KR101102502B1 - 발열제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열제 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄분말과 산화칼슘분말을 혼합하여 되는 발열제 조성물에 있어서, 발열반응 화합물로 수산화칼슘 분말, 수산화나트륨 분말을 더 혼합하여 되는 발열제 조성물이다.
본 발명의 조성물은 알루미늄 분말 35~55 중량%, 산화칼슘 분말 30~50% 중량%, 수산화칼슘 분말 3 ~ 15중량%, 수산화나트륨 분말 3 ~ 15중량%를 혼합하여 이루어진다.

Description

발열제 조성물{Exothrmic composition}

본 발명은 발열제 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 발열제 대비 발열량을 향상시키기 위하여 산화칼슘(CaO)(생석회)과 알루미늄(Al) 혼합물에 발열반응물로 수산화칼슘(Ca(OH)2)(소석회)과 수산화나트륨(NaOH)를 일정량 혼합하여 물과 반응하여 발열하는 발열제 조성물에 관한 것이다.

근래, 휴대용식품, 야전식량 등과 같은 다양한 야전용 휴대식품이 가열조리 용기에 설치되 가열장치에 의해 그 자리에서 가열되고 가온되는 음식의 사용이 증가되고 있다.

이러한 휴대식품을 그 자리에서 가열되고 가온시키기 위하여 화학적 화합물의 발열반응을 이용한 여러 종류의 가열장치가 제안되고 있고, 그 한 종류로서 물과 반응하여 발열하는 발열체를 사용한다.

상기 물과 반응하여 발열하는 발열체로서는, 종래에 알루미늄 분말과 산화칼슘분말을 혼합한 것이 알려져 있다. 이 발열체는 산화칼슘을 물과 반응시켜 발열시키는 동시에, 이 반응에 의해서 생성된 수산화칼슘과 알루미늄 분말을 발열반응시키는 것이다. 이와 같은 일련의 반응에 의해 식품 등을 가열하기 위한 충분한 발열량을 단시간에 얻을 수 있다.

휴대용 박스 도시락 또는 식품은 그 내용물에 따라 다르긴 하지만 약 90℃이상으로 가열해야만 완전히 가열되고 가온된다. 가열장치 자체에 사용된 발열제는 발열반응이 매우 낮기 때문에 보온효과는 가열조리 용기 자체에 대해 기대할 수 없다. 또한, 가열장치 자체에 사용된 발열제는 발열반응이 최대온도에 도달해야하고 최대온도에서 적어도 실온으로 떨어지는데 필요한 시간, 즉 온도 유지시간의 최대화에 효과적이어야 한다.

통상적으로 발열제가 반응하여 90℃이상의 온도에 도달하고 적어도 20분 이상 이 온도를 유지하는 것이 바람직한데, 물과 산화칼슘 반응에서 상기 요건을 충족하기 위해서는 다량의 산화칼슘을 사용해야 한다. 따라서, 가열조리 용기의 무게 및 부피를 증가시키게 된다.

본 발명의 기술적 과제는 가열조리 용기의 무게 및 부피를 증가시키지 않고, 또한 가열조리 용기의 가열장치에 다량의 발열제를 사용하지 않고도 발열제의 온도를 90℃이상의 온도까지 빠르게 상승시키고 적어도 20분 동안 이 온도를 유지시킬 수 있는 발열제 조성물을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 알루미늄분말과 산화칼슘분말을 혼합하여 되는 발열제 조성물에 있어서, 발열반응 화합물로 수산화칼슘 분말, 수산화나트륨 분말을 더 혼합하여 되는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조성물이 알루미늄 분말 35~55 중량%, 산화칼슘 분말 30~50 중량%, 수산화칼슘 분말 3 ~ 15중량%, 수산화나트륨 분말 3 ~ 15중량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물을 제공한다.

본 발명의 발열제 조성물은 소량의 양으로도 발열반응 후 90℃이상의 온도까지 빠르게 상승시키고 20분 이상 90℃에 가까운 온도를 유지하는 효과를 가짐으로써, 가열조리용기의 가열장치에 다량의 발열체를 사용하지 않아 가열조리 용기의 무게 및 부피를 증가시키지 않게 된다.

도 1 내지 3은 본 발명의 발열제의 시간별 온도측정값을 도시한 그래프.
도 4 내지 5는 종래의 발열제의 시간별 온도측정값을 도시한 그래프.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 발열제 조성물은 알루미늄(Al) 분말과 산화칼슘(CaO) 분말이 혼합된 혼합물에 일정량의 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 분말과 수산화나트륨(NaOH) 분말을 혼합하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 발열제 조성물은 조성물 총중량에 대하여 알루미늄 분말 35~55 중량%, 산화칼슘 분말 30~50 중량%, 수산화칼슘 분말 3 ~ 15중량%, 수산화나트륨 분말 3 ~ 15중량%를 포함하여 구성된다.

