Procédé de fabrication de capsules minuscules
La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de capsules minuscules.
Le procédé de l'invention est un perfectionnement au procédé connu selon lequel les capsules sont obtenues en gélifiant une matière destinée à constituer les parois liquides, riche en polymères et gélifiable par la température, matière déposée autour de noyaux individuels non miscibles dans l'eau lorsque la matière des noyaux et la matière des parois liquides sont en dispersion dans un véhicule aqueux à une température supérieure au point de gélification et à laquelle la matière de la paroi gélifiable se trouve à l'état liquide.
Dans ce processus, on provoque la séparation de la matière polymère des parois sous forme d'une phase liquide distincte, par un changement approprié de l'état d'un sol aqueux d'une matière polymère hydrophile formatrice de pellicules, de préférence de la gélatine ou un complexe gélatine-gomme arabique, tandis que le sol en question se trouve à une température supérieure au point de gélification de la matière polymère.
Une phase liquide a la propriété de se déposer autour de particules individuelles d'une matière mouillable non miscible dans l'eau, par exemple des gouttelettes d'huile, dispersées dans le même véhicule par agitation du système, avec ce résultat qu'il se forme sur chacun de ces noyaux une paroi liquide riche en polymères, transformée en coquille protectrice par refroidissement à une température inférieure au point de gélification du polymère, produisant ainsi des capsules susceptibles de se maintenir par elles-mêmes.
Dans le procédé selon la présente invention, on disperse une matière de paroi constituée par un polymère organique formateur de pellicule hydrophile gélifiable par la température et une matière d'induction de séparation de phases, par exemple un sel, un acide ou un alcali, dans un véhicule aqueux à une température inférieure au point de gélification de cette matière hydrophile. Cette température de dispersion est de préférence la température ambiante.
La dispersion à faible température du polymère et de la matière inductrice de séparation de phases en véhicule aqueux produit un système dans lequel, si la matière formatrice de noyaux existe également en dispersion dans le véhicule, aucun dépôt liquide de matière riche en polymère autour des noyaux n'a lieu.
Au contraire, lorsqu'une telle dispersion, à faible température, de polymères et d'une matière inductrice de séparation de phases est amenée à une température élevée, des noyaux dispersés existant soit du fait de leur addition après l'élévation de température, soit du fait de leur incorporation préalable dans la dispersion à faible température, le dépôt d'une pellicule liquide riche en polymères formatrice de paroi autour des divers noyaux se produit, exactement comme dans le processus connu et lorsque la matière des parois est gélifiée par refroidissement naturel à la température ambiante ou par des moyens artificiels avec agitation, des capsules susceptibles de se maintenir par elles-mêmes sont également produites.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de préparation de capsules minuscules composées d'une paroi en matière gélifiée renfermant un noyau solide ou liquide, non miscible à l'eau, caractérisé en ce qu'on disperse dans de l'eau une ou plusieurs matières colloïdales hydrophiles à haut poids moléculaire, aptes à former une pellicule, et dont une au moins est susceptible d'être gélifiée par l'abaissement de la température, et une matière inductrice de séparation de phases, à une température inférieure au point de gélification de la ou des matières susceptibles d'être gélifiées ; on élève la température du mélange jusqu'à un point où au moins une partie des matières colloïdales forment une phase liquide coacervée; on agite le mélange pour disperser cette phase coacervée sous forme de particules minuscules ;
et de façon, la matière constitutive des noyaux étant présente à ce moment-là dans le mélange, que les particules de la phase coacervée se déposent sur ladite matière formatrice de noyaux dispersée par agitation pour constituer une enveloppe liquide autour de chaque particule de matière formatrice de noyaux; et enfin on refroidit sous agitation le mélange en dessous du point de gélification de la matière des enveloppes.
A la faible température à laquelle la dispersion de la matière polymère et de la matière inductrice de séparation de phases se forme avec ou sans matière devant former des noyaux, la matière polymère ne se dissout pas, mais persiste largement sous forme d'une phase solide dispersée. On désignera dans la suite cet état par l'expression floculé .
