自動(dòng)制冷恒溫冰袋的研制

丁文凱 黃子熙 鐘文瀚

摘 要：生物制品如疫苗、激素、試劑、血液、藥品等，必須在2-8℃的溫度內(nèi)運(yùn)輸，才能保持生物活性。冷鏈車運(yùn)輸成本高，適合于貨量多的冷鏈長途運(yùn)輸;恒溫冰袋配合冷藏箱的普通快遞冷鏈運(yùn)輸方式，成本低，適合于貨量少的短途運(yùn)輸，但是需要有電源、冰箱配置，冰袋蓄冷24小時(shí)。如果在戶外或者停電，沒有冰箱或冰箱壞了，無法蓄冷24小時(shí)或緊急需要冰袋，那么自動(dòng)制冷恒溫冰袋就是很好的一種冷鏈運(yùn)輸備選方案。自動(dòng)制冷恒溫冰袋根據(jù)吸熱反應(yīng)原理，將制冷劑和蓄冷劑以最佳比例配置，達(dá)到最佳的制冷效果和經(jīng)濟(jì)效益。研究結(jié)果105g碳酰胺溶于100g水，1min內(nèi)溫度迅速由15.8℃降到-8.6℃，是最適合的制冷劑。添加5g聚丙烯酸鈉后，到達(dá)8℃時(shí)間比空白組延長20min，到達(dá)12℃時(shí)間比空白組延長60min，是最適合的蓄冷劑。二種材料組成自動(dòng)制冷恒溫冰袋，制冷溫度符合冷鏈要求，蓄冷時(shí)間長，可隨身攜帶，使用方便、冷鏈運(yùn)輸便宜。

關(guān)鍵詞：冰袋;冷鏈運(yùn)輸;碳酰胺;聚丙烯酸鈉;生物制品

中圖分類號(hào)：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.26.080

生物制品如兒童接種的疫苗、糖尿病人注射的胰島素、危重病人使用的免疫球蛋白、含抗原抗體的檢測(cè)試劑、輸血的各種成分血等，只有在2-8℃的環(huán)境下，有效成分才能保持活性。這要求生物制品儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程都必須維持2-8℃，滿足這樣溫度條件的運(yùn)輸方式，稱為冷鏈運(yùn)輸。

常用的冷鏈運(yùn)輸方式有二種：一種是冷鏈車的運(yùn)輸方式;另一種是恒溫冰袋配冷藏箱的普通快遞冷鏈運(yùn)輸方式。醫(yī)用生物制品由于用途特殊，不能與水果、海鮮一起運(yùn)輸，否則會(huì)造成污染，因此冷鏈車運(yùn)輸成本非常高。像順豐公司的冷鏈車運(yùn)輸，100公里以內(nèi)短途收費(fèi)250元。有些低毛利生物制品，貨量少的情況下，完全不能承擔(dān)這樣昂貴的運(yùn)費(fèi)。恒溫冰袋配冷藏箱的普通快遞冷鏈運(yùn)輸方式，雖然運(yùn)輸成本低，但冰袋要在冰箱中蓄冷24小時(shí)，才能使用。在野外、停電、沒有冰箱、緊急的情況下，這種方式使用受限。

從2010年起，中國各地發(fā)生過多起疫苗事件。2016年的長春長生公司“毒疫苗事件”就與冷鏈運(yùn)輸相關(guān)。該公司常溫儲(chǔ)存和運(yùn)輸疫苗，導(dǎo)致疫苗失活，接種無效。注射這些無效的疫苗，相當(dāng)于給正常人接種了病原體，可能導(dǎo)致新的疾病產(chǎn)生。還有些狂犬、破傷風(fēng)患者，注射了無效疫苗，可能導(dǎo)致發(fā)病，甚至死亡等嚴(yán)重后果。雖然國家司法機(jī)關(guān)對(duì)長春長生公司處于91億元罰款，但那些需要接種的人錯(cuò)過了最佳接種期，狂犬病、破傷風(fēng)患者錯(cuò)過了最佳治療時(shí)間，這些損失是無法彌補(bǔ)的。

這個(gè)事件折射出了冷鏈運(yùn)輸，無論是成本，還是方式，都存在需要改良的方面。我們了解到，醫(yī)用冰袋可以用于降溫消暑，這種冰袋分外袋和內(nèi)袋，外袋用芒硝做制冷劑，內(nèi)袋是水。當(dāng)捏破內(nèi)袋，芒硝溶于水，產(chǎn)生吸熱反應(yīng)，冰袋溫度快速降到15℃左右，制冷時(shí)間大約10min。這種醫(yī)用冰袋可以自動(dòng)制冷，但降溫幅度低，降溫時(shí)間短。能不能找到其他材料，溶于水可以自動(dòng)制冷，降溫幅度達(dá)到2-8℃，制冷時(shí)間更長，用于冷鏈運(yùn)輸呢？本文將探究蓄冷時(shí)間足夠長，可隨身攜帶，價(jià)格便宜的自動(dòng)制冷恒溫冰袋，使其作為冷鏈運(yùn)輸?shù)膫溥x方案。

