專利名稱：一種自發(fā)熱材料的配方的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自發(fā)熱材料的配方。
背景技術(shù)：
在日常生活中，人們總離不開各種各樣的能源的應(yīng)用。日常飲食中需用到的熱能、 取暖的太陽能地?zé)崮艿鹊綗o所不用的電能光能都是其中的典型代表。不同能源類型有著不 同的來源方式，但都不脫離各種物理化學(xué)反應(yīng)。如光能來自太陽輻射，熱能(一般而言)來 自燃燒中的放熱反應(yīng)，電能由勢(shì)能風(fēng)能熱能等其他能源轉(zhuǎn)化而來，核能則通過原子的核聚 變產(chǎn)生。由于制備方式各異，對(duì)生產(chǎn)力的要求也不同，在使用過程中的應(yīng)用必定有所局限。 例如電能只能限制在有輸入輸出設(shè)備等家居環(huán)境中使用，即便電池的發(fā)明將電能在時(shí)間和 空間的應(yīng)用距離延伸，但仍然只能維持在一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)需要野外出行或因職業(yè)等原因要 求外出作業(yè)時(shí)，電能就顯得不那么方便了。因此利用一些簡(jiǎn)單的化學(xué)放熱反應(yīng)制成的自發(fā) 熱裝置就有用武之地了。很早之前人們就知道石灰石加水會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這就是化學(xué)放熱的最基本應(yīng) 用，但此反應(yīng)過于激烈而且持續(xù)時(shí)間短，不僅不能有效利用，還會(huì)污染環(huán)境，因此應(yīng)用范圍 不廣。還有一些人發(fā)現(xiàn)醋酸鈉溶液結(jié)晶會(huì)放熱且可循環(huán)使用。鐵粉與空氣接觸氧化放熱 等。這些都是化學(xué)自發(fā)熱的應(yīng)用。洞悉商機(jī)的人利用這些原理制成“暖手蛋”、自發(fā)熱護(hù)膝 護(hù)腰、自發(fā)熱耳貼等各種產(chǎn)品放到市場(chǎng)銷售，以滿足人們的需要。良好的自發(fā)熱材料是人們 一直努力尋找的材料。如今人們的視野已不止局限于普通的化學(xué)自發(fā)熱材料，發(fā)熱機(jī)理也 不僅限于化學(xué)反應(yīng)。用聚合物固體電解質(zhì)(SPE)代替水、無機(jī)鹽制備固態(tài)的一次性自發(fā)熱 材料。這種新材料的使用賦予了自發(fā)熱材料優(yōu)良的性能接觸空氣釋放熱量均勻，比能量 高。熱電材料可以通過將熱能和電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在溫差制冷和發(fā)電方面有著極其廣闊的應(yīng) 用前景。復(fù)合材料的相繼發(fā)展，納米材料、非晶材料、超晶格等新型體系，讓人們有可能以更 大自由度比較、選擇性能更好的自發(fā)熱材料。電光轉(zhuǎn)換材料使得自發(fā)熱材料能夠在日常生 活中的得到充分普及?？偠灾?，自發(fā)熱材料的研究將使人們的生活越來越便利，簡(jiǎn)單。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種自發(fā)熱材料的配方，發(fā)熱配方的主要原理是鐵粉與空 氣中的氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)氧化還原反應(yīng)，故我們可以還原性更好的金屬 物質(zhì)，例如，還原鋅粉，還原鐵粉，還原銅粉等，考慮到價(jià)格與反應(yīng)效率，我們這里采用還原 鐵粉。配方中的碳粉具有催化劑的作用，吸附性質(zhì)使其自發(fā)熱的熱量來源于還原鐵粉與空 氣中的氧氣發(fā)生快速反應(yīng)釋放出熱量，使放熱量大于散熱量而導(dǎo)致溫度升高，從而出現(xiàn)了 自發(fā)熱現(xiàn)象，因此我們采用吸附性更好的活性炭粉-200目。在該反應(yīng)中水和木粉的作用是 使各種固體粉粒混和，使各部分均勻，提供氣固兩相反應(yīng)的接觸面以利于鐵粉完全反應(yīng)和 提高配方的熱容量，以便于控制溫度，根據(jù)硅藻土的性質(zhì)我們可以將木粉該成硅藻土。并且 我們采用正交實(shí)驗(yàn)研究它的最優(yōu)配方。
