WO2009103680A1 - Solid, porous materials with a core-shell structure on the basis of synthetic polymers and biopolymers, method for their production and use thereof - Google Patents

Solid, porous materials with a core-shell structure on the basis of synthetic polymers and biopolymers, method for their production and use thereof Download PDF

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porous
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Simon Champ
Robert Chapman
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    • C08J2301/02Cellulose; Modified cellulose

Definitions

  • Solid, porous materials with core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers, process for their preparation and their use
  • the present invention relates to novel, solid, porous materials having a core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers. Moreover, the present invention relates to a novel process for the preparation of solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers. Last but not least, the present invention relates to the use of the novel, solid, porous materials having a core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers and solid, porous materials produced by the novel process.
  • a polysaccharide in particular cellulose, optionally dissolved together with additives in an ionic liquid.
  • the solution is introduced into a liquid medium which is miscible with the ionic liquid, but which is unable to dissolve the polysaccharide.
  • Suitable liquid media include or consist of water, alcohols, nitriles, ethers or ketones.
  • water is used, because then can be dispensed with the use of volatile organic solvents.
  • the regenerated polysaccharide accumulates in the form of a gel. Upon drying, the regenerated polysaccharide gel shrinks, resulting in a polysaccharide-based solid. It is not known whether the formed solids have a core-shell structure and whether they are porous.
  • US Pat. No. 5,328,603 discloses a process for producing cellulose-based porous beads having a particle size of at least 0.3 in which one dissolves cellulose in a chaotropic liquid, in particular in a saturated solution of lithium chloride or calcium thiocyanate in a polar organic solvent such as dimethylacetamide, atomizing the resulting solution and introducing the resulting droplets into a liquid which is miscible with the chaotropic liquid is, but which does not solve cellulose.
  • a chaotropic liquid in particular in a saturated solution of lithium chloride or calcium thiocyanate in a polar organic solvent such as dimethylacetamide
  • a polar organic solvent such as dimethylacetamide
  • water, methanol or water-methanol mixtures are used as liquid media.
  • the droplets solidify and form globules which can be washed with water and isolated.
  • these beads are porous, they have no core-shell structure.
  • US 2006/0151 170 A1 discloses a process for stimulating petroleum and natural gas sources.
  • a thickened liquid medium containing deformable particles in the form of spheres, cylinders, cubes, rods, cones or irregular shapes of a particle diameter of 850 ⁇ m is press-fitted into a wellbore.
  • new cracks and fissures are formed in the oil or natural gas formation, through which the oil or natural gas easily gets back to the borehole.
  • This method for well stimulation is also called “fracturing” in natural gas and oil well technology.
  • the deformable particles serve as support particles or proppants which prevent the newly formed cracks and crevices from being closed again by the pressure of the overlying rock.
  • proppants These supporting particles or supporting materials are also referred to as "proppants" in the natural gas and crude oil extraction technology.
  • the deformability of the proppants to some extent prevents the formation of finely divided material by abrasion of rock material, and / or by breaking the proppants, as with the use of hard proppants such as e.g. Fracturing sand is common.
  • the deformable proppants thus effectively have the effect of support pillows.
  • deformable proppants are made from shredded natural products such as, for example, sliced, ground or crushed Nutshells, fruit seeds, plant trays or wooden parts.
  • these must be provided with a protective layer in order to adapt the elastic modulus of the proppants to the respective requirements.
  • the known deformable proppants have the disadvantage that their chemical compositions and mechanical properties vary widely, so that elaborate tests are required to check whether a delivered batch is suitable for a given petroleum or natural gas formation.
  • the cores of these new, solid, porous materials should be comparatively hard and have a uniform, porous structure.
  • the shells of these new, solid, porous materials should be softer and more compact than the cores and have a uniform thickness.
  • novel, solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers with core-shell structure should also have a high mechanical stability in the swollen state. They should have a higher absorption capacity than the known materials based on synthetic polymers and biopolymers. They should be in a variety of three-dimensional shapes, such as
  • Example spherical particles, irregular or regularly shaped, non-spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, fabrics or films, provide all of which should have a high mechanical stability.
  • the new process should provide solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers with core-shell structure in a simple and highly reproducible manner.
  • these process products should have the desired property profile described above.
  • the new, solid, porous materials with a core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers, as well as the solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers produced according to the new process are said to be particularly wide, especially in the synthetic one and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and petroleum extraction technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering,
  • Communication technology radio and television technology, agricultural technology, aerospace technology and textile technology and construction, land and sea transport and mechanical engineering, be used with advantage.
  • they are said to be outstandingly suitable as support particles, support materials or proppants, construction materials, insulations, fabrics, absorbents, adsorbents, membranes, release materials, barrier layers, controlled release materials, catalysts, cultivation media, catalysts and also colorant, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or for their preparation are suitable.
  • novel, solid, porous materials having a core-shell structure based on synthetic polymers and / or biopolymers (A), soluble in chaotropic liquids (C) and in protic polar inorganic liquids (D1) and in protic polar organic liquids (D2) are insoluble, found.
  • novel solid porous materials will be referred to as "materials of the invention”.
  • Liquid (D1) and optionally the at least one additive (B) contains or consists thereof, and a liquid phase (F) containing or consisting of chaotropic liquid (C) and liquid (D1),
  • the inventive method provided materials according to the invention with a core-shell structure.
  • the cores of the inventive materials were relatively hard and had a uniform, porous structure.
  • the shells of the materials according to the invention were softer and more compact than the cores and had a uniform thickness.
  • the materials according to the invention also exhibited a high mechanical stability in the swollen state. They had a higher absorption capacity than the known materials based on polysaccharides. They were available in a wide variety of three-dimensional shapes, such as spherical particles, irregular or regularly shaped, non-spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, cloths, or films, all of which had high mechanical stability.
  • the process according to the invention provided the materials according to the invention in a simple and highly reproducible manner, these surprisingly having the desired property profile described above.
  • the materials according to the invention and the solid, porous materials produced on the basis of synthetic polymers and biopolymers (A), in particular the materials according to the invention were particularly broad, in particular in synthetic and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, Biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and oil production technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering, communication technology, radio and television technology, agricultural engineering, aerospace engineering and textile technology, as well as construction, land and sea transport and mechanical engineering, usable with advantage.
  • support particles support materials or proppants
  • construction materials insulations, fabrics
  • absorbents adsorbents
  • membranes release materials
  • barrier layers controlled-release materials
  • catalysts culture media
  • catalysts also colorant, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or for their manufacture.
  • the powdery solid materials based on synthetic polymers and / or biopolymers prepared by the process of the invention were outstandingly suitable as abrasion-resistant, pressure-resistant, deformable proppants in liquid media for fracturing for the purpose of highly effective and particularly long-lasting well stimulation in the production of Natural gas and petroleum.
  • the flow rates could be significantly increased.
  • the materials of the invention are solid. This means that they are up to at least 50 0 C, preferably to at least 100 0 C, preferably to at least 200 ° C and in particular up to at least 250 0 C are fixed and do not have a phase transition to a liquid or gaseous state.
  • the materials according to the invention are porous. This means that they have a foamy or sponge-like structure.
  • the structure may be closed-pored or open-pored. Preferably, it is open-pore, ie, it is permeable to gases and liquids.
  • the materials of the invention have a core-shell structure. Although the cores and the shells may have different material compositions. Preferably, the cores and shells have the same material composition. But they differ in their internal structure or their structure. Preferably, the shells are firmly bonded to the cores so that they do not disengage from the cores under mechanical stress.
  • the cores of the materials according to the invention are preferably coarse-pored or fine-pored. These properties are referred to Römpp Online 2008, "Pores”.
  • the pores have a diameter of 50 nm to 10 .mu.m, more preferably 500 nm to 8 .mu.m, most preferably 1 .mu.m to 7 .mu.m and in particular 1 .mu.m to 5 .mu.m.
  • the cores of the materials of the invention may be harder or softer than their shells. That is, the shells can be deformed more easily or more severely than the cores or, in other words, the material is more or less rigid to the cores than the material of the shells.
  • the cores are harder than the shells.
  • the cores and the shells of the materials according to the invention may have a different porosity. So the shells can be more compact than the cores and vice versa.
  • the cups are more compact than the cores, that is, they have a lower porosity than the cores.
  • porosity see Römpp Online 2008, "Porosity”.
  • the pores of the shells have a diameter of 1 to ⁇ 50 nm.
  • the thickness of the shells of the materials according to the invention can vary widely.
  • they have a thickness of 1 to 100 .mu.m, preferably 5 to 90 .mu.m, more preferably 10 to 80 .mu.m and in particular 15 to 70 microns.
  • the materials according to the invention can be used in any three-dimensional forms,
  • Sizes and morphologies are present.
  • the size varies from 100 nm to 10 mm. This means that the three-dimensional shapes are micro or macro forms.
  • the materials of the present invention can not, for example, be spherical particles, irregular or regularly shaped spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, fabrics or films.
  • the materials according to the invention are preferably in the form of spherical particles, more preferably spheres or beads.
  • the particle size of the spheres or beads according to the invention can be varied very widely and thereby be excellently adapted to the requirements of the individual case.
  • they Preferably, they have an average particle size of from 0.1 to 10 mm, preferably 0.2 to 5 mm and especially 0.3 to 2 mm, measured by sedimentation in a gravitational field.
  • the particle size distribution may be multimodal or monomodal. Preferably, it is monomodal.
  • the particle size distribution may be narrow or ready. Preferably, it is narrow, that is, the spheres or beads of the invention have only very small fines and coarse fractions.
  • the basis of the materials according to the invention forms at least one, in particular one, synthetic polymer and / or biopolymer (A).
  • a given material according to the invention consists of a synthetic polymer and / or biopolymer (A) or that a given material according to the invention contains a synthetic polymer and / or biopolymer (A), but the synthetic polymer and / or biopolymer (A) the three-dimensional structure determined substantially or alone.
  • polymer (A) the synthetic polymer and / or biopolymer are also collectively referred to as “polymer (A)” or “polymers (A)”.
  • all synthetic polymers and biopolymers (A) are suitable for this purpose as long as they are soluble in one of the chaotropic liquids (C) described below and insoluble in the protic polar inorganic liquids (D1) and protic polar organic liquids (D2) described below are.
  • the synthetic polymers (A) are preferably selected from the group consisting of random, alternating and block-like, linear, branched and comb-like, oligomeric and polymeric (co) polymers of ethylenically unsaturated monomers, polyaddition resins and polycondensation resins (see Rompp Lexikon Lacke and Printing Inks, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1998, page 457: “Polyaddition” and “Polyaddition Resins (Polyadducts)", pages 463 and 464: "polycondensates", "polycondensation” and “polycondensation resins”).
  • Preference is given to using (meth) acrylate (co) polymers, polyurethanes and polyesters, particularly preferably polyesters.
  • the biopolymers (A) are selected from the group consisting of nucleic acids which are composed essentially or exclusively of nucleotides, proteins which are composed essentially or exclusively of amino acids, and polysaccharides which are composed essentially or exclusively of monosaccharides ,
  • "essentially” means that the relevant biopolymers (A) may contain other structural units or building blocks than those mentioned, but that the structures and the essential chemical and physical properties of the relevant biopolymers (A) of the nucleic acids, the amino acids or the Monosaccharides are determined (see Thieme Römpp Online 2008, »Biopolymers«)
  • the synthetic polymers and biopolymers (A) can be prepared in situ in the process according to the invention in the chaotropic liquid (C) described below.
  • Polysaccharides (A) are preferably used.
  • the polysaccharides (A) include homopolysaccharides or heteropolysaccharides as well as proteoglycans, wherein the polysaccharide portion outweighs the protein content.
  • structural polysaccharides (A) are used. They are characterized by largely elongated, unbranched and therefore easily crystallizable chains, which ensure the mechanical strength. Examples of suitable structural polysaccharides
  • (A) are cellulose, lignocellulose, chitin, chitosan, glucosaminoglycans, in particular
  • the materials according to the invention may also contain at least one additive (B).
  • gaseous, liquid and solid, preferably liquid and solid, materials can be used as additives (B), as long as they are not undesirable with the polysaccharides (A) and in the context of chaotropic liquids (C) and / or liquid media (D1) and / or (D2) used in the method according to the invention described below, such as substances with strong positive redox potential such as platinum hexafluoride or strong negative redox potential such as metallic potassium, and / or uncontrolled decompose explosively, such as heavy metal azides.
  • substances with strong positive redox potential such as platinum hexafluoride or strong negative redox potential such as metallic potassium
  • uncontrolled decompose explosively such as heavy metal azides.
  • the additives (B) are selected from the group consisting of low molecular weight, oligomeric and polymeric, organic, inorganic and organometallic compounds, organic, inorganic and organometallic nanoparticles and microscopic and macroscopic particles and moldings, biomolecules, cell compartments, cells and cell aggregates.
  • the choice of the additive (B) or of the additives (B) depends primarily on what technical, sensory and / or aesthetic effects it wants to achieve in or with the materials according to the invention.
  • the additives (B) may have the physical or structural properties, such as density, strength, flexibility, nanoporosity, microporosity, macroporosity, absorbency, adsorptivity and / or barrier to gases and liquids, of the materials of the present invention as such, and vary appropriately.
  • plasticizers e.g. Structural proteins such as keratin, urea, monosaccharides such as glucose, polysaccharides such as polyoses or cyclodextrins
  • the flexibility and permeability of materials of the invention are varied.
  • the additives (B) may also impart properties to the materials of the invention containing them which comprise the additives (B) as such.
  • the additives (B) dyes, catalysts, colorants, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic or microwave radiation absorbing pigments, light stabilizers, vitamins, provitamins, antioxidants, Peroxidzersetzer, repellent, radioactive and non-radioactive non-metal and / or metal ions containing compounds , Compounds that have such ions absorb, flame retardants, hormones, diagnostics, pharmaceuticals, biocides, insecticides, fungicides, acaricides, fragrances, flavorings, flavorings, food ingredients, engineering plastics, enzymatically or non-enzymatically active proteins, structural proteins, antibodies, antibody fragments, nucleic acids, genes, cell nuclei, Mitochondria, cell membrane materials, ribosomes, chloroplasts, cells or blastocysts.
  • additives (B) are known from international patent application WO 2004/084627 A2 or US patent application US 2007/0006774 A1.
  • the additives (B) can be used in the matrix formed by the polymer (A), in particular in the polysaccharide matrix, the materials according to the invention and the solid, porous materials based on polymers (A), in particular polysaccharides, produced by the process according to the invention (A), more or less homogeneously distributed.
  • fibrous additives (B) may have an inhomogeneous distribution in order to vary mechanical properties in the desired manner.
  • catalytically active additives (B) whose accessibility in the matrix formed by the polymer (A), in particular in the polysaccharide matrix, can be improved by an inhomogeneous distribution.
  • the most homogeneous possible distribution in the matrix formed by the polymer (A), in particular in the polysaccharide matrix is advantageous, for example when softening additives (B) are used.
  • the additives (B) may be more or less firmly bonded to the matrix formed by the polymer (A), in particular the polysaccharide matrix.
  • polymeric or particulate additives (B) can be permanently bonded to the matrix formed by the polymer (A), in particular the polysaccharide matrix.
  • the amount of additive (B) or additives (B) contained in a given material according to the invention can vary widely and depends mainly on their physical, chemical and structural properties on the one hand and on the technical, sensory and / or aesthetic effects , the you want to adjust.
  • the person skilled in the art can therefore adjust suitable quantitative ratios in a simple manner on the basis of his general technical knowledge, if appropriate with the aid of a few orienting experiments.
  • the materials of the invention can be prepared by conventional and known methods. According to the invention, it is advantageous to prepare them by the processes according to the invention.
  • At least one, in particular one, of the above-described polymers (A) is optionally in the presence of at least one of the above-described additives (B) in at least one, in particular one, substantially or completely anhydrous chaotropic liquid (C) solubilized.
  • Chaotropic is understood to mean the property of substances, in particular of liquids, of dissolving supermolecular associates of macromolecules by disrupting or influencing the intermolecular interactions, such as, for example, hydrogen bonds, without influencing the intramolecular covalent bonds (cf. Römpp Online 2008, “Chaotropic”).
  • the chaotropic liquids (C) used in the process according to the invention are essentially or completely free of water.
  • substantially anhydrous means that the water content of the chaotrope liquids (C) is ⁇ 5% by weight, preferably ⁇ 2% by weight, preferably ⁇ 1% by weight and in particular ⁇ 0.1% by weight.
  • Fully anhydrous means that the water content is below the detection limits of conventional and known methods for the quantitative determination of water.
  • the chaotropic liquids (C) are in a temperature range of -
  • the chaotrope liquids (C) have a melting point of preferably at most 150 0 C, preferably at most 130 0 C and in particular at most 100 0 C have.
  • Especially effective chaotropic liquids (C) are the so-called ionic liquids. They are therefore used with very particular preference.
  • Ionic liquids consist exclusively of ions (cations and anions). They may consist of organic cations and organic or inorganic anions or of inorganic cations and organic anions.
  • ionic liquids are molten salts with a low melting point. It is not only expected that the liquid at ambient temperature, but also all salt compounds, which preferably below 150 0 C, preferably below 130 0 C and especially below 100 ° C melt. Unlike conventional inorganic salts such as sodium chloride (melting point 808 0 C), ionic liquids are reduced by charge delocalization lattice energy and symmetry, which may for solidification points down to -80 0 C and run underneath. Due to the numerous possible combinations of anions and cations, ionic liquids with very different properties can be prepared (cf a Römpp Online 2007, "ionic liquids").
  • Organic cations can be any cations commonly used in ionic liquids. Preferably, they are noncyclic or heterocyclic onium compounds.
  • noncyclic and heterocyclic onium compounds from the group consisting of quaternary ammonium, oxonium, sulfonium and phosphonium cations and of uronium, thiouronium and guanidinium cations, in which the single positive charge is delocalized over several heteroatoms used ,
  • heterocyclic quaternary ammonium cations are selected from the group consisting of pyrrolium, imidazolium, 1H-pyrazolium, 3H-pyrazolium, 4H-
  • Pyrazolium 1-pyrazolinium, 2-pyrazolinium, 3-pyrazolinium, 2,3-dihydro- imidazolinium, 4,5-dihydroimidazolinium, 2,5-dihydroimidazolinium, pyrrolidinium, 1, 2,4-triazolium (quaternary nitrogen atom in 1-position), 1, 2,4-triazolium ( 4-position quaternary nitrogen atom), 1, 2,3-triazolium (1-position quaternary nitrogen atom), 1, 2,3-triazolium (4-position quaternary nitrogen atom), oxazolium, isooxazolium, thiazolium , Isothiazolium, pyridinium, pyridazinium, pyrimidinium, piperidinium, morpholinium, pyrazinium, indolium, quinolinium, isoquinolinium, quinoxaline and indolinium cations.
  • imidazolium cations in particular the 1-ethyl-3-methylimidazolium cation (EMIM) or the 1-butyl-3-methylimidazolium cation (BMIM), in which the quaternary nitrogen in each case in 1 - Position is used.
  • EMIM 1-ethyl-3-methylimidazolium cation
  • BMIM 1-butyl-3-methylimidazolium cation
  • Suitable inorganic cations are all cations which do not form crystalline salts with the organic anions of the ionic liquids (C) whose melting point is above 150 ° C.