종래에 알려진 산화칼슘과 알루미늄 분말로 구성되는 발열제는 소정량의 물을 가하면, 산화칼슘 분말이 물과 반응하여 반응열을 발생시키고 수산화칼슘을 형성하는 제 1 반응단계와 상기 수산화칼슘이 알루미늄 분말과 반응하여 반응열을 발생시키는 제 2 반응단계가 연속적으로 이루어지게 되어 열을 발생하게 된다.

그러나, 상기와 같은 반응으로는 본 발명자가 원하는 이상의 순간적인 발열온도, 지속적인 온도의 유지가 어렵고, 또한 화학반응이 시작되는 시점에서 90℃ 이상의 온도로 도달하는 시간에 상당한 시간이 소요되게 되어, 본 발명자는 본 발명을 완성하게 된 것이다.

즉, 본 발명에서는 산화칼슘분말과 알루미늄분말의 혼합물에 일정량의 수산화칼슘과 수산화나트륨을 혼합하여 제 2 반응 단계가 제 1 반응단계와 함께 동시에 일어나도록 하는 것이다. 다시 말해, 산화칼슘분말이 물과 반응하여 반응열을 일으키게되고, 동시에 수산화칼슘을 형성하게 되고, 일정량 혼합되어 있는 수산화칼슘분말과 수산화나트륨분말이 알루미늄 분말과 반응하게 되어 빠른 시간 안에 90℃이상의 온도에 도달하게 되고 20여분까지 90℃에 가까이 유지되는 것이다.

또한, 혼합된 수산화칼슘 및 수산화나트륨과 반응하지 않고 잔존하는 알루미늄분말은 산화칼슘 분말이 물과의 반응에서 수산화칼슘이 형성되게 됨으로써 지속적인 알루미늄분말의 반응이 이루어져 장시간 90℃에 가까운 온도를 유지하게 된다.

본 발명에 따른 발열제 조성물을 반응메카니즘을 설명하면, 산화칼슘 분말의 반응은 다음의 반응식(1)에 따라 물과 반응하여 다량의 열을 발생하며, 반응으로 수산화칼슘을 형성하게 된다. 동시에 반응식 (2)에 따라 수산화칼슘분말과 수산화나트륨분말이 물 및 알루미늄분말과 동시에 반응하게 된다.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 15.3Kcal (1)

2Al + Ca(OH)₂ + 2H₂O = CaO·Al₂O₃ + 3H₂↑+ 183.7Kcal (2)

상기 반응식(1)과 (2)에서 보여지는 바와 같은 반응에서 반응열이 발생하게 된다.

즉, 반응식 (1)의 결과로 수용액은 형성된 수산화칼슘의 가수분해에 의해 강알칼리성이 된다. 이때, 발생되는 발열량 15.3Kcal는 CaO의 분자량 56.08로 나누어 271 cal/g이 된다.

반응식 (2)에서 발생된 반응열은 183.7Kcal로 Al의 분자량인 13으로 나누어 14.1cal/g이 된다.

또한, 반응식 (1)에서 형성되는 수산화칼슘과 알루미늄 분말이 반응하여 동시에 반응식 (2)와 같은 반응을 하게되고, 이때, 반응열이 동시에 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 각각의 혼합분말 1g씩을 사용하는 경우, 반응식 (1) 과 (2)에 의해 알 수 있는 발열량을 모두 계산해 보면 약 285.1cal의 열량이 얻어질 수 있다.

산화칼슘, 수산화칼슘, 수산화나트륨 등을 사용하지 않고 전적으로 알루미늄 분말을 사용하는 것이 더 효과적이라고 생각할 수 있으나, 산화칼슘 또는 수산화칼슘 또는 수산화나트륨 없이 알루미늄만으로는 물과 반응하지 않기 때문에 알루미늄 분말 단독으로는 사용할 수 없다.

본 발명에 따르면, 제1반응에서 산화칼슘과 물, 수산화칼슘과 알루미늄, 수산화나트륨과 알루미늄 이 반응하고, 이어서 제1반응 중 산화칼슘과 물이 반응하여 형성되는 수산화칼슘과 알루미늄이 수산화칼슘 및 수산화나트륨과 반응하여 소실되고 남은 잔량의 알루미늄이 반응하는 제2단계 반응이 동시에 일어나게 된다. 다시 말해, 제1단계 반응에서 물과 반응하지 않는 알루미늄의 반응개시제로 수산화칼슘과 수산화나트륨이 작용하고, 제 1 단계 반응중 산화칼슘과 물의 반응으로 형성된 수산화칼슘이 잔량의 알루미늄 반응 개시제로 작용하는 것이다.

