DE102005002169B4 - Microcapsules, process for their preparation and their use - Google Patents
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Abstract
Mikrokapseln enthaltend einen verkapselten Kern, wobei das Kernmaterial aus mindestens einem anorganischen Salz, dessen Salzhydrat und/oder Wasser, deren Schmelzpunkt im Bereich von 0°C bis 100°C liegt, besteht, der von einer Kapselwand aus mindestens einem im Bereich von 0°C bis 100°C nicht-schmelzbaren Duromer umhüllt ist, wobei die Kapselwand aus einem unmodifizierten oder modifizierten organophilen Melamin-Formaldehydharz besteht.Microcapsules containing an encapsulated core, wherein the core material consists of at least one inorganic salt, the salt hydrate and / or water whose melting point is in the range of 0 ° C to 100 ° C, which consists of a capsule wall of at least one in the range of 0 ° C is encapsulated to 100 ° C non-meltable duromer, wherein the capsule wall consists of an unmodified or modified organophilic melamine-formaldehyde resin.
Description
Die Erfindung betrifft Mikrokapseln, die niedrigschmelzende Salze bzw. Salzhydrate oder wässrige Salzlösungen enthalten, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit nichtschmelzbaren polymeren Wandmaterialien aus einem Reaktivharz. Die Partikelparameter sowie die thermische und mechanische Stabilität der Mikrokapseln lassen sich über polymerspezifische, wie z. B. Netzwerkdichte und Polymerstruktur, und/oder technologische Parameter der Partikelbildung, wie z. B. Scherung und Reaktionsbedingungen für die Wandbildung, gezielt einstellen. Salzhydrathaltige Mikrokapseln mit einfach oder komplex aufgebauter Partikelwand sind vor allem zur latenten Wärmespeicherung einsetzbar. Mikroverkapseltes Wasser ist Ausgangsstufe für die einfache Herstellung polymerbasierter Mikrohohlkugeln.The The invention relates to microcapsules containing low-melting salts or Salt hydrates or aqueous salt solutions contain, and a process for their production with non-meltable polymeric wall materials made of a reactive resin. The particle parameters and the thermal and mechanical stability of the microcapsules can be determined by polymer-specific, such as As network density and polymer structure, and / or technological Parameter of particle formation, such. Shear and reaction conditions for the Wall formation, targeted adjustment. Salt hydrate-containing microcapsules with simple or complex particle wall are mainly for latent heat storage used. Microencapsulated water is the initial stage for easy manufacturing polymer-based hollow microspheres.
Für die in allen volkswirtschaftlichen und privaten Bereichen angestrebte Reduktion des Energieverbrauchs stehen eine Vielzahl von technischen, technologischen und materialwirtschaftlichen Lösungen zur Verfügung, wobei häufig die Kombination verschiedener Varianten die höchsten Effekte zeigt. Latentwärmespeicher in Form von Salzen, Salzhydraten oder langkettigen Paraffinen werden als Speichermedium zum Ausgleich von unerwünschten Temperaturschwankungen oder auch als Hitzeschutz genutzt. Latentwärmespeicher nutzen die Thermodynamik von Phasenumwandlungen, um Wärmeenergie kostengünstig zu speichern und bei Bedarf wieder freizusetzen. Diese werden als „Phase Change Material” (PCM) bezeichnet (J. Heckenkamp, H. Baumann, Nachr. Chem. Tech. Lab. 45 (1997) 1075).For the in All national and private sectors strive for reduction of energy consumption are a variety of technical, technological and materials management solutions to disposal, being common the combination of different variants shows the highest effects. Latent heat storage in the form of salts, salt hydrates or long-chain paraffins as a storage medium to compensate for unwanted temperature fluctuations or used as heat protection. Latent heat storage systems use thermodynamics from phase transformations to heat energy economical save and release if necessary. These are called "phase Change Material "(PCM) Heckenkamp, H. Baumann, Nachr. Chem. Tech. Lab. 45 (1997) 1075).
Der
Einsatz von Latentwärmespeichern
erfordert aus verschiedensten Gründen,
wie Stabilität der
Speicherkapazität,
Schutz des Speichermediums vor Umgebungseinflüssen bzw. Schutz der Umgebung
vor dem Speichermedium, ihre Separierung von anderen Bauwerks- bzw.
Bauteilkomponenten in Behältern
unterschiedlichster Ausführungsform.
Besonders flexibel ist die Anwendung von mikroverkapselten PCM's. Sie können als
Dispersion oder frei fließendes
Pulver nicht nur in festen und flüssigen Materialien als Bulkkomponenten,
sondern auch in oberflächennahen
Bereichen eingesetzt werden. Die Verkapselung verhindert den makroskopischen
und molekularen Transport der PCM's aus der Anwendungsform bzw. vom Anwendungsort.