  • suitable inorganic cations are the cations of the lanthanides.
  • inorganic anions are basically all anions into consideration, which do not form crystalline salts with the organic cations of ionic liquids (C) whose melting point is above 150 0 C, and which also no undesirable interactions with the organic cations, such as chemical reactions, received.
  • the inorganic anions are selected from the group consisting of halide, pseudohalide, sulfide, halometalate, cyanometalate, carbonylmetalate, haloborate, halophosphate, haloarsenate, and haloantimonate anions and the anions of the halide, sulfur, of nitrogen, phosphorus, carbon, silicon, boron and transition metals.
  • Fluoride, chloride, bromide and / or iodide ions are preferred as halide anions, cyanide, cyanate, thiocyanate, isothiocyanate and / or azide anions as pseudohalide anions, sulfide, hydrogen sulfide, polysulfide and / or hydrogen polysulfide anions as sulfide anions, as halometalatanions chloro- and / or bromoaluminates and / or -ferrate, as cyanometallate anions hexacyanoferrate (II) and / or - (III) anions, as carbonylmetalate anions tetracarbonylferratanions, as haloborate anions tetrachloro- and / or tetrafluoroborate anions, as halophosphate, haloarsenate anions and Haloantimonate anions hexafluorophosphate, he
  • organic anions are basically all anions into consideration, which do not form crystalline salts with the organic or inorganic cations of ionic liquids (C) whose melting point is above 150 0 C, and which also no undesirable interactions with the organic or inorganic cations, such as chemical reactions.
  • the organic anions of aliphatic, cycloaliphatic and aromatic acids are derived from the group consisting of carboxylic acids, sulfonic acids, acidic sulfate esters, phosphonic acids, phosphinic acids, acidic phosphate esters, hypodiphosphinic acids, hypodiphosphonic acids, acidic boric acid esters, boronic acids, acidic silicic acid esters and acidic silanes they are selected from the group consisting of aliphatic, cycloaliphatic and aromatic thiolate, alcoholate, phenolate, methide, bis (carbonyl) imide, bis (sulfonyl) imide and
  • Carbonylsulfonylimidanionen selected.
  • EMIM Ac 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate
  • the temperature at which the polymers (A) described above and optionally the additives (B) described above are solubilized in the chaotropic liquid (C) depends primarily on the temperature range in which the chaotrope liquid (C) is liquid , according to the thermal stability and chemical reactivity of the substances to be solubilized (A) and (B) as well as the rate of solubilization. Thus, the temperature should not be so high that it comes in the solubilization to a thermal decomposition of the substances (A) and (B) and / or undesirable reactions between them.
  • the temperature should not be so low that the speed of solubilization becomes too low for practical needs.
  • the solubilization at temperatures from 0 to 100 0 C, preferably 10 to 70 0 C, more preferably 15 to 50 ° C and in particular 20 to 30 0 C performed.
  • the solubilization in the first process step has no special features, but can be carried out batchwise or continuously using the customary and known mixing units, such as stirred tanks, Ultraturrax, inline dissolvers, homogenization units such as homogenizing nozzles, kneaders or extruders.
  • mixing units such as stirred tanks, Ultraturrax, inline dissolvers, homogenization units such as homogenizing nozzles, kneaders or extruders.
  • the content of polymers (A) of the solution or dispersion (AC) or (ABC) resulting in the first process step may likewise vary widely.
  • the upper limit of the content is determined on a case-by-case basis in such a way that the viscosity of the solution or dispersion (AC) or (ABC) in question can not be so high that it can no longer be processed.
  • the content is from 0.1 to 10 wt .-%, preferably 0.25 to 5 wt .-% and in particular 0.5 to 3 wt .-%, each based on (AC) or (ABC).
  • the solution or dispersion (AC) or (ABC) obtained in the first process step is contacted with a protic polar inorganic liquid (D1).
  • the protic polar inorganic liquid (D1) is miscible with the above-described chaotropic liquid (C), preferably without a miscibility gap, ie in any quantitative ratio.
  • the polymer (A) in (D1) is substantially or completely insoluble.
  • the optionally present additives (B) may be soluble or insoluble in (D1).
  • the protic polar inorganic liquid (D1) used is in particular water.
  • the solution or dispersion (AC) or (ABC) may be contacted in different ways with (D1), in particular with water, for example by pouring the solution or dispersion (AC) or (ABC) into the liquid (D1) , drips, sprayed or extruded or in the form of a film with the liquid (D1) or its vapor (D1) brings into contact. This can be carried out continuously or batchwise in batch mode.
  • the solution or dispersion (AC) or (ABC) is dripped or sprayed into the liquid (D1) in the form of droplets so that beads or beads may form in contact with (D1).
  • the ratio of solution or dispersion (AC) or (ABC) to liquid (D1) may vary widely from case to case. It is essential that the quantitative ratio is selected such that the polymer (A), in particular the polysaccharide (A), is quantitatively precipitated or regenerated.
  • the person skilled in the art can therefore easily determine the required quantitative ratio on the basis of his general knowledge, where appropriate with the aid of a few orienting experiments.
  • the temperature at which the second process step is carried out may also vary widely. In the first place, the temperature depends on the temperature range in which the liquid (D1) is liquid. Also, the solution or dispersion (AC) or (ABC) on contact with (D1) should not have too high temperatures, because otherwise it can lead to a sudden evaporation and / or to a decomposition of the liquid (D1).
  • the second process step is also carried out at temperatures of 0 to 100 0 C, preferably 10 to 70 0 C, more preferably 15 to 50 ° C and in particular 20 to 30 0 C.
  • phase (E) the solid polymer (A), in particular solid polysaccharide (A), chaotropic liquid (C) and liquid (D1) and optionally contains or consists of at least one additive (B), and a liquid phase (F) containing or consisting of chaotrope liquid (C) and liquid (D1).
  • the phase (E) already has the preferred form of beads or beads.
  • the phase (E) is kept in contact with the liquid (D1) for a certain time, preferably for 10 minutes to 24 hours, more preferably 20 minutes to 10 hours and especially 30 minutes to 2 hours , so that the desired shape of the phase (E), in particular the spherical shape or bead shape completely form and mature.
  • the phase (E) is separated from the phase (F). This can be done in different ways, preferably by decanting, centrifuging and / or filtering. This process step can also be carried out continuously or batchwise in batch mode.
  • the chaotropic liquid (C) is removed from the phase (E) with the aid of the liquid (D1), whereby a moist gel (G) based on the polymer (A), in particular the polysaccharide ( A) results.
  • the chaotrope liquid (C) is removed by washing the phase (E) at least once with the liquid (D1), after which the washing liquid (D1) is separated from the phase (E).
  • the above-described continuous or discontinuous methods can be used.
  • the washing and separation is continued until no more chaotropic liquid (C) can be detected in the moist gel (G) and / or in the washing liquid (D1).
  • the fourth process step is carried out at temperatures at which the resulting moist gel (G) is not thermally damaged, in particular does not age rapidly.
  • the resulting wet gel (G) already has the three-dimensional shape as the inventive material to be produced therefrom.
  • Preferred protic polar organic liquids (D2) are alcohols, such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2-propoxyethanol and / or 2-butoxyethanol, but especially ethanol ,
  • the gel (G) containing (D2) is treated with the liquid (D1), in particular with water.
  • the treatment is preferably carried out by bringing the (D2) -containing gel (G) into contact with the liquid (D1) at least once, followed by (D1) for a certain time, preferably 1 minute to 2 hours (G). allowed to act and then separated.
  • this is preferably carried out by stirring the spheres or beads according to the invention in (D1) and subsequently separating off by centrifuging, decanting and / or filtering.
  • the moist material according to the invention can be dried in the eighth process step.
  • the moist or dried material according to the invention which is free of additives (B), at least one additive (B) or the moist or dried material according to the invention, which already contains at least one additive (B), at least one further additive (B) are added.
  • At least one of the process steps can be carried out at a pressure greater than 100 kPa.
  • the process according to the invention is carried out overall at atmospheric pressure.
  • the process according to the invention directly supplies the materials according to the invention in a very reproducible manner.
  • the method according to the invention makes it possible to produce the materials according to the invention in a wide variety of predefined three-dimensional forms, such as the forms described above, in a targeted manner and with very good reproducibility. Due to the precise adjustability of their dimensions, the materials according to the invention can be assembled safely and reliably into even more complex three-dimensional moldings.
  • the materials according to the invention and the solid, porous materials based on polymers (A) prepared in accordance with the method of the invention can therefore be advantageously used in a wide variety of technical fields within the scope of the inventive use. They can be used in synthetic and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and petroleum extraction technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering,
  • Communication technology radio and television technology, agricultural technology, aerospace technology and textile technology and construction, land and sea transport and engineering, in particular as support particles, proppants or materials, construction materials, insulation, fabrics, absorbents, adsorbents, membranes, release materials, barrier layers, Controlled release materials, catalysts, culture media, catalysts and colorants, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or used for their preparation.
  • the materials according to the invention and the solid, porous materials based on biopolymers (A) prepared in the process according to the invention are used in the natural gas and petroleum extraction technology.
  • the solid materials are preferably used as powder, in particular powder with spherical particles such as spheres or beads. They are preferably used as deformable, pressure-resistant support particles, support materials or proppants in liquid media for fracturing or borehole stimulation. In this case, liquid media based on water or oil can be used.
  • the resulting liquid media according to the invention for The fracturing - in short: "fracturing media" - in addition to the proppants according to the invention, other conventional and known components, such as the proppants described in US Patent Application US 2006/0151 170 A1, protective layers, substances for weight modification, gelling agents, crosslinking agents, yellowing Contain agents, curable resins, curing agents, surface-active compounds, foaming agents, means for separating emulsions, clay stabilizers and / or acids.
  • other conventional and known components such as the proppants described in US Patent Application US 2006/0151 170 A1
  • protective layers substances for weight modification, gelling agents, crosslinking agents, yellowing Contain agents, curable resins, curing agents, surface-active compounds, foaming agents, means for separating emulsions, clay stabilizers and / or acids.
  • the fracturing medium according to the invention with the proppants according to the invention is pumped under pressure into the production horizon to break up the rock. If the hydrostatic pressure of the fracturing medium exceeds the fracturing gradient of the production horizon, it breaks up at defects, and the fracturing medium according to the invention penetrates into the rupturing or already torn gaps, cracks and channels. After reducing the hydrostatic pressure of the fracturing medium according to the invention, the proppants according to the invention effectively and for a long time prevent the closing of the formed crevices, cracks and channels by the overlying rock. There is also no or only a very small formation of finely divided abrasion of rock and / or crumbs of proppants. Overall, a better long-term exploitation of the funding horizon results.
  • a one percent solution of cellulose in EMIM Ac was added dropwise with stirring to a beaker filled with water.
  • a drop of a wetting agent had been added to the water to lower the surface tension of the water and to allow the formation of beads.
  • the beads were ripened for one hour each.
  • the contents of the beaker were stirred uniformly to prevent deformation of the beads.
  • the beads were separated from the water-EMI M Ac solution by filtration, treated with ethanol for one hour, and rinsed with water for 20 minutes. Subsequently, the water-moist beads were dried for 2 hours at 80 0 C in a convection oven.
  • the shells had a uniform thickness in the range of 30 to 50 microns. They were clear and transparent and a bit softer than the seeds.
  • the cores were opaque and harder than the shells and had a substantially uniform porous structure with pore diameters in the range of 1 to 5 ⁇ m.
  • Example 2 and Comparative Experiment V3 The Absorbency of the Cellulose Beads 1 of Example 1 (Example 2) and the Cellulose Beads V1 of Comparative Experiment V1 (Comparative Experiment V3)
  • Example 2 the cellulose beads 1 of Example 1 were used.
  • the cellulose beads 1 (Example 2) and V1 (Comparative Experiment V3) were separately swollen in a one percent aqueous solution of a dye (trisodium salt of pyrentrisulfonic acid) for one hour. Subsequently, the swollen cellulose beads 1 and V1 were dried for 2 hours in a circulating air oven at 80 0 C. In each case 5 of the dried, dye-loaded cellulose beads 1 and V1 were added separately in each case in a water-filled cuvette. Subsequently, the leaching behavior of the dye-loaded cellulose beads 1 and V1 was measured by UVA / IS spectroscopy by the change in the intensity of absorption of the dye at 207 nm in water.
  • a dye trisodium salt of pyrentrisulfonic acid
  • Example 1 was repeated to give cellulose beads having particle sizes of 800 ⁇ m to 1.6 mm. Subsequently, the performance properties essential for use as a proppant were measured (Example 3). For purposes of comparison, the corresponding performance properties of commercial proppants were measured. It was in the comparative experiment V4 sintered bauxite (high pressure resistant, ceramic material) and in the Comparative experiment V5 used an uncoated fracturing sand. The following results were obtained.
  • the compressive strength of the cellulose beads 3 was determined according to ISO 13502-2. For this purpose, 40 g each of the proppants were introduced into a 2 inch (5.02 cm) diameter steel cell and loaded with the pressure given in Table 1. Subsequently, the amount of the resulting fines was determined.
  • the proppants fill out the channels introduced into the rock. It is important here that the permeability of the channels is maintained and is reduced as little as possible by the proppants. This is achieved above all by using round, spherical particles as far as possible. Therefore, roundness and sphericity of the proppants were determined according to ISO 13502-2.
  • the apparent specific gravity and bulk density are also essential. A low density prevents settling of the proppants.
  • Conductivity and permeability Ultimately, it is crucial for the use of the cellulose beads 3 of Example 3 as proppants, whether the conductivity and the permeability of the rock columns are maintained over a longer period. Therefore, the conductivity and permeability of a model gap in Ohio sandstone at a loading of 2 lb / ft 2 (95.76 Pa) were determined using a 2% potassium chloride solution according to API RP 61. The results are shown in Table 4. They supported that at moderate pressures and temperatures, even after 10 hours, a significant residual conductivity remained, which meant that the cellulose beads 3 of Example 3 were suitable as proppants.

Abstract

The invention relates to solid, porous materials with a core-shell structure on the basis of synthetic polymers and/or biopolymers (A), which are soluble in chaotropic liquids (C) and insoluble in protic polar inorganic liquids (D1) and protic polar organic liquids (D2). The invention also relates to a method for their production and to the use thereof.

Description

Feste, poröse Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung Solid, porous materials with core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers, process for their preparation and their use
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft neue, feste, poröse Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Herstellung von festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren. Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der neuen, festen, porösen Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren sowie der nach dem neuen Verfahren hergestellten festen, porösen Materialien.The present invention relates to novel, solid, porous materials having a core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers. Moreover, the present invention relates to a novel process for the preparation of solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers. Last but not least, the present invention relates to the use of the novel, solid, porous materials having a core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers and solid, porous materials produced by the novel process.
Stand der TechnikState of the art
Die Herstellung fester Materialien auf der Basis von Biopolymeren wie Polysaccharide, die gegebenenfalls noch Zusatzstoffe enthalten, mithilfe chaotroper Flüssigkeiten, insbesondere ionische Flüssigkeiten, ist aus den internationalen und US- Patentanmeldungen sowie den US-Patenten WO 03/029329 A2, US 2003/0157351 A1 , WO 2004/084627 A2, US 2004/0038031 A1 , US 6,824,599, US 6,808,557, US 2004/0006774 A1 , WO 2007/057235 A2 und WO 2007/085624 A1 bekannt.The preparation of solid materials based on biopolymers such as polysaccharides, which may also contain additives, using chaotropic liquids, in particular ionic liquids, is known from international and US patent applications and US Patents WO 03/029329 A2, US 2003/0157351 A1 , WO 2004/084627 A2, US 2004/0038031 A1, US Pat. No. 6,824,599, US Pat. No. 6,808,557, US 2004/0006774 A1, WO 2007/057235 A2 and WO 2007/085624 A1.
Bei diesen bekannten Verfahren wird ein Polysaccharid, insbesondere Cellulose, gegebenenfalls zusammen mit Zusatzstoffen in einer ionischen Flüssigkeit aufgelöst. Anschließend wird die Lösung in ein flüssiges Medium eingebracht, das mit der ionischen Flüssigkeit mischbar ist, das aber das Polysaccharid nicht zu lösen vermag. Dadurch wird das Polysaccharid wieder regeneriert. Geeignete flüssige Medien enthalten Wasser, Alkohole, Nitrile, Ether oder Ketone oder bestehen aus hieraus. Vorzugsweise wird Wasser verwendet, weil dann auf die Verwendung leichtflüchtiger organischer Lösemittel verzichtet werden kann. Üblicherweise fällt das regenerierte Polysaccharid in der Form eines Gels an. Bei der Trocknung schrumpft das regenerierte Polysacharid-Gel und es resultiert ein Festkörper auf der Basis von Polysacharid. Es ist nicht bekannt, ob die gebildeten Festkörper eine Kern-Schale-Struktur aufweisen und ob sie porös sind.In these known methods, a polysaccharide, in particular cellulose, optionally dissolved together with additives in an ionic liquid. Subsequently, the solution is introduced into a liquid medium which is miscible with the ionic liquid, but which is unable to dissolve the polysaccharide. As a result, the polysaccharide is regenerated again. Suitable liquid media include or consist of water, alcohols, nitriles, ethers or ketones. Preferably, water is used, because then can be dispensed with the use of volatile organic solvents. Usually, the regenerated polysaccharide accumulates in the form of a gel. Upon drying, the regenerated polysaccharide gel shrinks, resulting in a polysaccharide-based solid. It is not known whether the formed solids have a core-shell structure and whether they are porous.
Aus dem amerikanischen Patent US 5,328,603 ist ein Verfahren zur Herstellung von porösen Kügelchen auf der Basis von Cellulose einer Partikelgröße von mindestens 0,3 mm bekannt, bei dem man Cellulose in einer chaotropen Flüssigkeit, insbesondere in einer gesättigten Lösung von Lithiumchlorid oder Calciumthiocyanat in einem polaren organischen Lösemittel wie Dimethylacetamid, auflöst, die resultierende Lösung atomisiert und die resultierenden Tröpfchen in eine Flüssigkeit einbringt, die mit der chaotropen Flüssigkeit mischbar ist, das aber Cellulose nicht zu lösen vermag. Als flüssige Medien werden insbesondere Wasser, Methanol oder Wasser-Methanol-Gemische verwendet. Dabei verfestigen sich die Tröpfchen und bilden Kügelchen, die mit Wasser gewaschen und isoliert werden können. Zwar sind diese Kügelchen porös, indes weisen sie keine Kern-Schale-Struktur auf. Außerdem besteht bei diesen bekannten Verfahren die Gefahr, dass unregelmäßige Kügelchen mit einer breiten Teilchengrößenverteilung entstehen.US Pat. No. 5,328,603 discloses a process for producing cellulose-based porous beads having a particle size of at least 0.3 in which one dissolves cellulose in a chaotropic liquid, in particular in a saturated solution of lithium chloride or calcium thiocyanate in a polar organic solvent such as dimethylacetamide, atomizing the resulting solution and introducing the resulting droplets into a liquid which is miscible with the chaotropic liquid is, but which does not solve cellulose. In particular, water, methanol or water-methanol mixtures are used as liquid media. The droplets solidify and form globules which can be washed with water and isolated. Although these beads are porous, they have no core-shell structure. In addition, there is a risk in these known processes of producing irregular beads having a broad particle size distribution.
