Композиция для регулирования влажности окружающей среды, способ ее изготовления и ее использование для регулирования влажности окружающей среды
Группа изобретений относится к продуктам для регулирования влажности в замкнутой среде. Заявленная композиция выполнена в гелеобразной форме и содержит хлорид магния, целлюлозу, выбранную из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, и воду. Отношение между количеством хлорида магния и целлюлозы в композиции составляет от 0,1 до 16 по массе. Предложен также способ изготовления композиции в гелеобразной форме. Изобретение обеспечивает получение эффективного продукта для поглощения влаги при различных условиях окружающей среды, обладающего идентичными параметрами поглощения и регенерации и хорошими механическими свойствами. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 табл., 9 пр.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к композиции, предназначенной для регулирования влажности в замкнутой окружающей среде, такой как упаковка с продукцией, контейнеры, коробки или даже, например, туфли.
уровень техники
Известно, что наличие избытка влаги может ухудшить качество многих продуктов из-за образования грибка, плесени, неприятных запахов или конденсации.
В то же время слишком сухая окружающая среда вредна для других материалов. В этих условиях, например, может ухудшиться состояние деревянных музыкальных инструментов, изменяется вкус и аромат продуктов и специй.
Для снижения влажности в замкнутой окружающей среде широко применяются влагопоглощающие материалы, как правило, поставляемые в воздухопроницаемых пакетах. К наиболее часто применяемым материалам относятся силикагель, активированная глина и гигроскопичные соли.
Однако существуют многочисленные ограничения, которые делают эти материалы непригодными для использования в качестве регуляторов влажности. Во-первых, они поглощают влагу (вплоть до полного насыщения) даже если это ненужно, создавая опасность сделать окружающую среду слишком сухой.
Второе ограничение заключается в плохой или нулевой способности к регенерации (т.е. выделению влаги) после достижения максимума поглощения. В таком состоянии они становятся бесполезными, для повторного использования их необходимо нагреть до более чем 100°С, что связано с большим расходом энергии и малой практичностью во время использования.
Третьим ограничением для некоторых из этих материалов является возможность перехода в жидкое состояние - явление, состоящее в образовании водного раствора после поглощения влаги твердой гигроскопичной солью. Кроме того, указанный раствор может содержать ионы, которые потенциально коррозионно-активны в отношении материалов, подлежащих защите.
Известны различные призванные решить эту проблему композиции, в которых частицы гигроскопичной соли смешаны с загущающими материалами. Однако органические загустители, такие как модифицированные крахмалы или сахара, обладают досадным недостатком, заключающимся в том, что они представляют собой отличную питательную среду для роста и распространения бактерий, особенно, если используются в большом количестве.
Важным аспектом является то, что большая часть влагопоглощающих продуктов, упомянутых выше, не может быть использована в непосредственном контакте с пищей. Решением этой проблемы может быть использование надлежащих защитных мембран, в которых заключен влагопоглощающий материал. В этом случае, однако, скорость поглощения влаги неизбежно снижается, в то же время, увеличивается стоимость продукта.
Помимо изложенного выше, для увеличения уровня влажности в сухой системе обычно используют увлажнители, постоянно выделяющие влагу до полного истощения. Как было указано в отношении влагопоглощающих материалов, в этом случае процесс также является неконтролируемым, сопряженным с риском перехода от избыточно сухой среды к избыточно влажной среде.
сущность изобретения
Целью настоящего изобретения, следовательно, является обеспечение нового материала для регулирования влажности, обладающего большой способностью удерживания или выделения влаги в соответствии с требованиями применения, который не подвержен явлению перехода в жидкое состояние в любых рабочих условиях, который обладает способностью быстрой регенерации и который может быть использован в непосредственном контакте с пищей.
Указанная цель достигается благодаря настоящему изобретению, которое относится к материалу для регулирования влажности, соответствующему пункту 1 формулы изобретения, и способу его изготовления, соответствующему пункту 4 формулы изобретения. Поскольку регулятор влажности состоит из твердого материала в устойчивом гелеобразном состоянии, благодаря чему сохраняет свою форму, для него не требуются какие-либо контейнеры, такие как коробки или пакеты, таким образом, упрощается его использование.
краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение описано подробно со ссылкой на фигуры на прилагаемых чертежах, на которых:
На Фиг. 1 представлены результаты испытания, проведенного в примере 3;
На Фиг. 2 - результаты испытания, проведенного в примере 4;
На Фиг. 3 - результаты испытания, проведенного в примере 6;
На Фиг. 4 - результаты испытания, проведенного в примере 7;
На Фиг. 5 - результаты проведенных в примере 8 экспериментов в сравнении с системами, известными в данной области техники.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ вариант осуществления изобретения
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, им обеспечивается композиция для регулирования влажности в устойчивом гелеобразном состоянии, которая сохраняет свою форму, содержащая хлорид магния, целлюлозу, выбранную из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, и воду, в которой отношение между количеством хлорида магния и целлюлозы составляет от 0,1 до 16, предпочтительно, от 0,5 до 4, более предпочтительно, равно 1.
Термин «композиция для регулирования влажности» означает композицию, способную поглощать на первом этапе влагу окружающей среды, которая затем, на втором этапе, выделяется при температуре окружающей среды без использования печей или высокой температуры.
Получаемая таким образом композиция находится в устойчивом гелеобразном состоянии, сохраняющем ее форму, и способна поглощать влагу вплоть до более чем 250% по массе в условиях экстремальной относительной влажности.
Преимущественно, выбор конкретной соли и конкретного гелеобразующего агента, использованных в описанной выше композиции, позволяет получить регулятор влажности, которому не свойственна возможность перехода в жидкое состояние, являющейся типичной для хлоридов, и изменение характеристик до и после поглощения, что является значительным преимуществом с точки зрения применения. Кроме того, он содержит только компоненты, одобренные FDA (Food and Drug Administration - Комиссия по контролю за лекарствами и питательными веществами, США) для применения в пищевой сфере, следовательно, данная композиция может быть использована в непосредственном контакте с пищей или в качестве покрытия упаковочного материала для пищи.
Кроме того, поскольку хлорид магния широко используется в качестве пищевой добавки, а упомянутую выше целлюлозу часто применяют в фармацевтической промышленности в качестве оболочек для таблеток и капсул, регулятор влажности, описанный в настоящем документе, является съедобным.
Предпочтительно, данная композиция может быть использована как таковая или, в качестве альтернативы, может быть использована внутри упаковки, например, контейнера или пакета, проницаемой для влаги.
В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, им обеспечивается способ изготовления композиции, описанной выше.
В данной области техники известны способы изготовления композиций, содержащих гигроскопичные соли и целлюлозу, что, например, продемонстрировано в US 7326363 и US 7927655.
Первый способ включает добавление небольших количеств целлюлозы в раствор хлорида кальция, приготовленный ранее (способ изготовления в растворе). Как указано в данном патенте, указанный способ имеет недостаток, заключающийся в получении очень неоднородного образца, в котором присутствуют комки, и требует различных предосторожностей в ходе производственного процесса (очень постепенное дозирование целлюлозы, распыление раствора и т.д.). Следовательно, указанный способ менее эффективный, более дорогой и невыгодный с точки зрения энергозатрат по сравнению со способом синтеза настоящего изобретения.
Чтобы справиться с недостатком, заключающимся в неоднородности образца в ходе синтеза, известным уровнем техники предлагается второй, сухой способ, изложенный в US 7927655. Указанный способ включает смешивание двух твердых компонентов, которые затем выдерживают в климатической камере. Указанное выдерживание включает две обособленные стадии: первая с высоким уровнем влажности, например, RH=90%, на вторая с низкой влажностью и высокой температурой, таким образом, приблизительно удваивается время синтеза.
В способе настоящего изобретения преодолены недостатки, описанные выше.
