JP2022547176A - 柔軟な相変化材料 - Google Patents
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Abstract
本発明は、５０～９９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏと、０．１～５．０重量％のアルギン酸塩と、を含む組成物に関する。そのような組成物は、本組成物（および本組成物を含むパウチ）が相変化中に柔軟なままであるため、相変化材料として有利に使用され得る。これは、多数の後続の加熱および冷却サイクルに供された場合にも当てはまった。
Description
本発明は、相変化材料組成物、そのような組成物を含む容器、およびそのような容器を含む冷却衣服に関する。
近年、潜熱蓄熱の重要性が増している。相変化材料（ＰＣＭ）は、熱エネルギーを貯蔵する様が効果的であるため、本明細書で重要な役割を果たす。それらは、高いエネルギー貯蔵密度および等温エネルギー貯蔵プロセスの利点を有する。
ＰＣＭは、例えば、建物、工業、宇宙船、および服飾に有利に適用される。それらは、暖房および冷房、オフピークのエネルギー貯蔵、熱交換器の改善、人もしくは動物の体の冷却または加熱などに使用できる。
しかしながら、ＰＣＭの適用は、ＰＣＭによって呈される相変化に関連する欠点によって制限されることがある。例えば、固液相変化を呈するＰＣＭでは、そのような変化には、脆性／可塑性、硬度、粘度、および表面粗さなどの機械的特性の変化が伴う。これは、ＰＣＭの柔軟性が重要であり、使用者がＰＣＭを含む製品の優れた外観および雰囲気を高く評価する用途では不利である。
この問題は、特に服飾において明白である。例えば、柔軟な衣服が、その内部のＰＣＭが液体から結晶に変化して、硬くてパリパリになると不快である。ＰＣＭが衣服にどのように組み込まれているかによって、衣服の表面の粗さが望ましくなく増加し得る。
化合物Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏは、比較的危険性がなく、３２．４℃の温度で急激な相変化を有するので、服飾内のＰＣＭとして有用な用途を見出す。この化合物を効果的に適用するには、その１０当量の水を維持することが必要となる。この目的のために、これは通常、水の蒸発を防ぐために水密容器（例えば、パウチまたはポケット）に包装される。Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの蓄熱が依存する相変化は液固相変化であり、これにより、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの柔軟なパウチが服飾に適用されることが所望される場合に、上で概説した問題が生じる。相変化の際に形成される結晶により、パウチが、表面の粗い、固形で柔軟性のないものになる。パウチに力を加えると、パウチ内部の鋭い結晶がパウチの内面に押し付けられるため、パウチを（例えば、穿刺することによって）損傷し得る。
しかしながら、現在のところ、相変化中に柔軟性を維持するＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏに基づく満足のいくＰＣＭは存在しない。Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏのいかなる変性も、ＰＣＭの蓄熱容量が減少する、および／または相変化が温度軌跡全体に広がるという副次的影響を有しないことがさらに重要である。
したがって、本発明の目的は、相変化中に柔軟性を維持する、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏに基づくＰＣＭを提供することである。加えて、相変化時に、例えば、封入容器に損傷を与え得る鋭利な（結晶性）材料が形成されない、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏに基づくＰＣＭを提供することを目的とする。さらに、相変化が単一の温度で起こること、または少なくとも、相変化の温度軌跡が可能な限り短いことが目的である。
ここで、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏに特定の添加剤を使用することにより、これらの目的のうちの１つ以上を達成できることが見出された。
したがって、本発明は、
－５０．０～９９．９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏと、
－０．１～５．０重量％のアルギン酸塩と、を含む、相変化材料組成物に関する。
－５０．０～９９．９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏと、
－０．１～５．０重量％のアルギン酸塩と、を含む、相変化材料組成物に関する。