Insgesamt erschweren dese Nachteile die gezielte und reproduzierbare Herstellung von Pulverpartikeln auf der Basis von regeneriertem Polysaccharid, so dass die Pulverpartikeln für zahlreiche Anwendungen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht in Betracht kommen.On the whole, disadvantages of the specific and reproducible production of powder particles on the basis of regenerated polysaccharide make it more difficult, so that the powder particles are not suitable for numerous applications for technical and economic reasons.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2006/0151 170 A1 geht ein Verfahren zur Stimulierung von Erdöl- und Erdgasquellen hervor. Bei diesem Verfahren wird ein verdicktes flüssiges Medium, das deformierbare Partikel in der Form von Kugeln, Zylindern, Würfeln, Stäben, Kegeln oder unregelmäßigen Formen eines Teilchendurchmessers von 850 μm enthält, unter Druck in ein Bohrloch eingepresst. Hierbei werden neue Risse und Spalten in der Erdöl- oder Erdgasformation gebildet, durch die das Erdöl oder Erdgas wieder leichter zum Bohrloch gelangt. Dieses Verfahren zur Bohrlochstimulierung wird in der Erdgas- und Erdölfördertechnik auch als »Fracturing« bezeichnet. Die deformierbare Partikel dienen als Stützpartikel oder Stützstoffe, die verhindern, dass die neu gebildeten Risse und Spalten wieder durch den Druck des überlagernden Gesteins geschlossen werden. Diese Stützpartikel oder Stützmaterialien werden in der Erdgas- und Erdölfördertechnik auch als »Proppants« bezeichnet. Die Deformierbarkeit der Proppants verhindert bis zu einem gewissen Grad die Bildung von feinteiligem Material durch Abrieb von Gesteinsmaterial, und/oder durch Zerbrechen der Proppants, wie dies bei der Verwendung von harten Proppants wie z.B. Fracturing-Sand häufig vorkommt. Die deformierbaren Proppants haben somit gewissermaßen die Wirkung von Stützkissen.US 2006/0151 170 A1 discloses a process for stimulating petroleum and natural gas sources. In this method, a thickened liquid medium containing deformable particles in the form of spheres, cylinders, cubes, rods, cones or irregular shapes of a particle diameter of 850 μm is press-fitted into a wellbore. Here, new cracks and fissures are formed in the oil or natural gas formation, through which the oil or natural gas easily gets back to the borehole. This method for well stimulation is also called "fracturing" in natural gas and oil well technology. The deformable particles serve as support particles or proppants which prevent the newly formed cracks and crevices from being closed again by the pressure of the overlying rock. These supporting particles or supporting materials are also referred to as "proppants" in the natural gas and crude oil extraction technology. The deformability of the proppants to some extent prevents the formation of finely divided material by abrasion of rock material, and / or by breaking the proppants, as with the use of hard proppants such as e.g. Fracturing sand is common. The deformable proppants thus effectively have the effect of support pillows.
Bei dem bekannten Fracturing-Verfahren werden deformierbare Proppants aus zerkleinerten Naturstoffen, wie z.B. geschitzelte, gemahlene oder gebrochene Nussschalen, Fruchtsamen, Pflanzenschalen oder Holzteile, verwendet. Diese müssen allerdings mit einer Schutzschicht versehen werden, um den Elastizitätsmodul der Proppants den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Darüber hinaus weisen die bekannten deformierbaren Proppants den Nachteil auf, dass ihre chemischen Zusammensetzungen und ihre mechanischen Eigenschaften stark variieren, so dass aufwändige Tests erforderlich sind, um zu überprüfen, ob eine gelieferte Charge für eine in gegebene Erdöl- oder Erdgasformation geeignet ist.In the known fracturing process, deformable proppants are made from shredded natural products such as, for example, sliced, ground or crushed Nutshells, fruit seeds, plant trays or wooden parts. However, these must be provided with a protective layer in order to adapt the elastic modulus of the proppants to the respective requirements. Moreover, the known deformable proppants have the disadvantage that their chemical compositions and mechanical properties vary widely, so that elaborate tests are required to check whether a delivered batch is suitable for a given petroleum or natural gas formation.
Aufgabetask
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, neue, feste, poröse Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren bereitzustellen, die eine Kern-Schale-Struktur aufweisen. Außerdem sollen die Kerne dieser neuen, festen, porösen Materialien vergleichsweise hart sein und eine gleichmäßige, poröse Struktur haben. Des Weiteren sollen die Schalen dieser neuen, festen, porösen Materialien weicher und kompakter als die Kerne sein und eine gleichmäßige Stärke aufweisen.It is an object of the present invention to provide novel, solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers having a core-shell structure. In addition, the cores of these new, solid, porous materials should be comparatively hard and have a uniform, porous structure. Furthermore, the shells of these new, solid, porous materials should be softer and more compact than the cores and have a uniform thickness.
Insgesamt sollen die neuen, festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren mit Kern-Schale-Struktur auch im gequollenen Zustand eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Sie sollen ein höheres Absorptionsvermögen als die bekannten Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren haben. Sie sollen sich in den unterschiedlichsten dreidimensionalen Formen, wie zumOverall, the novel, solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers with core-shell structure should also have a high mechanical stability in the swollen state. They should have a higher absorption capacity than the known materials based on synthetic polymers and biopolymers. They should be in a variety of three-dimensional shapes, such as
Beispiel sphärische Partikel, unregelmäßig oder regelmäßig geformte, nicht sphärische Partikel, Platten, Stäbe, Zylinder, Nadeln, Flocken, Fäden, Gewebe oder Filme, bereitstellen lassen, die allesamt eine hohe mechanische Stabilität aufweisen sollen.Example, spherical particles, irregular or regularly shaped, non-spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, fabrics or films, provide all of which should have a high mechanical stability.
Außerdem war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Herstellung von festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren vorzuschlagen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweist.In addition, it was the object of the present invention to propose a novel process for the preparation of solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers, which no longer has the disadvantages of the prior art.
Vor allem soll das neue Verfahren in einfacher und sehr gut reproduzierbarer Weise feste, poröse Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren mit Kern-Schale-Struktur liefern. Insbesondere sollen diese Verfahrensprodukte das vorstehend beschriebene, gewünschte Eigenschaftsprofil aufweisen. Nicht zuletzt sollen die neuen, festen, porösen Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren sowie die nach dem neuen Verfahren hergestellten festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren besonders breit, insbesondere in der synthetischen und analytischen Chemie, der Biochemie und Gentechnologie, Biologie, Pharmakologie, medizinischen Diagnostik, Kosmetik, Erdgas- und Erdölfördertechnik, Prozesstechnik, Papiertechnik, Verpackungstechnik, Elektrotechnik, Magnettechnik,Above all, the new process should provide solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers with core-shell structure in a simple and highly reproducible manner. In particular, these process products should have the desired property profile described above. Last but not least, the new, solid, porous materials with a core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers, as well as the solid, porous materials based on synthetic polymers and biopolymers produced according to the new process are said to be particularly wide, especially in the synthetic one and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and petroleum extraction technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering,
Kommunikationstechnik, Rundfunk- und Fernsehtechnik, Landwirtschaftstechnik, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik und Textiltechnik sowie dem Bauwesen, Land- und Seetransportwesen und Maschinenbau, mit Vorteil verwendbar sein. Hierbei sollen sie sich insbesondere hervorragend als Stützpartikel, Stützmaterialien oder Proppants, Konstruktionsmaterialien, Isolierungen, Gewebe, Absorbentien, Adsorbentien, Membrane, Trennmaterialien, Barriereschichten, Controlled-Release-Materialien, Katalysatoren, Kultivierungsmedien, Katalysatoren sowie farbgebende, fluoreszierende, phosphoreszierende, elektrisch leitende, magnetische, Mikrowellenstrahlung absorbierende und flammhemmende Materialien oder zu deren Herstellung eignen.Communication technology, radio and television technology, agricultural technology, aerospace technology and textile technology and construction, land and sea transport and mechanical engineering, be used with advantage. In particular, they are said to be outstandingly suitable as support particles, support materials or proppants, construction materials, insulations, fabrics, absorbents, adsorbents, membranes, release materials, barrier layers, controlled release materials, catalysts, cultivation media, catalysts and also colorant, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or for their preparation are suitable.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Demgemäß wurden die neuen, festen, porösen Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A), die in chaotropen Flüssigkeiten (C) löslich und in protisch polaren anorganischen Flüssigkeiten (D1 ) und in protisch polaren organischen Flüssigkeiten (D2) unlöslich sind, gefunden.Accordingly, the novel, solid, porous materials having a core-shell structure based on synthetic polymers and / or biopolymers (A), soluble in chaotropic liquids (C) and in protic polar inorganic liquids (D1) and in protic polar organic liquids (D2) are insoluble, found.
Im Folgenden werden die neuen festen porösen Materialien als »erfindungsgemäße Materialien« bezeichnet werden.Hereinafter, the novel solid porous materials will be referred to as "materials of the invention".
Außerdem wurde das neue Verfahren zur Herstellung fester, poröser Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) durchIn addition, the new process for the production of solid, porous materials based on synthetic polymers and / or biopolymers (A) by
(1 ) Solubilisierung mindestens eines synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) oder mindestens eines synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) und mindestens eines Zusatzstoffs (B) in mindestens einer im Wesentlichen oder völlig wasserfreien chaotropen Flüssigkeit (C), (2) Kontaktieren der im Verfahren seh ritt (1 ) erhaltenen Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) mit einer protisch polaren anorganischen Flüssigkeit (D1 ), die mit der chaotropen Flüssigkeit (C) mischbar ist, worin jedoch zumindest das Polymer (A) im Wesentlichen oder völlig unlöslich ist, wodurch eine Phase (E), die festes Polymer (A), chaotrope Flüssigkeit (C) und protisch polare anorganische(1) solubilization of at least one synthetic polymer and / or biopolymer (A) or at least one synthetic polymer and / or biopolymer (A) and at least one additive (B) in at least one substantially or completely anhydrous chaotropic liquid (C), (2) contacting the solution or dispersion (AC) or (ABC) obtained in process (1) with a protic polar inorganic liquid (D1) which is miscible with the chaotropic liquid (C) but wherein at least the polymer ( A) is substantially or completely insoluble, whereby a phase (E), the solid polymer (A), chaotropic liquid (C) and protic polar inorganic
Flüssigkeit (D1 ) sowie gegebenenfalls den mindestens einen Zusatzstoff (B) enthält oder hieraus besteht, und eine flüssige Phase (F), die chaotrope Flüssigkeit (C) und Flüssigkeit (D1 ) enthält oder hieraus besteht, resultieren,Liquid (D1) and optionally the at least one additive (B) contains or consists thereof, and a liquid phase (F) containing or consisting of chaotropic liquid (C) and liquid (D1),
(3) Abtrennung der Phase (E) von der Phase (F),(3) separation of the phase (E) from the phase (F),
(4) Entfernen der chaotropen Flüssigkeit (C) aus der Phase (E) mithilfe der Flüssigkeit (D1 ), wodurch ein feuchtes Gel (G) auf der Basis von synthetischem Polymer und/oder Biopolymer (A) resultiert,(4) removing the chaotropic liquid (C) from the phase (E) using the liquid (D1), resulting in a wet gel (G) based on synthetic polymer and / or biopolymer (A),
(5) Behandeln des (D1 ) enthaltenden feuchten Gels (G) mit einer protisch polaren organischen Flüssigkeit (D2), die sowohl mit der chaotropen Flüssigkeit (C) als auch mit der Flüssigkeit (D1 ) mischbar ist, worin jedoch zumindest das Polymer (A) im Wesentlichen oder völlig unlöslich ist,(5) treating the moist gel (G) containing (D1) with a protic polar organic liquid (D2) which is miscible with both the chaotropic liquid (C) and the liquid (D1) but wherein at least the polymer ( A) is substantially or completely insoluble,
(6) Behandeln des die Flüssigkeit (D2) enthaltenden feuchten Gels (G) mit der Flüssigkeit (D1 ) und(6) treating the wet gel (G) containing the liquid (D2) with the liquid (D1) and
(7) Abtrennen des resultierenden feuchten, festen, porösen Materials (A) oder (AB) auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A)(7) Separating the Resulting Wet, Solid, Porous Material (A) or (AB) Based on Synthetic Polymers and / or Biopolymers (A)
gefunden.found.
Im Folgenden wird das neue Verfahren zur Herstellung fester, poröser Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) als »erfindungsgemäßes Verfahren« bezeichnet.In the following, the new process for producing solid, porous materials based on synthetic polymers and / or biopolymers (A) is referred to as the "process according to the invention".
Außerdem wurde die Verwendung der erfindungsgemäße Materialien sowie der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren (A) und erfindungsgemäßen Materialien in der synthetischen und analytischen Chemie, der Biochemie und Gentechnologie, Biologie, Pharmakologie, medizinischen Diagnostik, Kosmetik, Erdgas- und Erdölfördertechnik, Prozesstechnik, Papiertechnik, Elektrotechnik, Magnettechnik, Kommunikationstechnik, Rundfunk- und Fernsehtechnik, Landwirtschaftstechnik, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik und Textiltechnik sowie dem Bauwesen, Land- und Seetransportwesen und Maschinenbau gefunden, was im Folgenden zusammenfassend als »erfindungsgemäße Verwendung« bezeichnet wird.In addition, the use of the materials according to the invention and of the solid, porous materials according to the invention based on synthetic polymers and biopolymers (A) and materials according to the invention in synthetic and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, Biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and petroleum extraction technology, process technology, paper technology, electrical engineering, magnetic engineering, communications technology, radio and television technology, agricultural engineering, aerospace and textile technology and construction, land and sea transport and mechanical engineering found what hereinafter referred to collectively as "inventive use".
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäße Materialien, des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Verwendung gelöst werden konnte.In view of the prior art, it was surprising and unforeseeable for the skilled person that the object underlying the present invention could be achieved by means of the materials according to the invention, the method according to the invention and the use according to the invention.
Insbesondere war es überraschend, dass das erfindungsgemäße Verfahren erfindungsgemäße Materialien mit Kern-Schale-Struktur lieferte. Wie angestrebt, waren die Kerne der erfindungsgemäßen Materialien vergleichsweise hart und hatten eine gleichmäßige, poröse Struktur. Des Weiteren waren die Schalen der erfindungsgemäßen Materialien weicher und kompakter als die Kerne und wiesen eine gleichmäßige Stärke auf.In particular, it was surprising that the inventive method provided materials according to the invention with a core-shell structure. As desired, the cores of the inventive materials were relatively hard and had a uniform, porous structure. Furthermore, the shells of the materials according to the invention were softer and more compact than the cores and had a uniform thickness.
Insgesamt wiesen die erfindungsgemäßen Materialien auch im gequollenen Zustand eine hohe mechanische Stabilität auf. Sie hatten ein höheres Absorptionsvermögen als die bekannten Materialien auf der Basis von Polysacchariden. Sie ließen sich in den unterschiedlichsten dreidimensionalen Formen, wie zum Beispiel sphärische Partikel, unregelmäßig oder regelmäßig geformte, nicht sphärische Partikel, Platten, Stäben, Zylinder, Nadeln, Flocken, Fäden, Gewebe oder Filme, bereitstellen, die allesamt eine hohe mechanische Stabilität aufwiesen.Overall, the materials according to the invention also exhibited a high mechanical stability in the swollen state. They had a higher absorption capacity than the known materials based on polysaccharides. They were available in a wide variety of three-dimensional shapes, such as spherical particles, irregular or regularly shaped, non-spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, cloths, or films, all of which had high mechanical stability.
Ebenfalls überraschte, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufwies.It was also surprising that the process according to the invention no longer had the disadvantages of the prior art.
Vor allem lieferte das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher und sehr gut reproduzierbarer Weise die erfindungsgemäßen Materialien, wobei diese überraschenderweise das vorstehend beschriebene, gewünschte Eigenschaftsprofil aufwiesen. Nicht zuletzt waren die erfindungsgemäßen Materialien sowie die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren (A), insbesondere die erfindungsgemäßen Materialien, besonders breit, insbesondere in der synthetischen und analytischen Chemie, der Biochemie und Gentechnologie, Biologie, Pharmakologie, medizinischen Diagnostik, Kosmetik, Erdgas- und Erdölfördertechnik, Prozesstechnik, Papiertechnik, Verpackungstechnik, Elektrotechnik, Magnettechnik, Kommunikationstechnik, Rundfunk- und Fernsehtechnik, Landwirtschaftstechnik, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik und Textiltechnik sowie dem Bauwesen, Land- und Seetransportwesen und Maschinenbau, mit Vorteil verwendbar. Hierbei eigneten sie sich insbesondere hervorragend als Stützpartikel, Stützmaterialien oder Proppants, Konstruktionsmaterialien, Isolierungen, Gewebe, Absorbentien, Adsorbentien, Membrane, Trennmaterialien, Barriereschichten, Controlled-Release-Materialien, Katalysatoren, Kultivierungsmedien, Katalysatoren sowie farbgebende, fluoreszierende, phosphoreszierende, elektrisch leitende, magnetische, Mikrowellenstrahlung absorbierende und flammhemmende Materialien oder zu deren Herstellung.Above all, the process according to the invention provided the materials according to the invention in a simple and highly reproducible manner, these surprisingly having the desired property profile described above. Last but not least, the materials according to the invention and the solid, porous materials produced on the basis of synthetic polymers and biopolymers (A), in particular the materials according to the invention, were particularly broad, in particular in synthetic and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, Biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and oil production technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering, communication technology, radio and television technology, agricultural engineering, aerospace engineering and textile technology, as well as construction, land and sea transport and mechanical engineering, usable with advantage. In particular, they were outstandingly suitable as support particles, support materials or proppants, construction materials, insulations, fabrics, absorbents, adsorbents, membranes, release materials, barrier layers, controlled-release materials, catalysts, culture media, catalysts and also colorant, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or for their manufacture.
Insbesondere eigneten sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten pulverförm igen festen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren hervorragend als abriebfeste, druckfeste, deformierbare Proppants in flüssigen Medien für das Fracturing zum Zweck einer hochwirksamen und besonders lang anhaltenden Bohrlochstimulierung bei der Förderung von Erdgas und Erdöl. Dadurch konnten die Fördermengen signifikant gesteigert werden.In particular, the powdery solid materials based on synthetic polymers and / or biopolymers prepared by the process of the invention were outstandingly suitable as abrasion-resistant, pressure-resistant, deformable proppants in liquid media for fracturing for the purpose of highly effective and particularly long-lasting well stimulation in the production of Natural gas and petroleum. As a result, the flow rates could be significantly increased.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die erfindungsgemäßen Materialien sind fest. Dies bedeutet, dass sie bis mindestens 500C, vorzugsweise bis mindestens 1000C, bevorzugt bis mindestens 200°C und insbesondere bis mindestens 2500C fest sind und keinen Phasenübergang in den flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand aufweisen.The materials of the invention are solid. This means that they are up to at least 50 0 C, preferably to at least 100 0 C, preferably to at least 200 ° C and in particular up to at least 250 0 C are fixed and do not have a phase transition to a liquid or gaseous state.
