KR100540056B1 - 발열체용 마그네슘-알루미늄 합금, 이를 이용한 발열체,그 발열체의 제조방법 및 그 발열체를 이용한 발열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초 부식성 합금인 발열체용 Mg-Al-Ni, Mg-Al-Fe, 및 Mg-Al-Cu합금, 이를 이용한 발열체, 그 발열체의 제조방법 및 그 발열체를 이용한 발열방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발열체용 Mg-Al계 초부식성 합금은 전체 합금 조성중에 Al은 약 2 내지 20at%, Ni, Fe 및 Cu는 1 내지 2at%로 포함하며, 이를 이용한 발열체는 Mg-Al계 초부식성 합금 100중량부, 전해물질 2 내지 5중량부, 유기산(산성물질) 10 내지 30중량부, 염기성 물질 2 내지 10중량부 및 선택적으로 촉매 0.01 내지 0.1중량부를 포함하고, 상기 발열체는 상기 조성의 발열체용 합금 조성 성분들을 비활성 용매중에서 혼합하고 볼밀링한 후 소성하여 제조한 후, 상기와 같은 발열체 조성을 갖도록 하는 전해질, 유기산, 염기성 물질 등을 혼합하여 제조하며, 상기 발열 방법은 상기 발열체에 물 및/또는 전해질 용액을 가하여 발열 반응을 진행시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 초부식성의 Mg-Al계 합금을 사용한 발열체는 단위 중량당 발열량이 커서 발열체 사용량을 대폭 감소시킬 수 있어 이동성과 휴대의 편리성을 향상시키며, 고온을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 가연성 및 유독성의 기체발생을 억제하여 폭발 및 화재의 위험성을 대폭 감소시켰으며 환경 친화적인 최종 생성물이 만들어지기 때문에 환경오염을 방지할 수 있다.

발열체, 마그네슘, 알루미늄, 초부식성 합금, 미세형 전지, 발열방법

Description

발열체용 마그네슘-알루미늄 합금, 이를 이용한 발열체, 그 발열체의 제조방법 및 그 발열체를 이용한 발열 방법 {Mg-Al alloy for heating element, heating element using Mg-Al alloy, method for preparing heating element, and heating process using heating element}

본 발명은 발열체로 사용될 수 있는 초부식성 Mg-Al 계 합금, 이를 이용한 발열체, 그 발열체의 제조방법 및 그 발열체를 이용한 발열 방법에 관한 것이다. 이와 같은 발열체는 버너나 히터 등의 가열 도구 없이 안전하게 포장식품을 가열하여 음식을 조리하거나 뜨겁게 데울 수 있다.

일반적으로, 군인이나 등산가들에게 작전을 수행하거나 이동할 때 또는 비상시에 버너나 히터 등의 가열도구 없이 손쉽게 식품을 가열하여 취사할 수 있는 발열체는 매우 유용하며, 식품의 가열뿐만 아니라 의료용 찜질팩, 손난로용 가열체 등으로 상업화 할 수 있기 때문에 그의 유용성은 매우 크다 할 수 있다.

지금까지 개발되었던 발열체들은 몇가지 금속 및 금속산화물 또는 금속염으로 구성되어 있다. 예를 들면, 생석회(CaO), 수산화칼륨(KOH), 염화칼슘(CaCl₂), 염화마그네슘(MgCl₂), 오산화인(P₂O₅) 등과 같은 화합물을 적절하게 혼합한 혼합물로 구성하거나 또는 부식성 마그네슘 합금(Mg-alloy)에 전해물질(NaCl, KCl, MgCl₂, FeCl₂, NiCl₂) 등을 혼합하여 발열체를 구성하였다. 이와 같은 발열체는 물이나 전해질 용액과 접촉시킬 때 발생한 반응열을 이용하여 버너나 히터 등의 가열도구 없이 포장식품을 가열하여 음식을 조리하거나 데울 수 있다. 그러나 전반적으로 이와 같은 발열체는 여러 가지 단점, 예를 들면, 발열체의 흡습성으로 인하여 장기간 보관하는 데 어려움이 있거나 충격에 취약한 점을 지니고 있으며, 특히 효과적으로 포장하지 않으면 장기간 보관할 경우 반응성 물질들이 시간의 경과에 따라 반응성을 상실하게 되는 등의 단점을 갖고 있다. 이에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