Mikroverkapselte Paraffine und ihre Anwendung in Gipsplatten werden in
der
Das Einsatzpotenzial mikroverkapselter Paraffine ist aus Gründen der Speicherkapazität, wählbaren Temperaturbereichen sowie der Brennbarkeit organischer Materialien erheblich eingegrenzt. Anorganische Salze bzw. Salzhydrate sind nicht nur nichtbrennbar, sondern sie weisen auch ein breiteres Speicherkapazitäts- und Schmelztemperaturspektrum auf. So liegt die Speicherkapazität für Paraffine im Bereich von 197 bis 258 J/g, das Schmelztemperaturspektrum von –32 bis 65°C, für Salzhydrate hingegen von 132 bis 296 J/g bzw. 8 bis 117°C (E. Jahns, ZAE Symposium, Würzburg, März 2004 und J. Heckenkamp, H. Baumann, Nachr. Chem. Tech. Lab. 45 (1997) 1075).The Potential use of microencapsulated paraffins is for the sake of storage capacity, selectable Temperature ranges and the flammability of organic materials considerably limited. Inorganic salts or salt hydrates are not only non-combustible, but also have a wider storage capacity and Melting temperature spectrum on. So is the storage capacity for paraffins in the Range from 197 to 258 J / g, the melting temperature spectrum from -32 to 65 ° C, for salt hydrates from 132 to 296 J / g and 8 to 117 ° C, respectively (E. Jahns, ZAE Symposium, Würzburg, March 2004 and J. Heckenkamp, H. Baumann, Nachr. Chem. Tech. Lab. 45 (1997) 1075).
Im Gegensatz zu den Paraffinen sind analoge technische Lösungen in Form mikroverkapselter Salzhydrate nicht bekannt. Um die Speicherkapazität von Salzhydraten trotzdem nutzen zu können, wurden beispielsweise für den Bausektor zur Separierung der Salzhydrate von anderen Baumaterialien Makrocontainerlösungen erarbeitet. Diesen Entwicklungen fehlt jedoch die flexible Applikation von mikroverkapselten Latentwärmespeichern und sie können nur begrenzt im Wohn- und Arbeitsbereich eingesetzt werden.in the Unlike the paraffins are analog technical solutions in Form of microencapsulated salt hydrates not known. To the storage capacity of salt hydrates still be able to use were for example for developed the construction sector for the separation of the salt hydrates from other building materials Makrocontainerlösungen. However, these developments lack the flexible application of microencapsulated Latent heat storage and they can only limited to be used in the living and working area.
Verfahren zur Herstellung von polymerbasierten Mikropartikeln mittels reaktiver und nichtreaktiver Partikelbildungsprozesse sind vielfach beschrieben. Bei der reaktiven Partikelbildung erfolgt die Bildung der Wand parallel zu einem Polymerisations-, Polykondensations- oder Polyadditionsprozess. Bei den nichtreaktiven Verfahren werden filmbildende Polymere direkt eingesetzt, die auf thermodynamische Weise zur Phasenseparation und zur Partikelbildung gebracht werden (M. Jobmann, G. Rafler, Pharm. Ind. 60 (1998) 979).method for the preparation of polymer-based microparticles by means of reactive and non-reactive particle formation processes have been described many times. In the reactive particle formation, the formation of the wall takes place in parallel to a polymerization, polycondensation or polyaddition process. In the non-reactive processes, film-forming polymers become direct used in a thermodynamic way for phase separation and particle formation (M. Jobmann, G. Rafler, Pharm. Ind. 60 (1998) 979).
Für reaktive
Verfahren zur Verkapselung fester oder flüssiger Kernmaterialien werden
sehr häufig Melamin-Formaldehyd-Harze
eingesetzt (
In der Regel werden mittels Reaktivprozessen vorrangig hydrophobe, flüssige Komponenten bzw. Feststoffe mikroverkapselt, da das Wandmaterial aus der wässrigen Phase abgeschieden wird. Dies trifft im Besonderen auf die in der praktischen Anwendung dominierenden Aminoharze zu. Wasserfreie Anwendungen dieser Harze für die in situ-Verkapselung sind bisher nicht bekannt. Es gibt nur einige wenige Angaben zum Einsatz wässrig-organischer Mischphasen für die Verkapselung wassersensitiver Kernmaterialien.As a rule, by means of reactive processes, primarily hydrophobic, liquid components or solids are microencapsulated, since the wall material al is deposited from the aqueous phase. This applies in particular to the domino resins which are predominant in practical application. Anhydrous applications of these resins for in situ encapsulation are not yet known. There is only a small amount of information on the use of aqueous-organic mixed phases for the encapsulation of water-sensitive core materials.