本発明の組成物は、５０．０～９９．９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏを含み、これは、組成物中の実際の相変化材料である。Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの含有量は、通常５０．０～９９．０重量％の範囲である。これはまた、７０～９８重量％の範囲、８０～９８重量％の範囲、または９０～９８重量％の範囲であり得る。これはまた、７５～９５重量％の範囲であり得る。
組成物中のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの含有量が高いほど、全組成物のｋｇ当たりに吸収できるエネルギー量の点で、組成物はより効果的になる。したがって、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの含有量は、好ましくは可能な限り高い。一方、添加剤を加えると、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの含有量が減少する。それにもかかわらず、添加剤は、多くの理由で好まれ得る。
純粋なＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの融点は、３２．４℃である。この点は、ある特定の添加剤の存在によって影響を受け得る。例えば、ＮａＣｌが存在することで、融点が下がることが知られている。本発明の組成物において、融点を調整するために、最大２０重量％のＮａＣｌ含有量が存在し得る。Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏを有する組成物中のＮａＣｌの含有量はまた、１５重量％以下、１０重量％以下、８重量％以下、または５重量％以下であり得る。これはまた、０．１～１５重量％の範囲、特に０．５～１０重量％の範囲であり得る。
また、ホウ砂（Ｎａ2Ｂ4Ｏ5（ＯＨ）4・８Ｈ2Ｏ）を使用して、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの融点を変えてもよい。この目的のために、その含有量は、最大１０重量％、例えば、０．１～８．０重量％の範囲、２．０～６．０重量％の範囲、または０．５～４．０重量％の範囲であり得る。
別の任意選択的な添加剤は、カルボキシメチルセルロースナトリウムであり、これは、最大１０重量％の量で存在し得る。通常、存在する場合、その含有量は、５重量％以下である。例えば、これは、０．５～４．０重量％の範囲である。カルボキシメチルセルロースナトリウムの機能は、組成物からの水の分離を防止することである。
本発明の組成物において、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏによって提供される水に加えて、水が存在し得る。これは、次の理由で役立つ。相変化材料としてＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏを効果的に適用するには、その１０当量の水を維持することが必要となる。この目的のために、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏは通常、水の蒸発を防止するために水密容器（柔軟なパウチやサッシェなど）に包装される。容器からの水の一部の最終的な漏出に対応するために、そのような容器内に少量の余分な水が存在し得る。そのような余分量は、組成物の蓄熱容量および相変化温度にほとんど影響を及ぼさない一方で、水の不足は（すなわち、組成物の総含水量が１０当量未満である場合）、蓄熱容量および相変化温度の観点から、組成物の作用に強い悪影響を及ぼす。製造時に余分な水が製品に含まれていると、製品の長期安定性が向上する。
本発明の組成物中の任意の追加の水（すなわち、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏ中の１０水当量を超える水）の含有量は、最大４．０重量％または最大６．０重量％、例えば、０．５～５．０重量％の範囲または１．０～３．０重量％の範囲であり得る。
代替的に、追加の水の含有量は、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏの量の０．１０～１０．０モル％の範囲であり得る（すなわち、追加の水とＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏとのモル比が、０．１０：１．０～１０．０：１．０の範囲である）。追加の水の含有量は、特に０．２０：１．０～６．０：１．０の範囲、より具体的には０．４０：１．０～４．０：１．０の範囲であり得る。