대한민국 특허공개번호 제1020000058524호에는 생석회에 2 내지 35중량부의 인산용액(H₃PO₄)을 접촉시켜 300mL의 물을 73 내지 100℃까지 가열 시키는 것이 기재되어 있지만, 이것은 오산화인(P₂O₅)의 조해성에 의한 맹렬한 수화반응으로 인하여 본체인 생석회와 자체 발열반응을 초래하여 유통과정에서 폭발적인 발열반응을 일으킬 위험성을 내포하고 있으며, 또한 인산용액을 폐기할 시에 생태계에 부영양화를 초래하는 환경에 비친화적인 방법이므로 바람직하지 않다.

일본 특허공개번호 소62-9151호에는 생석회에 무기염의 수용액을 접촉시켜 180mL의 음료수를 50℃이상으로 가열하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법이 혹한기에 수용액의 결빙을 피할 수 있다는 장점을 가지지만 음식을 조리하기에 충분한 온도를 제공하지 못하는 단점을 갖는다.

미국 특허 제5,205,277호에는 3가지 가열 패키지, 즉 하단부에 열을 발생시키기 위해 생석회를 안치하고 중간층에 초산(CH₃COOH), 물, 소금용액을 설치하였고 한편 농도가 다른 소금용액을 상단부에도 설치하여 용액포의 파열에 따른 생석회의 수화 반응열을 유발시켜 상단부의 용액에 의한 2차 반응열을 일으키는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 방법은 비교적 높은 온도를 얻을 수 있어서 혹한기나 추운 지방에서는 유용한 방법이지만 경제적인 단가가 높아 비경제적인 단점이 있다.

미국 특허 제4,522,190호, 제5,117,809호 및 제5,593,792호는 음식물이나 식료품을 가열하기 위한 가열 패키지로서 다공성 고분자인 폴리에틸렌을 이용한 초 부식성 금속합금 분말로 구성된 발열체이다. 초 부식성 마그네슘-철의 합금을 바닷물과 같은 전해질 용액과 접촉시켜 비교적 높은 열을 얻을 수 있지만, 가연성이 높고 폭발 위험성이 있는 수소가스가 다량 발생한다는 취약점이 있을 뿐만 아니라 마그네슘-철의 합금은 전해질 용액과 매우 느리게 반응한다는 취약점을 가지고 있다.

대한민국 특허출원 제1019990046130호는 미국 특허 제4,522,190호 및 제5,117,809호와 동일한 마그네슘-철의 초 부식성 합금을 다른 형태의 가열 패키지로 개발하여 휴대의 용이성과 가열 최고온도를 개선하였지만 여전히 수소기체의 발생에 따른 근본적인 폭발 및 화재의 위험성과 반응속도가 매우 느린 취약점을 개선하지 못하였다. 본 연구진에서 출원한 대한민국 특허출원 제 102001005625호는 앞서 열거한 느린 발열속도의 문제점과 지속성의 문제점을 보완하였으나 과다한 중량과 부피의 문제점을 지니고 있다.

군인이나 등산가들이 작전을 수행하거나 이동할 때 대두되고 있는 신속성은 휴대품의 중량과 부피에 크게 의존한다. 따라서, 특수한 상황에서 사용되는 발열체의 중량과 부피를 경감시키는 것은 매우 중요하며 또한 시간의 절약을 위한 신속한 가열도 매우 중요하다. 또한, 발열체를 활성화 시키는데 요구되는 물의 양도 매우 중요하다. 즉, 야전에서 마실 수 있는 물을 구한다는 것은 용이하지 않고 군인들이 휴대하고 있는 수통에 있는 물의 양은 제한되어 있어서 발열체를 활성화하기 위한 물의 양을 감소시키는 것도 중요하다.

이상과 같이, 종래의 발열체들은 가열 온도가 충분치 못하거나, 반응 속도가 느리고, 폭발 위험이 있는 수소 가스가 다량 발생되며, 발열체의 사용량이 많고, 발열 반응시 많은 물을 사용하며, 경제적으로 단가가 높고, 폐기시 부영양화를 초래하여 환경에 비친화적인 문제점등을 가지고 있었다.