So
wird für
die Mikroverkapselung partikulärer
Feststoffe, die in wässrigen
Umgebungsbedingungen partiell in Lösung gehen, zur Wasseraufnahme
neigen bzw. durch Wasseraufnahme quellen oder mit Wasser reagieren
können,
in der
Organische Phasen als Lösungsmittel für die polymeren Wandmaterialien werden überwiegend bei den nichtreaktiven Verkapselungsverfahren mit linearkettigen, löslichen Polymeren angewandt. Dabei wird aus vorzugsweise organischer Lösung durch Dispergier-, Vertropfungs- oder Sprühprozesse bzw. über Verfahren, die auf dem Prinzip der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung basieren, ein Wirkstoff/Polymer-System in eine partikuläre Form überführt. Dispergier-, Vertropfungs- und Sprühverfahren umfassen eine Lösungsmittelverdampfung; Phasentrennverfahren dagegen basieren auf dem Prinzip der Ausfällung des Wandmaterials, z. B. durch Zugabe einer inkompatiblen Komponente zur Polymerlösung.organic Phases as solvent for the polymers Wall materials are predominantly included the non-reactive encapsulation method with linear-chain, soluble Applied polymers. It is preferably made of organic solution by dispersing, Dropping or spraying processes or over Processes based on the principle of liquid-liquid phase separation, a drug / polymer system converted into a particulate form. Dispersing, dripping and spraying method include a solvent evaporation; In contrast, phase separation methods are based on the principle of precipitation of the Wall material, z. B. by adding an incompatible component to the polymer solution.
Für technische Anwendungen verkapselter Systeme werden nahezu ausschließlich Aminoharze als Wandmaterialien eingesetzt, da die ausgehärteten Harze unschmelzbar sowie thermisch und chemisch stabil sind. Nichtreaktive Verkapselungsprozesse mit löslichen Polymeren sind aus wirtschaftlichen, technologischen und applikativen Gründen auf Anwendungen im Life Sciences Bereich begrenzt.For technical Applications of encapsulated systems are almost exclusively amino resins as Wall materials used because the cured resins are infusible as well are thermally and chemically stable. Nonreactive encapsulation processes with soluble Polymers are economical, technological and applicative establish limited to applications in the life sciences field.
Aus
der
Aus
der
Die
Aus
der
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mikroverkapselte Systeme mit hoher mechanischer Stabilität bereitzustellen, die als Latentwärmespeicher geeignet sind und unter den Verarbeitungs- und Einsatzbedingungen für Latentwärmespeicher nach einem effizienten und sicheren in situ-Verkapselungsprozess herstellbar sind.outgoing It was the object of the present invention to microencapsulate To provide systems with high mechanical stability, acting as latent heat storage are suitable and under the processing and operating conditions for latent heat storage for an efficient and safe in situ encapsulation process can be produced.
Diese Aufgabe wird durch die Mikrokapseln mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie das Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 23 wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikrokapseln beschrieben.These The object is achieved by the microcapsules having the features of the claim 1, and the method for their preparation with the features of the claim 15 solved. The other dependent claims show advantageous developments. In claim 23, the Use of the microcapsules according to the invention described.
Erfindungsgemäß werden Mikrokapseln bereitgestellt, die als Kernmaterial mindestens ein anorganisches Salz, dessen Salzhydrat und/oder Wasser enthalten, wobei das Kernmaterial von einer Kapselwand aus mindestens einem Duromer umhüllt ist. Wesentlich bei den erfindungsgemäßen Mikrokapseln ist, dass das Kernmaterial einen Schmelzpunkt im Bereich von 0 bis 100°C aufweist, wobei in diesem Temperaturbereich das umhüllte Duromer nicht schmelzbar ist.According to the invention Microcapsules provided as a core material at least one inorganic salt containing salt hydrate and / or water, wherein the core material from a capsule wall of at least one Covered duromer is. It is essential with the microcapsules according to the invention that the core material has a melting point in the range of 0 to 100 ° C, wherein in this temperature range, the coated thermoset not melt is.
Erfindungsgemäß wird somit das Kernmaterial, das sog. PCM, mit einem duromeren Polymer verkapselt, das die Partikelwand für den Partikelkern aus dem eigentlichen latentwärmespeichernden Material bildet.Thus, according to the invention the core material, the so-called PCM, encapsulated with a duromeric polymer, that the particle wall for forms the particle core of the actual latent heat storage material.
