RU2179005C1

RU2179005C1 - Composition of charge for heat-evolving cell

Info

Publication number: RU2179005C1
Application number: RU2000130484A
Authority: RU
Inventors: А.П. Мамаев; С.В. Фомичев; В.А. Кренев
Original assignee: Мамаев Артем Петрович
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2002-02-10

Abstract

FIELD: cold medicine. SUBSTANCE: invention relates to heat sources protecting man from supercooling when executing work under cold exposure conditions. Invention is characterized by that in charge, containing iron powder, oxidation reaction initiator, water- retaining sorbent, sodium chloride, and water, said oxidation reaction initiator is silica gel with specific pore volume 0.75- 1.15 cu.cm/g and said water-retaining sorbent is selected from vermiculite, cellulose, and perlite sand. EFFECT: stabilized prolonged operation within temperature range 38-42 C, improved consumer's properties of products, and improved operation condition in production room.

Description

Изобретение относится к области химических источников тепла, применяемых для защиты человека от переохлаждения при длительном выполнении работ в условиях воздействия холода при авариях и катастрофах на суше и на море, при занятиях спортом, туризмом, альпинизмом, а также для использования в медицинских грелках и компрессах. The invention relates to the field of chemical heat sources used to protect a person from hypothermia during prolonged work in the conditions of exposure to cold during accidents and disasters on land and at sea, during sports, hiking, mountaineering, as well as for use in medical heating pads and compresses.

Известны составы для осуществления окислительно-восстановительных реакций между металлом из группы Fe, Mg, Al, Zn и оксидами металлов переменной валентности MnO₂, PbO₃, Ni₂O₃ (RU N 2019160, бюл. N 17, 1994), между магнием и хлоридом меди (US N 5517981, 1996), реакции алюминиевой фольги с сернокислой и хлористой медью (RU N 2103959, бюл. N 4, 1998). Недостатком таких составов является то, что природа электрохимических реакций не допускает контакта компонентов смеси: окислителя, восстановителя, и воды в условиях хранения и предопределяет сложную многокамерную конструкцию грелок и компрессов, что затрудняет их применение, т.к. до начала реакции компоненты надо тщательно смешивать.Known compositions for the implementation of redox reactions between a metal from the group of Fe, Mg, Al, Zn and metal oxides of variable valency MnO ₂ , PbO ₃ , Ni ₂ O ₃ (RU N 2019 160, bull. N 17, 1994), between magnesium and copper chloride (US N 5517981, 1996), the reaction of aluminum foil with sulfate and copper chloride (RU N 2103959, bull. N 4, 1998). The disadvantage of such compositions is that the nature of the electrochemical reactions does not allow contact between the components of the mixture: oxidizing agent, reducing agent, and water under storage conditions and determines the complex multi-chamber design of heating pads and compresses, which complicates their use, because Before starting the reaction, the components must be thoroughly mixed.

Другим существенным недостатком окислительно-восстановительных реакций является большое тепловыделение в начальной стадии, что приводит к нагреву до 65^oC и может вызвать локальные ожоги при применении в грелках и компрессах.Another significant drawback of redox reactions is the large heat release in the initial stage, which leads to heating to 65 ^o C and can cause local burns when used in heating pads and compresses.

Особенности применения, связанные с комфортным состоянием человеческого тела, предопределяют осуществление процессов тепловыделения, протекающих длительно при сравнительно невысоких температурах 36 - 42^oC.Features of the application associated with a comfortable state of the human body, determine the implementation of heat dissipation processes, which take a long time at relatively low temperatures 36 - 42 ^o C.

Для этих целей применяют составы, тепловыделение которых основанно на экзотермической реакции окисления порошкообразного железа кислородом воздуха. Такие реакции проводят в присутствии электролита для разрушения оксидной пленки, образующейся на поверхности железа. До открытия доступа кислорода водный раствор электролита находится во влагоудерживающем сорбенте и инициаторе реакции. Инициатором процесса окисления служит активированный уголь, процесс десорбции электролита из которого происходит уже на начальной стадии тепловыделения. For these purposes, compositions are used whose heat release is based on the exothermic oxidation reaction of powdered iron with atmospheric oxygen. Such reactions are carried out in the presence of an electrolyte to destroy the oxide film formed on the surface of iron. Prior to the opening of oxygen access, the aqueous electrolyte solution is located in a water-retaining sorbent and a reaction initiator. The initiator of the oxidation process is activated carbon, the process of desorption of the electrolyte from which occurs already at the initial stage of heat release.

