生物可降解吸热组合物的制作方法

本发明涉及一种生物可降解吸热组合物。本发明还涉及：产品，包括由该组合物形成的吸热垫；将该组合物或产品溶解、堆肥和生物降解的方法；生产该组合物和产品的方法；以及使用该组合物进行冷却的方法。

背景技术：

1、吸热垫，有时统称为冰袋或冷却垫，用于多种用途(包括冷却封闭区域和通过直接接触冷却表面)。它们通常用于将产品长时间保持为低于环境温度，除此之外或者更常见的是，在不存在动力冷却系统(诸如制冷装置)的情况下实现。吸热垫常用于食品和医疗器械的运输和冷藏。

2、在食品保藏方面，降低环境温度可通过减缓细菌生长从而抑制腐败变质，帮助食品保鲜更长时间。出于医疗目的，吸热组合物可用于使温度敏感性药物和治疗保持低温，而由吸热组合物形成的垫可用于通过接触降低组织温度来缓解瘀伤、肿胀和割伤，从而减少炎症。

3、目前的吸热组合物具有不同的形式和不同的化学结构。一些吸热组合物利用产生冷却效果的吸热化学反应。但这些材料通常是一次性使用的，并且在反应开始时可能变得非常冷。许多吸热组合物包含相变材料。相变材料(pcm)通常是具有高潜热容量的物质。潜热是将固体转化为液体或将液体转化为蒸汽而不改变其温度所需的能量。pcm潜热蓄热可以通过固-固、固-液、固-气和液-气相变来实现。水是相变材料的一个实例。pcm的商业吸热材料通常依赖于固-液相变。商业pcm可由多种材料形成，分为三大类：有机pcm，其基于有机材料，即主要由碳和氢构成，诸如石蜡；无机pcm，其基于无机盐水合物，诸如水合乙酸钠或十水硫酸钠；和共晶pcm，其通常基于盐水溶液。

4、可商购获得的pcm的实例为十水硫酸钠(na2so4·10h2o)；puretemptm 29(puretemp)；climseltm c28(climator)；climseltm c32(climator)；石蜡18-碳和石蜡19-碳。

5、pcm具有高吸热能力。此外，pcm的吸热能力是可再生的，例如通过经由制冷冷却材料来再生；因此，该材料可重复使用而不丧失其功能。

6、这种重复使用能力一直是许多现有技术系统的目标，这意味着重点不在于寿命，也不在于寿命结束时如何处置材料。

7、例如，石油基产品降解缓慢。这意味着石蜡pcm可能需要数年或数十年才能完全分解。这些产品将对环境产生长期影响，因为已知石蜡和其他石油基产品具有致癌性并且对植物和野生生物有毒(warg，e.；“biodegradeability of phase change materials；entropy solutions”，2015)。

8、不对水合盐pcm进行生物降解性分析，因为那些pcm中的盐化合物在液相中将分解成相应的离子。这并不意味着水合盐pcm一定对环境安全。水合盐具有腐蚀性，并且已知对植物和野生生物有毒(warg，e.，同上)。

9、生物基pcm诸如puretemptm 29似乎能够更快速地生物降解，但是，pcm使用植物生物基产品，诸如对社会和环境具有不利影响的棕榈油(参见例如：https：//en.wikipedia.org/wiki/social_and_environmental_impact_of_palm_oil；2020年8月14日访问)。

10、此外，生物基和许多非生物基冷却组合物，例如，包含水的pcm和/或水基pcm，在典型室温下为液体，因此不具有结构完整性。这些冷却组合物必须围绕供使用的吸热材料掺入某种微胶囊、膜或硬壳(通常由塑料或其他非生物可降解的材料制成)。此外，吸热组合物可能含有不易生物降解和/或暴露后对环境或动物有害的添加物，诸如硅胶、有机水胶体或防冻液。

11、人们普遍希望远离不易生物降解的产品和/或含有来源于石油的塑料的产品，这些产品在生产期间和使用后的处置过程中都对环境造成严重影响。这对于使用寿命非常有限的一次性产品尤为重要。

12、当前生产的几乎90％的冷却垫仅使用一次，通常使用时间(诸如运输产品或冷却伤口所花费的时间)很短，然后即被丢弃。

13、政府、消费者、吸热组合物生产商和其他利益相关者日益关注环境问题。因此，仍然需要完全且易于生物降解和可堆肥/家庭可堆肥的吸热组合物和产品，这些组合物和产品由在环境或废弃物流中快速且完全生物降解而对环境或生态系统无危害或危害极小的环境友好的材料形成。合适地，生物降解时间更好地匹配使用时段(具体地，一次性使用)，同时仍然提供上述常规冷却垫的理想材料特性中的至少一种。

技术实现思路

1、在第一方面，本发明提供了一种吸热水凝胶组合物，其包含基于组合物的总重量计的1重量％至10重量％的量的海藻提取物和85重量％至99重量％的量的水。根据本文的定义，术语“吸热”与“冷却”可互换使用。合适地，海藻提取物以1.3重量％至8重量％的量存在，并且水以85重量％至98.7重量％的量存在。