Erfindungsgemäß werden hierbei unmodifizierte oder modifizierte organophile Melamin-Formaldehyd-Harze als Kapselwand-Materialien verwendet. Es können auch speziell modifizierte, nicht kommerziell verfügbare Festharze mit Modifizierungskomponenten, die die Hydrophobie der Harze erhöhen und ihre Löslichkeit in organischen Phasen verbessern. Bevorzugte Modifizierungskomponenten sind hierbei 1,3-Diamino-s-triazine, wie Benzoguanamin, oder 1,3-Diamino-5-chlor-triazin, Fettamine sowie Fettsäureamide. Ebenso ist es möglich, dass die Modifizierungskomponente ketogruppenhaltig ist, wobei diese dann besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acetaldehyd, Glutardialdehyd und Glyoxal. In einer besonders bevorzugten Variante der Mikrokapseln besteht die Kapselwand aus einem Phenol-/Melamin-Mischharz.In accordance with the invention, unmodified or modified organophilic melamine-formaldehyde resins are used as capsule wall materials. It is also possible to use specially modified, non-commercially available solid resins with a modification compo ners, which increase the hydrophobicity of the resins and improve their solubility in organic phases. Preferred modification components here are 1,3-diamino-s-triazines, such as benzoguanamine, or 1,3-diamino-5-chloro-triazine, fatty amines and fatty acid amides. Likewise, it is possible that the modifying component is keto-containing, which is then particularly preferably selected from the group consisting of acetaldehyde, glutaric dialdehyde and glyoxal. In a particularly preferred variant of the microcapsules, the capsule wall consists of a phenolic / melamine mixed resin.
In Abhängigkeit vom Anforderungsprofil an die Mikrokapseln kann die Partikelwand einfach oder komplex aufgebaut sein. Unter einem komplexen Partikelwandaufbau versteht man hierbei einen mehrschichtigen Aufbau der Kapselwand. Im Falle des komplexen Wandaufbaus können die einzelnen Schichten sowohl aus dem gleichen Material als auch aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Für strukturdifferente Materialien werden neben den zuvor genannten Duromeren vorzugsweise Schichten aus linearkettigen Polymeren oder aus niedermolekularen organischen bzw. anorganischen Substanzen gewählt. Als linearkettige Polymere sind hierbei insbesondere Polyacrylate, Polyacrylnitrile, Polyethylenglykole, Ethylcellulosen, Stärke-Fettsäureester und Stärkecarbamate langkettiger Isocyanate bevorzugt. Als niedermolekulare Substanzen sind Wachse, Fettsäurederivate, Silikone, Siloxane oder Silikate bevorzugt.In dependence From the requirement profile to the microcapsules, the particle wall be simple or complex. Under a complex particle wall construction this is understood to mean a multilayer structure of the capsule wall. In the case of complex wall construction, the individual layers both from the same material and from different materials getting produced. For structure-different materials are in addition to the previously mentioned Duromers preferably layers of linear chain polymers or from low molecular weight organic or inorganic substances selected. As linear chain polymers here are in particular polyacrylates, Polyacrylonitriles, polyethylene glycols, ethylcelluloses, starch-fatty acid esters and Stärkecarbamate long-chain isocyanates are preferred. As low-molecular substances are waxes, fatty acid derivatives, Silicones, siloxanes or silicates are preferred.
Als Kernmaterial für die Mikrokapseln eignen sich vorzugsweise Alkali-, Erdalkali- oder Aluminiumsalze.When Core material for the microcapsules are preferably alkali, alkaline earth or Aluminum salts.
Ebenso sind deren Hydrate bevorzugt. Als Kernmaterial besonders bevorzugt sind Calciumchlorid-Hexahydrat, Mangansulfat-Tetrahydrat, Mangansulfat-Pentahydrat, Natrium-Aluminiumsulfat-Dodekahydrat, Natriumhydrogenphosphat-Dodekahydrat, Lithiumnitrat-Trihydrat und Kalium-Magnesiumchlorid-Hexahydrat.As well their hydrates are preferred. As the core material particularly preferred are calcium chloride hexahydrate, manganese sulfate tetrahydrate, manganese sulfate pentahydrate, Sodium aluminum sulfate dodecahydrate, sodium hydrogen phosphate dodecahydrate, lithium nitrate trihydrate and potassium magnesium chloride hexahydrate.