Son état physique est commandé par un phénomène analogue, ou peut être identique, aux forces d'insolubilisation, le système étant, par la présence de la matière inductrice de séparation de phases dans un état qui constituerait la région de séparation de phases si la température était supérieure au point de gélification, la dispersion de la matière polymère est donc stable pendant une longue durée et est à même, lorsqu'on la chauffe au-dessus de la température de gélification, de former au moins une phase liquide riche en polymères capable de se déposer autour des noyaux sans passer par l'étape de formation d'un sol homogène et la séparation de phase ultérieure par coacervation comme dans le processus connu.
Les températures sont désignées ci-après comme étant basses et élevées suivant la fluidité de la matière polymère dans un système particulier. Cette température critique n'est pas unique, mais est plutôt comprise dans une gamme relativement étroite légèrement différente pour chaque polymère particulier ou pour chaque mélange de matière. Par durcissement ultérieur, la matière polymère gélifiée des parois ne se désintègre pas, ni ne fond à des températures atteignant 1000 C.
Les avantages du procédé de l'invention sont nombreux du fait de la dispersion à faible température des matières formatrices de capsules. Un mélange préalable peut être effectué par une personne compétente et emmagasiné dans des récipients, puis utilisé effectivement par quelqu'un qui n'est pas familier avec cette technique chimique particulière, car dans le cas le plus simple, on a seulement besoin pour préparer des capsules de chauffer (avec addition d'eau s'il n'y en a pas dans le mélange préalable), d'agiter et de refroidir. I1 s'agit d'une opération que n'importe qui peut exécuter après avoir reçu des instructions simples.
Lorsqu'il manque un ingrédient quelconque dans le mélange préalable, par exemple la matière devant former des noyaux, qui peut être choisie et introduite par l'utilisateur, le procédé est encore simple, comparé aux procédés connus de préparation de capsules en masse et sans manipulation spéciale et individuelle de chaque capsule.
Après avoir ainsi décrit d'une manière générale le procédé, on décrira dans la suite les catégories de substances préférées et utilisables pour la matière devant former les parois, la matière inductrice de séparation de phases et la matière devant former les noyaux, ainsi que les procédures utilisées dans divers exemples particuliers quantitatifs en utilisant les matières préférées pour la préparation desdites capsules.
La matière formant les parois des capsules terminées doit exister à la température ambiante dans un état où elles sont susceptibles de se maintenir par elles-mêmes et de préférence il s'agit d'une matière polymère hydrophile gélifiable par température et formatrice de pellicule, comportant un point de gélification de la phase liquide riche en polymères, dans l'eau, sensiblement supérieur à la température ambiante normale. La gélatine des animaux à sang chaud est éminemment appropriée à cet effet, car elle remplit les exigences de température, elle est une formatrice de pellicule de premier ordre.
Dans l'eau, elle peut être convenablement préparée pour prendre l'état liquide gélifiable par elle-même en présence de certains sels ou pour former un complexe avec d'autres matières polymères naturelles ou synthétiques qui ont une charge négative par rapport à la gélatine en dessous de son point iso-électrique, par exemple la gomme arabique, l'anhydride maléique polyéthylène, l'anhydride maléique polyvinyle méthyl éther, l'acide polyméthacrylique ou des combinaisons de ces corps, en complexes avec la gélatine.
La matière formant les noyaux peut être liquide ou solide, différents types de liquide en solution, différents types de liquide en dispersion, ou des dispersions de solides dans un liquide, la seule exigence consistant en ce que les liquides ou les solides soient dispersables dans l'eau, ce qui implique leur nonmiscibilité dans l'eau, totalement ou dans une grande mesure comme ce serait le cas si quelques pour-cent du liquide ou du solide saturaient la phase aqueuse laissant le reste non miscible avec elle.