Die erfindungsgemäßen Materialien sind porös. Dies bedeutet, dass sie eine schaumartige oder schwammartige Struktur haben. Die Struktur kann geschlossenporig oder offenporig sein. Vorzugsweise ist sie offenporig, d.h., sie ist für Gase und Flüssigkeiten durchlässig. Die erfindungsgemäßen Materialien haben eine Kern-Schale-Struktur. Zwar können die Kerne und die Schalen unterschiedliche stoffliche Zusammensetzungen aufweisen. Vorzugsweise haben die Kerne und die Schalen dieselbe stoffliche Zusammensetzung. Sie unterscheiden sich aber in ihrem inneren Aufbau oder ihrer Struktur. Vorzugsweise sind die Schalen haftfest mit den Kernen verbunden, so dass sie sich bei mechanischer Belastung nicht von den Kernen lösen.The materials according to the invention are porous. This means that they have a foamy or sponge-like structure. The structure may be closed-pored or open-pored. Preferably, it is open-pore, ie, it is permeable to gases and liquids. The materials of the invention have a core-shell structure. Although the cores and the shells may have different material compositions. Preferably, the cores and shells have the same material composition. But they differ in their internal structure or their structure. Preferably, the shells are firmly bonded to the cores so that they do not disengage from the cores under mechanical stress.
Vorzugsweise sind die Kerne der erfindungsgemäßen Materialien grobporig oder feinporig. Zu diesen Eigenschaften wird auf Römpp Online 2008, »Poren«, verwiesen. Bevorzugt haben die Poren einen Durchmesser von 50 nm bis 10 μm, besonders bevorzugt 500 nm bis 8 μm, ganz besonders bevorzugt 1 μm bis 7 μm und insbesondere 1 μm bis 5 μm.The cores of the materials according to the invention are preferably coarse-pored or fine-pored. These properties are referred to Römpp Online 2008, "Pores". Preferably, the pores have a diameter of 50 nm to 10 .mu.m, more preferably 500 nm to 8 .mu.m, most preferably 1 .mu.m to 7 .mu.m and in particular 1 .mu.m to 5 .mu.m.
Die Kerne der erfindungsgemäßen Materialien können härter oder weicher als ihre Schalen sein. D.h., dass die Schalen leichter oder schwerer deformiert werden können als die Kerne oder, anders gesagt, dass das Material den Kerne starrer oder weniger starr als das Material der Schalen ist. Vorzugsweise sind die Kerne härter als die Schalen.The cores of the materials of the invention may be harder or softer than their shells. That is, the shells can be deformed more easily or more severely than the cores or, in other words, the material is more or less rigid to the cores than the material of the shells. Preferably, the cores are harder than the shells.
Die Kerne und die Schalen der erfindungsgemäßen Materialien können eine unterschiedliche Porosität aufweisen. So können die Schalen kompakter als die Kerne sein und umgekehrt. Vorzugsweise sind die Schalen kompakter als die Kerne, d.h., sie haben eine geringere Porosität als die Kerne. Zu dem Begriff Porosität wird auf Römpp Online 2008, »Porosität«, verwiesen. Vorzugsweise haben die Poren der Schalen einen Durchmesser von 1 bis < 50 nm.The cores and the shells of the materials according to the invention may have a different porosity. So the shells can be more compact than the cores and vice versa. Preferably, the cups are more compact than the cores, that is, they have a lower porosity than the cores. For the term porosity, see Römpp Online 2008, "Porosity". Preferably, the pores of the shells have a diameter of 1 to <50 nm.
Die Stärke der Schalen der erfindungsgemäßen Materialien kann breit variieren.The thickness of the shells of the materials according to the invention can vary widely.
Vorzugsweise haben sie eine Stärke von 1 bis 100 μm, bevorzugt 5 bis 90 μm, besonders bevorzugt 10 bis 80 μm und insbesondere 15 bis 70 μm.Preferably, they have a thickness of 1 to 100 .mu.m, preferably 5 to 90 .mu.m, more preferably 10 to 80 .mu.m and in particular 15 to 70 microns.
Die erfindungsgemäßen Materialien können in beliebigen dreidimensionalen Formen,The materials according to the invention can be used in any three-dimensional forms,
Größen und Morphologien vorliegen. Vorzugsweise variiert die Größe von 100 nm bis 10 mm. Dies bedeutet, dass die dreidimensionalen Formen Mikro- oder Makroformen sind.Sizes and morphologies are present. Preferably, the size varies from 100 nm to 10 mm. This means that the three-dimensional shapes are micro or macro forms.
Was die dreidimensionalen Formen betrifft, können die erfindungsgemäßen Materialien beispielsweise als sphärische Partikel, unregelmäßig oder regelmäßig geformte, nicht sphärische Partikel, Platten, Stäbe, Zylinder, Nadeln, Flocken, Fäden, Gewebe oder Filme vorliegen.As for the three-dimensional shapes, the materials of the present invention can not, for example, be spherical particles, irregular or regularly shaped spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, fabrics or films.
Bevorzugt liegen die erfindungsgemäßen Materialien als sphärische Partikel, besonders bevorzugt als Kugeln oder Perlen, vor.The materials according to the invention are preferably in the form of spherical particles, more preferably spheres or beads.
Die Teilchengröße der erfindungsgemäßen Kugeln oder Perlen kann sehr breit variiert und dadurch den Erfordernissen des Einzelfalls hervorragend angepasst werden. Vorzugsweise haben sie eine durch Sedimentation in einem Schwerefeld gemessene mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise 0,2 bis 5 mm und insbesondere 0,3 bis 2 mm. Dabei kann die Teilchengrößenverteilung multimodal oder monomodal sein. Vorzugsweise ist sie monomodal. Außerdem kann die Teilchengrößenverteilung eng oder bereit sein. Vorzugsweise ist sie eng, d.h., die erfindungsgemäßen Kugeln oder Perlen weisen nur geringe Feinst- und Grobanteile auf.The particle size of the spheres or beads according to the invention can be varied very widely and thereby be excellently adapted to the requirements of the individual case. Preferably, they have an average particle size of from 0.1 to 10 mm, preferably 0.2 to 5 mm and especially 0.3 to 2 mm, measured by sedimentation in a gravitational field. The particle size distribution may be multimodal or monomodal. Preferably, it is monomodal. In addition, the particle size distribution may be narrow or ready. Preferably, it is narrow, that is, the spheres or beads of the invention have only very small fines and coarse fractions.
Die Basis der erfindungsgemäßen Materialien bildet mindestens ein, insbesondere ein, synthetisches Polymer und/oder Biopolymer (A). Dies bedeutet, dass ein gegebenes erfindungsgemäßes Material aus einem synthetischen Polymer und/oder Biopolymer (A) besteht oder dass ein gegebenes erfindungsgemäßes Material ein synthetisches Polymer und/oder Biopolymeren (A) enthält, wobei aber das synthetische Polymere und/oder Biopolymer (A) die dreidimensionale Struktur im Wesentlichen oder alleine bestimmt.The basis of the materials according to the invention forms at least one, in particular one, synthetic polymer and / or biopolymer (A). This means that a given material according to the invention consists of a synthetic polymer and / or biopolymer (A) or that a given material according to the invention contains a synthetic polymer and / or biopolymer (A), but the synthetic polymer and / or biopolymer (A) the three-dimensional structure determined substantially or alone.
Nachfolgend werden das synthetische Polymer und/oder Biopolymer auch zusammenfassend als »Polymer (A)« oder »Polymere (A)« bezeichnet.Hereinafter, the synthetic polymer and / or biopolymer are also collectively referred to as "polymer (A)" or "polymers (A)".
Im Grunde sind alle synthetischen Polymeren und Biopolymeren (A) zu diesem Zweck geeignet, sofern sie in einer der nachstehend beschriebenen chaotropen Flüssigkeiten (C) löslich und in den nachstehend beschriebenen protisch polaren anorganischen Flüssigkeiten (D1 ) und protisch polaren organischen Flüssigkeiten (D2) unlöslich sind.Basically, all synthetic polymers and biopolymers (A) are suitable for this purpose as long as they are soluble in one of the chaotropic liquids (C) described below and insoluble in the protic polar inorganic liquids (D1) and protic polar organic liquids (D2) described below are.
Vorzugsweise werden die synthetischen Polymere (A) aus der Gruppe, bestehend aus statistisch, alternierend und blockartig aufgebauten, linearen, verzweigten und kammartig aufgebauten, oligomeren und polymeren (Co)Polymerisaten von ethylenisch ungesättigten Monomeren, Polyadditionsharzen und Polykondensationsharzen (vgl. Römpp Lexikon Lacke und Druckfarben, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1998, Seite 457: »Polyaddition« und »Polyadditionsharze (Polyaddukte)«, Seiten 463 und 464: »Polykondensate«, »Polykondensation« und »Polykondensationsharze«), ausgewählt. Bevorzugt werden (Meth)Acrylat(co)polymerisate, Polyurethane und Polyester, besonders bevorzugt Polyester, verwendet.The synthetic polymers (A) are preferably selected from the group consisting of random, alternating and block-like, linear, branched and comb-like, oligomeric and polymeric (co) polymers of ethylenically unsaturated monomers, polyaddition resins and polycondensation resins (see Rompp Lexikon Lacke and Printing Inks, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1998, page 457: "Polyaddition" and "Polyaddition Resins (Polyadducts)", pages 463 and 464: "polycondensates", "polycondensation" and "polycondensation resins"). Preference is given to using (meth) acrylate (co) polymers, polyurethanes and polyesters, particularly preferably polyesters.
Vorzugsweise werden die Biopolymere (A) aus der Gruppe, bestehend aus Nukleinsäuren, die im Wesentlichen oder ausschließlich aus Nukleotiden aufgebaut sind, Proteinen, die im Wesentlichen oder ausschließlich aus Aminosäuren aufgebaut sind und Polysacchariden, die im Wesentlichen oder ausschließlich aus Monosacchariden aufgebaut sind, ausgewählt. Hierbei bedeutet »im Wesentlichen«, dass die betreffenden Biopolymere (A) noch andere Struktureinheiten oder Bausteine als die genannten enthalten können, dass jedoch die Strukturen und die wesentlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der betreffenden Biopolymere (A) von den Nukleinsäuren, den Aminosäuren oder den Monosacchariden bestimmt werden (vgl. Thieme Römpp Online 2008, »Biopolymere«)Preferably, the biopolymers (A) are selected from the group consisting of nucleic acids which are composed essentially or exclusively of nucleotides, proteins which are composed essentially or exclusively of amino acids, and polysaccharides which are composed essentially or exclusively of monosaccharides , Here, "essentially" means that the relevant biopolymers (A) may contain other structural units or building blocks than those mentioned, but that the structures and the essential chemical and physical properties of the relevant biopolymers (A) of the nucleic acids, the amino acids or the Monosaccharides are determined (see Thieme Römpp Online 2008, »Biopolymers«)
Die synthetischen Polymere und Biopolymere (A) können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in situ in der nachstehend beschriebenen chaotropen Flüssigkeit (C) hergestellt werden.The synthetic polymers and biopolymers (A) can be prepared in situ in the process according to the invention in the chaotropic liquid (C) described below.
Bevorzugt werden Polysaccharide (A) verwendet. Dabei umfassen die Polysaccharide (A) Homopolysaccharide oder Heteropolysaccharide sowie Proteoglycane, worin der Polysacharidanteil den Proteinanteil überwiegt.Polysaccharides (A) are preferably used. The polysaccharides (A) include homopolysaccharides or heteropolysaccharides as well as proteoglycans, wherein the polysaccharide portion outweighs the protein content.
Insbesondere werden Struktur-Polysaccharide (A) verwendet. Sie zeichnen sich durch weitgehend gestreckte, unverzweigte und daher gut kristallisationsfähige Ketten aus, die die mechanische Festigkeit sicherstellen. Beispiele geeigneter Struktur-PolysaccharideIn particular, structural polysaccharides (A) are used. They are characterized by largely elongated, unbranched and therefore easily crystallizable chains, which ensure the mechanical strength. Examples of suitable structural polysaccharides
(A) sind Cellulose, Lignocellulose, Chitin, Chitosan, Glucosaminoglycane, insbesondere(A) are cellulose, lignocellulose, chitin, chitosan, glucosaminoglycans, in particular
Chondroitinsulfate und Keratansulfate, sowie Alginsäure und Alginate. Insbesondere wirdChondroitin sulphates and keratan sulphates, as well as alginic acid and alginates. In particular, will
Cellulose verwendet.Cellulose used.
Die erfindungsgemäßen Materialien können noch mindestens einen Zusatzstoff (B) enthalten.The materials according to the invention may also contain at least one additive (B).
Als Zusatzstoffe (B) können im Grunde alle gasförmigen, flüssigen und festen, vorzugsweise flüssigen und festen, Materialien verwendet werden, solange sie nicht in unerwünschter Weise mit den Polysacchariden (A) sowie den im Rahmen des nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten chaotropen Flüssigkeiten (C) und/oder flüssigen Medien (D1 ) und/oder (D2) reagieren, wie z.B. Stoffe mit stark positivem Redoxpotential wie etwa Platinhexafluorid oder stark negativem Redoxpotential wie etwa metallisches Kalium, und/oder sich unkontrolliert explosiv zersetzen, wie etwa Schwermetallazide.Basically all gaseous, liquid and solid, preferably liquid and solid, materials can be used as additives (B), as long as they are not undesirable with the polysaccharides (A) and in the context of chaotropic liquids (C) and / or liquid media (D1) and / or (D2) used in the method according to the invention described below, such as substances with strong positive redox potential such as platinum hexafluoride or strong negative redox potential such as metallic potassium, and / or uncontrolled decompose explosively, such as heavy metal azides.
Vorzugsweise werden die Zusatzstoffe (B) aus der Gruppe, bestehend aus niedermolekularen, oligomeren und polymeren, organischen, anorganischen und metallorganischen Verbindungen, organischen, anorganischen und metallorganischen Nanopartikeln sowie mikroskopischen und makroskopischen Partikeln und Formteilen, Biomolekülen, Zellkompartimenten, Zellen und Zellverbänden, ausgewählt.Preferably, the additives (B) are selected from the group consisting of low molecular weight, oligomeric and polymeric, organic, inorganic and organometallic compounds, organic, inorganic and organometallic nanoparticles and microscopic and macroscopic particles and moldings, biomolecules, cell compartments, cells and cell aggregates.
Der Spannbreite der geeigneten Zusatzstoffen (B) ist daher kaum Grenzen gesetzt. Deshalb können die erfindungsgemäßen Materialien nahezu beliebig in gewünschter Weise variiert werden, was einer ihrer ganz besonderen Vorteile ist.The range of suitable additives (B) is therefore virtually unlimited. Therefore, the materials according to the invention can be varied almost arbitrarily in the desired manner, which is one of their very special advantages.
Die Auswahl des Zusatzstoffs (B) oder der Zusatzstoffe (B) richtet sich in erster Linie danach, welche technischen, sensorischen und/oder ästhetischen Effekte man damit in oder mit den erfindungsgemäßen Materialien erzielen will.The choice of the additive (B) or of the additives (B) depends primarily on what technical, sensory and / or aesthetic effects it wants to achieve in or with the materials according to the invention.
So können die Zusatzstoffe (B) die physikalischen oder strukturellen Eigenschaften, wie die Dichte, die Festigkeit, die Flexibilität, die Nanoporosität, die Mikroporosität, die Makroporosität, die Absorptionsfähigkeit, die Adsorptionsfähigkeit und/oder die Barrierewirkung gegenüber Gasen und Flüssigkeiten, der erfindungsgemäßen Materialien als solchen beeinflussen und in geeigneter Weise variieren. So können beispielsweise mithilfe von Weichmachern, wie z.B. Struktur-Proteine wie Keratin, Harnstoff, Monosaccharide wie Glucose, Polysaccharide wie Polyosen oder Cyclodextrine, die Flexibilität und die Permeabilität von erfindungsgemäßen Materialien variiert werden.Thus, the additives (B) may have the physical or structural properties, such as density, strength, flexibility, nanoporosity, microporosity, macroporosity, absorbency, adsorptivity and / or barrier to gases and liquids, of the materials of the present invention as such, and vary appropriately. For example, with the help of plasticizers, e.g. Structural proteins such as keratin, urea, monosaccharides such as glucose, polysaccharides such as polyoses or cyclodextrins, the flexibility and permeability of materials of the invention are varied.
Die Zusatzstoffe (B) können aber auch den erfindungsgemäßen Materialien, die sie enthalten, Eigenschaften aufprägen, die die Zusatzstoffe (B) als solche aufweisen. So können die Zusatzstoffe (B) Farbstoffe, Katalysatoren, farbgebende, fluoreszierende, phosphoreszierende, elektrisch leitfähige, magnetische oder Mikrowellenstrahlung absorbierende Pigmente, Lichtschutzmittel, Vitamine, Provitamine, Antioxidantien, Peroxidzersetzer, Repellentwirkstoffe, radioaktive und nicht radioaktive Nichtmetall- und/oder Metallionen enthaltende Verbindungen, Verbindungen die solche Ionen absorbieren, Flammschutzmittel, Hormone, Diagnostika, Pharmazeutika, Biozide, Insektizide, Fungizide, Akarizide, Duftstoffe, Aromastoffe, Geschmacksstoffe, Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln, technische Kunststoffe, enzymatisch oder nicht enzymatisch wirksame Proteine, Strukturproteine, Antikörper, Antikörperfragmente, Nukleinsäuren, Gene, Zellkerne, Mitochondrien, Zellmembranmaterialien, Ribosomen, Chloroplaste, Zellen oder Blastocysten sein.However, the additives (B) may also impart properties to the materials of the invention containing them which comprise the additives (B) as such. Thus, the additives (B) dyes, catalysts, colorants, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic or microwave radiation absorbing pigments, light stabilizers, vitamins, provitamins, antioxidants, Peroxidzersetzer, repellent, radioactive and non-radioactive non-metal and / or metal ions containing compounds , Compounds that have such ions absorb, flame retardants, hormones, diagnostics, pharmaceuticals, biocides, insecticides, fungicides, acaricides, fragrances, flavorings, flavorings, food ingredients, engineering plastics, enzymatically or non-enzymatically active proteins, structural proteins, antibodies, antibody fragments, nucleic acids, genes, cell nuclei, Mitochondria, cell membrane materials, ribosomes, chloroplasts, cells or blastocysts.
Beispiele von Zusatzstoffen (B) sind aus der internationalen Patentanmeldung WO 2004/084627 A2 oder der amerikanischen Patentanmeldung US 2007/0006774 A1 bekannt.Examples of additives (B) are known from international patent application WO 2004/084627 A2 or US patent application US 2007/0006774 A1.
