒドロゲル。
- 前記ヒドロゲルの粘度が、ストレス下で減少する、請求項26に記載のヒドロゲル。
- 前記ヒドロゲルの粘度が、前記ストレスが終了した後または取り除かれた後に上昇する、請求項26または27に記載のヒドロゲル。
- 前記粘度の上昇が、≦60秒、≦40秒、≦20秒、≦10秒、または≦5秒などの短時間にわたって生じる、請求項28に記載のヒドロゲル。
- 前記ヒドロゲルが、それが適用される表面に接着する、請求項22〜29のいずれか1項に記載のヒドロゲル。
- 前記減少した粘度のヒドロゲルは、前記粘度の増加の前に、表面摩耗及び/または隙間に流入、被覆、及び接着することができる、請求項28または29に記載のヒドロゲル。
- 前記ヒドロゲルが、燃焼表面に適用された場合に、火災を抑制及び/または消滅させるか、または前記ヒドロゲルが、非燃焼表面に適用された場合に、発火を防止する、請求項22〜31のいずれか1項に記載のヒドロゲル。
- 請求項1〜21のいずれか1項に記載の組成物を水または水溶液と組み合わせることと、
前記組成物及び水溶液を混合して本質的に均質なゲルを得ることと、を含む、水強化性火災抑制ヒドロゲルを作製する方法。 - 前記組成物の重量百分率が、前記ヒドロゲルにおける特定の粘度及び/または表面接着性を達成するように選択される、請求項33に記載の方法。
- 前記組成物の重量百分率が、約1〜約5重量%である、請求項34に記載の方法。
- 前記組み合わせるステップが、前記組成物の手動添加または直接的な機械的注入を含む、請求項33〜35のいずれか1項に記載の方法。
- 前記水または水溶液が、車両または運搬可能な装置の外部のまたはそこに搭載されているタンク内に保持されている、請求項36に記載の方法。
- 手動攪拌、機械的攪拌、循環システム、またはせん断力の適用(例えば、消火ホース内での)を介して混合が行われる、請求項33〜37のいずれか1項に記載の方法。
- 容器内の請求項1〜21のいずれか1項に記載の組成物と、
請求項33〜38のいずれか1項に記載の方法を用いて、前記組成物からヒドロゲルを生成するための指示書と、を含むキット。
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