具有彩色火焰的蜡烛 【技术领域】
本发明涉及蜡烛的改进，并且特别地涉及蜡烛中使用的燃料和烛芯，以及产生无烟及彩色火焰的能力。
背景技术
蜡烛通常使用石蜡和棉的烛芯。石蜡具有燃烧不完全并且产生细颗粒或烟灰的缺点。火焰通常是黄色的，并且火焰的温度通常不够高而不能为烹饪或食物加热提供足够的热量。这些特性使石蜡不适合用于餐饮应用和用于产生彩色火焰。
对于餐饮业，通常使用醇，但是它是液体，溢出会引起安全问题。美国专利第5858031号公开了可以凝结的水醇混合物。包括用异丙醇来提供火焰的能见度，作为安全预警。对于露营火炉使用的六胺已经证明是加热燃料的精选，但是它不适合在室内使用，因为燃烧时会产生氮氧化物。为了通过添加着色剂来产生彩色火焰，最好首先由无色火焰起始。
能产生无色火焰的可选燃料已经被公开，并且美国专利第2551574号包括了使用甘露糖醇、脱水甘露糖醇单硬脂酸酯和脱水山梨糖醇单硬脂酸酯作为蜡烛主体。
美国专利第4997547号使用甲醇、乙二醇及纤维素酯来生产凝胶燃料，其中可以加入着色剂。
使用非石蜡燃料的困难在于更高的火焰温度会使棉烛芯产生更高的燃烧速率，因而产生黄色火焰。
尽管已经有产生彩色火焰的建议，但是没有一种已经被广泛采用。
美国专利第3586473号建议着色剂被结合在蜡烛的边缘，从而使烛边触及火焰的边缘。这种构造对于宽的蜡烛是行不通的。它是有限制地，如果蜡烛不均匀燃烧会丧失精确性，并且所建议的载体聚合物产生不可取的气味和有毒气体。
美国专利第4386904号建议使用两个烛芯。着色烛芯位于火焰的下边缘并且它是类似于燃烧烛芯[棉]的材料。这种蜡烛构造不适合用于与着色剂产生反应物的燃料，其火焰形状被存在的第二烛芯变形，并且很难控制相对燃烧速率。
本发明的一个目标是提供能支持更高火焰温度的蜡烛并且同时提供无色火焰[如果需要]和低水平的烟灰及无毒气体。
【发明内容】
为此，本发明提供了一种燃料由在环境条件下能模塑成固体形状的组分混合物构成的蜡烛，其中所述组分是
a)大部分的C-6多元醇及其酯；
b)小部分的C-2或C-3二醇；
c)小部分的增塑剂，并且所有组分都仅由氧、碳和氢组成。
本发明部分基于这样的发现：火焰温度、火焰高度、燃烧速率和火焰透明度可以通过改变二醇及增塑剂的含量来改变。为了避免会导致烟灰形成和影响火焰亮度的不完全燃烧，燃料组分中所用分子的碳含量应该不高于50％。
尽管也可以使用甘露糖醇和山梨糖醇或甘露糖醇的酯如硬脂酸酯，但是优选的C-6多元醇是山梨糖醇。甘露糖醇具有比山梨糖醇更低吸水性的优点。这提供了燃料的主体，并且因为其熔化温度和低火焰亮度以及能模塑成成型产品的能力而被选择。另外，因为这些化合物可以作为食用级产品获得，所以它们是无毒且安全的。多元醇构成了约60～80％的蜡烛燃料。
优选的二醇是乙二醇，并且用于调节火焰高度、火焰温度和燃料的燃烧速率。它增加了火焰温度并且燃烧时具有透明的火焰。二醇可以构成多达20％的燃料。二醇的量根据燃料建议的用途来确定。对于加热用途(例如餐饮和露营火炉)，需要高的火焰温度，所以可以增加二醇的含量。因为良性的散发，这种蜡烛可以在室内及密闭空间如帐篷内使用。