Первая стадия состоит в приготовлении раствора, получаемого путем растворения хлорида магния в воде. Полученный раствор нагревают до температуры выше 50°С, предпочтительно, 70°С. После нагревания в раствор при перемешивании добавляют целлюлозу в порошкообразной форме. Полученный таким образом раствор затем очень быстро/резко охлаждают до температуры менее 10°С, предпочтительно, менее 5°С. Полученный гель затем выдерживают в климатической камере в условиях, определяемых требованиями конечного применения.
Преимущественно, в отличие от способов, используемых до сих пор, в результате нагревания раствора до высоких температур до добавления гелеобразующего агента, может быть получен чрезвычайно однородный и технологичный раствор, который не подвержен возможности перехода в жидкое состояние. Кроме того, указанный способ изготовления намного дешевле и быстрее, чем сухие способы изготовления, известные в данной области.
Продукт, получаемый таким образом, может быть использован в различных сферах применения для регулирования влажности какой-либо среды, внутри упаковки, контейнеров, коробок и даже обуви.
Преимущественно, в композицию настоящего изобретения могут быть введены дополнительные добавки, такие как отдушки и антибактериальные вещества, например, в соответствии с предполагаемым применением.
Дополнительные характеристики изобретения станут очевидны из нижеследующего описания некоторых примеров, носящих лишь пояснительный, а не ограничительных характер.
пример 1
Изготовление композиции
Различные образцы композиции изготовили, как описано ниже.
Известное количество соли растворили в 10 мл деминерализованной воды. Полученный раствор затем нагрели на водяной бане до температуры, приблизительно, 70°С. Добавили 1 г гидроксипропилметилцеллюлозы (НРМС) в порошкообразной форме, перемешивая палочкой, полученную таким образом смесь очень быстро охладили во льду до температуры 5°С для обеспечения быстрого гелеобразования.
В таблице 1, приводимой ниже, показаны количества, использованные для изготовление образцов, до климатической обработки.
| Таблица 1 | ||||
| Образец | Вода, г | MgCl2, г | НРМС, г | MgCl2/гель |
| СО.1 | 10,0 | 0,1 | 1,0 | 0,1 |
| СО.5 | 10,0 | 0,5 | 1,0 | 0,5 |
| С1 | 10,0 | 1,0 | 1,0 | 1 |
| С2 | 10,0 | 2,0 | 1,0 | 2 |
| С4 | 10,0 | 4,0 | 1,0 | 4 |
| С8 | 10,0 | 8,0 | 1,0 | 8 |
| С16 | 10,0 | 16,0 | 1,0 | 16 |
Полученные, таким образом, образцы подвергли обработке в регулируемой атмосфере для придания им свойств, необходимых для конкретного варианта использования.
Если указанный регулятор предназначен для защиты материала от условий повышенной влажности и предотвращения, например, образования грибка, плесени, неприятного запаха или конденсации, условия обработки могут состоять из температуры 23°С и относительной влажности 40%. После указанной обработки образцы имеют состав, приведенный в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| Образец | Вода, % | MgCl2, % | Загуститель, % | MgCl2/гель |
| СО.1-низк. | 34 | 6 | 60 | 0,1 |
| СО.5-низк. | 40 | 20 | 40 | 0,5 |
| С1-низк. | 54 | 23 | 23 | 1 |
| С2-низк. | 58 | 28 | 14 | 2 |
| С4-низк. | 61 | 31 | 8 | 4 |
| С8-низк. | 64 | 32 | 4 | 8 |
| С16-низк. | 66 | 32 | 2 | 16 |
Напротив, если указанный регулятор предназначен для поддержания условий высокой влажности, например, при транспортировке и хранении табака, условия обработки могут состоять из температуры 30°С и относительной влажности 90%. После указанной обработки образцы имеют состав, приведенный в таблице 3.
| Таблица 3 | ||||
| Образец | Вода, % | MgCl2, % | Загуститель, % | MgCl2/гель |
| СО.1-выс. | 64 | 3 | 33 | 0,1 |
| СО.5-выс. | 76 | 8 | 16 | 0,5 |
| С1-выс. | 82 | 9 | 9 | 1 |
| С2-выс. | 85 | 10 | 5 | 2 |
| С4-выс. | 87 | 10 | 3 | 4 |
| С8-выс. | 87,8 | 10,8 | 1,4 | 8 |
| С16-выс. | 88,4 | 10,9 | 0,7 | 16 |
Индексы «низк.» и «выс.» в таблицах 2 и 3 означают количество воды, содержащееся в образцах вследствие двух различных режимов обработки, диктуемых конкретным применением.