1 實(shí)驗(yàn)儀器、材料、方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

2018年8月至2019年11月，通過專業(yè)期刊搜索溶于水吸熱反應(yīng)的制冷材料和蓄冷材料，準(zhǔn)備制冷劑芒硝、硝酸銨鈣、硝酸鉀、硝酸銨、氯化銨、碳酰胺，蓄冷劑羧甲基化纖維素鈉、聚丙烯酸鈉等相關(guān)材料，利用電子天平、溫度計(jì)、量杯、燒杯、攪拌棒、藥匙等儀器開展實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 制冷劑實(shí)驗(yàn)方法

一次性醫(yī)用冰袋使用的材料是溶解時(shí)吸熱反應(yīng)的無機(jī)鹽和水，反應(yīng)原理是特定物質(zhì)溶于水的吸熱反應(yīng)，因此實(shí)驗(yàn)材料的選取方向是尋找溶于水并產(chǎn)生吸熱反應(yīng)的材料用于降溫。有文獻(xiàn)報(bào)道半導(dǎo)體制冷冰袋，半導(dǎo)體制冷冰袋為箱式，相當(dāng)于小型冰箱。溫度可以設(shè)定在2-8℃之間，體積大，重量重，運(yùn)輸成本貴，不適合做移動(dòng)冷鏈運(yùn)輸設(shè)備。也有文獻(xiàn)報(bào)道太陽能制冷冰袋太陽能制冷冰袋為箱式，由織物袋、太陽能電池板、鋰電池、半導(dǎo)體制冷片、保溫層組成。溫度可以設(shè)定在2-8℃之間，成本貴，體積大，重量重，運(yùn)輸成本貴，不適合做移動(dòng)冷鏈運(yùn)輸設(shè)備。查找吸熱反應(yīng)材料，在網(wǎng)上下單購買，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。取100mL的水，在室溫27℃的情況下，分別加入20g、40g、60g、80g、100g、120g制冷劑，制冷劑分別為不同時(shí)期選定的芒硝、硝酸銨鈣、硝酸鉀、硝酸銨、氯化銨、碳酰胺，記錄最低制冷溫度，如圖1。

結(jié)果分析：根據(jù)制冷劑最低制冷溫度比較，芒硝、硝酸銨鈣、硝酸鉀最低制冷溫度都在2℃以上，不滿足冷鏈運(yùn)輸溫度要求。硝酸銨、氯化銨、碳酰胺最低制冷溫度都在2℃以下，滿足冷鏈運(yùn)輸溫度要求。但硝酸銨、氯化銨性質(zhì)都不穩(wěn)定，容易分解，甚至引起爆炸，不適合民用。碳酰胺性質(zhì)穩(wěn)定，化妝品常用作保濕劑，安全性高，且價(jià)格低廉，容易獲取，可以降低冰袋生產(chǎn)成本，是最合適的制冷劑。

1.3 蓄冷劑實(shí)驗(yàn)方法

冰和干冰是人們常用的蓄冷劑，但它們都有一個(gè)弱點(diǎn)，就是他們?nèi)鄯悬c(diǎn)過低，不能長期使用。水溶性高分子材料，他們本身沒有蓄冷作用，但可以利用水蓄冷大的特點(diǎn)，把水吸附到自己體內(nèi)變成膠狀的物質(zhì)，像海綿一樣柔軟，在常溫下也不會(huì)融化，進(jìn)行蓄冷。這種高分子材料如同蓄電池那樣，可以反復(fù)使用，不會(huì)損耗。高分子吸水材料分為，淀粉系列、纖維素系列、合成樹脂系列、蛋白質(zhì)系列。羧甲基化纖維素鈉和聚丙烯酸鈉從安全性和價(jià)格方面考慮，滿足自動(dòng)制冷恒溫冰袋的要求，在網(wǎng)上下單購買，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。因此各取3g上述材料，分別溶于100mL水中，研究對(duì)比如表1。

結(jié)果分析：篩選后的不同蓄冷劑實(shí)驗(yàn)對(duì)照顯示，聚丙烯酸鈉親水能力強(qiáng)，吸水力強(qiáng)，保水能力強(qiáng)，更適合作為自動(dòng)制冷恒溫冰袋的蓄冷劑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析