使用增塑剂来促进二醇和多元醇混合成稳定的可模塑组合物。优选的增塑剂是甘油。增塑剂可以达到燃料的20％。通常调节甘油的含量来混合二醇与多元醇相容。
可以向燃料中加入任何能用于蜡烛的常用助剂和添加剂，包括用来给蜡烛体着色的着色剂、香料和生物活性分子如杀虫剂。因为山梨糖醇/甘露糖醇体系的溶解特性不同于石蜡，所以并不是所有石蜡蜡烛中使用的助剂都是适合的。但是许多与食物一起使用的助剂如食物着色剂都适于在本发明的燃料组合物中使用。还可以加入石蜡来在需要的地方提高火焰亮度。可以加入少量的乙醇或更高级的醇来调节火焰高度和亮度。这些添加剂通常构成燃料重量的10％以下。
本发明燃料组合物的优点源自于其水溶性。从燃烧着的蜡烛溢出到桌布或衣服上的燃料不会沾染并且容易被洗去。用尽的蜡烛也是环境友好的并且可以作为垃圾抛弃。
本发明的另方面提供了一种蜡烛，其烛芯由在400℃以上分解并且在1000℃到1400℃范围内的温度下焦化不会损失结构完整性的合成碳基材料组成。
棉烛芯通常在250℃分解并且在1000℃以下丧失结构完整性。在燃料消耗时，非碳基材料的烛芯如玻璃纤维不会消耗并且在蜡烛上方良好伸展。
优选的烛芯材料选自能满足这些要求的化合物的耐热聚合物。聚酰胺属于液晶聚合物类，它是最适合的一类聚合物，特别使具体地说聚对苯胺对苯二酰胺(polyparabenzamineterephthalamide)和聚间苯胺对苯二酰胺(polymetabenzamineterephthalamide)是优选的。这些聚合物通常称作聚芳酰胺，并且优选的一类以商标Kevlar销售。这些烛芯最好与用于餐饮蜡烛的本发明燃料一起使用，还可以作为装饰性蜡烛。玻璃纤维和碳纤维烛芯可以用于合理固定尺寸的蜡烛，或者用于在燃烧期间需要控制烛芯发光的情况。
本发明的另一方面提供了彩色火焰蜡烛，其中该蜡烛组成为：
a)可提供低亮度火焰和高于石蜡提供的火焰温度的燃料；
b)燃烧烛芯；
c)着色剂输送烛芯，它适于将着色剂输送给使着色剂的温度和停留时间在火焰中达到最大的火焰部分。
本发明基于最有效的令人满意的火焰颜色的实现取决于火焰的温度和着色剂在火焰高温区的停留时间。这一点可以像现有技术中建议的通过在燃料中混合着色剂来满意地实现。
输送烛芯可与燃烧烛芯分开或者与燃烧烛芯一起互纺或形成，确保它能伸入火焰最热部分的下边缘。着色剂烛芯可以用着色剂材料的溶液来浸渍，或者伸入着色剂溶液贮备池中。碳化淀粉是一种已经适当地用作着色剂烛芯的材料。优选地使用纤维性吸收材料作为着色剂烛芯来使吸入烛芯的着色剂量最大。与棉烛芯相比，着色剂烛芯还需要具有高的分解温度，以及在烧焦状态时的结构完整性。优选纤维或纺织或无纺材料的聚芳酰胺提供这些性质的最佳组合。优选以商标名Kevlar销售的表面处理过(改善其吸附性能)的聚对苯胺对苯二酰胺和以商标名Nomex销售的聚间苯胺对苯二酰胺。
本发明的另一方面提供了带有彩色火焰燃烧的蜡烛，该蜡烛包括：
a)燃烧烛芯；
b)螺旋缠绕着燃烧烛芯的着色剂输送烛芯；