본 발명의 목적은 폭발 및 화재 위험성이 거의 없으며 피가열체를 고온으로 가열할 수 있으며, 소량의 발열체, 물 및 기타 발열 반응 물질을 사용하며, 경제적, 환경적인 문제를 해결할 수 있는 발열체용 초부식성 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 초부식성 합금을 이용한 발열체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 발열체의 제조방법을 제공하는 것이다.

추가로, 본 발명의 다른 목적은 상기 발열체를 이용한 발열방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 마그네슘 금속분말을 본체로 하여 마그네슘과 전기적 접촉을 양호하게 하기 위하여 표준 환원전위가 높은 금속 알루미늄, 및 철, 니켈 및 구리 중 하나 이상을 사용하여 제조한 초부식성 Mg-Al 계 합금을 사용하는 경우 발열체의 중량을 대폭 감소시킬 수 있으며 피가열물을 고온으로 가열시킬 수 있고, 반응 속도도 충분히 빠르다는 사실을 밝혀내었다.

본 발명의 두번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 발열체는 Mg-Al계 초부식성 합금 100중량부, 전해질 2 내지 5중량부, 유기산 10 내지 30중량부, 및 염기성 물질 2 내지 10중량부를 포함한다.

본 발명의 세번째 목적은 먼저 소정량의 마그네슘, 알루미늄, 및 니켈, 철 및 구리 중 한가지 이상을 비활성 용매 중에서 혼합하고 이 혼합물을 볼밀링하여 초부식성 합금을 얻고, 이를 소성한 후, 그 소성한 초부식성 합금에 상기한 소정의 유기산, 염기성 물질, 및 전해질 물질을 혼합하여 발열체를 제조함으로써 달성된다.

본발명의 네번째 목적인 발열 방법은 상기 발열체에 별도로 준비한 물 또는 전해질 용액을 혼합하여 발열 반응을 진행시킴으로써 달성된다.

이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 발열체용 상기 Mg-Al계 초부식성 합금으로는 Mg-Al-Fe, Mg- Al-Ni, 및 Mg-Al-Cu로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것이 바람직하다. 본 발명의 초부식성 Mg-Al계 합금은 그 총 중량을 기준으로 마그네슘 금속 이외에 2 내지 10at%의 알루미늄 금속 및 1 내지 2 at%의 철, 니켈 및 구리 금속 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.

본 발명의 발열체용 초부식성 Mg-Al계 합금은 금속의 표준 환원전위(E^o)를 이용하여 양극물질과 음극물질을 선택하였으며, 마그네슘 금속분말을 양극물질로 구성하고 표준 환원전위가 높은 금속인 알루미늄, 및 철, 니켈 또는 구리 등의 금속분말을 음극물질로 선택하여 혼합한 부식성 합금을 제조함으로써, 양극물질과 음극물질 간에 초 미세형 전지를 구성하였다. 또한, 상기 음극물질은 하기 반응식 1과 같이 전기화학적 반응에서 소모되지 않고 부식성 양극에 의하여 생성되는 전자를 받아 전해질에 있는 양이온을 환원하는 자리를 제공한다. 이 초미세형 전지인 초부식성 합금은 후술하는 물 또는 전해질 수용액에 의해 전기화학 반응을 일으킬 때 열을 발생시키며, 본 발명의 발열체는 이 열을 이용하는 것이다.

삭제

산화 : Mg(s) + 2 OH^-(aq) → Mg(OH)₂(s) + 2 e^- E^o = 2.67V

환원 : O₂(g) + 4 H ⁺(aq)+ 4 e ^- → 2 H₂O(l) E^o = -1.23V
마그네슘 금속분말의 입도크기는 20 내지 50메쉬이고, 알루미늄, 철, 니켈, 및 구리 등의 음극물질의 입도크기는 100 내지 200메쉬인 것이 가장 효과적인 반응속도를 얻을 수 있으며, 음극물질의 함유량은 알루미늄 금속 2 내지 10 at% 및 철, 니켈 또는 구리 금속 1 내지 2 at%인 것이 최적의 성능을 구현할 수 있기 때문에 바람직하다.

본 발명에 따른 초부식성 Mg-Al 계 합금을 함유하는 발열체는 Mg-Al계 초부식성 합금 100중량부, 전해질 2 내지 5중량부, 유기산 10 내지 30중량부 및 염기성 물질 2 내지 10중량부를 포함한다.