Известен состав шихты медицинской грелки для подогрева биологических жидкостей, крови и плазмы, используемых при переливаниях (US N 5042455, 1991), включающий порошок железа 15-40 вес.%, активированный древесный уголь 5-30%, деревянные опилки (сорбент) 20-40%, дигидрат хлорида кальция (электролит) 5-20% и воду 10-30%. Недостатком такого состава, обусловленным недопустимостью перегрева биологических жидкостей, является заведомо заниженное содержание основного реагента (железа), многократный избыток электролита и, как следствие, относительно высокое содержание сорбента и угля. На практике такие составы обеспечивают стабильную температуру только до 38^oC.The known composition of the charge of a medical heating pad for heating biological fluids, blood and plasma used for transfusions (US N 5042455, 1991), including iron powder 15-40 wt.%, Activated charcoal 5-30%, sawdust (sorbent) 20- 40%, calcium chloride dihydrate (electrolyte) 5-20% and water 10-30%. The disadvantage of this composition, due to the inadmissibility of overheating of biological fluids, is the obviously underestimated content of the main reagent (iron), a multiple excess of electrolyte and, as a result, the relatively high content of sorbent and coal. In practice, such compositions provide a stable temperature of only 38 ^o C.

Известен также состав шихты грелки для тела (US N 5046479, 1991), включающий порошок железа 55-65 вес.%, активированный уголь 3,5-4,5%, влагоудерживающий сорбент 9-11%, хлорид натрия (электролит) 4,5-6% и воду 18-22%. Грелка устойчиво работает в диапазоне температур 38 - 41^oC в течение 20 - 24 часов. К недостаткам такого состава относится то, что удовлетворительные температурно-временные показатели достигаются благодаря использованию конструктивных особенностей грелки, в данном случае дополнительному полувоздухонепроницаемому слою, существенно снижающему доступ кислорода. Использование этого состава шихты в грелках примитивных конструкций, таких как описанные в патенте US N 4516564, 1985 и реализованные в серии грелок "Белый медведь", производство НПФМА "Марафонское Зимнее Плавание", ТУ 2389-001-00082337-99, согласно которому грелка состоит из воздухонепроницаемой пленки с отверстиями, заслонки, закрывающей и открывающей эти отверстия, и наружного влагонепроницаемого материала, приводит к существенным перегревам на начальной стадии реакции окисления железа и, как следствие, к прекращению реакции из-за бурного выделения влаги из угля, заливающей поверхность реагента.Also known is the composition of the charge of a heating pad for the body (US N 5046479, 1991), including iron powder 55-65 wt.%, Activated carbon 3.5-4.5%, water-retaining sorbent 9-11%, sodium chloride (electrolyte) 4, 5-6% and water 18-22%. Hot water bottle stably works in the temperature range 38 - 41 ^o C for 20 to 24 hours. The disadvantages of this composition include the fact that satisfactory temperature-time indicators are achieved through the use of design features of the heating pad, in this case, an additional semi-airtight layer, which significantly reduces oxygen access. The use of this composition of the charge in heating pads of primitive designs, such as those described in US Pat. No. 4,516,564, 1985 and implemented in the Polar Bear series of heating pads, manufactured by NPFMA Marathon Winter Swimming, TU 2389-001-00082337-99, according to which the heating pad consists from an airtight film with holes, a shutter closing and opening these holes, and an external moisture-proof material, leads to significant overheating at the initial stage of the oxidation of iron and, as a result, to the termination of the reaction due to vigorous release Steps from coal, surface-wash reagent.

Технической задачей является оптимизация состава шихты для устойчивой работы тепловыделяющих элементов в интервале температур 38 - 42^oC вне зависимости от конструктивных особенностей грелок и компрессов.The technical task is to optimize the composition of the mixture for the stable operation of the fuel elements in the temperature range 38 - 42 ^o C, regardless of the design features of heaters and compresses.