c)由能在火焰基部于热中松驰、以至于伸入使着色剂在火焰中的温度和停留时间达到最大的火焰部分的材料组成的着色剂输送烛芯。
在形成着色剂烛芯中，能够围绕燃烧烛芯缠绕并在火焰中松驰的材料不需要是一种烛芯或吸收材料，但是可以与这种材料结合，只要该两种组分之一能以与燃烧烛芯相同的速率燃烧并且保持其结构完整性就行。优选地，在约400℃以上烧焦的材料还可以被热定形成螺旋线，然后在火焰中松驰。这种材料可以是管状的，以至于吸收材料或烛芯材料可以在管中穿线从而输送着色剂。优选地，输送材料和能在火焰中松驰的材料是相同的，并且吸收性的聚芳酰胺材料是优选的。
用于着色剂烛芯的聚芳酰胺材料可以被热定形成螺旋形状，然后燃烧烛芯通过该螺旋穿线。热成形温度在80℃到120℃的范围内，并且适当选择使松驰程度能确保螺旋芯能展开到火焰下部的外边缘。
尽管为了健康和职业安全，锂、锶和铜盐是优选的，但是着色剂材料可以是任何公知的能够产生所需颜色的金属盐。盐可以是碳酸盐、硝酸盐、硬脂酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐、卤化物和有机金属化合物，其中氯化物是优选的。
【附图说明】
本发明的优选实施方案在附图中被阐述，附图中：
图1表示根据本发明的餐饮蜡烛。
图2表示彩色火焰蜡烛的第一个实施方案。
图3表示彩色火焰蜡烛的第二个实施方案。
图4表示本发明着色剂烛芯的形成方法。
【具体实施方式】
如图1所示，餐饮蜡烛或基本模型包括由本发明固体燃料形成的蜡烛体5。燃烧烛芯7伸过蜡烛体5并且突出在熔化池6的上面，该熔化池6由在烛芯7上面延伸的火焰9的辐射热量在蜡烛体5的上表面产生。
图2中，一个或多个着色剂烛芯8平行于燃烧烛芯7延伸入火焰9的最热部分10。通过引入着色剂，最热部分10变成彩色。形成蜡烛体5的燃料是吸湿性的，所以使用例如石蜡的疏水材料来保护蜡烛体5。
图3表示图2设计的变化形式，其中着色剂烛芯8A螺旋缠绕着燃烧烛芯7。当烛芯7燃烧时，着色剂烛芯8A松驰并且其端部位于火焰9的区域10中。
着色剂烛芯的形成如图4所示，其中条状烛芯材料16被缠绕在成形体15上并且热成形为螺旋形状。除去成形体15并且燃烧烛芯7被穿线通过，从而获得如图3所示的组合。
燃料
根据本发明制备的蜡烛通常具有75％山梨糖醇、12.5％乙二醇和12.5％甘油的组成。特别用于加热或彩色火焰的蜡烛包含75克山梨糖醇、15.4克乙二醇、12.6克甘油和0.1克聚丙烯蜡。
材料被混合作为熔化物，然后在模子中结晶。混合时的剧烈剪切或者促进成核的加晶种有助于燃料的快速结晶。模制可以通过将熔化物倒入模子、冲压或者挤出来实现。
燃料是吸湿性的，并且会吸收水，已经发现为了抑制水的吸收需要用石蜡或者相似的防水涂层来涂覆蜡烛体。蜡烛可以用在40～200℃熔化的石蜡浸刷或者喷涂。这种特性意味着蜡烛可以为一次性使用销售，因为一旦蜡烛已经被使用时，暴露出燃料，而且发生的吸收水会使蜡烛较难点燃。这种特征使蜡烛不容易在火中燃烧并且对儿童是更安全的。不同于成池燃烧的石蜡，如果需要，本发明的蜡烛可以容易地用水熄灭。如果蜡烛需要容易地重新点燃，可以在燃烧周期后向熔化池中加入在40～100℃熔化的石蜡，从而用石蜡饱和烛芯来控制水的吸收。