пример 2
Испытание максимального поглощения
Образцы таблицы 2 проанализировали в связи с их максимальной способностью поглощения в условиях высокой влажности. Испытание проводили путем помещения образцов в климатическую камеру при 40°С и относительной влажности 75%. Полученные результаты приведены в таблице 4.
| Таблица 4 | |
| Образец | Поглощение, % |
| СО.1-низк. | 20 |
| СО.5-низк. | 39 |
| С1-низк. | 47 |
| С2-низк. | 52 |
| С4-низк. | 55 |
| С8-низк. | 57 |
| С16-низк. | 58 |
На основании полученных результатов понятно, что поглощаемое количество водяного пара увеличивается с увеличением количества хлорида магния.
Увеличение поглощаемого количества не является линейно пропорциональным увеличению количества хлорида магния, поскольку последнее определяет увеличение количества воды набухания в исходной системе.
пример 3
Циклическое испытание в мягких условиях с целью моделирования варианта применения, в котором время использования меньше, чем время регенерации
Образец СО.5-низк. таблицы 2 проанализировали в отношении его способности поглощать влагу в мягких условиях и регенерироваться при атмосферных условиях. Испытание проводили путем помещения образца в климатическую камеру при 40°С и относительной влажности 75% на 8 часов, затем оставляли для регенерации на воздухе на 16 часов. Эти условия выбрали для моделирования случая с относительно коротким использованием (8 часов) в качестве поглотителя влаги и более длительной фазой регенерации (16 часов).
Указанное испытание проводили в циклическом режиме (5 циклов) с целью оценки повторяемости и непрерывности использования системы. Полученные результаты показаны на Фиг. 1.
Как показано на Фиг. 1, данная система способна поглощать 40% влаги в течении фазы обезвоживания окружающей среды (8 часов каждая). Указанная величина равна максимально возможному количеству поглощаемой влаги (см. таблицу 1), что указывает на великолепную скорость реакции в условиях окружающей среды.
В ходе использования это реализуется как быстрое кондиционирование окружающей среды, возможное благодаря настоящему изобретению.
В течение фазы регенерации система способна возвращаться к исходному состоянию (полная регенерация) через 16 часов при условиях окружающей среды. Также следует отметить, что система обладает идентичными параметрами поглощения и регенерации в каждом цикле анализа, демонстрируя чрезвычайную обратимость.
пример 4
Циклическое испытание в жестких условиях с целью моделирования варианта применения, в котором время использования больше, чем время регенерации
Образец СО.5-низк., представленный в таблице 2, проанализировали в отношении его способности поглощать влагу в стрессовых условиях и регенерироваться в атмосферных условиях. Испытание проводили, помещая образец в климатическую камеру при 40°С и относительной влажности 75% на 16 часов, и затем оставляли для регенерации на воздухе на 8 часов. В противоположность предыдущему примеру, эти условия выбрали для моделирования случая с относительно длительным использованием (16 часов) и более короткой фазой регенерации (8 часов).
И в этом случае испытание проводили в циклическом режиме (5 циклов) с целью оценки повторяемости и непрерывности использования системы.
Полученные результаты показаны на Фиг. 2.
В этом случае также можно видеть (см. Фиг. 2), что система способна поглощать, приблизительно, 40% влаги в течении первого цикла. Как уже наблюдалось ранее, эта величина равна максимально возможному количеству поглощаемой влаги (см. таблицу 1).
Система способна возвращаться к исходному состоянию (полная регенерация) также после короткой регенерации (8 часов). Указанные данные подтверждают, что система способна к регенерации за короткий период времени, что оптимально для ее использования.
На Фиг. 2 видно, что система обладает идентичными параметрами поглощения и регенерации в каждом цикле анализа, демонстрируя чрезвычайную обратимость.