Vorzugsweise weisen die Mikrokapseln eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 3 bis 30 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 20 μm auf. Die Dicke der Kapselwand liegt dabei im Bereich von 20 bis 300 nm, besonders bevorzugt von 50 bis 200 nm. Der Anteil des Kernmaterials in der Mikrokapsel beträgt vorzugsweise 75 bis 98 Gew.-%, bezogen auf die Mikrokapsel.Preferably The microcapsules have an average particle size in the range of 3 to 30 microns, especially preferably from 5 to 20 microns on. The thickness of the capsule wall is in the range of 20 to 300 nm, more preferably from 50 to 200 nm. The proportion of the core material in the microcapsule amounts preferably 75 to 98 wt .-%, based on the microcapsule.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrokapseln bereitgestellt, bei dem ein unmodifiziertes oder modifiziertes organophiles Melamin-Formaldehydharz in einem Lösungsmittel, das unter den Reaktionsbedingungen mit Wasser nicht mischbar ist, in einem für dieses geeigneten Lösungsmittel unter Ausbildung einer kontinuierlichen Phase zunächst gelöst wird. Das verwendete Lösungsmittel ist dabei unter den herrschenden Reaktionsbedingungen mit Wasser nicht mischbar. In dieser kontinuierlichen Phase wird dann das Kernmaterial dispergiert, wobei an der Phasengrenzfläche zwischen Kernmaterial und kontinuierlicher Phase durch thermisch und/oder katalytisch initiierte Polymerisation, Polykondensation und/oder Polyaddition die Kapselwand ausgebildet wird. Die Reaktionstemperatur bei der Herstellung liegt dabei oberhalb des Schmelzpunktes des Kernmaterials.According to the invention as well a process for the preparation of the microcapsules according to the invention is provided, in which an unmodified or modified organophilic melamine-formaldehyde resin in a solvent, which is immiscible with water under the reaction conditions, in a for this suitable solvent is initially solved to form a continuous phase. The solvent used is under the prevailing reaction conditions with water immiscible. In this continuous phase then becomes the core material dispersed, wherein at the phase interface between nuclear material and continuous phase by thermally and / or catalytically initiated Polymerization, polycondensation and / or polyaddition of the capsule wall is trained. The reaction temperature in the production is while above the melting point of the core material.
Die Herstellung der Mikrokapseln wird somit dadurch gelöst, dass für den Mikroverkapselungsprozess relevante thermodynamische und kinetisch gesteuerte Prozesse der Kapselwandbildung kombiniert werden.The Production of the microcapsules is thus achieved by for the Microencapsulation process relevant to thermodynamic and kinetic controlled processes of capsule wall formation are combined.
Entscheidend für eine erfolgreiche Mikroverkapselung mit Herstellung von artefaktfreien Kapselwänden ist, dass die angewandten organischen Lösungsmittel mit Wasser in dem prozessrelevanten Konzentrationsbereich nicht mischbar sind. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ausbildung der Partikelwand auf der schmelzflüssigen PCM-Oberfläche durch die Kinetik der Aminoharzkondensation und die Thermodynamik der Aminoharzabscheidung durch folgende Parallel- und Folgeprozesse kontrolliert:
- • Partielle Hydrolyse des veretherten Melaminharzes an der Phasengrenze „organische Melaminharzlösung/geschmolzenes bzw. gelöstes PCM” mit parallel ablaufender Kondensation im organischen Medium in Gegenwart des aciden Katalysators
- • Anreicherung kolloidaler Primärkolloide des kondensierenden Aminoharzes an der Phasengrenze ”organische Melaminharzlösung/geschmolzenes bzw. gelöstes PCM” durch abnehmende Löslichkeit in der organischen Phase mit Reduktion der Accessibilität des Kernmaterials
- • Belegung der Oberfläche des dispergierten PCM mit dem Melaminharz
- • Thermisch und sauer katalysierte Polykondensation der auf den PCM-Kernen abgeschiedenen Aminoharze und Bildung des wandbildenden polymeren Netzwerks.
- Partial hydrolysis of the etherified melamine resin at the phase boundary "organic melamine resin solution / molten or dissolved PCM" with parallel condensation in the organic medium in the presence of the acidic catalyst
- Enrichment of colloidal primary colloids of the condensing amino resin at the phase boundary "organic melamine resin solution / molten or dissolved PCM" by decreasing solubility in the organic phase with reduction of accessibility of the core material
- • Occupancy of the surface of the dispersed PCM with the melamine resin
- • Thermally and acid catalyzed polycondensation of the amino resins deposited on the PCM cores and formation of the wall-forming polymeric network.
Durch die partielle Hydrolyse wird das Harz hydrophiler und in Kombination mit der parallel ablaufenden Kondensation reduziert sich seine Löslichkeit in organischen Phasen. Mit fortschreitender Kondensation an der Grenzfläche der lyophilen PCM-Phase erfolgt zunehmende Abscheidung der Primärkolloide auf der Oberfläche der Partikel mit Ausbildung dichter, dünnwandiger Filme.By the partial hydrolysis will make the resin more hydrophilic and in combination the parallel condensation reduces its solubility organic phases. With progressive condensation at the interface of the lyophilic PCM phase, increasing separation of the primary colloids occurs the surface the particle with formation of dense, thin-walled films.