Наиболее близким по достигаемому эффекту и по составу является состав шихты теплового компресса, приведенный в патенте US N 5233981, 1993, A 61 F 7/00 (прототип), включающий порошок железа 40-75 вес.%, инициатор реакции (активированный уголь) 1-10%, влагоудерживающий сорбент 1-40%, хлорид натрия 1-10% и воду 10-40%. Компресс устойчиво работает в интервалах температур 38 - 44^oC. Недостатком состава, как и в случае предыдущего аналога, является то, что эффект стабильности тепловыделения достигается за счет конструктивного ограничения доступа кислорода.The closest effect and composition to be achieved is the composition of the heat compress mixture described in US Pat. No. 5,233,981, 1993, A 61 F 7/00 (prototype), including iron powder 40-75 wt.%, Reaction initiator (activated carbon) 1 -10%, water-retaining sorbent 1-40%, sodium chloride 1-10% and water 10-40%. Compress stably works in the temperature ranges 38 - 44 ^o C. The disadvantage of the composition, as in the case of the previous analogue, is that the effect of stability of heat dissipation is achieved due to the structural restriction of oxygen access.

Температурная характеристика состава прототипа мас.%: порошок железа 50, активированный уголь 5, влагоудерживающий сорбент (песок перлитовый) 6, хлорид натрия 5, вода 20, снятая с поверхности вышеупомянутой грелки "Белый медведь", показывает, что к недостаткам состава прототипа относится значительный, до 55^oC, перегрев в начальной стадии реакции окисления и малая продолжительность устойчивой работы (см. чертеж, кривая "прототип").The temperature characteristic of the composition of the prototype wt.%: Iron powder 50, activated carbon 5, water-retaining sorbent (perlite sand) 6, sodium chloride 5, water 20, removed from the surface of the above-mentioned Polar Bear heating pad, shows that the significant disadvantages of the composition of the prototype are significant , up to 55 ^o C, overheating in the initial stage of the oxidation reaction and a short duration of stable operation (see drawing, curve "prototype").

Еще одним существенным недостатком состава шихты прототипа является диффузия угольной пыли на поверхность грелок и компрессов, даже через дополнительный защитный слой влагонепроницаемой оболочки, что приводит к загрязнению одежды и тела человека и снижает показатели потребительских свойств изделий по санитарно-гигиеническим нормам. Кроме того, уголь загрязняет и производственные помещения на стадии приготовления шихты. Another significant drawback of the composition of the charge of the prototype is the diffusion of coal dust on the surface of heating pads and compresses, even through an additional protective layer of a moisture-proof shell, which leads to contamination of clothing and the human body and reduces the consumer properties of products according to sanitary and hygienic standards. In addition, coal pollutes production facilities at the stage of preparation of the charge.

Целью предлагаемого изобретения является изыскание состава шихты для тепловыделяющего элемента, обеспечивающего стабильную и продолжительную работу в интервале температур 38 - 42^oC, вне зависимости от конструктивных особенностей грелок и компрессов, а также повышение потребительских свойств упомянутых изделий и улучшение условий труда на производстве.The aim of the invention is to find the composition of the charge for a fuel element that provides stable and continuous operation in the temperature range 38 - 42 ^o C, regardless of the design features of heating pads and compresses, as well as improving the consumer properties of these products and improving working conditions in the workplace.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается состав шихты для тепловыделяющего элемента, включающий порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, отличающийся тем, что в качестве инициатора реакции окисления состав содержит силикагель с удельным объемом пор 0,75 - 1,15 см³/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Порошок железа - 40-55
Силикагель - 12-30
Влагоудерживающий сорбент - 5-20
Хлорид натрия - 3-5
Вода - 10-20
при этом влагоудерживающий сорбент выбирают из ряда: вермикулит, целлюлоза, песок перлитовый.This goal is achieved in that the composition of the charge for the fuel element is proposed, including iron powder, an oxidation reaction initiator, a water-retaining sorbent, sodium chloride and water, characterized in that the composition contains silica gel with a specific pore volume of 0.75 - 1 as an initiator of the oxidation reaction , 15 cm ³ / g in the following ratio of components, wt.%:
Iron Powder - 40-55
Silica gel - 12-30
Moisture-retaining sorbent - 5-20
Sodium Chloride - 3-5
Water - 10-20
while the water-retaining sorbent is selected from the series: vermiculite, cellulose, perlite sand.

Содержание в составе шихты основного реагента - порошка железа обусловлено тем, что при количестве менее 40% значительно увеличивается время выхода на температурный режим и не удается достичь температуры выше 38^oC, а при количестве более 55% наблюдается неустойчивость тепловыделения.The content of the main reagent, iron powder, in the mixture is due to the fact that when the amount is less than 40%, the time to reach the temperature regime significantly increases and it is not possible to reach a temperature above 38 ^o C, and when the amount is more than 55%, heat release instability is observed.