Des liquides non miscibles dans l'eau sont les huiles végétales, minérales, animales et synthétiques, par exemple l'huile de maïs, l'huile de graine de coton, l'huile de graine de lin, l'huile de ricin, l'essence de menthe, les essences parfumées de plantes, la graisse de lard, l'huile de baleine, les fractions pétrolières, le trichloro-diphényl, parmi beaucoup d'autres, trop nombreuses pour être mentionnées. I1 peut exister des solides non miscibles dans l'eau et encapsulés, tels par exemple l'oxyde de fer magnétique en poudre, séparément ou suspendu dans une huile, des pigments, des huiles pigmentées, des pOIl- dres cristallines ou amorphes telles que les colorants et tout ce qui est pratiquement non mis cible à l'eau et susceptible d'être mouillé par la matière polymère liquide des parois.
A titre d'exemple particulier de matière pouvant former les noyaux, on peut citer l'hexane, le trichloro-diphényl, l'anhydride pyroméllitique, la carvone, le sulfure de zinc et le sulfate de baryum. Presque d'une manière universelle tous les fragments de matière solide qui ne sont pas miscibles à l'eau sont susceptibles d'être mouillés par la matière polymère liquide des parois et agiront comme matière formatrice de noyaux des capsules.
Si le solide utilisé est d'une espèce comminuée par agitation, on peut l'ajouter en bloc, dans le cas contraire on l'introduit dans le système déjà comminué.
L'eau additionnée peut être modifiée d'une manière quelconque connue tant que son volume est suffisant pour supporter la formation d'une phase mobile liquide dispersée riche en polymères, constituée par la matière polymère formatrice de paroi, introduite, plus la matière formatrice de noyaux, et tant que les éléments de modification n'empêchent pas la séparation de phase et ne réagissent pas avec la matière inductrice de la séparation de phases ou avec les matières des capsules. Par exemple, l'eau peut être teintée à l'aide d'un colorant soluble dans l'eau qui colore les parois des capsules.
L'invention est illustrée à l'aide d'un certain nombre d'exemples.
Exemple I
Dans cet exemple, on effectue à la température ambiante, dans un petit échantillon un pré-mélange composé de 20 grammes de gélatine de peau de porc ayant un point iso-électrique correspondant à un pH de 8,9, 980 grammes d'eau, 800 millilitres d'une solution aqueuse à 20 O/o en poids de sulfate d'ammonium et la matière formatrice de noyaux. Celle-ci est constituée par 200 millilitres d'huile de maïs, qui peut être introduite dans le pré-mélange à la température ambiante.
Si le pré-mélange doit contenir la matière polymère sous forme finement divisée pour une dissolution rapide lors du chauffage ultérieur, la matière polymère peut d'abord être introduite dans l'eau, laquelle est chauffée pour former une solution préliminaire du polymère aqueux qui est alors refroidi à 270 C. Ensuite, on ajoute sous agitation un agent inducteur de la séparation de phase, de manière à provoquer la formation d'un précipité solide floculant ayant une dimension particulaire de l'ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns. Ce précipité peut alors lui-même constituer le prémélange emmagasinable auquel on peut ajouter la matière devant former les noyaux.
Dans l'utilisation le pré-mélange est chauffé entre 35 et 500 C en agitant de manière à constituer une phase dispersée, riche en polymère, dispersible sur la matière formatrice de noyaux, et les matières sont ensuite maintenues en état d'agitation jusqu'à formation de capsules à parois liquides lesquelles sont ensuite laissées à l'état d'automaintien par refroidissement, au moins à la température ambiante (20 à 250 C) et durcies, si on la désire.
Exemple lI
Dans cet exemple, on effectue un pré-mélange de 10 grammes de gélatine extraite par un acide avec 10 grammes de gomme arabique, la gélatine étant extraite de peau de porc et l'acidité de la gélatine du fait de la méthode d'extraction étant telle que lorsque le mélange est introduit dans 880 grammes d'eau, et chauffé en agitant, à 35 à 550 C, le pH du système est compris entre 3 et 4, ce qui est dans la gamme de séparation de phase.