Partikelgeometrie sowie Partikelgröße und ihre Verteilung sind eine Funktion der Dispergierung des PCM-Materials in der organischen Phase sowie der eingesetzten Menge an Harz. Die Dicke der Kapselwand ist damit in relativ weiten Grenzen von 20 bis 300 nm steuerbar.Particle geometry and particle size and their distribution is a function of dispersing the PCM material in the organic phase as well as the amount of resin used. The thickness of the capsule wall is thus controllable within relatively wide limits of 20 to 300 nm.
Vorzugsweise wird für das Duromer ein polares approtisches organisches Lösungsmittel verwendet. Dieses ist besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Triphenylphosphat, halogenierte Benzolderivate, Ester aromatischer Carbonsäuren und anorganische Säuren, insbesondere Phosphor, Phosphorig- und Schwefelsäure.Preferably is for the duromer is a polar approtic organic solvent used. This is particularly preferably selected from the group consisting from triphenyl phosphate, halogenated benzene derivatives, esters aromatic carboxylic acids and inorganic acids, in particular phosphoric, phosphoric and sulfuric acid.
In Abhängigkeit vom chemischen Verhalten des kernbildenden Materials und der Polarität der kontinuierlichen Phase sind saure Katalysatoren für die Kapselwandbildung zuzufügen, die entweder in beiden und/oder vorzugsweise an der Phasengrenzfläche wirken müssen. Als Katalysator sind saure Katalysatoren bevorzugt, besonders bevorzugt sind hierbei organische Säuren, wie z. B. p-Toluolsulfonsäure und Trichloressigsäure oder anorganische Säuren, wie Salzsäure.In dependence the chemical behavior of the nucleating material and the polarity of the continuous Phase are acid catalysts for the Add capsule walling, which act either in both and / or preferably at the phase interface have to. As catalyst, acidic catalysts are preferred, more preferred are organic acids, such as For example, p-toluenesulfonic acid and trichloroacetic acid or inorganic acids, like hydrochloric acid.
Die verwendete Menge an kapselwandbildendem Duromer richtet sich nach dem Anteil des Kernmaterials sowie der durch die Dispergierung erzeugten spezifischen Oberfläche dieses Materials. Je feiner die Partikel- bzw. Tröpfchenpopulation ist, desto höher muss die Einsatzmenge an Duromer gewählt werden. Vorzugsweise liegt der Anteil des Duromers, bezogen auf das Kernmaterial, von 0,1 bis 30 Gew.-%, bevorzugt von 2 bis 10 Gew.-%, und besonders bevorzugt bei 5 Gew.-%.The the amount of capsule wall-forming thermoset used depends on the proportion of the core material and that produced by the dispersion specific surface this material. The finer the particle or droplet population, the better higher the amount of duromer chosen become. Preferably, the proportion of the duromer, based on the core material, from 0.1 to 30% by weight, preferably from 2 to 10 Wt .-%, and particularly preferably at 5 wt .-%.
Bevorzugt beträgt die mittlere Partikelgröße 3 bis 30 μm bei PCM-Gehalten von 75 bis 98%. Zur Vermeidung von Agglomeratbildung im Kapselkern kann die primäre Verkapselung zusätzlich unter Ultraschallbehandlung durchgeführt werden.Prefers is the mean particle size 3 to 30 μm at PCM levels of 75 to 98%. To avoid agglomeration in the capsule core, the primary Encapsulation in addition be carried out under ultrasound treatment.
In Abhängigkeit vom eingesetzten Kernmaterial und dem organischen Lösungsmittel ist eine Reaktionstemperatur zu wählen, die oberhalb der Schmelztemperatur der Kernmaterialien liegt. In der Regel ist dies im Bereich von 50 bis 100°C, besonders bevorzugt sind Prozesstemperaturen zwischen 65 und 80°C.In dependence of the core material used and the organic solvent is to choose a reaction temperature which is above the melting temperature the core materials lies. This is usually in the range of 50 to 100 ° C, particularly preferred are process temperatures between 65 and 80 ° C.