本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，其特征是按下列重量克數(shù)組成鐵40_60g、硅藻土 7. 5-12g、活性炭 4. 0-5. 5g、鹽 2. 8-4. 0g、水 18_26g。其最優(yōu)配方是(1)鐵為 40g、50g、60g、70g、80g 時(shí)硅藻土、活性炭、鹽、水分別為 12g、5. 5g、4. Og和 26g；(2)硅藻土為 7. 5g、9. OgUO. 5g、12g、13. 5g 時(shí)鐵、活性炭、鹽、水分別為 60g、5. 5g、 4. Og 和 26g ；③活性炭為4. 0g、4. 5g、5. 0g、5. 5g、6. Og時(shí)鐵、硅藻土、鹽、水分別為60g、12g、
4.Og 和 26g ；④鹽為2. 8g、3. 2g、3. 6g、4. 0g、4. 4g時(shí)鐵、硅藻土、活性炭、水分別為60g、12g、
5.5g 和 26g ；⑤水為18、20、22、24、26g時(shí)鐵、硅藻土、活性炭、鹽分別為60g、12g、5. 5g和4. Ogo本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該配方組成的自發(fā)熱材料發(fā)熱溫度高，可達(dá)60攝氏度以上，發(fā) 熱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)熱啟動(dòng)時(shí)間短，易包裝，使用方便。


圖1為本發(fā)明還原鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間的影響圖。圖2為本發(fā)明還原鐵粉對(duì)最高溫度影響圖。圖3為本發(fā)明硅藻土對(duì)持續(xù)時(shí)間影響圖。圖4為本發(fā)明硅藻土對(duì)最高溫度影響圖。圖5為本發(fā)明活性炭粉對(duì)持續(xù)時(shí)間影響圖。圖6為本發(fā)明活性炭粉對(duì)最高溫度的影響圖。圖7為本發(fā)明食鹽對(duì)持續(xù)時(shí)間的影響圖。圖8為本發(fā)明食鹽對(duì)最高溫度的影響圖。圖9為本發(fā)明水對(duì)持續(xù)時(shí)間的影響。圖10為本發(fā)明水對(duì)最高溫度的影響。
具體實(shí)施例方式實(shí)驗(yàn)藥品還原鐵粉 CP100目上海晶體試劑有限公司氯化鈉CP上海晶體試劑有限公司硅藻土CP上海晶體試劑有限公司活性炭粉 CP200目上海晶體試劑有限公司實(shí)驗(yàn)過程1.按照以下實(shí)驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表 (1)取一 250ml燒杯，按順序分別加入B g硅藻土、C g活性炭、D g食鹽、A g鐵 粉和E g水，同時(shí)攪拌使其混合均勻并記下時(shí)間。用紙將燒杯罩住，讀取室溫后將溫度計(jì)插 入反應(yīng)物中，當(dāng)溫度上升至30°C時(shí)記下時(shí)間。記下溫度上升至最高溫度的時(shí)間并記下最高 溫度。記下開始降溫的時(shí)間和降至30°C時(shí)的時(shí)間。計(jì)算出持續(xù)時(shí)間。處理后記錄于表一。(2)將對(duì)表一分析所得持續(xù)時(shí)間和最高溫度的優(yōu)化方案每組做三次實(shí)驗(yàn)，綜合持 續(xù)時(shí)間和最高溫度兩個(gè)結(jié)果，得出最優(yōu)配方。(3)確定最佳配方后做各因素對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的影響分析。①鐵為40g、50g、60g、70g、80g 硅藻土活性炭鹽水分別為 12g、5. 5g、4. Og 和 26ml②硅藻土為7. 5g、9. OgUO. 5g、12g、13. 5g 鐵活性炭鹽水分別為 60g、5. 5g、4. Og 和 26ml③活性炭為4. 0g、4. 5g、5. 0g、5. 5g、6. Og 鐵硅藻土鹽水分別為 60g、12g、4. Og 和 26ml④鹽為2. 8g、3. 2g、3. 6g、4. 0g、4. 4g 鐵硅藻土活性炭水分別為 60g、12g、5. 5g 和 26ml⑤水為18、20、22、24、26ml鐵硅藻土活性炭鹽分別為60g、12g、5. 5g和4. Og三、結(jié)果與討論持續(xù)時(shí)間是指自發(fā)熱材料的體系溫度高于30°C時(shí)的時(shí)間。3. 1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表一 注1 實(shí)驗(yàn)過程中溫度為25°C，持續(xù)時(shí)間單位為小時(shí)分注2 :1為某一水平5次持續(xù)時(shí)間因素之和注3 :R為極差注4 :i為某一水平5次最高溫度因素之和3. 2結(jié)果分析1)持續(xù)時(shí)間