2.1 制冷劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于選定的制冷劑碳酰胺進(jìn)行研究，碳酰胺為上海阿拉丁生物科技有限公司生產(chǎn)。探索了碳酰胺與水的最佳配比濃度，以及碳酰胺溶于水后吸熱反應(yīng)的溫度差。在室溫27.2℃的條件下，在100mL水中分別加入20g、40g、80g、100g、105g、110g、115g碳酰胺，記錄最低溫度和溫度差如圖2和圖3。

結(jié)果分析：從圖2可以看出，當(dāng)105g碳酰胺溶于100g水時(shí)，溫度在1min內(nèi)由27.2℃降到-1℃，說明碳酰胺的溶解吸熱反應(yīng)，可以達(dá)到冷鏈運(yùn)輸?shù)臏囟?°-8°的要求。從圖3可以看出，碳酰胺溶解吸熱反應(yīng)溫度差最大為28.2℃，碳酰胺和水的最佳配比濃度為105∶100，這是從制冷效果和經(jīng)濟(jì)效果得出的最佳配比。

2.2 蓄冷劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于選定的蓄冷劑聚丙烯酸鈉進(jìn)行研究，聚丙烯酸鈉為河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，探索聚丙烯酸鈉與溶液的最佳配比濃度。分別在100ml水和105g的碳酰胺溶液中，加入1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g聚丙烯酸鈉，記錄溶解狀況，吸水力和保水力。恒溫冰袋使用的也是高分子吸水材料，將恒溫冰袋剪開，倒出內(nèi)容物高分子材料“藍(lán)冰”，對(duì)比聚丙烯酸鈉吸水后的溶液的濃稠度，結(jié)果如表2。

結(jié)果分析：聚丙烯酸鈉的不同濃度的吸水和保水能力測(cè)試，碳酰胺溶液配5g聚丙烯酸鈉，溶解速度、吸收力和保水力最佳，性價(jià)比最高。因此碳酰胺：水：聚丙烯酸鈉最佳比例是105∶100∶5。

2.3 制冷劑和蓄冷劑組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ?在15.8℃的室溫下，設(shè)立聚丙烯酸鈉組和空白組，對(duì)比添加蓄冷劑對(duì)溫度的影響。聚丙烯酸鈉組：將105g碳酰胺，溶于100ml水中，完全溶解后加入5g聚丙烯酸鈉，觀察溫度變化?？瞻捉M：將105g碳酰胺，溶于100ml水中，完全溶解后觀察溫度變化，記錄如圖4。

結(jié)果分析：碳酰胺溶于水后在1min內(nèi)，由15.8℃室溫迅速下降到-8.6℃。聚丙烯酸鈉組和空白組都放在室溫敞口環(huán)境中，溫度逐漸回升如表。聚丙烯酸鈉組能顯著延長溫度的上升過程，比空白組更遲恢復(fù)室溫。聚丙烯酸鈉組80min到達(dá)8℃，空白組60min到達(dá)8℃;聚丙烯酸鈉組160min到達(dá)12℃，空白組100min到達(dá)12℃，聚丙烯酸鈉組蓄冷作用顯著優(yōu)于空白。

3 模型的建立、制作和使用說明

3.1 模型的建立

自動(dòng)制冷恒溫冰袋的模型設(shè)計(jì)如圖5所示，包括外袋1，為密閉的復(fù)合膜袋，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成本低。外袋1內(nèi)設(shè)置有內(nèi)袋2，制冷劑3和蓄冷劑4。內(nèi)袋2為密閉的塑料袋，內(nèi)裝100ml水，塑料袋便于捏破，且成本低。將內(nèi)袋2捏破后，內(nèi)袋2中的水流出來與制冷劑3碳酰胺充分接觸，可以使溫度快速降低。外袋1內(nèi)設(shè)置有無紡布袋4，內(nèi)裝蓄冷劑聚丙烯酸鈉。碳酰胺溶于水后，蓄冷劑進(jìn)一步溶于低溫的溶液中，進(jìn)而形成凝膠，起到控溫的作用，使外袋1內(nèi)的溫度長時(shí)間保持在低溫狀態(tài)。

外袋1的規(guī)格為25cm×12.5cm，內(nèi)袋2的規(guī)格為12cm×8cm，無紡布袋4的規(guī)格為8cm×6cm。將所述外袋1、內(nèi)袋2和無紡布袋4設(shè)置為上述規(guī)格，使冰袋體積小巧、重量輕、可隨身攜帶，且使用方便，生產(chǎn)成本低。