Vorzugsweise
können
die Mikrokapseln im Anschluss aus der kontinuierlichen Phase separiert und
mit mindestens einer äußeren weiteren
Kapselwand mittels Wasch-, Sprüh-
oder Dispersionsprozessen versehen werden. Es sind aber auch alle
gängigen
Beschichtungsverfahren für
feinteilige Feststoffe mit organischen oder hybriden Materialien möglich, da
die verkapselten Kernmaterialien im Gegensatz zu den Kernmaterialien
selbst rieselfähige Pulver
sind und keine Hygroskopie aufweisen. Besonders geeignet sind reaktive
Verkapselungsprozesse für
Feststoffe, wie sie beispielsweise in der
Die Effizienz der erfindungsgemäßen Verfahrensweise zur Umhüllung von anorganischen PCM's wird durch analytische und morphologische Untersuchungen nachgewiesen. Lichtmikroskopisch lässt sich zeigen, dass die Kapseln in Wasser auch unter Druck mechanisch stabil sind sowie ein Austritt des Kernmaterials bei Raumtemperatur nicht beobachtet wird. Die mittlere Teilchengröße und ihre Verteilung, ermittelt mittels Laserbeugung, lässt sich in weiten Bereichen über die Scherintensität und die Viskosität der kontinuierlichen Phase steuern. Hinsichtlich Handling, Stabilität und Speichereffekt liegen optimale Partikelgrößen im Bereich von 5 bis 20 μm. Die Wandstärken sind bei diesen Partikeln in einem Bereich von 50 bis 200 nm.The Efficiency of the procedure according to the invention to the serving of inorganic PCM's is detected by analytical and morphological studies. Light microscopic leaves show themselves that the capsules in water also under pressure mechanically are stable and a leakage of the core material at room temperature is not observed. The mean particle size and its distribution, determined by means of laser diffraction in many areas the shear intensity and the viscosity control the continuous phase. Regarding handling, stability and memory effect are optimal particle sizes in the range from 5 to 20 μm. The wall thicknesses are in a range of 50 to 200 nm for these particles.
Bei anorganischen Kernmaterialien kann der Anteil des Kernmaterials einfach und sicher elementaranalytisch durch Bestimmung der Anionenkonzentration (zumeist Chlorid, Sulfat, Phosphat oder Nitrat) ermittelt werden. Zur Sicherheit erfolgte – ausgenommen bei Nitraten – auch eine Stickstoffbestimmung für den Anteil der Primärwand.at inorganic core materials may be the proportion of the core material simple and safe elemental analysis by determination of the anion concentration (usually chloride, sulfate, phosphate or nitrate) are determined. For safety's sake - except with nitrates - too a nitrogen determination for the proportion of the primary wall.
Mittels differentialthermoanalytischer Untersuchungen (DSC) werden die applikationsrelevanten thermischen Informationen zu Schmelzbereich und Schmelzenthalpie erhalten.through Differential Thermal Analysis (DSC) are the application-relevant thermal Information on melting range and enthalpy of fusion obtained.
Zusammenfassend gliedert sich das Verfahren der Herstellung der Mikrokapseln somit in folgende Verfahrensschritte:
- • Mikroverkapselung der flüssigen PCM's mit dem Reaktivharz unter hoher Scherung des Systems
- • Reifeprozess (Nachhärtung zur Ausbildung einer mechanisch stabilen Primärkapsel)
- • Separation der PCM-haltigen Primärpartikel
- • Gegebenenfalls materialspezifische Aufbringung einer Sekundärbeschichtung durch reaktive oder nichtreaktive Verkapselungsprozesse für Polymere bzw. Wäsche oder Besprühen mit der Lösung oder Dispersion einer niedermolekularen Substanz
- • Isolierung der PCM-haltigen Mikrokomposite durch übliche Trennverfahren, wie Filtration oder Zentrifugation
- • Aufbereitung und Regenerierung der kontinuierlichen Medien von Primär- und Sekundärverkapselung bzw. Nachbehandlung im Falle niedermolekularer Zweitbeschichtungsmittel
- Microencapsulation of the liquid PCMs with the high shear reactive resin
- Ripening process (post-curing to form a mechanically stable primary capsule)
- • Separation of PCM-containing primary particles
- If appropriate, material-specific application of a secondary coating by reactive or non-reactive encapsulation processes for polymers or laundry or spraying with the solution or dispersion of a low molecular weight substance
- • Isolation of the PCM-containing microcomposites by conventional separation methods, such as filtration or centrifugation
- • Preparation and regeneration of the continuous media of primary and secondary encapsulation or post-treatment in the case of low molecular weight secondary coating agents
Erfindungsgemäß verkapselte PCM's mit einfacher oder Mehrschichtwand können in verschiedenen Anwendungsformen als Latentwärmespeicher eingesetzt werden. Die Applikation von mikroverkapselten PCM's kann sowohl als feinteilige Dispersion in Wärmeträgern oder in Oberflächenbeschichtungssystemen, als auch als Feststoff in Baustoffen erfolgen.According to encapsulated PCM's with single or multi-layer wall can in various which forms of application are used as latent heat storage. The application of microencapsulated PCMs can be carried out both as finely divided dispersion in heat transfer media or in surface coating systems, as well as a solid in building materials.
Anhand der nachfolgenden Figur und der Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.Based the following figure and the examples of the subject invention will be explained in more detail, without this on the specific embodiments shown here restrict to want.