根據(jù)對(duì)正交表處理得出結(jié)果，使持續(xù)時(shí)間達(dá)到最長(zhǎng)的最優(yōu)方案為A3B4C4D4E5，影 響因子鐵粉>水>硅藻土>活性炭>食鹽。持續(xù)時(shí)間最短為14小時(shí)，最長(zhǎng)能達(dá)到18小時(shí)， 平均時(shí)間在16小時(shí)以上。最優(yōu)時(shí)各物質(zhì)量的關(guān)系見表二。表二 2)最高溫度最優(yōu)方案為A5B3C3D1E1時(shí)溫度達(dá)到最高，影響因素水>鐵粉>硅藻土>活性炭 >食鹽。最低溫度為56°C，最高溫度為76°C，平均溫度在65°C以上。達(dá)到最高溫度時(shí)各物 質(zhì)量如表三。表三 3. 2. 1最優(yōu)配方的確定以上兩種配方一個(gè)是溫度最優(yōu)配方，一個(gè)是持續(xù)時(shí)間最優(yōu)配方，慮到成本的問題 并且為了得到一個(gè)能過兼顧時(shí)間與溫度的配方，我們做如下實(shí)驗(yàn)按表二和表三配方分別做三次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表四表四 注1 實(shí)驗(yàn)過程中溫度為25°C從上面的實(shí)驗(yàn)可知，還原鐵粉為60g、硅藻土為12g、活性碳粉為5. 5、食鹽為4. 0、水26ml配方的持續(xù)時(shí)間平均為18小時(shí)，最高溫度平均為69°C，而還原鐵粉為80g、硅藻土 為10. 5g、活性碳粉為5. 0、食鹽為2. 8、水為18ml的配方持續(xù)時(shí)間的平均值為14小時(shí)左右， 最高溫度平均值為74°C。溫度相差不時(shí)很大而時(shí)間相差比較大，而且所用的還原鐵粉要少 很多，綜合這些考慮我們得出的最優(yōu)配方為如下 3. 3因素影響(下面所有實(shí)驗(yàn)中的溫度均為25°C )3. 3. 1鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的影響以還原鐵粉為變量其余因素為最優(yōu)配方值設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高
溫度的影響，結(jié)果如下表 從圖1中我們可以看出隨著鐵粉的增加持續(xù)時(shí)間開始呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到一 個(gè)最大值后就出現(xiàn)快速的下降。還原鐵粉是發(fā)熱的主要原料，還原鐵粉越多反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)， 但由于受到其他因素的影響，在其他量一定的情況下打到最大最會(huì)出現(xiàn)下降。如圖2所示，當(dāng)還原鐵粉增加時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)鐵與氧接觸反應(yīng)增多，所以大體 呈現(xiàn)出最高溫度隨還原鐵粉增加而增加的情形。3. 3. 2硅藻土對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的影響以硅藻土為變量其余因素為最優(yōu)配方值設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫
度的影響，結(jié)果如下表 如圖3、圖4所示，硅藻土在自發(fā)熱體系與水一起中提供反應(yīng)界面作用是各種固體 粉?；旌?，使各部分均勻，提供氣固兩相反應(yīng)的接觸面以利于鐵粉完全反應(yīng)和提高配方的 熱容量，以便于控制溫度，并且無硅藻土?xí)r會(huì)出現(xiàn)鐵粉迅速板結(jié)而不發(fā)熱。當(dāng)其量合適時(shí)持 續(xù)時(shí)間和最高溫度達(dá)到最大值。3. 3. 3活性炭對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的影響以活性炭為變量其余因素為最優(yōu)配方值設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫 度的影響，結(jié)果如下表 如圖5、圖6所示，在自發(fā)熱體系中，活性炭粉具有催化性，在界面上吸附氧氣使其 使其自發(fā)熱的熱量來源于還原鐵粉與空氣中的氧氣發(fā)生快速反應(yīng)釋放出熱量，使放熱量大 于散熱量而導(dǎo)致溫度升高，從而出現(xiàn)了自發(fā)熱現(xiàn)象?