自动制冷恒温冰袋的研制

丁文凯 黄子熙 钟文瀚

摘 要：生物制品如疫苗、激素、试剂、血液、药品等，必须在2-8℃的温度内运输，才能保持生物活性。冷链车运输成本高，适合于货量多的冷链长途运输;恒温冰袋配合冷藏箱的普通快递冷链运输方式，成本低，适合于货量少的短途运输，但是需要有电源、冰箱配置，冰袋蓄冷24小时。如果在户外或者停电，没有冰箱或冰箱坏了，无法蓄冷24小时或紧急需要冰袋，那么自动制冷恒温冰袋就是很好的一种冷链运输备选方案。自动制冷恒温冰袋根据吸热反应原理，将制冷剂和蓄冷剂以最佳比例配置，达到最佳的制冷效果和经济效益。研究结果105g碳酰胺溶于100g水，1min内温度迅速由15.8℃降到-8.6℃，是最适合的制冷剂。添加5g聚丙烯酸钠后，到达8℃时间比空白组延长20min，到达12℃时间比空白组延长60min，是最适合的蓄冷剂。二种材料组成自动制冷恒温冰袋，制冷温度符合冷链要求，蓄冷时间长，可随身携带，使用方便、冷链运输便宜。

关键词：冰袋;冷链运输;碳酰胺;聚丙烯酸钠;生物制品

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.26.080

生物制品如儿童接种的疫苗、糖尿病人注射的胰岛素、危重病人使用的免疫球蛋白、含抗原抗体的检测试剂、输血的各种成分血等，只有在2-8℃的环境下，有效成分才能保持活性。这要求生物制品储存和运输过程都必须维持2-8℃，满足这样温度条件的运输方式，称为冷链运输。

常用的冷链运输方式有二种：一种是冷链车的运输方式;另一种是恒温冰袋配冷藏箱的普通快递冷链运输方式。医用生物制品由于用途特殊，不能与水果、海鲜一起运输，否则会造成污染，因此冷链车运输成本非常高。像顺丰公司的冷链车运输，100公里以内短途收费250元。有些低毛利生物制品，货量少的情况下，完全不能承担这样昂贵的运费。恒温冰袋配冷藏箱的普通快递冷链运输方式，虽然运输成本低，但冰袋要在冰箱中蓄冷24小时，才能使用。在野外、停电、没有冰箱、紧急的情况下，这种方式使用受限。

从2010年起，中国各地发生过多起疫苗事件。2016年的长春长生公司“毒疫苗事件”就与冷链运输相关。该公司常温储存和运输疫苗，导致疫苗失活，接种无效。注射这些无效的疫苗，相当于给正常人接种了病原体，可能导致新的疾病产生。还有些狂犬、破伤风患者，注射了无效疫苗，可能导致发病，甚至死亡等严重后果。虽然国家司法机关对长春长生公司处于91亿元罚款，但那些需要接种的人错过了最佳接种期，狂犬病、破伤风患者错过了最佳治疗时间，这些损失是无法弥补的。

这个事件折射出了冷链运输，无论是成本，还是方式，都存在需要改良的方面。我们了解到，医用冰袋可以用于降温消暑，这种冰袋分外袋和内袋，外袋用芒硝做制冷剂，内袋是水。当捏破内袋，芒硝溶于水，产生吸热反应，冰袋温度快速降到15℃左右，制冷时间大约10min。这种医用冰袋可以自动制冷，但降温幅度低，降温时间短。能不能找到其他材料，溶于水可以自动制冷，降温幅度达到2-8℃，制冷时间更长，用于冷链运输呢？本文将探究蓄冷时间足够长，可随身携带，价格便宜的自动制冷恒温冰袋，使其作为冷链运输的备选方案。