本発明の組成物は、アルギン酸塩を含む。アルギン酸は、マンヌロン酸およびグルロン酸の残基を有する親水性の線状多糖コポリマーである。残基は交互であってもよいが、ポリマーはまた、複数の同じ残基が一緒に連結されている残基のブロックを含んでもよい。異なるアルギン酸塩では、マンヌロン酸およびグルロン酸の残基は、異なるモル比で、例えば、２５：７５～７５：２５の範囲で存在し得る。
本発明の組成物において、アルギン酸塩のモル質量は、通常、５，０００～５００，０００ｇ／モルの範囲である。また、それは、１０，０００～２５０，０００ｇ／モルの範囲または３０，０００～４００，０００ｇ／モルの範囲であってもよい。特に、これは、２０，０００～２００，０００ｇ／モルの範囲、より具体的には４０，０００～１２０，０００ｇ／モルの範囲である。
アルギン酸塩は、好ましくは、金属塩である。例えば、これは、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸カルシウム、およびアルギン酸マグネシウムの群から選択される。また、これは、アンモニウム塩などの別の塩として存在してもよい。
本発明の組成物は、脂肪酸塩、すなわち、脂肪酸の塩を含み得る。脂肪酸とは、飽和または不飽和のいずれかである長い脂肪族鎖（例えば、６～３０個の炭素原子）を有するカルボン酸を意味する。本発明の組成物中の脂肪酸塩は、２５℃での水溶性が７５ｍｇ／Ｌ以下である限り、原則としていずれの脂肪酸塩であってもよい。好ましくは、脂肪酸塩は、飽和脂肪酸塩であり、すなわち、これは飽和アルキル鎖を含む。
通常、脂肪酸塩は、１０～３０個の炭素原子を含み、特にこれは、１０～３０個の炭素原子の鎖を含む（すなわち、これは、Ｃ１０～Ｃ３０脂肪酸の塩である）。そのような鎖は、例えば、１つ以上のメチル基分岐し得る。しかしながら、通常、このような鎖は線形である（つまり、分岐していない）。
好ましくは、脂肪酸塩は、カプリル酸塩、カプリン酸塩、ラウリン酸塩、ミリスチン酸塩、パルミチン酸塩、ステアリン酸塩、アラキジン酸塩、ベヘン酸塩、およびリグノセリン酸塩の群から選択される脂肪酸カルボン酸塩を含む。
本発明の組成物中の脂肪酸塩は、通常、金属の塩である（すなわち、これは、金属カルボン酸塩である）。その場合、金属は通常二価金属であり、特に、マグネシウム、カルシウム、マンガン、亜鉛、スズ、および鉛の群から選択されるものである。したがって、そのような二価金属カルボン酸塩は、典型的には、式Ｍ（ＣxＨ2x+1ＣＯＯ）2のものであり、式中、Ｍは二価金属である。式中、ｘは、通常９～２９の範囲、具体的には７～２５の範囲、より具体的には９～１３の範囲にある。
好ましくは、本発明の混合物中の脂肪酸塩は、カプリル酸マグネシウム、カプリン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、ミリスチン酸マグネシウム、パルミチン酸マグネシウム、ステアリン酸マグネシウム、アラキジン酸マグネシウム、ベヘン酸マグネシウム、およびリグノセリン酸マグネシウムの群から選択される。
本発明の組成物は、２つ以上、例えば、２つ、３つ、または４つの脂肪酸塩を含み得る。特に、これらは、互いに独立して、カプリル酸マグネシウム、カプリン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、ミリスチン酸マグネシウム、パルミチン酸マグネシウム、ステアリン酸マグネシウム、アラキジン酸マグネシウム、ベヘン酸マグネシウム、およびリグノセリン酸マグネシウムの群から選択される。
脂肪酸塩は、存在する場合、２５℃での水への溶解度が７５ｍｇ／Ｌ以下である。通常、これは６０ｍｇ／Ｌ以下である。また、これは、５０ｍｇ／Ｌ以下、４０ｍｇ／Ｌ以下、または３０ｍｇ／Ｌ以下であってもよい。典型的には、これは、１～５０ｍｇ／Ｌの範囲である。また、これは、５～４０ｍｇ／Ｌの範囲であってもよい。
本発明はさらに、Ｎａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏを脂肪酸塩、特にステアリン酸マグネシウムなどの脂肪酸塩と混合することを含む、上記のような組成物を調製するための方法に関する。
本発明の組成物が相変化材料として適用される場合、組成物は通常、容器内に存在する。服飾への適用には、柔軟な容器、例えば、パウチまたはポケットが好まれる。そのような容器は、組成物の相変化に必要とされる水の漏出を防ぐために、好ましくは、水に対して不浸透性である。したがって、本発明はさらに、容器が水を透過しない、上記のような組成物を含む容器に関する。
驚くべきことに、本発明の組成物（例えば、パウチ内に存在するとき）は、多数の後続の加熱および冷却サイクルに供されたときに、柔軟なままであることが見出された。これは、内部のＰＣＭが液体から結晶に変化する傾向がまったくないことを示している。サイクル中の温度をモニタリングすることにより、容器内の組成物の熱特性を測定したところ、各サイクルで相変化が起こったことが確認された。