；钚蕴糠墼蕉?，氧越多，單位時(shí)間單位 面積還原鐵粉氧化加快并且反應(yīng)更加充分，持續(xù)時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，最高溫度也逐漸增加，但活 性炭粉太多時(shí)，由于反應(yīng)的速度過快而會(huì)導(dǎo)致時(shí)間和最到溫度的下降。因此，隨著活性炭粉 的增加，持續(xù)時(shí)間和最高溫度會(huì)隨之增加、升高但當(dāng)各自達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值后會(huì)出現(xiàn)下降。3. 3. 4鹽對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的影響
以鹽為變量其余因素為最優(yōu)配方值設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的 影響，結(jié)果如下表 如圖7、圖8所示，從上面兩個(gè)圖中可以看出隨著食鹽的增加持續(xù)時(shí)間和最高溫度 也會(huì)隨之增加，當(dāng)達(dá)到各自的最優(yōu)值后會(huì)逐漸下降，說明食鹽太少或太多對(duì)自發(fā)熱體系都 不太好。食鹽在自發(fā)熱體系中具有氧化觸媒、平衡水分和保持發(fā)熱穩(wěn)定的作用，不至于局部 溫度過高而導(dǎo)致水分的蒸發(fā)從而影響發(fā)熱效果。3. 3. 5水對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的影響以水為變量其余因素為最優(yōu)配方值設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察鐵粉對(duì)持續(xù)時(shí)間和最高溫度的
影響，結(jié)果如下表 如圖9、圖10所述，水在體系中是與硅藻土一起形成反應(yīng)的界面，也是反應(yīng)的參與 物，沒有水反應(yīng)就不會(huì)進(jìn)行，在一定程度上水制約著反應(yīng)的利用率。故持續(xù)時(shí)間隨水量的增 加而增加。水越多散熱也快，使整個(gè)反應(yīng)體系的最高溫度下降。
權(quán)利要求
一種自發(fā)熱材料的配方，其特征是由按下列重量克數(shù)組成鐵40-60g、硅藻土7.5-12g、活性炭4.0-5.5g、鹽2.8-4.0g、水18-26g。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自發(fā)熱材料的配方，其特征是最優(yōu)配方是(1)鐵為40g、50g、60g、70g、80g時(shí)硅藻土、活性炭、鹽、水分別為12g、5.5g、4. Og和26g ；(2)硅藻土為7. 5g、9. OgUO. 5g、12g、13. 5g 時(shí)鐵、活性炭、鹽、水分別為 60g、5. 5g、4. Og 和 26g ；③活性炭為4.0g、4. 5g、5. 0g、5. 5g、6. Og時(shí)鐵、硅藻土、鹽、水分別為60g、12g、4. Og和26g ；④鹽為2.8g、3. 2g、3. 6g、4. 0g、4. 4g時(shí)鐵、硅藻土、活性炭、水分別為60g、12g、5. 5g和26g；⑤水為18、20、22、24、26g時(shí)鐵、硅藻土、活性炭、鹽分別為60g、12g、5.5g和4. Ogo
全文摘要
一種自發(fā)熱材料的配方，由按下列重量克數(shù)組成鐵40-60g、硅藻土7.5-12g、活性炭4.0-5.5g、鹽2.8-4.0g、水18-26g。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該配方組成的自發(fā)熱材料發(fā)熱溫度高，可達(dá)60攝氏度以上，發(fā)熱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)熱啟動(dòng)時(shí)間短，易包裝，使用方便。
文檔編號(hào)C09K5/16GK101838523SQ20101018503
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者彭強(qiáng), 熊寶存, 謝英寶 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)