본 발명에 따른 발열체는 분말 및 과립형태로 제공될 수 있다.

본 발명의 발열체에서 사용되는 전해질 물질로는 소금(NaCl), 염화칼륨(KCl), 및 무수 염화마그네슘(MgCl₂)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상 및 염화제2철(FeCl₃), 염화니켈(NiCl₂) 및 염화구리(CuCl₂)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 함께 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 발열체의 주된 구성 요소인 합금은 전기화학적 전지로 구성되어 있기 때문에 전기화학적 상호작용에서 마그네슘 분말이 양극으로 행동하고 음극물질이 음극으로 행동하기 위해서는 전기적 접촉이 있어야 한다. 이때 전기적 접촉은 전해질에 의해서 일어날 수 있다. 전해질은 음극에서 생성된 수산화 이온(OH^-)이 양극에서 생성된 금속 양이온(Mg²⁺)과 결합할 수 있도록 이동할 수 있는 전기 전도의 통로를 제공하게 된다. 이를 위해 NaCl, KCl, 및 MgCl₂로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전해질이 사용된다. 그러나, 전해질은 전자이동의 통로를 제공되는 것 이외에도 산화작용에 따른 전극표면의 활성화 작용을 하는 바, 이를 위해 표준 환원전위가 마그네슘보다는 높은 금속의 염, 즉 NiCl₂, FeCl₃ 및 CuCl₂로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 염을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 발열체의 첨가물질로서 유기산은 반응속도의 향상을 위한 산성도의 조절을 위해 첨가되는 것으로써, 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 글리신, 말레산, 말론산, 글루타르산, 타타르산 및 시트르산으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된다. 특히 글리신과 말론산의 혼합물이 사용될 수 있는데, 글리신과 말론산의 혼합물은 발열체의 반응시 발열온도를 현저하게 높이게 할뿐만 아니라 인체에 무해한 환경 친화적인 생성물을 만들기 때문에 바람직하다. 이들의 사용량은 합금 중량에 기초하여 10 내지 30중량부가 바람직하다. 이와 같은 유기산은 반응속도의 향상뿐만 아니라 발열 후 지속시간을 길게 유지할 수 있다.

마그네슘은 산성조건에서 산화반응이 촉진되므로 상기에서 열거한 유기산 무수물이나 유기산을 첨가하였다. 일반적으로, 낮은 pH에서는 마그네슘의 산화반응이 빠르고 높은 pH에서는 느리게 반응하므로 적절한 반응속도를 얻기 위해서는 pH를 최적화 하여야 한다. 대부분의 유기산은 수용액에서 이온화하여 pH값이 2 내지 7의 수용액을 만든다. 이러한 산의 첨가는 수화반응에 의해 전극표면에서 생성되어 전극반응을 감소시키는 약염기성의 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂)과 중화반응을 일으켜 유기산의 산소와 결합하여 유기산 마그네슘의 이온성 물질을 생성하며 부수적인 중화 반응열도 얻게 된다는 사실도 발견하였다.

알루미늄의 수화반응은 염기성 조건에서는 빠르고 산성조건에서 느리게 일어난다. 따라서, 유기산의 첨가에 의한 산성 조건을 완화하고 최적의 pH를 유지하여 알루미늄의 수화반응을 촉진하도록 염기성 물질을 첨가하였다. 본 발명의 발열체에 사용되는 염기성 물질은 전기화학적 발열반응에서 발생하는 수소를 흡착할 수 있을 뿐만 아니라 최적의 산도인 pH값을 3 내지 7로 유지하기 위하여 첨가되는 것으로 이것으로 제한되는 것은 아니지만 소다회, Na₂SiO₃, NaHCO₃, CMC 및 셀루로오스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 그의 사용량은 합금 중량에 기초하여 2 내지 10중량부가 바람직하다. 특히, CMC와 셀루로오스는 수소기체의 흡수 뿐만 아니라 물이나 전해질 용액을 흡수하여 용액이 고르게 침투되면서 발열반응이 전체적으로 균일하게 이루어지게 할 수 있으며 물의 증발을 억제하여 발열 지속시간을 오랫동안 유지할 수 있기 때문에 동절기와 같은 혹한기에도 유리하게 사용될 수 있게 한다. 또한 그 자체가 환경에 친화적이기 때문에 사용 후 폐기물의 환경오염 및 쓰레기 문제를 해결할 수 있다.