2、在实施例中，该组合物基本上由海藻提取物和水组成。合适地，该组合物由海藻提取物和水组成。合适地，海藻提取物和水的重量百分比总计为该组合物的总重量的100重量％。

3、在实施例中，海藻提取物选自由以下项组成的组：卡拉胶；琼脂；褐藻胶；和它们的混合物。合适地，海藻提取物为卡拉胶。合适地，卡拉胶为κ型卡拉胶。

4、在实施例中，该组合物为相变材料(pcm)。当本发明的组合物冷却至低于0℃时，其开始结晶(即，从固体凝胶相变为固体半结晶材料)。由于该组合物的密度大于水，因此预计结晶温度将低于0℃。合适地，相变材料从大约-5℃开始经历相变。在实施例中，本发明的组合物的典型相变温度如下：

5、-固体半结晶，0℃及更低；

6、-固体凝胶，0℃至50℃；和/或

7、-液体凝胶，50℃及更高。

8、在实施例中，该组合物不含由以下项组成的组中的一种或多种：淀粉；黄原胶、阿拉伯树胶、ι型卡拉胶；琼脂；褐藻胶；和壳聚糖。

9、在实施例中，该组合物为完全生物可降解的。合适地，该组合物：

10、a)在外部非工业环境中少于六个月即可完全生物降解；

11、b)在有氧和/或厌氧气氛中可完全生物降解；和/或

12、c)在家庭堆肥堆中少于六个月即可完全堆肥。

13、在实施例中，该组合物为可模塑的。

14、在实施例中，该组合物进一步包含一种或多种添加物。合适地，该一种或多种添加物以不大于该组合物的总重量的10重量％存在。合适地，该一种或多种添加物选自由以下项组成的组：盐；和甘油。合适地，盐选自由以下项组成的组：海盐；食盐；氯化钠；和氯化钾。

15、在第二方面，本发明提供了一种由第一方面的吸热水凝胶组合物形成的产品。合适地，该产品为吸热垫或实心块或空心块。

16、在实施例中，该产品具有在-60℃与50℃之间的工作温度。在另外的实施例中，该产品具有在整个工作温度内保持其形状和完整性的三维自支撑结构。在另外的实施例中，该产品经历至少一次冻融循环后是稳定的。在另外的实施例中，该产品中的组合物不具有由另一种材料形成的外部涂层或结构以供使用。

17、在第三方面，本发明提供了一种生产第一方面的吸热水凝胶组合物的方法，该方法包括以下步骤：

18、a)使海藻提取物与水接触，以形成海藻提取物水凝胶；

19、b)加热海藻提取物水凝胶，以形成水凝胶；以及

20、c)使混合物冷却，以形成该组合物。

21、在实施例中，步骤(a)包括将海藻提取物在水中的混合物加热至在大约70℃至大约100℃范围内的温度，以形成海藻提取物水凝胶。

22、在实施例中，该方法包括第三方面的生产组合物的方法的步骤(a)至(c)，以及在步骤(b)与(c)之间的以下附加步骤：将混合物模塑成产品的形状或三维形式。合适地，三维形式包围适合于容纳液体和/或固体的空间。合适地，该空间容纳水。

23、在第四方面，本发明提供了一种溶解第一方面的组合物或第二方面的产品的方法，该方法包括使组合物或产品与液态水接触的步骤。合适地，液态水在至少70℃或更高的温度下持续至少1小时。

24、在第五方面，本发明提供了一种工业生物降解第一方面的组合物或第二方面的产品的方法，该方法包括以下步骤：将组合物或产品暴露于其中生物降解速率提高的条件。合适地，这些条件选自由以下项组成的组：加热；暴露于水；暴露于微生物；酶；化学分解；机械分解；以及它们的组合。

25、在第六方面，本发明提供了一种将第一方面的组合物或第二方面的产品堆肥的方法，该方法包括以下步骤：将组合物或产品暴露于其中该组合物或产品降解形成堆肥或适合用于堆肥中或作为土壤添加物的材料的条件。

26、在第七方面，本发明提供了一种冷却封闭空间(当组合物冷却其中储存/保存产品的封闭空间中的空气时，为间接冷却)或表面(直接冷却，其中组合物直接接触待冷却的物品)的方法，其中该方法包括冷却第一方面的组合物或第二方面的产品，然后将该组合物或产品置于封闭空间中或与表面接触。合适地，表面为人或动物的皮肤。合适地，表面为新鲜农产品的表面。合适地，封闭空间容纳新鲜农产品。合适地，新鲜农产品选自由以下项组成的组：水果；蔬菜；肉类和奶制品。直接或间接冷却新鲜农产品可降低细菌活性并且延长新鲜食品的保质期。

27、合适地，在使用前，将组合物或产品冷却至低于该组合物或产品的冰点(或结晶温度，或相变温度)。

28、在第八方面，本发明提供了第一方面的组合物或第二方面的产品用作吸热块或吸热垫或用作吸热块或吸热垫的涂层或外壳的用途。