Die Zusatzstoffe (B) können in der vom Polymer (A) gebildeten Matrix, insbesondere in der Polysaccharid-Matrix, der erfindungsgemäßen Materialien und der mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten, festen, porösen Materialien auf der Basis von Polymeren (A), insbesondere von Polysacchariden (A), mehr oder weniger homogen verteilt vorliegen. Beispielsweise kann es von Vorteil sein, wenn faserförmige Zusatzstoffe (B) eine inhomogene Verteilung aufweisen, um mechanische Eigenschaften in gewünschter Weise zu variieren. Ähnliches gilt für katalytisch wirksame Zusatzstoffe (B), deren Zugänglichkeit in der vom Polymer (A) gebildeten Matrix, insbesondere in der Polysaccharid-Matrix, durch eine inhomogene Verteilung verbessert werden kann. In vielen Fällen ist dagegen eine möglichst homogene Verteilung in der vom Polymer (A) gebildeten Matrix, insbesondere in der Polysaccharid-Matrix, von Vorteil, etwa wenn weichmachende Zusatzstoffe (B) verwendet werden.The additives (B) can be used in the matrix formed by the polymer (A), in particular in the polysaccharide matrix, the materials according to the invention and the solid, porous materials based on polymers (A), in particular polysaccharides, produced by the process according to the invention (A), more or less homogeneously distributed. For example, it may be advantageous if fibrous additives (B) have an inhomogeneous distribution in order to vary mechanical properties in the desired manner. The same applies to catalytically active additives (B) whose accessibility in the matrix formed by the polymer (A), in particular in the polysaccharide matrix, can be improved by an inhomogeneous distribution. In many cases, on the other hand, the most homogeneous possible distribution in the matrix formed by the polymer (A), in particular in the polysaccharide matrix, is advantageous, for example when softening additives (B) are used.
Die Zusatzstoffe (B) können mit der vom Polymer (A) gebildeten Matrix, insbesondere der Polysaccharid-Matrix, mehr oder weniger fest verbunden sein. So können insbesondere polymere oder partikuläre Zusatzstoffe (B) auf Dauer mit der vom Polymer (A) gebildeten Matrix, insbesondere der Polysaccharid-Matrix, verbunden sein. Dagegen kann es insbesondere bei den niedermolekularen Zusatzstoffen (B) von Vorteil sein, wenn sie nicht auf Dauer mit der Matrix verbunden sind, sondern im Sinne eines "slow release" oder "controlled release" wieder freigesetzt werden.The additives (B) may be more or less firmly bonded to the matrix formed by the polymer (A), in particular the polysaccharide matrix. Thus, in particular polymeric or particulate additives (B) can be permanently bonded to the matrix formed by the polymer (A), in particular the polysaccharide matrix. In contrast, it may be advantageous, in particular, for the low molecular weight additives (B), if they are not permanently bound to the matrix, but are released again in the sense of a "slow release" or "controlled release".
Die Menge an Zusatzstoff (B) oder Zusatzstoffen (B), die in einem gegebenen erfindungsgemäßen Material enthalten ist, kann sehr breit variieren und richtet sich hauptsächlich nach ihren physikalischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften einerseits und nach den technischen, sensorischen und/oder ästhetischen Effekten, die man einstellen will. Der Fachmann kann daher im Einzelfall geeignete Mengenverhältnisse in einfacher Weise anhand seines allgemeinen Fachwissens gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einiger weniger orientierender Versuche einstellen.The amount of additive (B) or additives (B) contained in a given material according to the invention can vary widely and depends mainly on their physical, chemical and structural properties on the one hand and on the technical, sensory and / or aesthetic effects , the you want to adjust. The person skilled in the art can therefore adjust suitable quantitative ratios in a simple manner on the basis of his general technical knowledge, if appropriate with the aid of a few orienting experiments.
Die erfindungsgemäßen Materialien können mithilfe üblicher und bekannter Methoden hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, sie nach den erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen.The materials of the invention can be prepared by conventional and known methods. According to the invention, it is advantageous to prepare them by the processes according to the invention.
Im ersten Verfahrenschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eines, insbesondere eines, der vorstehend beschriebenen Polymere (A) gegebenenfalls in der Gegenwart mindestens eines der vorstehend beschriebenen Zusatzstoffe (B) in mindestens einer, insbesondere einer, im Wesentlichen oder völlig wasserfreien chaotropen Flüssigkeit (C) solubilisiert.In the first process step of the process according to the invention, at least one, in particular one, of the above-described polymers (A) is optionally in the presence of at least one of the above-described additives (B) in at least one, in particular one, substantially or completely anhydrous chaotropic liquid (C) solubilized.
Das Verb »solubilisiert« oder der Begriff »Solubilisierung« bedeuten im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Polymer (A) in der chaotropen Flüssigkeit (C) molekulardispers gelöst oder zumindest so feinteilig und homogen wie möglich dispergiert wird. Gleiches gilt für die Zusatzstoffe (B), wenn sie mit verwendet werden.The term "solubilized" or the term "solubilization" in the context of the present invention mean that the polymer (A) is dissolved in the chaotropic liquid (C) in a molecularly disperse manner or at least as finely divided and homogeneously dispersed as possible. The same applies to the additives (B), if they are used with.
Unter »chaotrop« ist die Eigenschaft von Substanzen, insbesondere von Flüssigkeiten, zu verstehen, supermolekulare Assoziate von Makromolekülen durch Störung oder Beeinflussung der intermolekularen Wechselwirkungen, wie beispielsweise Wasserstoff- Brückenbindungen, aufzulösen, ohne dabei die intramolekularen kovalenten Bindungen zu beeinflussen (vgl. a. Römpp Online 2008, »Chaotrop«)."Chaotropic" is understood to mean the property of substances, in particular of liquids, of dissolving supermolecular associates of macromolecules by disrupting or influencing the intermolecular interactions, such as, for example, hydrogen bonds, without influencing the intramolecular covalent bonds (cf. Römpp Online 2008, "Chaotropic").
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten chaotropen Flüssigkeiten (C) sind im Wesentlichen oder völlig wasserfrei. »Im Wesentlichen wasserfrei« bedeutet, dass der Wassergehalt der chaotropen Flüssigkeiten (C) < 5 Gew.-%, vorzugsweise < 2 Gew.-%, bevorzugt < 1 Gew.-% und insbesondere < 0,1 Gew.-% ist. »Völlig wasserfrei« bedeutet, dass der Wassergehalt unterhalb der Nachweisgrenzen der üblichen und bekannten Methoden zur quantitativen Bestimmung von Wasser liegt.The chaotropic liquids (C) used in the process according to the invention are essentially or completely free of water. "Substantially anhydrous" means that the water content of the chaotrope liquids (C) is <5% by weight, preferably <2% by weight, preferably <1% by weight and in particular <0.1% by weight. "Fully anhydrous" means that the water content is below the detection limits of conventional and known methods for the quantitative determination of water.
Vorzugsweise sind die chaotropen Flüssigkeiten (C) in einem Temperaturbereich von -Preferably, the chaotropic liquids (C) are in a temperature range of -
1000C bis +1500C, bevorzugt -50°C bis +1300C, insbesondere -20°C bis +100°C flüssig. D.h., dass die chaotropen Flüssigkeiten (C) einen Schmelzpunkt von vorzugsweise höchstens 1500C, bevorzugt höchstens 1300C und insbesondere höchstens 1000C aufweisen.100 0 C to +150 0 C, preferably -50 ° C to +130 0 C, in particular -20 ° C to + 100 ° C liquid. That is, the chaotrope liquids (C) have a melting point of preferably at most 150 0 C, preferably at most 130 0 C and in particular at most 100 0 C have.
Ganz besonders wirksame chaotrope Flüssigkeiten (C) sind die so genannten ionischen Flüssigkeiten. Sie werden deshalb ganz besonders bevorzugt verwendet.Especially effective chaotropic liquids (C) are the so-called ionic liquids. They are therefore used with very particular preference.
Ionische Flüssigkeiten bestehen ausschließlich aus Ionen (Kationen und Anionen). Dabei können sie aus organischen Kationen sowie organischen oder anorganischen Anionen oder aus anorganischen Kationen und organischen Anionen bestehen.Ionic liquids consist exclusively of ions (cations and anions). They may consist of organic cations and organic or inorganic anions or of inorganic cations and organic anions.
Prinzipiell sind ionische Flüssigkeiten Salzschmelzen mit niedrigem Schmelzpunkt. Man rechnet nicht nur die bei der Umgebungstemperatur flüssigen, sondern auch alle Salzverbindungen dazu, die vorzugsweise unter 1500C, bevorzugt unter 1300C und insbesondere unter 100°C schmelzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen anorganischen Salzen wie Kochsalz (Schmelzpunkt 8080C) sind bei ionischen Flüssigkeiten durch Ladungsdelokalisierung Gitterenergie und Symmetrie verringert, was zur Erstarrungspunkten bis zu -800C und darunter führen kann. Aufgrund der zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten von Anionen und Kationen lassen sich ionische Flüssigkeiten mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften herstellen (vgl. a. Römpp Online 2007, »ionische Flüssigkeiten«).In principle, ionic liquids are molten salts with a low melting point. It is not only expected that the liquid at ambient temperature, but also all salt compounds, which preferably below 150 0 C, preferably below 130 0 C and especially below 100 ° C melt. Unlike conventional inorganic salts such as sodium chloride (melting point 808 0 C), ionic liquids are reduced by charge delocalization lattice energy and symmetry, which may for solidification points down to -80 0 C and run underneath. Due to the numerous possible combinations of anions and cations, ionic liquids with very different properties can be prepared (cf a Römpp Online 2007, "ionic liquids").
Als organische Kationen kommen alle Kationen in Betracht, wie sie üblicherweise in ionischen Flüssigkeiten verwendet werden. Vorzugsweise handelt es sich um nichtcyclische oder heterocyclische Oniumverbindungen.Organic cations can be any cations commonly used in ionic liquids. Preferably, they are noncyclic or heterocyclic onium compounds.
Bevorzugt werden nichtcyclische und heterocyclische Oniumverbindungen aus der Gruppe, bestehend aus quartären Ammonium-, Oxonium-, Sulfonium- und Phosphonium- Kationen sowie aus Uronium-, Thiouronium- und Guanidinium-Kationen, bei denen die einfach positive Ladung über mehrere Heteroatome delokalisiert ist, verwendet.Preference is given to noncyclic and heterocyclic onium compounds from the group consisting of quaternary ammonium, oxonium, sulfonium and phosphonium cations and of uronium, thiouronium and guanidinium cations, in which the single positive charge is delocalized over several heteroatoms used ,
Besonders bevorzugt werden quartäre Ammonium-Kationen und ganz besonders bevorzugt heterocyclische quartäre Ammonium-Kationen verwendet.Particular preference is given to using quaternary ammonium cations and very particularly preferably heterocyclic quaternary ammonium cations.
Insbesondere werden die heterocyclischen quartären Ammonium-Kationen aus der Gruppe, bestehend aus Pyrrolium-, Imidazolium-, 1 H-Pyrazolium-, 3H-Pyrazolium-, 4H-In particular, the heterocyclic quaternary ammonium cations are selected from the group consisting of pyrrolium, imidazolium, 1H-pyrazolium, 3H-pyrazolium, 4H-
Pyrazolium-, 1-Pyrazolinium-, 2-Pyrazolinium-, 3-Pyrazolinium-, 2,3-Dihydro- imidazolinium-, 4,5-Dihydro-imidazolinium-, 2,5-Dihydro-imidazolinium-, Pyrrolidinium-, 1 ,2,4-Triazolium- (quartäres Stickstoffatom in 1-Stellung), 1 ,2,4-Triazolium- (quartäres Stickstoffatom in 4-Stellung), 1 ,2,3-Triazolium- (quartäres Stickstoffatom in 1 -Stellung), 1 ,2,3-Triazolium- (quartäres Stickstoffatom in 4-Stellung), Oxazolium-, Isooxazolium-, Thiazolium-, Isothiazolium-, Pyridinium-, Pyridazinium-, Pyrimidinium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Pyrazinium-, Indolium-, Chinolinium-, Isochinolinium-, Chinoxalinium- und Indolinium-Kationen, ausgewählt.Pyrazolium, 1-pyrazolinium, 2-pyrazolinium, 3-pyrazolinium, 2,3-dihydro- imidazolinium, 4,5-dihydroimidazolinium, 2,5-dihydroimidazolinium, pyrrolidinium, 1, 2,4-triazolium (quaternary nitrogen atom in 1-position), 1, 2,4-triazolium ( 4-position quaternary nitrogen atom), 1, 2,3-triazolium (1-position quaternary nitrogen atom), 1, 2,3-triazolium (4-position quaternary nitrogen atom), oxazolium, isooxazolium, thiazolium , Isothiazolium, pyridinium, pyridazinium, pyrimidinium, piperidinium, morpholinium, pyrazinium, indolium, quinolinium, isoquinolinium, quinoxaline and indolinium cations.
Die vorstehend beschriebenen organischen Kationen sind an sich bekannte Spezies, die beispielsweise in den deutschen und internationalen Patentanmeldungen sowie in der amerikanischen PatentanmeldungThe organic cations described above are per se known species which are described, for example, in the German and international patent applications and in the American patent application
DE 10 2005 055 815 A, Seite 6, Absatz [0033], bis Seite 15, Absatz [0074],DE 10 2005 055 815 A, page 6, paragraph [0033], to page 15, paragraph [0074],
- DE 10 2005 035 103 A1 , Seite 3, Absatz [0014], bis Seite 10, Absatz [0051 ], und- DE 10 2005 035 103 A1, page 3, paragraph [0014], to page 10, paragraph [0051], and
DE 103 25 050 A1 , der die Seiten 2 und 3 übergreifende Absatz [0006] in Verbindung mit Seite 3, Absatz [0011], bis Seite 5, Absatz [0020],DE 103 25 050 A1, the paragraphs overlapping pages 2 and 3 [0006] in connection with page 3, paragraph [0011], to page 5, paragraph [0020],
- WO 03/029329 A2, Seite 4, letzter Absatz, bis Seite 8, zweiter Absatz,- WO 03/029329 A2, page 4, last paragraph, to page 8, second paragraph,
WO 2004/052340 A1 , Seite 8, erster Absatz, bis Seite 10, erster Absatz,WO 2004/052340 A1, page 8, first paragraph, to page 10, first paragraph,
WO 2004/084627 A2, Seite 14, zweiter Absatz, bis Seite 16, erster Absatz, und Seite 17, erster Absatz, bis Seite 19, zweiter Absatz,WO 2004/084627 A2, page 14, second paragraph, to page 16, first paragraph, and page 17, first paragraph, to page 19, second paragraph,
WO 2005/017252 A1 , Seite 1 1 , Zeile 20, bis Seite 12, Zeile 19,WO 2005/017252 A1, page 1 1, line 20, to page 12, line 19,
WO 2005/017001 A1 , Seite 7, letzter Absatz, bis Seite 9, viertletzter Absatz,WO 2005/017001 A1, page 7, last paragraph, to page 9, fourth last paragraph,
WO 2005/023873 A1 , Seite 9, Zeile 7, bis Seite 10, Zeile 20,WO 2005/023873 A1, page 9, line 7, to page 10, line 20,
WO 2006/116126 A2, Seite 4, Zeile 1 , bis Seite 5, Zeile 24,WO 2006/116126 A2, page 4, line 1, to page 5, line 24,
- WO 2007/057253 A2, Seite 4, Zeile 24, bis Seite 18, Zeile 38, WO 2007/085624 A1 , Seite 14, Zeile 27, bis Seite 18, Zeile 11 , und- WO 2007/057253 A2, page 4, line 24, to page 18, line 38, WO 2007/085624 A1, page 14, line 27, to page 18, line 11, and
US 2007/0006774 A1 Seite 17, Absatz [0157], bis Seite 19, Absatz [0167],US 2007/0006774 A1 page 17, paragraph [0157], to page 19, paragraph [0167],
im Detail beschrieben werden. Auf die aufgeführten Passagen der Patentanmeldungen wird zu Zwecken der näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung ausdrücklich Bezug genommen.will be described in detail. The listed passages of the patent applications are expressly incorporated by reference for purposes of further explanation of the present invention.
Von den vorstehend beschriebenen organischen Kationen werden vor allem Imidazolium- Kationen, insbesondere das 1-Ethyl-3-methylimidazolium-Kation (EMIM) oder das 1-Butyl- 3-methylimidazolium-Kation (BMIM), worin sich der quartäre Stickstoff jeweils in 1- Stellung befindet, verwendet.Of the organic cations described above, especially imidazolium cations, in particular the 1-ethyl-3-methylimidazolium cation (EMIM) or the 1-butyl-3-methylimidazolium cation (BMIM), in which the quaternary nitrogen in each case in 1 - Position is used.
Als anorganische Kationen kommen alle Kationen in Betracht, die mit den organischen Anionen der ionischen Flüssigkeiten (C) keine kristallinen Salze bilden, deren Schmelzpunkt oberhalb 1500C liegt. Beispiele geeigneter anorganischer Kationen sind die Kationen der Lanthanide.Suitable inorganic cations are all cations which do not form crystalline salts with the organic anions of the ionic liquids (C) whose melting point is above 150 ° C. Examples of suitable inorganic cations are the cations of the lanthanides.
Als anorganische Anionen kommen im Grunde alle Anionen in Betracht, die mit den organischen Kationen der ionischen Flüssigkeiten (C) keine kristallinen Salze bilden, deren Schmelzpunkt oberhalb 1500C liegt, und die auch keine unerwünschten Wechselwirkungen mit den organischen Kationen, wie chemische Reaktionen, eingehen.As inorganic anions are basically all anions into consideration, which do not form crystalline salts with the organic cations of ionic liquids (C) whose melting point is above 150 0 C, and which also no undesirable interactions with the organic cations, such as chemical reactions, received.
Vorzugsweise werden die anorganischen Anionen aus der Gruppe, bestehend aus Halogenid-, Pseudohalogenid-, Sulfid-, Halometallat-, Cyanometallat-, Carbonylmetallat-, Haloborat-, Halophosphat-, Haloarsenat- und Haloantimonatanionen sowie den Anionen der Sauerstoffsäuren der Halogenide, des Schwefels, des Stickstoffs, des Phosphors, des Kohlenstoffs, des Siliziums, des Bors und der Übergangsmetalle, ausgewählt.Preferably, the inorganic anions are selected from the group consisting of halide, pseudohalide, sulfide, halometalate, cyanometalate, carbonylmetalate, haloborate, halophosphate, haloarsenate, and haloantimonate anions and the anions of the halide, sulfur, of nitrogen, phosphorus, carbon, silicon, boron and transition metals.