La gélatine et la gomme arabique forment alors une phase liquide complète qui est dispersée dans l'eau par agitation sous forme d'entité liquide minuscule riche en polymères, disponible pour l'ensemencement sur des particules formatrices de noyaux et la formation autour de ces particules d'une paroi liquide qui est ensuite gélifiée par refroidissement naturel ou artificiel en dessous du point de gélification de la matière déposée des parois. I1 se forme ainsi des capsules à automaintien qui peuvent être récupérées à partir de l'eau et séchées sans chaleur.
Si l'on désire rendre les capsules résistantes à la chaleur de façon qu'elles puissent être séchées à l'air chaud, ou dans un autre milieu chaud, elles doivent être durcies par un agent réticulant tel que la formaldéhyde ou la glutaraldéhyde. Si l'on utilise de la glutaraldéhyde, elle est introduite en agitant dans une quantité de 10 millilitres d'une solution aqueuse à 25 pour cent qui, lorsqu'elle est mélangée pendant deux heures environ durcit les capsules jusqu'à un degré qui dépend de la durée du traitement. Le durcissement par glutaraldéhyde peut être effectué à la température ambiante ou à une température inférieure.
En utilisant de la formaldéhyde, on introduit 1,9 millilitre d'une solution aqueuse à 37 pour cent dans le système après formation des capsules à paroi liquide le pH étant élevé à la valeur de 9 et la température réduite à 100 C pour empêcher la désintégration de la paroi liquide. D'autres aldéhydes et d'autres agents réticulants peuvent être utilisés en lieu et place de ceux qu'on a indiqués.
L'anhydride maléique polyéthylène ou l'anhydride maléique polyvinyl-méthyl-éther peuvent être utilisés en partie ou en totalité comme substituts de la gomme arabique, comme polymères négatifs, mais en concentration plus faible qui peut varier largement.
Manufacturing process of tiny capsules
The present invention relates to a method of manufacturing tiny capsules.
The process of the invention is an improvement to the known process according to which the capsules are obtained by gelling a material intended to constitute the liquid walls, rich in polymers and gellable by temperature, material deposited around individual cores immiscible in water. when the core material and the liquid wall material are dispersed in an aqueous vehicle at a temperature above the gel point and the gel wall material is in a liquid state.
In this process, the polymeric material is caused to separate from the walls as a distinct liquid phase by an appropriate change in the state of an aqueous sol of a hydrophilic polymeric film-forming material, preferably gelatin or a gelatin-gum arabic complex, while the sol in question is at a temperature above the gel point of the polymeric material.
A liquid phase has the property of settling around individual particles of a water-immiscible wettable material, for example oil droplets, dispersed in the same vehicle by agitation of the system, with the result that it settles. forms on each of these cores a liquid wall rich in polymers, transformed into a protective shell by cooling to a temperature below the gel point of the polymer, thus producing capsules capable of maintaining themselves.
In the process according to the present invention, a wall material consisting of an organic polymer forming a hydrophilic film that can be gelled by temperature and a phase separation inducing material, for example a salt, an acid or an alkali, is dispersed in an aqueous vehicle at a temperature below the gel point of this hydrophilic material. This dispersion temperature is preferably room temperature.
The low temperature dispersion of the polymer and phase separation inducing material in an aqueous vehicle produces a system in which, while the core forming material also exists dispersed in the vehicle, no liquid deposition of polymer rich material around the cores. does not take place.
On the contrary, when such a low temperature dispersion of polymers and a phase separation inducing material is brought to an elevated temperature, dispersed cores exist either due to their addition after the temperature rise or due to their prior incorporation into the dispersion at low temperature, the deposition of a liquid film rich in wall-forming polymers around the various cores occurs, exactly as in the known process and when the wall material is gelled by natural cooling at room temperature or by artificial means with agitation, self-sustaining capsules are also produced.