한편, 하기 반응식 2와 같이 상기 발열체를 물이나 전해질과 접촉시키면 다량의 열과 수산화 마그네슘 및 수소를 생성한다.

Mg(s) + 2 H₂O(l) → Mg(OH)₂(s) + H₂(g) △H = -86.8Kcal

이때 발생하는 수소 가스는 화재 및 폭발 위험성을 가지고 있으므로 이를 적 절히 처리해줄 필요가 있는 바, 본 발명자는 수소가스를 염기성 물질이나 촉매를 사용하여 흡수시킬 수 있다는 사실을 밝혀내었다.

촉매로는 산화은(Ag₂O) 및 5% 탄소상의 팔라듐(Pd/5%C) 촉매를 사용하는 것이 바람직하며, 초부식성 합금 100중량부에 대해 0.01 내지 0.1중량부로 사용하는 것이 적당하다.

본 발명에 따른 발열체에 사용되는 또 다른 첨가제인 촉매는 하기 반응식 3과 같이 부식반응의 부산물인 수소기체의 발생을 억제할 수 있었으며, 부수적인 열도 얻을 수 있어 가연성의 수소기체 발생의 문제를 해결하여 폭발이나 화재의 위험성을 현저하게 감소시킬 수 있다.

그러나, 촉매의 사용은 수소기체 발생의 억제 및 열 효율면에서는 유리할 것으로 예상되나 오히려 발열 온도를 낮추는 문제점이 있다. 따라서, 높은 발열 온도를 필요로 하는 경우 촉매를 사용하여 수소를 제거하는 것보다 염기성 물질에 수소를 흡수시키는 것이 효과적이다. 수소 흡수를 위해 사용될 수 있는 염기성 물질의 종류 및 사용량은 전술한 바와 같다.

상기 본 발명의 다른 목적으로써, 본 발명에 따른 초 부식성 합금을 이용한 발열체의 제조방법은 마그네슘 분말에 알루미늄, 철, 니켈, 및 구리 중에서 선택된 표준 환원준위가 높은 음극물질을 비활성 용매를 사용하여 혼합하고 볼밀링하여 부 식성 합금을 얻는 단계; 상기 부식성 합금의 전기적 접촉을 균일하게 하기 위해 소성하는 단계; 및 소성한 부식성 합금에 유기산, 염기성물질, 전해질 물질 및 선택적으로 촉매를 첨가 혼합하여 발열체를 얻는 단계를 포함한다.

볼밀링을 통해 부식성 합금을 얻는 단계에서, 비활성 용매를 사용하여 볼밀링하는 방법은 비활성 용매를 사용하지 않는 종래의 볼밀링법과 달리 비활성 분위기에서 밀링이 되기 때문에 입자표면에 산화피막이 형성되는 것을 방지할 수 있으며 청결한 표면이 재산화 되는 것을 방지할 수 있다. 여기서 비활성 용매로는 헥산 또는 1,1,1-트리클로로에탄을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 부식성 합금을 얻는 단계의 볼밀링은 2 내지 6시간 동안 20내지 40RPM으로 행하는 것이 바람직하다.

밀링 후에, 비활성 용매를 제거하기 위해 진공 오븐에서 약 50 내지 70℃로 1 내지 3시간 건조한다.

또한, 상기 제조 방법에서 소성 단계는 부식성 합금을 400 내지 500℃에서 30분 내지 2시간 동안 비활성 기체분위기에서 소성하는 것이 바람직하다. 볼밀링을 통한 기계적 접촉으로 전극간의 간격을 최소화할 수 있지만 분포 조성비가 일정하지 않으므로 부식성 합금의 전기적 접촉이 균일한 초 미세형 전지를 얻기 위하여 소성 단계를 수행한다. 따라서, 400 내지 500℃에서 30분 내지 2시간 동안 비활성 기체분위기, 예를 들어 질소 가스를 분당 2L로 흘려주면서 소성하면 금속 입자간 결합표면에 존재하는 산화물 층을 제어함은 물론 물리적 접촉성을 최적화하여 조성 분포가 균일하게 된다.