В целом, из представленных примеров можно сделать вывод, что указанная система может быть использована несколько раз без изменения своих свойств независимо от условий использования, будь они мягкие или жесткие.
пример 5
Испытание на максимум десорбции
Образцы, представленные в таблице 3, подвергли анализу в отношении их максимальной способности выделять влагу в условиях сухой окружающей среды. Испытание проводили, помещая образцы в климатическую камеру при 23°С и относительной влажности 40%. Полученные результаты представлены в таблице 4.
| Таблица 4 | |
| Образец | Десорбция, % |
| СО.1-выс. | 45 |
| СО.5-выс. | 59 |
| С1-выс. | 61 |
| С2-выс. | 64 |
| С4-выс. | 65 |
| С8-выс. | 66 |
| С16-выс. | 66 |
И в этом случае количество десорбируемого водяного пара возрастает с увеличением количества хлорида магния.
Увеличение десорбируемого количества нелинейно пропорционально увеличению количества хлорида магния.
пример 6
Циклическое испытание в мягких условиях с целью моделирования варианта применения, в котором время использования меньше, чем время регенерации
Образец СО.5-выс. таблицы 3 проанализировали в отношении его способности выделять влагу в мягких условиях и регенерироваться при высокой относительной влажности. Испытание проводили путем помещения образца в климатическую камеру при 23°С и относительной влажности 40% на 8 часов, затем оставляли для регенерации на 16 часов (Т=30°С, RH=90%). Полученные результаты показаны на Фиг. 3.
В противоположность рассмотренному в примерах 3 и 4, в данном случае систему использовали в качестве увлажнителя, следовательно, в течение фазы использования происходило уменьшение массы (а не увеличение) вследствие выделения влаги в сухую окружающую среду.
В целом, можно видеть, что в ходе циклического использования образца (5 циклов) он был способен обмениваться влагой с окружающей средой в количестве, равном 36% его массы. Кроме того, во время первого цикла использования образец продемонстрировал даже более высокую способность к увлажнению по сравнению с равновесной величиной (36%), приходя к равновесию при величине около 50%. В данном случае, как уже показано и в предыдущих циклических испытаниях, свойства системы остаются неизменными во времени.
пример 7
Циклическое испытание в жестких условиях с целью моделирования варианта применения, в котором время использования больше, чем время регенерации
Образец СО.5-выс., как и в предыдущем примере, проанализировали в отношении его способности выделять влагу в стрессовых условиях и регенерироваться при высокой относительной влажности. Испытание проводили путем помещения образца в климатическую камеру при 23°С и относительной влажности 40% на 16 часов, затем оставляли для регенерации на 8 часов (Т=30°С, RH=90%). Полученные результаты показаны на Фиг. 4.
В данном случае, когда жесткие условия требуют короткой регенерации и длительного использования, образец продемонстрировал значительную обезвоживающую способность. Фактически, образец способен обмениваться влагой с окружающей средой до величины, равной 28% его массы.
И в этом случае во время первого цикла использования образец продемонстрировал даже более высокую способность к увлажнению по сравнению с равновесной величиной (28%), приходя к равновесию при величине около 57%.
Как уже показано в предыдущих циклических испытаниях, и в этом случае свойства система остаются неизменными во времени независимо от условий использования, будь они мягкие или жесткие.
пример 8
Испытания для сравнения с известным уровнем техники: регулирование влажности замкнутой окружающей среды
Образец регулятора влажности С1, соответствующего изобретению, с составом, представленным в таблице 1, подготовили, как описано в примере 1. Образец подвергли обработке при 23°С и относительной влажности 40%, чтобы придать ему свойства регулятора влажности для среды с высокой влажностью.
10 г подготовленного образца прямоугольной формы размером 5×4×0,2 см3 поместили в пластиковую коробку с защелкивающейся крышкой внутренним объемом 1,5 литра (далее коробка С1), контролируя условия по температуре и влажности при помощи регистратора данных. Влагопоглощающий материал, типичный для известного уровня техники, подготовили путем смешивания 95% MgCl2 и 5% гидроксиэтилцеллюлозы, как описано в WO 2005087364. 10 г этой смеси в порошкообразной форме поместили во вторую пластиковую коробку (далее влагопоглотительная коробка), содержащую регистратор данных T-RH, как и в предыдущем случае. Подготовили третью пластиковую коробку (далее контрольная коробка), содержащую только регистратор данных T-RH без какого-либо влагопоглотителя или регулятора влажности.