Bevorzugt werden als Halogenidanionen Fluorid-, Chlorid-, Bromid- und/oder lodidionen, als Pseudohalogenidanionen Cyanid-, Cyanat-, Thiocyanat-, Isothiocyanat- und/oder Azidanionen, als Sulfidanionen Sulfid-, Hydrogensulfid-, Polysulfid- und/oder Hydrogenpolysulfidanionen, als Halometallatanionen Chlor- und/oder Bromaluminate und/oder -ferrate, als Cyanometallatanionen Hexacyanoferrat(ll)- und/oder -(Ill)-Anionen, als Carbonylmetallatanionen Tetracarbonylferratanionen, als Haloboratanionen Tetrachlor- und/oder Tetrafluoroboratanionen, als Halophosphat-, Haloarsenat- und Haloantimonatanionen Hexafluorphosphat-, Hexafluorarsenat-, Hexachlorantimonat- und/oder Hexafluorantimonatanionen sowie als Anionen der Sauerstoffsäuren der Halogenide, des Schwefels, des Stickstoffs, des Phosphors, des Kohlenstoffs, des Siliziums, des Bors und der Übergangsmetalle Chlorat-, Perchlorat-, Bromat-, lodat-, Sulfat-, Hydrogensulfat-, Sulfit-, Hydrogensulfit-, Thiosulfat-, Nitrit-, Nitrat-, Phosphinat-, Phosphonat-, Phosphat-, Hydrogenphosphat-, Dihydrogenphosphat-, Carbonat-, Hydrogencarbonat-, Glyoxylat-, Oxalat-, Deltaat-, Quadrat-, Krokonat-, Rhodizonat-, Silikat-, Borat-, Chromat- und/oder Permanganatanionen verwendet.Fluoride, chloride, bromide and / or iodide ions are preferred as halide anions, cyanide, cyanate, thiocyanate, isothiocyanate and / or azide anions as pseudohalide anions, sulfide, hydrogen sulfide, polysulfide and / or hydrogen polysulfide anions as sulfide anions, as halometalatanions chloro- and / or bromoaluminates and / or -ferrate, as cyanometallate anions hexacyanoferrate (II) and / or - (III) anions, as carbonylmetalate anions tetracarbonylferratanions, as haloborate anions tetrachloro- and / or tetrafluoroborate anions, as halophosphate, haloarsenate anions and Haloantimonate anions hexafluorophosphate, hexafluoroarsenate, hexachloroantimonate and / or hexafluoroantimonate anions, and as anions of the haloacids, sulfur, nitrogen, phosphorus, carbon, silicon, boron and transition metals chlorate, perchlorate, bromate, iodate, sulphate, hydrogensulphate, sulphite, bisulphite, thiosulphate, nitrite, nitrate, phosphinate, phosphonate, phosphate, hydrogenphosphate, dihydrogenphosphate, carbonate, bicarbonate, glyoxylate, oxalate , Delta seed, square, croconate, rhodizonate, silicate, borate, chromate and / or permanganate anions.
In gleicher Weise kommen als organische Anionen kommen im Grunde alle Anionen in Betracht, die mit den organischen oder anorganischen Kationen der ionischen Flüssigkeiten (C) keine kristallinen Salze bilden, deren Schmelzpunkt oberhalb 1500C, liegt und die auch keine unerwünschten Wechselwirkungen mit den organischen oder anorganischen Kationen, wie chemische Reaktionen, eingehen.In the same way come as organic anions are basically all anions into consideration, which do not form crystalline salts with the organic or inorganic cations of ionic liquids (C) whose melting point is above 150 0 C, and which also no undesirable interactions with the organic or inorganic cations, such as chemical reactions.
Vorzugsweise leiten sich die organischen Anionen von aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen Säuren aus der Gruppe, bestehend aus Carbonsäuren, Sulfonsäuren, sauren Sulfatestern, Phosphonsäuren, Phosphinsäuren, sauren Phosphatestern, Hypodiphosphinsäuren, Hypodiphosphonsäuren, sauren Borsäureestern, Boronsäuren, sauren Kieselsäureestern und sauren Silanen, ab oder sie werden aus der Gruppe, bestehend aus aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen Thiolat-, Alkoholat-, Phenolat-, Methid-, Bis(carbonyl)imid-, Bis(sulfonyl)imid- undPreferably, the organic anions of aliphatic, cycloaliphatic and aromatic acids are derived from the group consisting of carboxylic acids, sulfonic acids, acidic sulfate esters, phosphonic acids, phosphinic acids, acidic phosphate esters, hypodiphosphinic acids, hypodiphosphonic acids, acidic boric acid esters, boronic acids, acidic silicic acid esters and acidic silanes they are selected from the group consisting of aliphatic, cycloaliphatic and aromatic thiolate, alcoholate, phenolate, methide, bis (carbonyl) imide, bis (sulfonyl) imide and
Carbonylsulfonylimidanionen, ausgewählt.Carbonylsulfonylimidanionen selected.
Beispiele geeigneter anorganischer und organischer Anionen sind aus den internationalen PatentanmeldungenExamples of suitable inorganic and organic anions are from international patent applications
WO 2005/017252 A1 , Seite 7, Seite 14, bis Seite 1 1 , Seite 6, undWO 2005/017252 A1, page 7, page 14, to page 1 1, page 6, and
- WO 2007/057235 A2, Seite 19, Zeile 5, bis Seite 23, Seite 23,- WO 2007/057235 A2, page 19, line 5, to page 23, page 23,
bekannt. Ganz besonders bevorzugt werden Acetatanionen verwendet.known. Very particular preference is given to using acetate anions.
Insbesondere wird 1-Ethyl-3-methylimidazolium-acetat (EMIM Ac) als ionische Flüssigkeit (C) verwendet. Die Temperatur, bei der die vorstehend beschriebenen Polymere (A) sowie gegebenenfalls die vorstehend beschriebenen Zusatzstoffe (B) in der chaotropen Flüssigkeit (C) solubilisiert werden, richtet sich in erster Linie nach dem Temperaturbereich, in dem die chaotrope Flüssigkeit (C) flüssig ist, nach der thermischen Stabilität und chemischen Reaktivität der zu solubilisierenden Stoffe (A) und (B) sowie nach der Geschwindigkeit der Solubilisierung. So soll die Temperatur nicht so hoch gewählt werden, dass es bei der Solubilisierung zu einer thermischen Zersetzung der Stoffe (A) und (B) und/oder unerwünschten Reaktionen zwischen ihnen kommt. Andererseits soll die Temperatur nicht so niedrig gewählt werden, dass die Geschwindigkeit der Solubilisierung für praktische Bedürfnisse zu niedrig wird. Vorzugsweise wird die Solubilisierung bei Temperaturen von 0 bis 1000C, bevorzugt 10 bis 700C, besonders bevorzugt 15 bis 50°C und insbesondere 20 bis 300C durchgeführt.In particular, 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM Ac) is used as the ionic liquid (C). The temperature at which the polymers (A) described above and optionally the additives (B) described above are solubilized in the chaotropic liquid (C) depends primarily on the temperature range in which the chaotrope liquid (C) is liquid , according to the thermal stability and chemical reactivity of the substances to be solubilized (A) and (B) as well as the rate of solubilization. Thus, the temperature should not be so high that it comes in the solubilization to a thermal decomposition of the substances (A) and (B) and / or undesirable reactions between them. On the other hand, the temperature should not be so low that the speed of solubilization becomes too low for practical needs. Preferably, the solubilization at temperatures from 0 to 100 0 C, preferably 10 to 70 0 C, more preferably 15 to 50 ° C and in particular 20 to 30 0 C performed.
Methodisch gesehen, weist die Solubilisierung im ersten Verfahrenschritt keine Besonderheiten auf, sondern kann mithilfe der üblichen und bekannten Mischaggregate, wie Rührkessel, Ultraturrax, Inline-Dissolver, Homogenisierungsaggregate wie Homogenisierungsdüsen, Kneter oder Extruder, kontinuierlich oder diskontinuierlich in Batch-Fahrweise durchgeführt werden.From a methodological point of view, the solubilization in the first process step has no special features, but can be carried out batchwise or continuously using the customary and known mixing units, such as stirred tanks, Ultraturrax, inline dissolvers, homogenization units such as homogenizing nozzles, kneaders or extruders.
Der Gehalt an Polymeren (A) der im ersten Verfahrenschritt resultierenden Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) kann ebenfalls breit variieren. Im Allgemeinen wird die Obergrenze des Gehalts im Einzelfall dadurch festgelegt, dass die Viskosität der betreffenden Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) nicht so hoch werden darf, dass sie nicht mehr verarbeitet werden kann. Vorzugsweise liegt der Gehalt bei 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,25 bis 5 Gew.-% und insbesondere 0,5 bis 3 Gew.-%, jeweils bezogen auf (AC) oder (ABC).The content of polymers (A) of the solution or dispersion (AC) or (ABC) resulting in the first process step may likewise vary widely. In general, the upper limit of the content is determined on a case-by-case basis in such a way that the viscosity of the solution or dispersion (AC) or (ABC) in question can not be so high that it can no longer be processed. Preferably, the content is from 0.1 to 10 wt .-%, preferably 0.25 to 5 wt .-% and in particular 0.5 to 3 wt .-%, each based on (AC) or (ABC).
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im zweiten Verfahrenschritt die im ersten Verfahrenschritt erhaltene Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) mit einer protisch polaren anorganischen Flüssigkeit (D1 ) kontaktiert.In the further course of the process according to the invention, in the second process step, the solution or dispersion (AC) or (ABC) obtained in the first process step is contacted with a protic polar inorganic liquid (D1).
Die protisch polare anorganische Flüssigkeit (D1 ) ist mit der vorstehend beschriebenen chaotropen Flüssigkeit (C), vorzugsweise ohne Mischungslücke, d.h. in jedem Mengenverhältnis, mischbar. Dagegen ist das Polymer (A) in (D1 ) im Wesentlichen oder völlig unlöslich. Die gegebenenfalls vorhandenen Zusatzstoffe (B) können in (D1 ) löslich oder unlöslich sein. Als protisch polare anorganische Flüssigkeit (D1 ) wird insbesondere Wasser verwendet.The protic polar inorganic liquid (D1) is miscible with the above-described chaotropic liquid (C), preferably without a miscibility gap, ie in any quantitative ratio. In contrast, the polymer (A) in (D1) is substantially or completely insoluble. The optionally present additives (B) may be soluble or insoluble in (D1). The protic polar inorganic liquid (D1) used is in particular water.
Die Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) kann in unterschiedlicher Weise mit (D1 ), insbesondere mit Wasser, in Berührung gebracht werden, beispielsweise indem man die Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) in die Flüssigkeit (D1 ) eingießt, eintropft, einsprüht oder extrudiert oder in der Form eines Films mit der Flüssigkeit (D1 ) oder ihrem Dampf (D1 ) in Berührung bringt. Dies kann kontinuierlich oder diskontinuierlich in Batch- Fahrweise durchgeführt werden.The solution or dispersion (AC) or (ABC) may be contacted in different ways with (D1), in particular with water, for example by pouring the solution or dispersion (AC) or (ABC) into the liquid (D1) , drips, sprayed or extruded or in the form of a film with the liquid (D1) or its vapor (D1) brings into contact. This can be carried out continuously or batchwise in batch mode.
Vorzugsweise wird die Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) in die Flüssigkeit (D1 ) in der Form von Tröpfchen eingetropft oder eingesprüht, so dass sich im Kontakt mit (D1 ) Kugeln oder Perlen bilden können.Preferably, the solution or dispersion (AC) or (ABC) is dripped or sprayed into the liquid (D1) in the form of droplets so that beads or beads may form in contact with (D1).
Dabei kann das Mengenverhältnis von Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) zu Flüssigkeit (D1 ) von Fall zu Fall breit variieren. Wesentlich ist, dass das Mengenverhältnis so gewählt wird, dass das Polymer (A), insbesondere das Polysaccharid (A), quantitativ ausgefällt oder regeneriert wird. Der Fachmann kann daher das erforderliche Mengenverhältnis anhand seines allgemeinen Fachwissens gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einiger weniger orientierender Versuche leicht ermitteln.The ratio of solution or dispersion (AC) or (ABC) to liquid (D1) may vary widely from case to case. It is essential that the quantitative ratio is selected such that the polymer (A), in particular the polysaccharide (A), is quantitatively precipitated or regenerated. The person skilled in the art can therefore easily determine the required quantitative ratio on the basis of his general knowledge, where appropriate with the aid of a few orienting experiments.
Die Temperatur, bei der der zweite Verfahrenschritt durchgeführt wird, kann ebenfalls breit variieren. In erster Linie richtet sich die Temperatur danach, in welchem Temperaturbereich die Flüssigkeit (D1 ) flüssig ist. Auch sollte die Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) beim Kontakt mit (D1 ) keine zu hohe Temperaturen aufweisen, weil es ansonsten zu einem schlagartigen Verdampfen und/oder zu einer Zersetzung der Flüssigkeit (D1 ) kommen kann. Vorzugsweise wird der zweite Verfahrenschritt ebenfalls bei Temperaturen von 0 bis 1000C, bevorzugt 10 bis 700C, besonders bevorzugt 15 bis 50°C und insbesondere 20 bis 300C durchgeführt.The temperature at which the second process step is carried out may also vary widely. In the first place, the temperature depends on the temperature range in which the liquid (D1) is liquid. Also, the solution or dispersion (AC) or (ABC) on contact with (D1) should not have too high temperatures, because otherwise it can lead to a sudden evaporation and / or to a decomposition of the liquid (D1). Preferably, the second process step is also carried out at temperatures of 0 to 100 0 C, preferably 10 to 70 0 C, more preferably 15 to 50 ° C and in particular 20 to 30 0 C.
Im zweiten Verfahrenschritt resultiert eine Phase (E), die festes Polymer (A), insbesondere festes Polysaccharid (A), chaotrope Flüssigkeit (C) und Flüssigkeit (D1 ) sowie gegebenenfalls den mindestens einen Zusatzstoff (B) enthält oder hieraus besteht, sowie eine flüssige Phase (F), die chaotrope Flüssigkeit (C) und Flüssigkeit (D1 ) enthält oder hieraus besteht. Vorzugsweise weist die Phase (E) bereits die bevorzugte Form von Kugeln oder Perlen auf. Vorzugsweise wird vor der Durchführung des dritten Verfahrenschritts die Phase (E) während einer gewissen Zeit, bevorzugt während 10 Minuten bis 24 Stunden, besonders bevorzugt 20 Minuten bis 10 Stunden und insbesondere 30 Minuten bis 2 Stunden, in Kontakt mit der Flüssigkeit (D1 ) gehalten, so dass sich die gewünschte Form der Phase (E), insbesondere die Kugelform oder Perlenform vollständig ausbilden und ausreifen kann.In the second process step results in a phase (E), the solid polymer (A), in particular solid polysaccharide (A), chaotropic liquid (C) and liquid (D1) and optionally contains or consists of at least one additive (B), and a liquid phase (F) containing or consisting of chaotrope liquid (C) and liquid (D1). Preferably, the phase (E) already has the preferred form of beads or beads. Preferably, prior to carrying out the third process step, the phase (E) is kept in contact with the liquid (D1) for a certain time, preferably for 10 minutes to 24 hours, more preferably 20 minutes to 10 hours and especially 30 minutes to 2 hours , so that the desired shape of the phase (E), in particular the spherical shape or bead shape completely form and mature.
Im dritten Verfahrenschritt wird die Phase (E) von der Phase (F) abgetrennt. Dies kann in unterschiedlicher Art und Weise, vorzugsweise durch Dekantieren, Zentrifugieren und/oder Filtrieren, erfolgen. Auch dieser Verfahrenschritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich in Batch-Fahrweise durchgeführt werden.In the third process step, the phase (E) is separated from the phase (F). This can be done in different ways, preferably by decanting, centrifuging and / or filtering. This process step can also be carried out continuously or batchwise in batch mode.
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im vierten Verfahrenschritt die chaotrope Flüssigkeit (C) aus der Phase (E) mithilfe der Flüssigkeit (D1 ) entfernt, wodurch ein feuchtes Gel (G) auf der Basis des Polymeren (A), insbesondere des Polysacharids (A), resultiert. Vorzugsweise wird die chaotrope Flüssigkeit (C) entfernt, indem man die Phase (E) mindestens einmal mit der Flüssigkeit (D1 ) auswäscht, wonach man die Waschflüssigkeit (D1 ) von der Phase (E) abtrennt. Dabei können die vorstehend beschriebenen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Methoden angewandt werden. Vorzugsweise wird das Auswaschen und Abtrennen so lange fortgesetzt, bis sich in dem feuchten Gel (G) und/oder in der Waschflüssigkeit (D1 ) keine chaotrope Flüssigkeit (C) mehr nachweisen lässt.In the further course of the process according to the invention, in the fourth process step, the chaotropic liquid (C) is removed from the phase (E) with the aid of the liquid (D1), whereby a moist gel (G) based on the polymer (A), in particular the polysaccharide ( A) results. Preferably, the chaotrope liquid (C) is removed by washing the phase (E) at least once with the liquid (D1), after which the washing liquid (D1) is separated from the phase (E). In this case, the above-described continuous or discontinuous methods can be used. Preferably, the washing and separation is continued until no more chaotropic liquid (C) can be detected in the moist gel (G) and / or in the washing liquid (D1).
Vorzugsweise wird der vierte Verfahrenschritt bei Temperaturen durchgeführt, bei denen das resultierende feuchte Gel (G) nicht thermisch geschädigt wird, insbesondere nicht rasch altert. Vorzugsweise werden Temperaturen von 0 bis 1000C, bevorzugt 10 bis 700C, besonders bevorzugt 15 bis 500C und insbesondere 20 bis 300C angewandt.Preferably, the fourth process step is carried out at temperatures at which the resulting moist gel (G) is not thermally damaged, in particular does not age rapidly. Preferably, temperatures of 0 to 100 0 C, preferably 10 to 70 0 C, particularly preferably 15 to 50 0 C and in particular 20 to 30 0 C applied.
Vorzugsweise weist auch das resultierende feuchte Gel (G) bereits die dreidimensionale Form wie das hieraus herzustellende erfindungsgemäße Material auf.Preferably, the resulting wet gel (G) already has the three-dimensional shape as the inventive material to be produced therefrom.
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im fünften Verfahren seh ritt das feuchte Gel (G) mit einer protisch polaren organischen Flüssigkeit (D2), die sowohl mit der chaotropen Flüssigkeit (C) als auch mit der Flüssigkeit (D1 ) mischbar ist, worin aber zumindest das Polymer (A), insbesondere das Polysaccharid (A), im Wesentlichen oder völlig unlöslich ist, behandelt. Als protisch polare organische Flüssigkeiten (D2) kommen bevorzugt Alkohole, wie Methanol, Ethanol, Propanol Butanol, Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol, 2-Methoxyethanol, 2-Ethoxyethanol, 2-Propoxyethanol und/oder 2-Butoxyethanol, insbesondere aber Ethanol, in Betracht.In the further course of the process according to the invention, in the fifth process, the moist gel (G) rode with a protic polar organic liquid (D2) which is miscible both with the chaotropic liquid (C) and with the liquid (D1), but wherein at least the polymer (A), in particular the polysaccharide (A), substantially or completely insoluble, treated. Preferred protic polar organic liquids (D2) are alcohols, such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2-propoxyethanol and / or 2-butoxyethanol, but especially ethanol ,
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im sechsten Verfahrenschritt das (D2) enthaltende Gel (G) mit der Flüssigkeit (D1 ), insbesondere mit Wasser, behandelt. Vorzugsweise erfolgt die Behandlung dadurch, dass das (D2) enthaltende Gel (G) mindestens einmal mit der Flüssigkeit (D1 ) in Kontakt gebracht wird, wonach man (D1 ) jeweils eine gewisse Zeit, vorzugsweise 1 Minute bis 2 Stunden, auf (G) einwirken lässt und anschließend abtrennt. Im Falle der bevorzugten erfindungsgemäßen Kugeln oder Perlen erfolgt dies vorzugsweise dadurch, dass man die erfindungsgemäßen Kugeln oder Perlen in (D1 ) aufrührt und anschließend durch Zentrifugieren, Dekantieren und/oder Filtrieren abtrennt.In the further course of the process according to the invention, in the sixth process step, the gel (G) containing (D2) is treated with the liquid (D1), in particular with water. The treatment is preferably carried out by bringing the (D2) -containing gel (G) into contact with the liquid (D1) at least once, followed by (D1) for a certain time, preferably 1 minute to 2 hours (G). allowed to act and then separated. In the case of the preferred spheres or beads according to the invention, this is preferably carried out by stirring the spheres or beads according to the invention in (D1) and subsequently separating off by centrifuging, decanting and / or filtering.