Силикагель выбирают с размерами частиц от 130-270 меш до 200-425 меш (Catalogue Handbook of Fine Chemicals Aldrich 1999-2000, с. 1535-1536). Silica gel is selected with particle sizes from 130-270 mesh to 200-425 mesh (Catalog Handbook of Fine Chemicals Aldrich 1999-2000, p. 1535-1536).

Предлагаемый экзотермический состав работает следующим образом. При открытии доступа кислорода воздуха происходит окисление порошка железа с выделением тепла. Одновременно начинается интенсивный процесс десорбции водного раствора хлорида натрия из силикагеля, в результате чего поверхность железа очищается от образовавшейся оксидной пленки, что обеспечивает дальнейшее его окисление. По мере повышения температуры начинается процесс медленной десорбции электролита из влагоудерживающего сорбента, при этом электролит выполняет еще одну функцию, а именно устраняет возможное слипание частиц основного реагента. The proposed exothermic composition works as follows. When air oxygen is opened, iron powder is oxidized with heat. At the same time, an intensive process of desorption of an aqueous solution of sodium chloride from silica gel begins, as a result of which the iron surface is cleaned of the formed oxide film, which ensures its further oxidation. As the temperature rises, the process of slow desorption of the electrolyte from the water-retaining sorbent begins, while the electrolyte performs another function, namely, it eliminates the possible adhesion of particles of the main reagent.

Достижение цели изобретения проиллюстрировано на чертеже, где показана температурная характеристика поверхности грелки "Белый медведь" в зависимости от состава шихты и времени осуществления реакции. The achievement of the objective of the invention is illustrated in the drawing, which shows the temperature characteristic of the surface of the warmer "Polar Bear" depending on the composition of the charge and the time of the reaction.

Ниже приведены примеры предлагаемого состава шихты для тепловыделяющих элементов. Below are examples of the proposed composition of the charge for fuel elements.

Пример 1. Состав, мас.%:
Порошок железа - 40
Силикагель - 30
Целлюлоза (влагоудерживающий сорбент) - 5
Хлорид натрия - 5
Вода - 20
Шихту готовят следующим образом: перемешанную композицию из порошка железа, силикагеля и влагоудерживающего сорбента пропитывают в инертной среде водным раствором хлорида натрия при t = 20 - 25^oC. Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 1.Example 1. Composition, wt.%:
Iron Powder - 40
Silica gel - 30
Cellulose (water-retaining sorbent) - 5
Sodium Chloride - 5
Water - 20
The mixture is prepared as follows: a mixed composition of iron powder, silica gel and a water-retaining sorbent is impregnated in an inert medium with an aqueous solution of sodium chloride at t = 20 - 25 ^o C. The temperature characteristic is shown in the drawing of curve 1.

Пример 2. Состав, мас.%:
Порошок железа - 55
Силикагель - 12
Вермикулит (влагоудерживающий сорбент) - 20
Хлорид натрия - 3
Вода - 10
Способ приготовления тот же, как в примере 1.Example 2. Composition, wt.%:
Iron Powder - 55
Silica gel - 12
Vermiculite (water-retaining sorbent) - 20
Sodium Chloride - 3
Water - 10
The cooking method is the same as in example 1.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 2. The temperature characteristic is shown in the drawing of curve 2.

Пример 3. Состав, мас.%:
Порошок железа - 50
Силикагель - 15
Песок перлитовый (влагоудерживающий сорбент) - 15
Хлорид натрия - 4
Вода - 16
Способ приготовления тот же, как в примере 1.Example 3. Composition, wt.%:
Iron Powder - 50
Silica gel - 15
Sand perlite (water-retaining sorbent) - 15
Sodium Chloride - 4
Water - 16
The cooking method is the same as in example 1.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 3. The temperature characteristic is shown in the drawing of curve 3.

Claims

1. The composition of the charge for a fuel element, including iron powder, an oxidation reaction initiator, a water-retaining sorbent, sodium chloride and water, characterized in that the composition contains silica gel with a specific pore volume of 0.75-1.15 cm ³ / g in the following ratio of components, wt. %:
Iron Powder - 40-55
Silica gel - 12-30
Moisture-retaining sorbent - 5-20
Sodium Chloride - 3-5
Water - 10-20
2. The composition according to p. 1, characterized in that the water-retaining sorbent is selected from the series: vermiculite, cellulose, perlite sand.