Коробки С1, влагопоглотительную и контрольную, закрыли и поместили в климатическую камеру с соответствующим регистратором данных T-RH, производящим регистрацию с интервалами в 5 минут.
Затем начали осуществление циклической программы, моделирующей типичные для смены дня и ночи колебания температуры и относительной влажности. Через 5 дней эксперимент прекратили; Данные по температуре и относительной влажности, зарегистрированные внутри коробок, представлены в виде графика на Фиг. 5.
Следует отметить, что только регулятор влажности, являющийся предметом настоящего изобретения, (коробка С1) оказался пригоден для поддержания условий влажности как в случае больших, так и малых отклонений. Действительно, тогда как колебания в контрольной коробке происходили в диапазоне 35-55%, образцом С1 осуществлялась прекрасное регулирование влажности и поддержание ее на уровне 44±1%. С другой стороны, образец во влагопоглотительной коробке резко снизил влажность в коробке, поддерживая ее на уровне немногим меньше 10% на протяжении всего эксперимента, проявляя свойства обычного влагопоглотителя, далекие от регулирующих свойства, продемонстрированных композицией настоящего изобретения.
пример 9
Оценка механических свойств
Оценку механических свойств композиции настоящего изобретения проводили при помощи динамометра в соответствии с Европейским стандартом ISO 527-3. Образцы синтезировали и подвергли их обработке при 23°С и относительной влажности 40% или при 40°С и относительной влажности 75% в соответствии со способом, описанным в примере 1. Затем изготовили полоски размером 20×150 мм толщиной 2,0 мм.
Эти образцы поместили в динамометр при помощи двух надлежащих зажимов и подвергли растяжению с постоянной скоростью 100 мм/мин до разрыва. Указанный эксперимент позволил вычислить и модуль Юнга, и предел прочности при растяжении, величины которых представлены в таблице 5.
Таблица 5
| Образец | Модуль Юнга, МПа | Предел прочности при растяжении, МПа |
| СО.1-низк. | 10-100 | 1-10 |
| СО.5-низк. | 1,0-10 | 0,1-1,0 |
| С1-низк. | 0,1-1,0 | 0,01-0,1 |
| С2-низк. | 0,05-0,5 | 0,005-0,05 |
| СО.1-выс. | 0,1-1,0 | 0,01-0,1 |
| СО.5-выс. | 0,05-0,5 | 0,005-0,05 |
Принимая во внимание полученные результаты, механические свойства композиции, являющейся предметом изобретения, можно сравнить со свойствами гелеобразных материалов.
1. Композиция для регулирования влажности в гелеобразной форме, содержащая хлорид магния, целлюлозу, выбранную из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, и воду, отличающаяся тем, что отношение между количеством хлорида магния и целлюлозы составляет от 0,1 до 16 по массе.
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что отношение между количеством хлорида магния и целлюлозы составляет от 0,5 до 4.
3. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что отношение между количеством хлорида магния и целлюлозы равно 1.
4. Способ получения композиции по п. 1, отличающийся тем, что способ включает следующие стадии:
а) растворения хлорида магния в воде с получением раствора;
b) нагревания указанного раствора до температуры более 50°С;
с) добавления целлюлозы, выбранной из гидроксипропилметилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, в указанный раствор;
d) быстрого охлаждения до температуры менее 10°С;
е) обработки в климатической камере.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что указанную стадию b) проводят при температуре 70°С.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что указанную стадию d) проводят при температуре менее 5°С.
7. Композиция для регулирования влажности окружающей среды, полученная способом по п. 4.
8. Использование композиции по п. 1 для регулирования влажности окружающей среды.
9. Использование композиции по п. 7 для регулирования влажности окружающей среды.