Bei der letzten Abtrennung von (D1 ), d.h., im siebten Verfahrenschritt, resultiert das feuchte erfindungsgemäße Material.In the last separation of (D1), i.e., in the seventh process step, the wet material of the invention results.
Das feuchte erfindungsgemäße Material kann im achten Verfahrenschritt getrocknet werden.The moist material according to the invention can be dried in the eighth process step.
Außerdem kann in einem weiteren Verfahrenschritt dem feuchten oder getrocknetem erfindungsgemäßen Material, das frei von Zusatzstoffen (B) ist, mindestens ein Zusatzstoff (B) oder dem feuchten oder getrocknetem erfindungsgemäßen Material, das bereits mindestens einen Zusatzstoff (B) enthält, mindestens ein weiterer Zusatzstoff (B) zugesetzt werden.In addition, in a further process step the moist or dried material according to the invention which is free of additives (B), at least one additive (B) or the moist or dried material according to the invention, which already contains at least one additive (B), at least one further additive (B) are added.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mindestens einer der Verfahrenschritte bei einem Druck größer als 100 kPa durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt bei Normaldruck durchgeführt.In the method according to the invention, at least one of the process steps can be carried out at a pressure greater than 100 kPa. Preferably, the process according to the invention is carried out overall at atmospheric pressure.
Es ist ein ganz besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass es in sehr gut reproduzierbarer Weise direkt die erfindungsgemäßen Materialien liefert. Außerdem gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäßen Materialien in den unterschiedlichsten vorgegebenen dreidimensionalen Formen, wie z.B. die vorstehend beschrieben Formen, zielgerichtet und sehr gut reproduzierbar herzustellen. Aufgrund der genauen Einstellbarkeit ihrer Dimensionen können die erfindungsgemäßen Materialien sicher und zuverlässig zu noch komplexeren dreidimensionalen Formteilen zusammengefügt werden.It is a very particular advantage of the process according to the invention that it directly supplies the materials according to the invention in a very reproducible manner. In addition, the method according to the invention makes it possible to produce the materials according to the invention in a wide variety of predefined three-dimensional forms, such as the forms described above, in a targeted manner and with very good reproducibility. Due to the precise adjustability of their dimensions, the materials according to the invention can be assembled safely and reliably into even more complex three-dimensional moldings.
Durch die vorstehend beschriebenen Zusatzstoffe (B) können die erfindungsgemäßen Materialien für die erfindungsgemäße Verwendung in vielfältigster Weise modifiziert werden.By the additives (B) described above, the materials according to the invention for the inventive use can be modified in many ways.
Die erfindungsgemäßen Materialien sowie die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten, festen, porösen Materialien auf der Basis von Polymeren (A) können daher im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung auf den unterschiedlichsten technischen Gebieten mit Vorteil eingesetzt werden. So können sie in der synthetischen und analytischen Chemie, der Biochemie und Gentechnologie, Biologie, Pharmakologie, medizinischen Diagnostik, Kosmetik, Erdgas- und Erdölfördertechnik, Prozesstechnik, Papiertechnik, Verpackungstechnik, Elektrotechnik, Magnettechnik,The materials according to the invention and the solid, porous materials based on polymers (A) prepared in accordance with the method of the invention can therefore be advantageously used in a wide variety of technical fields within the scope of the inventive use. They can be used in synthetic and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, biology, pharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and petroleum extraction technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering,
Kommunikationstechnik, Rundfunk- und Fernsehtechnik, Landwirtschaftstechnik, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik und Textiltechnik sowie dem Bauwesen, Land- und Seetransportwesen und Maschinenbau, insbesondere als Stützpartikel, Stützmaterialien oder Proppants, Konstruktionsmaterialien, Isolierungen, Gewebe, Absorbentien, Adsorbentien, Membrane, Trennmaterialien, Barriereschichten, Controlled-Release- Materialien, Katalysatoren, Kultivierungsmedien, Katalysatoren sowie farbgebende, fluoreszierende, phosphoreszierende, elektrisch leitende, magnetische, Mikrowellenstrahlung absorbierende und flammhemmende Materialien oder zu deren Herstellung verwendet werden.Communication technology, radio and television technology, agricultural technology, aerospace technology and textile technology and construction, land and sea transport and engineering, in particular as support particles, proppants or materials, construction materials, insulation, fabrics, absorbents, adsorbents, membranes, release materials, barrier layers, Controlled release materials, catalysts, culture media, catalysts and colorants, fluorescent, phosphorescent, electrically conductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or used for their preparation.
Insbesondere werden die erfindungsgemäßen Materialien sowie die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten festen, porösen Materialien auf der Basis von Biopolymeren (A) in der Erdgas- und Erdölfördertechnik eingesetzt.In particular, the materials according to the invention and the solid, porous materials based on biopolymers (A) prepared in the process according to the invention are used in the natural gas and petroleum extraction technology.
Im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Verwendung werden die festen Materialien vorzugsweise als Pulver, insbesondere Pulver mit sphärischen Partikeln wie Kugeln oder Perlen, eingesetzt. Bevorzugt werden sie als deformierbare, druckfeste Stützpartikel, Stützmaterialien oder Proppants in flüssigen Medien für das Fracturing oder die Bohrlochstimulierung verwendet. Dabei können flüssige Medien auf der Basis von Wasser oder Öl verwendet werden. Die resultierenden erfindungsgemäßen flüssigen Medien für das Fracturing - kurz: »Fracturing-Medien« - können neben den erfindungsgemäßen Proppants noch weitere übliche und bekannte Bestandteile, wie z.B. die in der amerikanischen Patentanmeldung US 2006/0151 170 A1 beschriebenen Proppants, Schutzschichten, Stoffe zur Gewichtsmodifizierung, Gelierungsmittel, Vernetzungsmittel, gelbrechenden Mittel, härtbaren Harze, Härtungsmittel, oberflächenaktiven Verbindungen, Schaummittel, Mittel zum Auftrennen von Emulsionen, Tonstabilisatoren und/oder Säuren enthalten.In the context of this use according to the invention, the solid materials are preferably used as powder, in particular powder with spherical particles such as spheres or beads. They are preferably used as deformable, pressure-resistant support particles, support materials or proppants in liquid media for fracturing or borehole stimulation. In this case, liquid media based on water or oil can be used. The resulting liquid media according to the invention for The fracturing - in short: "fracturing media" - in addition to the proppants according to the invention, other conventional and known components, such as the proppants described in US Patent Application US 2006/0151 170 A1, protective layers, substances for weight modification, gelling agents, crosslinking agents, yellowing Contain agents, curable resins, curing agents, surface-active compounds, foaming agents, means for separating emulsions, clay stabilizers and / or acids.
Das erfindungsgemäße Fracturing-Medium mit den erfindungsgemäßen Proppants wird zum Aufbrechen des Gesteins unter Druck in den Förderhorizont gepumpt. Übersteigt der hydrostatische Druck des Fracturing-Mediums den Fracturing-Gradienten des Förderhorizonts, reißt dieser an Fehlstellen auf, und das erfindungsgemäße Fracturing- Medium dringt in die aufreißenden oder bereits aufgerissenen Spalten, Risse und Kanäle ein. Nach der Reduzierung des hydrostatischen Drucks des erfindungsgemäßen Fracturing-Mediums verhindern die erfindungsgemäßen Proppants wirkungsvoll und für lange Zeit das Verschließen der gebildeten Spalten, Risse und Kanäle durch das überlagernde Gestein. Es kommt auch zu keiner oder nur zu einer sehr geringen Bildung von feinteiligem Abrieb von Gestein und/oder Krümeln von Proppants. Insgesamt resultiert eine langfristig bessere Ausbeutung des Förderhorizonts.The fracturing medium according to the invention with the proppants according to the invention is pumped under pressure into the production horizon to break up the rock. If the hydrostatic pressure of the fracturing medium exceeds the fracturing gradient of the production horizon, it breaks up at defects, and the fracturing medium according to the invention penetrates into the rupturing or already torn gaps, cracks and channels. After reducing the hydrostatic pressure of the fracturing medium according to the invention, the proppants according to the invention effectively and for a long time prevent the closing of the formed crevices, cracks and channels by the overlying rock. There is also no or only a very small formation of finely divided abrasion of rock and / or crumbs of proppants. Overall, a better long-term exploitation of the funding horizon results.
Dies alles untermauert die außerordentliche Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Materialien sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens und der hiermit hergestellten, festen, porösen Materialien auf der Basis von Polymeren (A).All this underpins the extraordinary advantages of the materials according to the invention and of the process according to the invention and of the solid, porous materials based on polymers (A) produced therewith.
Beispiel und VergleichsversucheExample and comparative experiments
Vergleichsversuche V1 und V2Comparative Experiments V1 and V2
Die Herstellung von Celluloseperlen ohne Kern-Schale-StrukturThe production of cellulose beads without core-shell structure
Eine einprozentige Lösung von Cellulose in 1-Ethyl-3-methylimidazolium-acetat (EMIM Ac) wurde unter Rühren in ein mit Wasser gefülltes Becherglas (Vergleichsversuch V1 ) oder in ein mit Ethanol gefülltes Becherglas (Vergleichsversuch V2) eingetropft. Bei der Verwendung von Wasser (Vergleichsversuch V1 ) war es notwendig, einen Tropfen Netzmittel zuzusetzen, um die Oberflächenspannung des Wassers zu erniedrigen und die Bildung von Perlen zu ermöglichen. In der Zeit, in der die resultierenden Perlen den Boden der Bechergläser erreichten, hatten sie sich so weit stabilisiert, dass keine Gefahr der Deformation mehr bestand. Nach Beendigung der Zugabe der Celluloselösung ließ man die Perlen während jeweils einer Stunde reifen. Dabei wurden die Inhalte der Bechergläser gleichmäßig gerührt, um eine Deformation der Perlen zu verhindern. Anschließend wurden die Perlen von der Wasser-EM I M Ac-Lösung (Vergleichsversuch V1 ) und der Ethanol-EMIM Ac-Lösung (Vergleichsversuch V2) durch Filtration abgetrennt und während jeweils 2 Stunden in einem Umluftofen bei 800C getrocknet.A one percent solution of cellulose in 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM Ac) was added dropwise with stirring into a water-filled beaker (Comparative Experiment V1) or in a beaker filled with ethanol (Comparative Experiment V2). When using water (Comparative Experiment V1) it was necessary to add a drop of wetting agent to lower the surface tension of the water and to allow the formation of pearls. In the time in which the resulting pearls the Reached the bottom of the beakers, they had stabilized so far that there was no danger of deformation. After completion of the addition of the cellulose solution, the beads were ripened for one hour each. The contents of the beakers were stirred uniformly to prevent deformation of the beads. Subsequently, the beads of the water-EM IM Ac solution (Comparative Experiment V1) and the ethanol-EMIM Ac solution (Comparative Experiment V2) were separated by filtration and dried for 2 hours in a convection oven at 80 0 C.
Bei beiden Vergleichsversuchen resultierten getrocknete Perlen eines Durchmessers von etwa 1 mm mit einer kompakten, gleichmäßigen Struktur ohne Kern-Schale-Struktur.Both Comparative Experiments resulted in dried beads of about 1 mm in diameter with a compact, uniform structure without a core-shell structure.
Beispiel 1example 1
Die Herstellung von Celluloseperlen mit einer gleichmäßigen Kern-Schale-StrukturThe production of cellulose beads with a uniform core-shell structure
Eine einprozentige Lösung von Cellulose in EMIM Ac wurde unter Rühren in ein mit Wasser gefülltes Becherglas eingetropft. Dem Wasser war ein Tropfen eines Netzmittels zugesetzt worden, um die Oberflächenspannung des Wassers zu erniedrigen und die Bildung von Perlen zu ermöglichen. In der Zeit, in der die resultierenden Perlen den Boden des Becherglases erreichten, hatten sie sich so weit stabilisiert, dass keine Gefahr der Deformation mehr bestand. Nach Beendigung der Zugabe der Celluloselösung ließ man die Perlen während jeweils einer Stunde reifen. Dabei wurde der Inhalt des Becherglases gleichmäßig gerührt, um eine Deformation der Perlen zu verhindern. Anschließend wurden die Perlen von der Wasser-EMI M Ac-Lösung durch Filtration abgetrennt, während einer Stunde mit Ethanol behandelt und während 20 Minuten mit Wasser gespült. Anschließend wurden die wasserfeuchten Perlen während 2 Stunden bei 800C in einem Umluftofen getrocknet.A one percent solution of cellulose in EMIM Ac was added dropwise with stirring to a beaker filled with water. A drop of a wetting agent had been added to the water to lower the surface tension of the water and to allow the formation of beads. By the time the resulting beads reached the bottom of the beaker, they had stabilized to such an extent that there was no danger of deformation. After completion of the addition of the cellulose solution, the beads were ripened for one hour each. The contents of the beaker were stirred uniformly to prevent deformation of the beads. Subsequently, the beads were separated from the water-EMI M Ac solution by filtration, treated with ethanol for one hour, and rinsed with water for 20 minutes. Subsequently, the water-moist beads were dried for 2 hours at 80 0 C in a convection oven.
Es resultierten getrocknete Perlen eines Durchmessers von etwa 1 mm mit einer ausgeprägten und gleichmäßigen Kern-Schale-Struktur. Dabei wiesen die Schalen eine gleichmäßige Stärke im Bereich von 30 bis 50 μm auf. Sie waren klar und durchsichtig und etwas weicher als die Kerne. Die Kerne waren opak und härter als die Schalen und wiesen eine im Wesentlichen einheitliche poröse Struktur mit Porendurchmessern im Bereich von 1 bis 5 μm auf.This resulted in dried beads of about 1 mm in diameter with a pronounced and uniform core-shell structure. The shells had a uniform thickness in the range of 30 to 50 microns. They were clear and transparent and a bit softer than the seeds. The cores were opaque and harder than the shells and had a substantially uniform porous structure with pore diameters in the range of 1 to 5 μm.
Beispiel 2 und Vergleichsversuch V3 Das Absorptionsvermögen der Celluloseperlen 1 des Beispiels 1 (Beispiel 2) und der Celluloseperlen V1 des Vergleichsversuchs V1 (Vergleichsversuch V3)Example 2 and Comparative Experiment V3 The Absorbency of the Cellulose Beads 1 of Example 1 (Example 2) and the Cellulose Beads V1 of Comparative Experiment V1 (Comparative Experiment V3)
Für das Beispiel 2 wurde die Celluloseperlen 1 des Beispiels 1 verwendet.For Example 2, the cellulose beads 1 of Example 1 were used.
Für den Vergleichsversuch V4 wurden die Celluloseperlen V1 des Vergleichsversuchs V1 verwendet.For the comparative experiment V4, the cellulose beads V1 of Comparative Experiment V1 were used.
Die Celluloseperlen 1 (Beispiel 2) und V1 (Vergleichsversuch V3) wurden getrennt voneinander in einer einprozentigen wässrigen Lösung eines Farbstoffs (Trinatriumsalz der Pyrentrisulfonsäure) während einer Stunde gequollen. Anschließend wurden die gequollenen Celluloseperlen 1 und V1 während 2 Stunden in einem Umluftofen bei 800C getrocknet. Jeweils 5 der getrockneten, mit Farbstoff beladenen Celluloseperlen 1 und V1 wurden getrennt voneinander in jeweils eine mit Wasser gefüllte Küvette gegeben. Anschließend wurde das Auslaugverhalten der mit Farbstoff beladenen Celluloseperlen 1 und V1 durch UVA/IS-Spektroskopie anhand der Änderung der Intensität der Absorption des Farbstoffs bei 207 nm im Wasser gemessen. Dabei zeigte es sich, dass der Farbstoff mit im Wesentlichen gleicher Geschwindigkeit aus den Celluloseperlen 1 und V1 ausgelaugt wurde, dass aber die Celluloseperlen 1 erheblich mehr Farbstoff aufgenommen hatten als die Celluloseperlen V1 , so dass es signifikant länger dauerte, bis der Farbstoff vollständig aus den Celluloseperlen 1 ausgelaugt war. Dies untermauerte, dass die Celluloseperlen 1 ein sehr viel höheres Absorptionsvermögen als die Celluloseperlen V1 aufwiesen.The cellulose beads 1 (Example 2) and V1 (Comparative Experiment V3) were separately swollen in a one percent aqueous solution of a dye (trisodium salt of pyrentrisulfonic acid) for one hour. Subsequently, the swollen cellulose beads 1 and V1 were dried for 2 hours in a circulating air oven at 80 0 C. In each case 5 of the dried, dye-loaded cellulose beads 1 and V1 were added separately in each case in a water-filled cuvette. Subsequently, the leaching behavior of the dye-loaded cellulose beads 1 and V1 was measured by UVA / IS spectroscopy by the change in the intensity of absorption of the dye at 207 nm in water. It was found that the dye was leached from the cellulose beads 1 and V1 at substantially the same rate, but that the cellulose beads 1 had absorbed considerably more dye than the cellulose beads V1, so that it took significantly longer for the dye to completely precipitate out of the cellulose beads Cellulose beads 1 was leached. This corroborated that the cellulose beads 1 had a much higher absorbency than the cellulose beads V1.
Beispiel 3 und Vergleichsversuche V4 und V5Example 3 and Comparative Experiments V4 and V5
Die Herstellung von Celluloseperlen 3 des Beispiels 3 und ihre anwendungstechnischen Eigenschaften bezüglich ihrer Verwendung als ProppantsThe preparation of cellulose beads 3 of Example 3 and their performance properties with respect to their use as proppants
Beispiel 1 wurde wiederholt, so dass Celluloseperlen mit Teilchengrößen von 800 μm bis 1 ,6 mm resultierten. Anschließend wurden die anwendungstechnische Eigenschaften, die für die Verwendung als Proppant wesentlich sind, gemessen (Beispiel 3). Zu Zwecken des Vergleichs wurden die entsprechenden anwendungstechnischen Eigenschaften von handelsüblichen Proppants gemessen. Dabei wurde bei dem Vergleichsversuch V4 gesinterter Bauxit (hochdruckfestes, keramisches Material) und bei dem Vergleichsversuch V5 ein unbeschichteter Fracturing-Sand verwendet. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.Example 1 was repeated to give cellulose beads having particle sizes of 800 μm to 1.6 mm. Subsequently, the performance properties essential for use as a proppant were measured (Example 3). For purposes of comparison, the corresponding performance properties of commercial proppants were measured. It was in the comparative experiment V4 sintered bauxite (high pressure resistant, ceramic material) and in the Comparative experiment V5 used an uncoated fracturing sand. The following results were obtained.
Druckfestigkeit:Compressive strength:
Die Druckfestigkeit der Celluloseperlen 3 wurde nach ISO 13502-2 bestimmt. Dazu wurden jeweils 40 g der Proppants in eine Stahlzelle mit 2 inch (5,02 cm) Durchmesser eingefüllt und mit dem in der Tabelle 1 angegebenen Druck belastet. Anschließend wurde die Menge der entstandenen Feinanteile bestimmt.The compressive strength of the cellulose beads 3 was determined according to ISO 13502-2. For this purpose, 40 g each of the proppants were introduced into a 2 inch (5.02 cm) diameter steel cell and loaded with the pressure given in Table 1. Subsequently, the amount of the resulting fines was determined.