이어서, 소성한 부식성 합금에 유기산, 염기성물질, 및 전해질 염을 첨가하여 믹서기로 고르게 혼합한다.

상기 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상기와 같이 제조된 발열체를 물 또는 선택적으로 전해질 용액과 접촉시켜 전기적 부식반응과 수화반응 및 중화반응을 통해 발열 시키는 것을 특징으로 하는 발열체의 발열 방법이다.

본 발명에 따른 발열체는 전해질이 포함되어 있기 때문에 물만으로도 발열 시킬 수 있다.

선택적으로 사용될 수 있는 상기 전해질 용액으로는 3 내지 5% 소금용액, 3 내지 5% 염화암모늄 수용액, 1 내지 3% 염화마그네슘 수용액 및 각종 전해질 용액이 발열체 30g당 50내지 100mL사이의 비율로 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 실시 예로 본 발명을 한정한 것은 아니다.

실시예

실시예 1 내지 94

20 내지 50 메쉬의 마그네슘 분말과 200 메쉬의 알루미늄 분말 그리고 200메쉬의 철 분말을 각각 아래의 표 1과 같이 계량하여 헥산과 함께 볼 밀에 투입한 후 4시간동안 30RPM으로 볼밀링한 후에 60℃에서 1시간동안 진공 오븐에서 건조하고 140 메쉬의 망체로 체질하여 각각 Mg-2at.%Al-1at%Fe, Mg-2at%Al-2at%Fe, Mg-5at.%Al-1at%Fe, Mg-5at.%Al-2at%Fe, Mg-10at.%Al-1at%Fe, 및 Mg-10at.%Al-2at%Fe의 부식성 합금을 제조하였다. 본 실시예 및 본 명세서 전반에서 사용되는 at%는 원자수를 기준으로 한 백분율(atomic percent)을 나타낸다.

조성	투입량(g)
	Mg	Al	Fe
Mg-2at.%Al-1at%Fe	96.0	10.2	10.5
Mg-2at%Al-2at%Fe	93.4	10.8	22.3
Mg-5at.%Al-1at%Fe	92.3	27.3	11.3
Mg-5at.%Al-2at%Fe	93.2	11.2	22.5
Mg-10at.%Al-1at%Fe	87.0	54.2	11.2
Mg-10at.%Al-2at%Fe	85.0	53.5	22.2

이어서 전기적 접촉성과 분포성을 균일하게 하기 위하여 얻어진 부식성 합금을 450℃에서 1시간동안 질소 분위기 하에서 소성하였다. 소성한 각각의 마그네슘-알루미늄-철 합금 30g에 6g의 유기산, 3g의 염기성물질, 1.5g의 전해질 염, 300mg의 염화제2철을 첨가한 후에 믹서기로 잘 혼합하여 여러 가지 조성의 발열체를 제조하였다.

발열체의 발열 능력을 평가하기 위하여 다음과 같은 발열장치를 구성하여 시간에 따른 온도변화를 측정하였다.

일체형의 덮개가 있는 밀폐형 포장상자 내부에서 발생되는 열의 유출이 차단된 용기를 선정하고 식품을 가상한 약 400mL의 물을 넣은 알루미늄박 용기를 발열체의 상단에 설치하였다. 용기의 바닥면에 물 80mL정도의 양을 수납한 비닐 봉지를 놓고 그 위에 발열체를 수용한 부직포로 된 포장체를 올려 놓아 용액의 비닐 수납봉지에 달려있는 견인줄을 잡아 당길 때 일정부분이 터지도록 하여 발열반응이 일어나도록 구성하였다.

따라서, 상기와 같이 제조된 발열체를 상기 발열장치에 장착하여 발열체에 의해 가열된 알루미늄박 용기에 있는 물의 온도변화를 시간에 따라 측정하여 최고 온도 및 그때의 경과시간과 약 60℃ 이상의 고온을 유지하는 경과시간을 그 때의 온도와 함께 하기 표 2a 내지 2c에 나타내었다. 여기서, 물의 초기온도는 냉장고를 이용하여 4℃로 균일하게 조절하였고 온도변화 측정 때의 주변의 조건은 25℃, 1기압이었다.