1 实验仪器、材料、方法

1.1 实验仪器和材料

2018年8月至2019年11月，通过专业期刊搜索溶于水吸热反应的制冷材料和蓄冷材料，准备制冷剂芒硝、硝酸铵钙、硝酸钾、硝酸铵、氯化铵、碳酰胺，蓄冷剂羧甲基化纤维素钠、聚丙烯酸钠等相关材料，利用电子天平、温度计、量杯、烧杯、搅拌棒、药匙等仪器开展实验研究。

1.2 制冷剂实验方法

一次性医用冰袋使用的材料是溶解时吸热反应的无机盐和水，反应原理是特定物质溶于水的吸热反应，因此实验材料的选取方向是寻找溶于水并产生吸热反应的材料用于降温。有文献报道半导体制冷冰袋，半导体制冷冰袋为箱式，相当于小型冰箱。温度可以设定在2-8℃之间，体积大，重量重，运输成本贵，不适合做移动冷链运输设备。也有文献报道太阳能制冷冰袋太阳能制冷冰袋為箱式，由织物袋、太阳能电池板、锂电池、半导体制冷片、保温层组成。温度可以设定在2-8℃之间，成本贵，体积大，重量重，运输成本贵，不适合做移动冷链运输设备。查找吸热反应材料，在网上下单购买，进行实验研究。取100mL的水，在室温27℃的情况下，分别加入20g、40g、60g、80g、100g、120g制冷剂，制冷剂分别为不同时期选定的芒硝、硝酸铵钙、硝酸钾、硝酸铵、氯化铵、碳酰胺，记录最低制冷温度，如图1。

结果分析：根据制冷剂最低制冷温度比较，芒硝、硝酸铵钙、硝酸钾最低制冷温度都在2℃以上，不满足冷链运输温度要求。硝酸铵、氯化铵、碳酰胺最低制冷温度都在2℃以下，满足冷链运输温度要求。但硝酸铵、氯化铵性质都不稳定，容易分解，甚至引起爆炸，不适合民用。碳酰胺性质稳定，化妆品常用作保湿剂，安全性高，且价格低廉，容易获取，可以降低冰袋生产成本，是最合适的制冷剂。

1.3 蓄冷剂实验方法

冰和干冰是人们常用的蓄冷剂，但它们都有一个弱点，就是他们熔沸点过低，不能长期使用。水溶性高分子材料，他们本身没有蓄冷作用，但可以利用水蓄冷大的特点，把水吸附到自己体内变成胶状的物质，像海绵一样柔软，在常温下也不会融化，进行蓄冷。这种高分子材料如同蓄电池那样，可以反复使用，不会损耗。高分子吸水材料分为，淀粉系列、纤维素系列、合成树脂系列、蛋白质系列。羧甲基化纤维素钠和聚丙烯酸钠从安全性和价格方面考虑，满足自动制冷恒温冰袋的要求，在网上下单购买，进行实验研究。因此各取3g上述材料，分别溶于100mL水中，研究对比如表1。

结果分析：筛选后的不同蓄冷剂实验对照显示，聚丙烯酸钠亲水能力强，吸水力强，保水能力强，更适合作为自动制冷恒温冰袋的蓄冷剂。

2 实验结果与讨论分析

2.1 制冷剂实验结果

对于选定的制冷剂碳酰胺进行研究，碳酰胺为上海阿拉丁生物科技有限公司生产。探索了碳酰胺与水的最佳配比浓度，以及碳酰胺溶于水后吸热反应的温度差。在室温27.2℃的条件下，在100mL水中分别加入20g、40g、80g、100g、105g、110g、115g碳酰胺，记录最低温度和温度差如图2和图3。

結果分析：从图2可以看出，当105g碳酰胺溶于100g水时，温度在1min内由27.2℃降到-1℃，说明碳酰胺的溶解吸热反应，可以达到冷链运输的温度2°-8°的要求。从图3可以看出，碳酰胺溶解吸热反应温度差最大为28.2℃，碳酰胺和水的最佳配比浓度为105∶100，这是从制冷效果和经济效果得出的最佳配比。