상기와 같은 반응을 일으킴으로써, 비교적 짧은 시간 안에 90℃이상의 온도로 열이 발생하게 되고, 지속적인 반응으로 오랜 시간 90℃에 가까운 온도를 유지할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에서 요구되는 사항은 상기에서 설명되는 제1단계 반응, 즉 산화칼슘과 물, 수산화칼슘과 알루미늄, 수산화나트륨과 알루미늄의 반응으로 90℃이상의 온도까지 반응온도를 빠르게 상승시키고, 상승된 온도를 지속적으로 유지하는 것이다. 바람직하게는 20분이상 유지하는 것이다.

다른 요구되는 사항은 각각의 반응물질을 소량 사용하여 최대의 효과를 얻는 것이다. 반응물질들을 소량사용으로 요구되는 효과를 볼 수 있게 됨으로 인하여 본 발명의 발열제를 사용하는 가열조리용기에 내장되는 가열장치의 부피를 줄이고, 동시에 무게를 가볍게 할 수 있는 것이다.

상기의 요구사항들을 만족시키기 위하여 본 발명에서는 산화칼슘분말, 알루미늄 분말, 수산화칼슘 분말 및 수산화나트륨 분말의 함량을 특정 범위로 제한하는 것이다.

본 발명에 따른 발열제 조성물의 주 성분을 알루미늄분말을 사용하고, 보조성분으로 산화칼슘을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 산화칼슘은 시판되는 산화칼슘 어느 것을 사용하여도 되나, 바람직하게는 반응속도를 가속하고, 다량의 반응열을 얻기 위해서 불순물이 적은 산화칼슘을 사용하는 것이 좋다. 즉, 97% 이상의 CaO를 함유하고 1.6%의 불순물 및 0.6% 이하의 CO₂를 함유하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

CO₂의 함량이 많을 경우, 수산화칼슘과 CO₂의 반응으로 탄산칼슘이 만들어지게 되는 현상이 발생하게 된다.

또한, 사용되는 산화칼슘은 입경이 작을 수록 반응속도는 더욱 빨라진다. 하지만, 입경이 너무 작게 되면 취급이 어려워지는 단점이 있다. 따라서, 바람직한 산화칼슘의 입경은 100메쉬 내지 150메쉬의 범주내의 것을 사용하는 것이 더욱 좋다.

본 발명에 사용되는 수산화칼슘은 순도 95%, 입경이 100메쉬 내지 250메쉬 범주 내의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 수산화나트륨은 순도 98%, 입경이 150메쉬 내지 250메쉬 범주 내의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 알루미늄 분말은 취급용이성, 반응속도 및 가격을 고려해 볼때, 99.8% 이상의 Al 금속순도, 0.7 내지 1.2g/㎤의 겉보기 밀도, 및 250메쉬 내지 350메쉬 범주 내의 입경분포를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명되는 본 발명에 사용된 각각의 분말은 조성물 총 중량에 대하여 알루미늄 분말 35~55 중량%, 산화칼슘 분말 30~50 중량%, 수산화칼슘 분말 3 ~ 15중량%, 수산화나트륨 분말 3 ~ 15중량%를 포함한다.

상기 알루미늄 분말 55중량%를 초과하여 사용할 경우에는 제조비용이 증가하는 문제점이 있고, 또한, 반응후 미반응 알루미늄 분말이 존재하는 문제가 있어 비환경적인 문제가 있으며, 35중량% 미만을 사용할 경우에는 반응력이 급격히 저하되어 원하는 발열량은 얻을 수 없게 되는 단점이 있다.

상기 수산화칼슘 분말을 15중량%를 초과하여 사용할 경우에는 산화칼슘 분말이 반응하여 얻어지는 수산화칼슘과 알루미늄 분말과 반응 후 수산화칼슘 잔량이 남게 되는 단점이 있고, 3중량% 미만을 사용할 경우에는 반응후 알루미늄 분말의 잔량이 남게 되는 단점이 있다.

상기 수산화나트륨을 15중량%를 초과하여 사용할 경우에는 반응에 소요되는 알루미늄 분말의 사용량이 다량소요되어 기타의 반응물, 즉 수산화칼슘과의 반응을 위한 알루미늄 분말의 양이 적어지게 되어 수산화칼슘과 알루미늄 분말과의 반응에 의한 발열을 기대하기 어려운 단점이 있고, 3중량% 미만을 사용할 경우에는 알루미늄 분말과의 반응에 의한 반응열을 기대만큼 얻기 어려운 단점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명한다. 후술되는 실시예로 본 발명이 한정되는 것이 아니다.