Tabelle 1 : Messung der DruckfestigkeitTable 1: Measurement of compressive strength
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Die Ergebnisse der Tabelle 1 untermauerten, dass das Pulver auf der Basis von Cellulose (A) hinsichtlich der Druckfestigkeit den handelsüblichen Proppants eindeutig überlegen war.The results of Table 1 supported that the cellulose-based powder (A) was clearly superior in compressive strength to commercial proppants.
Rundheit und Sphärizität:Roundness and sphericity:
Bekanntermaßen füllen die Proppants die in das Gestein eingebrachten Kanäle aus. Wichtig ist hierbei, dass die Permeabilität der Kanäle erhalten bleibt und so wenig wie möglich durch die Proppants herabgesetzt wird. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass möglichst runde, sphärische Partikel verwendet werden. Deshalb wurden Rundheit und Sphärizität der Proppants nach ISO 13502-2 bestimmt.As is known, the proppants fill out the channels introduced into the rock. It is important here that the permeability of the channels is maintained and is reduced as little as possible by the proppants. This is achieved above all by using round, spherical particles as far as possible. Therefore, roundness and sphericity of the proppants were determined according to ISO 13502-2.
Die Ergebnisse finden sich in der Tabelle 2. Die Ergebnisse untermauerten, dass die Celluloseperlen 3 des Beispiels 3 eine signifikant bessere Sphärizität und eine signifikant bessere Rundheit als der handelsübliche Fracturing-Sand (Vergleichsversuch V5) aufwiesen und in dieser Hinsicht dem gesinterter Bauxit (Vergleichsversuch V4) ebenbürtig waren.The results are shown in Table 2. The results supported that the cellulose beads 3 of Example 3 had a significantly better sphericity and a significantly better roundness than the commercial fracturing sand (Comparative Experiment V5). and were in this respect the sintered bauxite (Comparative Experiment V4) equal.
Tabelle 2: Messung der Sphärizität und RundheitTable 2: Measurement of sphericity and roundness
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Scheinbare spezifische Dichte und Schüttdichte:Apparent Specific Gravity and Bulk Density:
Für die Effektivität der eingesetzten Proppants sind auch die scheinbare spezifische Dichte und die Schüttdichte wesentlich. Eine geringe Dichte verhindert das Absetzen derFor the effectiveness of the proppants used, the apparent specific gravity and bulk density are also essential. A low density prevents settling of the
Proppants, sobald das Fracturing-Medium in den gebildeten Gesteinskanal eindringt.Proppants as soon as the fracturing medium penetrates into the formed rock channel.
Dringt das Material nicht tief genug in den Kanal oder Spalt ein, kann er sich in denIf the material does not penetrate deep enough into the channel or gap, it can penetrate into the channel
Bereichen, in denen kein Proppant vorhanden ist, wieder schließen. Eine niedrige scheinbare spezifische Dichte ist deshalb von Vorteil. Deshalb wurden die scheinbare spezifische Dichte und die Schüttdichte nach API (American Petroleum Institute) RP 60,Close areas where no proppant is present. A low apparent specific gravity is therefore advantageous. Therefore, the apparent specific gravity and bulk density were measured according to API (American Petroleum Institute) RP 60,
Section 9, »Bulk density and specific gravity« gemessen.Section 9, "Bulk density and specific gravity" measured.
Die Ergebnisse finden sich in der Tabelle 3. Sie untermauerten, dass die Celluloseperlen 3 des Beispiels 3 den handelsüblichen Proppants in dieser Hinsicht eindeutig überlegen war.The results are shown in Table 3. They supported that the cellulose beads 3 of Example 3 were clearly superior to the commercial proppants in this respect.
Tabelle 3: Messung der Schüttdichte und der scheinbaren spezifischen DichteTable 3: Measurement of bulk density and apparent specific gravity
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Leitfähigkeit und Permeabilität: Letztlich ist es für die Verwendung der Celluloseperlen 3 des Beispiels 3 als Proppants entscheidend, ob die Leitfähigkeit und die Permeabilität der Gesteinsspalten über einen längeren Zeitraum erhalten bleiben. Deshalb wurden die Leitfähigkeit und die Permeabilität eines Modellspalts in Ohio-Sandstein bei einer Beladung von 2 Ib/ft2 (95,76 Pa) mit einer zweiprozentigen Kaliumschloridlösung nach API RP 61 bestimmt. Die Ergebnisse finden sich in der Tabelle 4. Sie untermauerten, dass bei moderaten Drücken und Temperaturen auch nach 10 Stunden noch eine signifikante Restleitfähigkeit verblieb, was bedeutete, dass die Celluloseperlen 3 des Beispiels 3 als Proppants geeignet waren.Conductivity and permeability: Ultimately, it is crucial for the use of the cellulose beads 3 of Example 3 as proppants, whether the conductivity and the permeability of the rock columns are maintained over a longer period. Therefore, the conductivity and permeability of a model gap in Ohio sandstone at a loading of 2 lb / ft 2 (95.76 Pa) were determined using a 2% potassium chloride solution according to API RP 61. The results are shown in Table 4. They supported that at moderate pressures and temperatures, even after 10 hours, a significant residual conductivity remained, which meant that the cellulose beads 3 of Example 3 were suitable as proppants.
Tabelle 4: Messung der Leitfähigkeit und der Permeabilität (Beispiel 3)Table 4: Measurement of conductivity and permeability (Example 3)
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Claims

Patentansprüche claims
1. Feste, poröse Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und Biopolymeren (A), die in chaotropen Flüssigkeiten (C) löslich und in protisch polaren anorganischen Flüssigkeiten (D1 ) und protisch polaren organischen Flüssigkeiten (D2) unlöslich sind.1. Solid, porous materials with core-shell structure based on synthetic polymers and biopolymers (A), which are soluble in chaotropic liquids (C) and insoluble in protic polar inorganic liquids (D1) and protic polar organic liquids (D2) are.
2. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie offenporig sind.2. Solid, porous materials according to claim 1, characterized in that they are porous.
3. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Kerne grobporig oder feinporig sind.3. Solid, porous materials according to claim 1 or 2, characterized in that their cores are coarse-pored or fine-pored.
4. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Kerne feinporig sind.4. Solid, porous materials according to claim 3, characterized in that their cores are finely porous.
5. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Kerne einen Durchmesser von 50 nm bis 10 μm aufweisen.5. Solid, porous materials according to claim 4, characterized in that the pores of the cores have a diameter of 50 nm to 10 microns.
6. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Kerne härter als ihre Schalen sind.6. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 5, characterized in that their cores are harder than their shells.
7. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Schalen kompakter als ihre Kerne sind.7. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 6, characterized in that their shells are more compact than their cores.
8. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Schalen einen Durchmesser 1 bis < 50 nm haben.8. Solid, porous materials according to claim 7, characterized in that the pores of the shells have a diameter of 1 to <50 nm.
9. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Schalen eine Stärke von 1 bis 100 μm haben.9. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 8, characterized in that their shells have a thickness of 1 to 100 microns.
10. Feste, poröse Materialien nach einer der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form von sphärischen Partikeln, unregelmäßig oder regelmäßig geformten, nicht sphärischen Partikeln, Platten, Stäben, Zylindern, Nadeln, Flocken, Fäden, Geweben oder Filmen haben. 10. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 9, characterized in that they have the form of spherical particles, irregular or regularly shaped, non-spherical particles, plates, rods, cylinders, needles, flakes, threads, fabrics or films ,
1 1. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form von sphärischen Partikeln haben.1 1. Solid, porous materials according to claim 10, characterized in that they have the form of spherical particles.
12. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sphärischen Partikel die Form von Kugeln oder Perlen haben.12. Solid, porous materials according to claim 1 1, characterized in that the spherical particles have the shape of spheres or beads.
13. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln oder Perlen eine durch Sedimentation in einem Schwerefeld gemessene mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm haben.13. Solid, porous materials according to claim 1 1, characterized in that the balls or beads have a measured by sedimentation in a gravitational field mean particle size of 0.1 to 10 mm.
14. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Biopolymeren (A) Polysaccharide sind.14. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 13, characterized in that the biopolymers (A) are polysaccharides.
15. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polysaccharide (A) Struktur-Polysaccharide sind.15. Solid, porous materials according to claim 14, characterized in that the polysaccharides (A) are structural polysaccharides.
16. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Zusatzstoff (B) , ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus niedermolekularen, oligomeren und polymeren, organischen, anorganischen und metallorganischen Verbindungen, organischen, anorganischen und metallorganischen Nanopartikeln sowie mikroskopischen und makroskopischen Partikeln und Formteilen, Biomolekülen, Zellkompartimenten, Zellen und Zellverbänden, enthalten.16. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 15, characterized in that they contain at least one additive (B) selected from the group consisting of low molecular weight, oligomeric and polymeric, organic, inorganic and organometallic compounds, organic, inorganic and organometallic nanoparticles as well as microscopic and macroscopic particles and moldings, biomolecules, cell compartments, cells and cell aggregates.
17. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die chaotrope Flüssigkeit (C) in einem Temperaturbereich von -1000C bis +1500C flüssig ist.17. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 16, characterized in that the chaotrope liquid (C) in a temperature range from -100 0 C to +150 0 C is liquid.
18. Feste, poröse Materialien behandelt Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die chaotrope Flüssigkeit (C) eine ionische Flüssigkeit ist.18. Solid, porous materials treated claims 1 to 17, characterized in that the chaotrope liquid (C) is an ionic liquid.
19. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die protisch polare anorganische Flüssigkeit (D1 ) Wasser ist. 19. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 18, characterized in that the protic polar inorganic liquid (D1) is water.
20. Feste, poröse Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die protisch polare organische Flüssigkeit (D1 ) ein Alkohol ist.20. Solid, porous materials according to one of claims 1 to 19, characterized in that the protic polar organic liquid (D1) is an alcohol.
21. Feste, poröse Materialien nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol (DI ) Ethanol ist.21. Solid, porous materials according to claim 20, characterized in that the alcohol (DI) is ethanol.
22. Verfahren zur Herstellung fester, poröser Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) durch22. A process for the preparation of solid, porous materials based on synthetic polymers and / or biopolymers (A) by
(1 ) Solubilisierung mindestens eines synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) oder mindestens eines synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) und mindestens eines Zusatzstoffs (B) in mindestens einer im Wesentlichen oder völlig wasserfreien chaotropen Flüssigkeit (C),(1) solubilization of at least one synthetic polymer and / or biopolymer (A) or at least one synthetic polymer and / or biopolymer (A) and at least one additive (B) in at least one substantially or completely anhydrous chaotropic liquid (C),
(2) Kontaktieren der im Verfahrenschritt (1 ) erhaltenen Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) mit einer protisch polaren anorganischen Flüssigkeit (D1 ), die mit der chaotropen Flüssigkeit (C) mischbar ist, worin jedoch zumindest das Polymer (A) im Wesentlichen oder völlig unlöslich ist, wodurch eine(2) contacting the solution or dispersion (AC) or (ABC) obtained in process step (1) with a protic polar inorganic liquid (D1) which is miscible with the chaotropic liquid (C) but wherein at least the polymer (A) is essentially or completely insoluble, causing a
Phase (E), die festes Polymer (A), chaotrope Flüssigkeit (C) und protisch polare anorganische Flüssigkeit (D1 ) sowie gegebenenfalls den mindestens einen Zusatzstoff (B) enthält oder hieraus besteht, und eine flüssige Phase (F), die chaotrope Flüssigkeit (C) und Flüssigkeit (D1 ) enthält oder hieraus besteht, resultieren,Phase (E) comprising or consisting of solid polymer (A), chaotropic liquid (C) and protic polar inorganic liquid (D1) and optionally the at least one additive (B), and a liquid phase (F), the chaotropic liquid (C) and liquid (D1) contains or consists of
(3) Abtrennung der Phase (E) von der Phase (F),(3) separation of the phase (E) from the phase (F),
(4) Entfernen der chaotropen Flüssigkeit (C) aus der Phase (E) mithilfe der Flüssigkeit (D1 ), wodurch ein feuchtes Gel (G) auf der Basis von synthetischem Polymer und/oder Biopolymer (A) resultiert,(4) removing the chaotropic liquid (C) from the phase (E) using the liquid (D1), resulting in a wet gel (G) based on synthetic polymer and / or biopolymer (A),
(5) Behandeln des (D1 ) enthaltenden feuchten Gels (G) mit einer protisch polaren organischen Flüssigkeit (D2), die sowohl mit der chaotropen Flüssigkeit (C) als auch mit der Flüssigkeit (D1 ) mischbar ist, worin jedoch zumindest das Polymer (A) im Wesentlichen oder völlig unlöslich ist, (6) Behandeln des die Flüssigkeit (D2) enthaltenden feuchten Gels (G) mit der Flüssigkeit (D1 ) und(5) treating the moist gel (G) containing (D1) with a protic polar organic liquid (D2) which is miscible both with the chaotropic liquid (C) and with the liquid (D1), but wherein at least the polymer ( A) is substantially or completely insoluble, (6) treating the wet gel (G) containing the liquid (D2) with the liquid (D1) and
(7) Abtrennen des resultierenden feuchten, festen, porösen Materials (A) oder(7) separating the resulting wet, solid, porous material (A) or
(AB) auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A)(AB) based on synthetic polymers and / or biopolymers (A)
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass23. The method according to claim 22, characterized in that
(8) das feuchte, feste, poröse Material (A) oder (AB) getrocknet wird.(8) drying the wet, solid, porous material (A) or (AB).
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass24. The method according to claim 22 or 23, characterized in that
(9a) dem feuchten oder getrockneten, festen, porösen Material (A) mindestens ein Zusatzstoff (B) oder(9a) the wet or dried solid porous material (A) at least one additive (B) or
(9b) dem feuchten oder getrockneten, festen, porösen Material (AB) mindestens ein weiterer Zusatzstoff (B) zugesetzt wird.(9b) at least one further additive (B) is added to the moist or dried, solid, porous material (AB).
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass man im Verfahren seh ritt (2) die im Verfahrenschritt (1 ) erhaltene Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) mit der Flüssigkeit (D1 ) kontaktiert, indem man die Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) in die Flüssigkeit (D1 ) eingießt, eintropft, einsprüht oder extrudiert oder in der Form eines Films mit der Flüssigkeit (D1 ) oder dem Dampf der Flüssigkeit (D1 ) in Berührung bringt.25. The method according to any one of claims 22 to 24, characterized in that in the process seh rode (2) in the process step (1) obtained solution or dispersion (AC) or (ABC) contacted with the liquid (D1) by pouring, dropping, spraying or extruding the solution or dispersion (AC) or (ABC) into the liquid (D1) or contacting it in the form of a film with the liquid (D1) or the vapor of the liquid (D1).
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass man im Verfahren seh ritt (2) die in Verfahrenschritt (1 ) erhaltene Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) in die Flüssigkeit (D1 ) in der Form von Tröpfchen eintropft oder einsprüht.26. The method according to claim 25, characterized in that in the process seh rode (2) in the process step (1) obtained solution or dispersion (AC) or (ABC) drips or sprayed into the liquid (D1) in the form of droplets ,
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass man im Verfahrenschritt (3) die Phase (E) von der Phase (F) durch Dekantieren, Zentrifugieren und/oder Filtrieren abtrennt. 27. The method according to any one of claims 22 to 26, characterized in that in step (3) the phase (E) from the phase (F) by decantation, centrifuging and / or filtration is separated.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass man im Verfahrenschritt (4) die Phase (E) mindestens einmal mit der Flüssigkeit (D1 ) auswäscht, wonach man die Waschflüssigkeit von der Phase (E) abtrennt und das resultierende feuchte Gel (G) isoliert.28. The method according to any one of claims 22 to 27, characterized in that in step (4) the phase (E) washes at least once with the liquid (D1), after which the washing liquid is separated from the phase (E) and the resulting moist gel (G) isolated.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt der Lösung oder Dispersion (AC) oder (ABC) an Polymer (A) 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf (AC) oder (ABC), beträgt.29. The method according to any one of claims 22 to 28, characterized in that the content of the solution or dispersion (AC) or (ABC) of polymer (A) 0.1 to 10 wt .-%, based on (AC) or ( ABC).
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass feste, poröse Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A), wie in einem der Ansprüche 1 bis 29 definiert, resultieren.30. The method according to any one of claims 22 to 29, characterized in that solid, porous materials with core-shell structure on the basis of synthetic polymers and / or biopolymers (A), as defined in any one of claims 1 to 29 result ,
31. Verwendung der festen, porösen Materialien mit Kern-Schale-Struktur auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 sowie der mithilfe des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 22 bis 30 hergestellten festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) in der synthetischen und analytischen Chemie, der Biochemie und Gentechnologie, Biologie,31. Use of the solid, porous materials with core-shell structure based on synthetic polymers and / or biopolymers (A) according to any one of claims 1 to 21 and the solid, porous produced by the method according to any one of claims 22 to 30 Materials based on synthetic polymers and / or biopolymers (A) in synthetic and analytical chemistry, biochemistry and genetic engineering, biology,
Pharmakologie, medizinischen Diagnostik, Kosmetik, Erdgas- und Erdölfördertechnik, Prozesstechnik, Papiertechnik, Verpackungstechnik, Elektrotechnik, Magnettechnik, Kommunikationstechnik, Rundfunk- und Fernsehtechnik, Landwirtschaftstechnik, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik und Textiltechnik sowie dem Bauwesen, Land- und Seetransportwesen undPharmacology, medical diagnostics, cosmetics, natural gas and petroleum extraction technology, process technology, paper technology, packaging technology, electrical engineering, magnetic engineering, communications technology, radio and television technology, agricultural engineering, aerospace technology and textile technology and construction, land and sea transport and
Maschinenbau.Mechanical engineering.
32. Verwendung nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die festen, porösen Materialien auf der Basis von synthetischen Polymeren und/oder Biopolymeren (A) als Stützpartikel, Stützmaterialien oder Proppants,32. Use according to claim 31, characterized in that the solid, porous materials based on synthetic polymers and / or biopolymers (A) as support particles, support materials or proppants,
Konstruktionsmaterialien, Isolierungen, Gewebe, Absorbentien, Adsorbentien, Membrane, Trennmaterialien, Barriereschichten, Controlled-Release-Materialien, Katalysatoren, Kultivierungsmedien, Katalysatoren sowie farbgebende, fluoreszierende, phosphoreszierende, elektrisch leitende, magnetische, Mikrowellenstrahlung absorbierende und flammhemmende Materialien oder zu deren Herstellung verwendet werden. Construction materials, insulations, fabrics, absorbents, adsorbents, membranes, release materials, barrier layers, controlled release materials, catalysts, culture media, catalysts, as well as colorant, fluorescent, phosphorescent, electroconductive, magnetic, microwave radiation absorbing and flame retardant materials or for their manufacture ,
33. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützpartikel, Stützmaterialien oder Proppants in flüssigen Fracturing-Medien zur Bohrlochstimulierung bei der Erdgas- und Erdölförderung verwendet werden. 33. Use according to claim 32, characterized in that the support particles, support materials or proppants are used in liquid fracturing media for Bohrlochstimulierung in the natural gas and petroleum production.
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