本発明の組成物は、服飾において有利な用途を見出す。したがって、本発明はさらに、上記のような組成物を含む衣服（ジャケット、コート、ズボン、またはヘッドギアなど）、特にそのような組成物を含む容器に関する。
本発明はさらに、上記のような容器、またはそのような容器を含むジャケット、ズボン、もしくはヘッドギアなどの衣服の使用を含む、身体または物品を冷却するための方法に関する。
以下の組成物を調製し、アルミホイルのパウチに入れ、その後パウチを密封して水密容器を得た。
－８５．９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏ
－１．６重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウム
－１．６％重量％のホウ砂
－２．１重量％の水
－８．３重量％の塩化ナトリウム
－０．５％重量％のアルギン酸ナトリウム
－８５．９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏ
－１．６重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウム
－１．６％重量％のホウ砂
－２．１重量％の水
－８．３重量％の塩化ナトリウム
－０．５％重量％のアルギン酸ナトリウム
パウチを５０℃の水浴で加温し、その温度で１５分間放置した。その後、パウチは、柔軟になり、手で簡単に変形できた。その後、これを冷蔵庫で５℃まで冷却し、その温度で１５分間放置した。パウチは依然として柔軟であり、パウチ内に固体粒子を感じることはできなかった。温かいパウチとの唯一の違いは延性であった。温かいパウチは冷たいパウチよりも変形しやすかった。このような加温および冷却のシーケンスは、１つの加熱サイクルとみなされる。
パウチを４２０回の加熱サイクルに供し、各サイクルの前後に計量した。パウチの重量は経時的に変化せず、パウチは各サイクル後に同じ柔軟性を有するように見えた。
サイクル中の温度のモニタリングにより、２４℃で相変化が起こったことが実証された。
Claims (14)
- ・５０～９９重量％のＮａ2ＳＯ4・１０Ｈ2Ｏと、
・０．１～５．０重量％アルギン酸塩と、を含む、組成物。 - 前記アルギン酸塩が、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸カルシウム、およびアルギン酸マグネシウムの群から選択される、請求項１に記載の組成物。
- 前記アルギン酸塩が、５，０００～５００，０００ｇ／モルの範囲、特に２０，０００～２００，０００ｇ／モルの範囲のモル質量を有する、請求項１または２に記載の組成物。
- ７５ｍｇ／Ｌ以下の２５℃での水溶性、特に１～５０ｍｇ／Ｌの範囲の２５℃での水溶性を有する、０．１～５．０重量％の脂肪酸塩をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記脂肪酸塩が、式Ｍ（ＣxＨ2x+1ＣＯＯ）2の二価金属ジカルボン酸塩であり、ｘが、９～２９の範囲にある、請求項１～４のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記二価金属が、マグネシウム、カルシウム、マンガン、亜鉛、スズ、および鉛の群から選択される、請求項５に記載の組成物。
- 前記脂肪酸塩が、カプリル酸マグネシウム、カプリン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、ミリスチン酸マグネシウム、パルミチン酸マグネシウム、ステアリン酸マグネシウム、アラキジン酸マグネシウム、ベヘン酸マグネシウム、およびリグノセリン酸マグネシウムの群から選択される、請求項４に記載の組成物。
- ０．５～４．０重量％のホウ砂をさらに含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の組成物。
- ０．５～４．０重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウムをさらに含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の組成物。
- ０．１５～１５．０重量％のＮａＣｌをさらに含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の組成物。
- ０．１～５．０重量％の水をさらに含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項１～１１のいずれか一項に記載の組成物を含む容器であって、前記容器が、水を透過しない、容器。
- 請求項１～１１のいずれか一項に記載の組成物を含み、特に請求項１２に記載の容器を含む、冷却衣服。
- 請求項１２に記載の容器または請求項１３に記載の冷却衣服の使用を含む、身体または物体を冷却するための方法。
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