상기 표와 같이 본 발명에 따른 발열체는 유기산으로 글리신이나 시트르산을 첨가하고 전해질 염으로 NaCl을 첨가한 경우에 평균적으로 최고 가열 온도가 높았으며 최소 35분간은 60℃ 이상의 고온으로 유지되는 최적의 조성임을 알 수 있었다.

실시예 75 내지 148

철 분말 대신 니켈 분말을 그리고 염화제2철 대신 염화니켈을 사용한다는 것만 제외하고 실시예 1 내지 74와 동일한 방법으로 발열체를 제조하고 그의 시간에 따른 온도변화를 측정하여, 그 결과를 표 3a내지 3c에 나타내었다.

상기 표와 같이 본 발명에 따른 발열체는 평균적으로 90℃ 이상으로 가열되었으며 최소 40분간은 60℃ 이상의 고온으로 유지되는 것을 알 수 있었다.

실시예 149내지 222

철 분말 대신 구리분말을 그리고 염화제2철 대신 염화구리를 사용한다는 것만 제외하고 실시예 1 내지 74와 동일한 방법으로 발열체를 제조하고 그의 시간에 따른 온도변화를 측정하여 그 결과를 표 4a 내지 4c에 나타내었다.

상기와 같은 결과를 통해 알수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 발열체는 산성물질로서 타타르산을 사용한 것만 제외하고 평균적으로 90℃ 이상으로 가열 되었으며, 최소 35분간은 60℃ 이상의 고온이 유지되는 것을 알 수 있었다.

이상과 같은 본 발명에 따른 마그네슘을 본체로 하여, 알루미늄, 및 철, 니켈 또는 구리 금속을 혼합한 합금을 사용하는 발열체는 최고 발열 온도가 높고 발열량이 커서 중량을 대폭 감소시킬 수 있어 이동성과 휴대의 편리성을 향상시키며, 고온을 얻을 수 있다. 또한, 가연성 및 유독성의 수소 기체 발생을 억제하여 폭발 및 화재 위험성을 대폭 감소시켰으며 환경 친화적인 최종 생성물이 만들어 지기 때문에 환경 오염을 방지 할 수 있다.

Claims (9)

1. 발열체용 초부식성 합금에 있어서, 알루미늄 2 내지 10중량%, 철, 니켈 또는 구리 1 내지 2중량% 및 나머지는 마그네슘인 것을 특징으로 하는 발열체용 Mg-Al계 초부식성 합금.
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3. 제1항에 따른 Mg-Al 계 초부식성 합금 100중량부, 전해질 2 내지 5중량부, 유기산 10 내지 30중량부 및 염기성 물질 2 내지 10중량부를 포함하고, 상기 전해질 물질은 NaCl, KCl, NaI, 및 KI로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상과 FeCl₃, NiCl₂ 및 CuCl₂로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이며, 유기산은 글리신, 말레산, 말론산, 글루타르산, 타타르산 및 시트르산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고, 염기성 물질은 소다회, Na₂SiO₃, NaHCO₃, CMC 및 셀루로오스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상 임을 특징으로 하는 특징으로 하는 초부식성 합금을 이용한 발열체.
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5. 제3항에 있어서, 0.01 내지 0.1중량부의 산화은(Ag₂O) 또는 5% 탄소상의 팔라듐 촉매를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초부식성 합금을 이용한 발열체.
6. 마그네슘 분말에 알루미늄, 및 철, 니켈 또는 구리를 비활성 용매와 혼합하고, 2 내지 6시간 동안 20 내지 40RPM으로 볼밀링하여 초부식성 합금을 얻는 단계;

   상기 초부식성 합금을 400 내지 500℃에서 30분 내지 2시간 동안 비활성 기체분위기하에서 소성하는 단계; 및

   소성한 초부식성 합금에 글리신, 말레산, 말론산, 글루타르산, 타타르산 및 시트르산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 유기산, 소다회, Na₂SiO₃, NaHCO₃, CMC 및 셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 염기성 물질 및 NaCl, KCl, NaI, 및 KI로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상과 FeCl₃, NiCl₂ 및 CuCl₂로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전해질 물질을 첨가하고 믹서기중에서 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초부식성 합금을 이용한 발열체의 제조방법.
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9. 제3항 내지 제5항 중의 어느 하나의 항에 따른 발열체를 물 또는 전해질 용액과 접촉시켜 발열시키는 것을 특징으로 하는 발열체의 발열방법.