본 발명의 실시예에 사용된 각각의 분말은 다음과 같다.

1) 산화칼슘 : (주덕산하이캠, 순도97%

2) 알루미늄 : (주덕산하이캠, 순도99.8%

3) 수산화칼슘 : (주덕산하이캠, 순도95%

4) 수산화나트륨 : (주덕산하이캠, 순도98%

[실시예 1 내지 3]

알루미늄 분말 35~55 중량%, 산화칼슘 분말 30~50 중량%, 수산화칼슘 분말 3 ~ 15중량%, 수산화나트륨 분말 3 ~ 15중량%가 되도록 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 발열제 조성물을 제조하였다. 이후 발열제 20g을 부직포 백에 담았다.

2개의 온도센서를 하나는 온도센서의 상부가 용기의 깊이 중간 근방에 위치하도록 하고, 다른 온도센서의 상부는 발열제의 중간에 위치하도록 하여 용기를 준비하였다.

상기 발열제가 담긴 백을 상기 스텐용기의 바닥에 놓고 40㎖의 물을 첨가하였다.

물을 첨가하는 즉시 발열반응을 시작하였다. 발생된 스팀의 온도를 1분 간격으로 20분간 연속 측정하였다.

측정한 결과 값은 하기의 표 2 내지 4 및 도 1 내지 3에 도시하였다.

표2 및 도 1은 실시예 1의 측정결과이고, 표3 및 도2는 실시예2의 측정결과이며, 표4 및 도3은 실시예 3의 측정결과이다.

조성물	실시예 1(표2)	실시예 2(표3)	실시예 3(표4)
Al 분말(g)	10g(50%)	10g(50%)	10g(50%)
CaO 분말(g)	8g(40%)	8g(40%)	6g(30%)
Ca(OH)2 분말(g)	1g(5%)	-	2g(10%)
NaOH 분말(g)	1g(5%)	2g(10%)	2g(10%)

분말 각각의 중량입니다. 발열제 분말의 총중량은 20g입니다.

[비교예 1 및 2]

국산발열제와 일본산 발열제를 준비하고 하였다. 그 조성비는 하기 표 5와 같다.

상기와 같이 준비된 발열제는 상기 실시예와 동일하게 발열온도를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 6 및 7과 도 4 및 5에 도시하였다.

표 6 및 도 4는 비교예 1의 측정결과 값이고, 표 7 및 도 5는 비교예 2의 측정결과 값이다.

조성물	비교예 1	비교예 2
Al 분말(g)	10g(40~60%)	12g(40~60%)
CaO 분말(g)	5g(10~40%)	4g(10~40%)
Ca(OH)2 분말(g)	5g(10~40%)	4g(10~40%)

(실제 사용된 각각의 분말의 혼합량입니다.)

이상의 결과로 볼 때, 본 발명에 따른 발열제 조성물이 종래에 사용되는 발열제에 비해 월등히 우수한 효과를 가짐을 알 수 있다.

즉, 90℃이상의 온도로 도달하는데 걸리는 시간과 온도유지 시간을 동일한 조건에서 측정하였을 때, 본 발명에 따른 발열제는 표 2 내지 3에서 보는 바와 같이 7 내지 8분 정도가 소요된 반면, 비교예의 경우 8분 이상이 소요되는 것을 알 수 있었다.

특히 비교예 2의 경우에는 90℃이상의 온도로 도달하는 시간이 12분 이상 소요되었다. 다만, 20분간 유지하는 유지시간에 있어서는 비교예 2가 월등히 우수하였다.

본 발명의 실시예에 따르면 발열제로서 요구되어지는 온도유지시간이 20분시점에 측정하였을 때 90℃에 가까운 온도를 유지하는 것을 알 수 있다.

Claims (5)

1. 알루미늄분말과 산화칼슘분말을 혼합하여 되는 발열제 조성물에 있어서,
   발열반응 화합물로 수산화칼슘 분말, 수산화나트륨 분말을 더 혼합하여 되는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조성물은 조성물 총중량에 대하여 알루미늄 분말 35~55 중량%, 산화칼슘 분말 30~50 중량%, 수산화칼슘 분말 3 ~ 15중량%, 수산화나트륨 분말 3 ~ 15중량%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 분말은 99.8% 이상의 Al 금속순도, 0.7 내지 1.2g/㎤의 겉보기 밀도, 및 250메쉬 내지 350메쉬 범주 내의 입경분포를 가지는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 산화칼슘 분말은 순도 97% 이상, 입경이 100메쉬 내지 250메쉬 범주 내의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 수산화나트륨은 순도 98% 이상, 입경이 150메쉬 내지 250메쉬 범주 내의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 발열제 조성물.

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