2.2 蓄冷剂实验结果

对于选定的蓄冷剂聚丙烯酸钠进行研究，聚丙烯酸钠为河南万邦实业有限公司生产，探索聚丙烯酸钠与溶液的最佳配比浓度。分别在100ml水和105g的碳酰胺溶液中，加入1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g聚丙烯酸钠，记录溶解状况，吸水力和保水力。恒温冰袋使用的也是高分子吸水材料，将恒温冰袋剪开，倒出内容物高分子材料“蓝冰”，对比聚丙烯酸钠吸水后的溶液的浓稠度，结果如表2。

结果分析：聚丙烯酸钠的不同浓度的吸水和保水能力测试，碳酰胺溶液配5g聚丙烯酸钠，溶解速度、吸收力和保水力最佳，性价比最高。因此碳酰胺：水：聚丙烯酸钠最佳比例是105∶100∶5。

2.3 制冷剂和蓄冷剂组合的实验结果  在15.8℃的室温下，设立聚丙烯酸钠组和空白组，对比添加蓄冷剂对温度的影响。聚丙烯酸钠组：将105g碳酰胺，溶于100ml水中，完全溶解后加入5g聚丙烯酸钠，观察温度变化。空白组：将105g碳酰胺，溶于100ml水中，完全溶解后观察温度变化，记录如图4。

结果分析：碳酰胺溶于水后在1min内，由15.8℃室温迅速下降到-8.6℃。聚丙烯酸钠组和空白组都放在室温敞口环境中，温度逐渐回升如表。聚丙烯酸钠组能显著延长温度的上升过程，比空白组更迟恢复室温。聚丙烯酸钠组80min到达8℃，空白组60min到达8℃;聚丙烯酸钠组160min到达12℃，空白组100min到达12℃，聚丙烯酸钠组蓄冷作用显著优于空白。

3 模型的建立、制作和使用说明

3.1 模型的建立

自动制冷恒温冰袋的模型设计如图5所示，包括外袋1，为密闭的复合膜袋，结构稳定、成本低。外袋1内设置有内袋2，制冷剂3和蓄冷剂4。内袋2为密闭的塑料袋，内装100ml水，塑料袋便于捏破，且成本低。将内袋2捏破后，内袋2中的水流出来与制冷剂3碳酰胺充分接触，可以使温度快速降低。外袋1内设置有无纺布袋4，内装蓄冷剂聚丙烯酸钠。碳酰胺溶于水后，蓄冷剂进一步溶于低温的溶液中，进而形成凝胶，起到控温的作用，使外袋1内的温度长时间保持在低温状态。

外袋1的规格为25cm×12.5cm，内袋2的规格为12cm×8cm，无纺布袋4的规格为8cm×6cm。将所述外袋1、内袋2和无纺布袋4设置为上述规格，使冰袋体积小巧、重量轻、可随身携带，且使用方便，生产成本低。

3.2 模型的制作

根据自动制冷恒温冰袋的模型，结合市售的恒温冰袋和医用冰袋的生产设备和流程，制作步骤可以分为蓄冷剂进料、压膜，内袋水进料、压膜和制冷剂进料，外袋压膜密封三个主要设备和过程。如图6、7、8所示。整个流程化生产，每批生产5000个以上，原料和生产成本总计大约2元/个。

3.3 使用说明

自动制冷恒温冰袋的外形如图9所示，体积小，可以随身携带。使用操作简单，捏破内袋的水，把冰袋摇匀，放入冷藏箱，就可以使用。当冰袋制冷效用使用完后，可以放在冰箱中蓄冷，作为恒温冰袋循环使用，如图10所示。