3.2 模型的制作

根據(jù)自動(dòng)制冷恒溫冰袋的模型，結(jié)合市售的恒溫冰袋和醫(yī)用冰袋的生產(chǎn)設(shè)備和流程，制作步驟可以分為蓄冷劑進(jìn)料、壓膜，內(nèi)袋水進(jìn)料、壓膜和制冷劑進(jìn)料，外袋壓膜密封三個(gè)主要設(shè)備和過程。如圖6、7、8所示。整個(gè)流程化生產(chǎn)，每批生產(chǎn)5000個(gè)以上，原料和生產(chǎn)成本總計(jì)大約2元/個(gè)。

3.3 使用說明

自動(dòng)制冷恒溫冰袋的外形如圖9所示，體積小，可以隨身攜帶。使用操作簡(jiǎn)單，捏破內(nèi)袋的水，把冰袋搖勻，放入冷藏箱，就可以使用。當(dāng)冰袋制冷效用使用完后，可以放在冰箱中蓄冷，作為恒溫冰袋循環(huán)使用，如圖10所示。

4 自動(dòng)制冷恒溫冰袋的創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用前景

4.1 自動(dòng)制冷恒溫冰袋的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）制冷劑的創(chuàng)新。

本研究制冷劑突破以往冰袋慣用無機(jī)鹽的思維，選用有機(jī)物碳酰胺做制冷劑，比芒硝作制冷劑，降溫幅度低，比硝酸銨做制冷劑，使用和運(yùn)輸安全。

（2）蓄冷劑的創(chuàng)新。

醫(yī)用冰袋可以自動(dòng)制冷，但沒有添加蓄冷劑，制冷時(shí)間短。本研究在冰袋中添加蓄冷劑，明顯延長了蓄冷時(shí)間。且選用聚丙烯酸鈉做蓄冷劑，蓄冷效果明顯優(yōu)于羧甲基化纖維素鈉等其他高分子材料。

（3）材料的創(chuàng)新。

醫(yī)用冰袋一次性使用后，不能重復(fù)利用。本研究的冰袋，自動(dòng)制冷效用完成后，可以作為恒溫冰袋，在冰箱中蓄冷，循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保。

（4）使用創(chuàng)新。

本研究的冰袋，捏碎內(nèi)袋，自動(dòng)制冷，操作方便。體積小，可以隨身攜帶。

（5）冷鏈運(yùn)輸?shù)膭?chuàng)新。

以往的冷鏈運(yùn)輸，依靠冷鏈車，運(yùn)輸成本貴。依靠泡沫箱加恒溫冰袋的方式，恒溫冰袋依靠電源和冰箱，且需冰箱蓄冷24小時(shí)，戶外、停電、緊急狀態(tài)不方便。本研究的冰袋，不依靠電源和冰箱，自動(dòng)制冷，符合冷鏈運(yùn)輸溫度。采用價(jià)格低廉的原材料，每個(gè)成本大約2元左右?？梢愿鶕?jù)泡沫箱的體積，搭配不同數(shù)量冰袋，降低冷鏈運(yùn)輸成本。

4.2 自動(dòng)制冷恒溫冰袋的應(yīng)用前景

（1）“暖寶寶”的啟示。

“暖寶寶”利用放熱反應(yīng)原理，自動(dòng)發(fā)熱、升溫。應(yīng)用于御寒取暖，疼痛熱敷，痛經(jīng)等方面，在藥店、士多店、商超、網(wǎng)店各種渠道銷售。

（2）自動(dòng)制冷恒溫冰袋利用吸熱反應(yīng)原理，自動(dòng)制冷、降溫。

其主要成分碳酰胺、聚丙烯酸鈉都是非常安全的物質(zhì)。碳酰胺用于很多化妝品中，作為保濕劑;聚丙烯酸鈉應(yīng)用于很多食品中，作為膠凍劑。冰袋的成分安全，不會(huì)給人們帶來危害。它未來的使用會(huì)像“暖寶寶”一樣受歡迎，銷售模式也會(huì)多樣化。

（3）自動(dòng)制冷恒溫冰袋可應(yīng)用于冷鏈運(yùn)輸方面。

如檢驗(yàn)試劑、疫苗、激素、血液制品批發(fā)和零售運(yùn)輸，醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)輸。

（4）自動(dòng)制冷恒溫冰袋也可應(yīng)用于醫(yī)療方面。

如高燒降溫、運(yùn)動(dòng)摔傷、扭傷冷敷，消炎止痛冰袋裝置等（如冰頸帶、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、額頭、胸部冰袋）。

（5）自動(dòng)制冷恒溫冰袋還可應(yīng)用于民生方面。

如糖尿病人外出旅游，可以用自動(dòng)制冷恒溫冰袋攜帶胰島素外出，而不用費(fèi)盡周折找胰島素。如防暑降溫，蔬菜、水果、飲料、肉類保鮮冰袋（如魚形冰袋），掛在容器上的冰袋，貼在衣服上的冰袋等。

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