Die Figur zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Mikrokapsel gemäß Beispiel 2.The FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a microcapsule according to the invention according to example Second
Beispiel 1example 1
Zu 500 g Triphenylphosphat werden 60 g Calciumchlorid-Hexahydrat gegeben. Die Lösung wird 2 min mit 2 Tropfen PEG 300 bei 9500 U/min mittels eines Ultra-Turrax bei 80°C dispergiert. Nach Zugabe von 19,25 g eines methylveretherten Melaminharzes (Cymel 301) und weiteren 2 min. intensiven Dispergierens werden 10,5 ml einer 2n Toluolsulfonsäurelösung in Ethanol zugegeben und Melaminharzabscheidung und Kapselwandbildung innerhalb von 10 min unter gleichen hochscherenden Dispergierbedingungen durchgeführt. Zur voll ständigen Aushärtung der Kapselwand wird noch 2 h bei 80°C mit einem Ankerrührer gerührt. Zur Abtrennung der Mikrokapseln wird mit 100 ml Toluol versetzt und über Nacht stehengelassen. Nach Absaugen wird der Filterkuchen 2 mal mit Toluol gewaschen und die Kapseln bei 60 bis 80°C getrocknet.To 500 g of triphenyl phosphate are added to 60 g of calcium chloride hexahydrate. The solution will be 2 min with 2 drops of PEG 300 at 9500 U / min by means of an Ultra-Turrax at 80 ° C dispersed. After addition of 19.25 g of a methyl-etherified melamine resin (Cymel 301) and another 2 min. intensive dispersing, 10.5 ml a 2n toluenesulfonic acid solution in Ethanol added and melamine resin separation and capsule wall formation within 10 minutes under the same high shear dispersing conditions carried out. For the complete hardening of the Capsule wall is still 2 h at 80 ° C with an anchor stirrer touched. To separate the microcapsules is mixed with 100 ml of toluene and overnight ditched. After suction, the filter cake is 2 times with toluene washed and dried the capsules at 60 to 80 ° C.
Die Primärteilchen neigen zur Agglomerisation.
- Ausbeute: 69,9 g
- Kernanteil: 62,7 g
- Mittlere Teilchengröße. 13 μm
- Schmelzbereich des Kerns: 38 bis 41°C
- Schmelzenthalpie zwischen 25 und 40°C: 97,8 J/g
- Yield: 69.9 g
- Core content: 62.7 g
- Mean particle size. 13 μm
- Melting range of the core: 38 to 41 ° C
- Enthalpy of fusion between 25 and 40 ° C: 97.8 J / g
Beispiel 2Example 2
Analog Beispiel 1 werden 60 g Calciumchlorid-Hexahydrat mit Melaminharz Cymel 301 bei 90°C verkapselt. Die Aufarbeitung des Mikrokapselansatzes erfolgt durch Zugabe von 500 ml Methylenchlorid mit anschließender Filtration und Waschen des verkapselten PCM's mit Methylenchlorid und Vakuumtrocknung bei Raumtemperatur.Analogous Example 1, 60 g of calcium chloride hexahydrate with melamine resin Cymel 301 encapsulated at 90 ° C. The workup of the microcapsule mixture is carried out by adding 500 ml of methylene chloride followed by filtration and washing the encapsulated PCM's with methylene chloride and vacuum drying at room temperature.
Der Halogenkohlenwasserstoff wird abdestilliert und das derart aufgereinigte Triphenylphosphat für weitere Verkapselungen eingesetzt.
- Ausbeute: 61,1 g
- Kernanteil: 52,0 g
- Mittlere Teilchengröße: 15 μm
- Schmelzbereich des Kerns: 38 bis 41°C
- Schmelzenthalpie zwischen 25 und 40°C: 53,2 J/g
- Yield: 61.1 g
- Core content: 52.0 g
- Average particle size: 15 μm
- Melting range of the core: 38 to 41 ° C
- Enthalpy of fusion between 25 and 40 ° C: 53.2 J / g
In der Figur ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des mikroverkapselten Calcium-Chloridhexahydrats dargestellt.In The figure is a scanning electron micrograph of the microencapsulated Calcium chloride hexahydrate shown.
Beispiel 3Example 3
Analog Beispiel 1 werden 60 g Calciumchlorid-Hexahydrat bei 95°C verkapselt
- Ausbeute: 58,4 g
- Kernanteil: 45,5 g
- Mittlere Teilchengröße: 15 μm
- Schmelzbereich des Kerns: 38 bis 41°C
- Schmelzenthalpie zwischen 25 und 40°C: 4,9 J/g
- Yield: 58.4 g
- Core content: 45.5 g
- Average particle size: 15 μm
- Melting range of the core: 38 to 41 ° C
- Enthalpy of fusion between 25 and 40 ° C: 4.9 J / g
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