4 自动制冷恒温冰袋的创新点和应用前景

4.1 自动制冷恒温冰袋的创新点

（1）制冷剂的创新。

本研究制冷剂突破以往冰袋惯用无机盐的思维，选用有机物碳酰胺做制冷剂，比芒硝作制冷剂，降温幅度低，比硝酸铵做制冷剂，使用和运输安全。

（2）蓄冷剂的创新。

医用冰袋可以自动制冷，但没有添加蓄冷剂，制冷时间短。本研究在冰袋中添加蓄冷剂，明显延长了蓄冷时间。且选用聚丙烯酸钠做蓄冷剂，蓄冷效果明显优于羧甲基化纤维素钠等其他高分子材料。

（3）材料的创新。

医用冰袋一次性使用后，不能重复利用。本研究的冰袋，自动制冷效用完成后，可以作为恒温冰袋，在冰箱中蓄冷，循环使用，节能环保。

（4）使用创新。

本研究的冰袋，捏碎内袋，自动制冷，操作方便。体积小，可以随身携带。

（5）冷链运输的创新。

以往的冷链运输，依靠冷链车，运输成本贵。依靠泡沫箱加恒温冰袋的方式，恒温冰袋依靠电源和冰箱，且需冰箱蓄冷24小时，户外、停电、紧急状态不方便。本研究的冰袋，不依靠电源和冰箱，自动制冷，符合冷链运输温度。采用价格低廉的原材料，每个成本大约2元左右。可以根据泡沫箱的体积，搭配不同数量冰袋，降低冷链运输成本。

4.2 自动制冷恒温冰袋的应用前景

（1）“暖宝宝”的启示。

“暖宝宝”利用放热反应原理，自动发热、升温。应用于御寒取暖，疼痛热敷，痛经等方面，在药店、士多店、商超、网店各种渠道销售。

（2）自动制冷恒温冰袋利用吸热反应原理，自动制冷、降温。

其主要成分碳酰胺、聚丙烯酸钠都是非常安全的物质。碳酰胺用于很多化妆品中，作为保湿剂;聚丙烯酸钠应用于很多食品中，作为胶冻剂。冰袋的成分安全，不会给人们带来危害。它未来的使用会像“暖宝宝”一样受欢迎，销售模式也会多样化。

（3）自动制冷恒温冰袋可应用于冷链运输方面。

如检验试剂、疫苗、激素、血液制品批发和零售运输，医疗机构内部运输。

（4）自动制冷恒温冰袋也可应用于医疗方面。

如高烧降温、运动摔伤、扭伤冷敷，消炎止痛冰袋装置等（如冰颈带、踝关节、膝关节、额头、胸部冰袋）。

（5）自动制冷恒温冰袋还可应用于民生方面。

如糖尿病人外出旅游，可以用自动制冷恒温冰袋携带胰岛素外出，而不用费尽周折找胰岛素。如防暑降温，蔬菜、水果、饮料、肉类保鲜冰袋（如鱼形冰袋），挂在容器上的冰袋，贴在衣服上的冰袋等。

参考文献

[1]葛如海，管军，虞小波，等.冷链物流行业的现状及前景[J].重庆理工大学学报，2013，27（7）：19-22.

[2]赵欣悦，姜柏生.长春长生疫苗事件中存在的监管问题及建议措施[J].南京医科大学学报（社会科学版），2019，2（91）：106-109.

[3]崔中敏.化学冰袋的研制[J].上海化工，2010，21（6）：17-20.

[4]于红勇.一体式半导体固态制冷电子冰袋：中国，CN203354741U[P].2013-12-25.

[5]牛芳芳，商庆垄，崔华峰，等.一种太阳能电子冰袋的设计[J].山西电子技术，2016，（5）：37-38.

[6]李松涛，任加.关于尿素溶解于水的溶解热曲线研究[J].实验教学研究，2014，（11）：11-13.

[7]霍景沛，张裕邦，邹婉莹，等.聚丙烯酸钠高吸水性复合材料的研究[J].化学推进剂与高分子材料，2019，17（1）：55-57.

[8]丁文凯.一种自动制冷恒温冰袋及其制备工艺[J].中国，CN201910911897.6[P].2020：01-14.