可选的不太吸湿的燃料可以使用甘露糖醇或者山梨糖醇与甘露糖醇的混合物。
蜡烛可以通过向燃料中添加染料或着色剂来着色，并且还可以加入香料。防水涂层或石蜡涂层也可以着色。可以使用通常用于石蜡蜡烛的大多数涂层。可以加入香料、杀虫剂、气味抑制剂、抗烟味抑制剂。这些添加剂通常在100～200℃下是稳定的并且可以加入燃料中。
燃烧烛芯
燃烧烛芯从Kevlar纤维制造。为了改善芯给作用，并容易初始点燃，烛芯用山梨糖醇或现有蜡烛燃料浸渍，并且用石蜡涂覆来抑制水的吸收。或者是用不会抑制燃料芯给作用的非水吸收燃料起始物如聚乙二醇来浸渍烛芯。烛芯直径优选地为约2毫米。
Kevlar烛芯烧焦并保持直立，而且在从蜡烛燃料围绕烛芯基部形成的熔化池中是稳定的。使用传统火柴或600～1000℃下的气体火焰可点燃蜡烛。
这些蜡烛的燃烧速率为每小时大约5～7克燃料，并且可以通过烛芯设计和燃料配方来控制。
已经发现由这种方式制造的蜡烛燃烧时具有透明的热火焰，这可以用于餐饮而没有任何来自有烟燃料污染的问题或者液体燃料的安全问题。本发明蜡烛符合国际室内空气质量标准。另一个在生产和消费者使用方面的重要优点是燃料是水溶性和生物可降解的，这使废弃物或溢出物容易被洗去或者回收纯化并再使用。
这些蜡烛还可以用作彩色火焰蜡烛，因为火焰高度和温度允许着色剂在火焰中具有足够高的温度和停留时间。
着色剂输送
着色剂使用大量用着色剂溶液浸渍的间芳族聚酰胺纸条，例如Nomex纸[无纺布]来输送。着色剂烛芯可以被切成能卷曲的矩形条并且与燃烧烛芯相邻地放置，从而使着色剂烛芯的上边缘部分地沿圆周伸展围绕处于火焰外部的火焰最热部分的下边缘。或者，Nomex纸可以与Kevlar烛芯一起被捻织、纺织或支载，使得着色剂烛芯的末端保持在火焰的外部下边缘。优选的结构是在线轴上螺旋地缠绕间聚芳酰胺并且在约100℃下热成形。然后对聚芳酰胺燃烧烛芯穿线。
当燃烧烛芯被点燃时，间聚芳酰胺螺线在火焰底部松驰，从而将着色剂输送到火焰的最热边缘。
优选涂覆着色剂烛芯，防止着色剂泄漏入燃料中。这些金属盐可以与燃料发生反应或者吸收水，因此对于铜盐可以使用聚丙烯或乙基纤维素涂层，或者对于所有着色剂可以使用聚丙烯蜡。涂层可以是预成型的膜，或者更优选地是壁厚约50微米的聚丙烯或乙基纤维素的薄壁管。间聚芳酰胺被：
1)以片状形式浸泡在着色剂溶液中；
2)切成适当宽度和长度的烛芯；
3)穿入聚丙烯或乙基纤维素管；
4)螺旋缠绕在线轴上；
5)在约100℃下热成形；
6)然后燃烧烛芯被穿入螺旋体。
聚芳酰胺的强度支撑着与未涂覆烛芯起相同作用的涂覆着色剂烛芯。
所用的优选着色剂对于红色是氯化锂、对于绿色/蓝色是氯化亚铜或氯化铜。但是，可以使用硝酸盐、硬脂酸盐、有机金属化合物和其它化合物，例如它们的钙、锶、镁、铝、铁、或者钾盐。优选的红色火焰用氯化锂在涂覆有聚丙烯的聚间芳酰胺条上产生。
从上面所述可以看出本发明提供了独一无二的安全且具有优异燃烧性能的蜡烛燃料和烛芯结构，以至于减少了颗粒和有毒气体。