Thus, the invention relates to a process for preparing tiny capsules composed of a wall of gelled material containing a solid or liquid core, immiscible with water, characterized in that one or more is dispersed in water. High molecular weight hydrophilic colloidal materials capable of forming a film, at least one of which is capable of being gelled by lowering the temperature, and a phase separation inducing material, at a temperature below the gel point of the material (s) capable of being gelled; raising the temperature of the mixture to a point where at least part of the colloidal materials form a coacervated liquid phase; the mixture is stirred to disperse this coacervated phase in the form of tiny particles;
and in such a way, the constituent material of the cores being present at that moment in the mixture, that the particles of the coacervated phase are deposited on said nucleus-forming material dispersed by stirring to constitute a liquid envelope around each particle of forming material nuclei; and finally the mixture is cooled with stirring below the gel point of the shell material.
At the low temperature at which the dispersion of the polymeric material and phase separation inducing material forms with or without material to form nuclei, the polymeric material does not dissolve, but largely persists as a solid phase. dispersed. This state will be designated below by the expression flocculated.
Its physical state is controlled by a phenomenon analogous, or may be identical, to the insolubilization forces, the system being, by the presence of the phase separation inducing material in a state which would constitute the phase separation region if the temperature was above the gel point, the dispersion of the polymeric material is therefore stable for a long time and is able, when heated above the gel temperature, to form at least one polymer-rich liquid phase capable to settle around the nuclei without going through the step of forming a homogeneous sol and subsequent phase separation by coacervation as in the known process.
Temperatures are hereinafter referred to as low and high depending on the fluidity of the polymeric material in a particular system. This critical temperature is not unique, but rather falls within a relatively narrow range that is slightly different for each particular polymer or for each mixture of materials. Upon subsequent curing, the gelled polymeric material of the walls does not disintegrate or melt at temperatures up to 1000 C.
The advantages of the process of the invention are numerous due to the low temperature dispersion of the capsule-forming materials. Pre-mixing can be done by a skilled person and stored in containers, and then actually used by someone who is not familiar with that particular chemical technique, since in the simplest case one only needs to prepare capsules to heat (with the addition of water if there is none in the preliminary mixture), to stir and to cool. This is an operation that anyone can perform after receiving simple instructions.
When any ingredient is missing from the premix, for example the material to form cores, which can be selected and introduced by the user, the process is still simple, compared to known processes for preparing capsules in bulk and without. special and individual handling of each capsule.
After having thus generally described the process, the following categories of substances which are preferred and which can be used for the material to form the walls, the phase separation inducing material and the material to form the cores, will be described below. procedures used in various specific quantitative examples using the preferred materials for the preparation of said capsules.
The material forming the walls of the finished capsules should exist at room temperature in a state where they are capable of being self-sustaining and preferably it is a hydrophilic, temperature-gelable, film-forming polymeric material comprising a gel point of the liquid phase rich in polymers, in water, substantially higher than normal room temperature. Gelatin from warm-blooded animals is eminently suitable for this purpose, as it meets the temperature requirements, it is a first-rate film-forming.
In water, it can be suitably prepared to take on a gellable liquid state on its own in the presence of certain salts or to form a complex with other natural or synthetic polymeric materials which have a negative charge with respect to gelatin. below its isoelectric point, for example gum arabic, polyethylene maleic anhydride, polyvinyl maleic anhydride methyl ether, polymethacrylic acid or combinations thereof, in complexes with gelatin.
The material forming the cores can be liquid or solid, different types of liquid in solution, different types of liquid in dispersion, or dispersions of solids in liquid, the only requirement being that the liquids or solids be dispersible in the liquid. 'water, which implies their immiscibility in water, totally or to a great extent as would be the case if a few percent of the liquid or the solid saturated the aqueous phase leaving the remainder immiscible with it.
Water-immiscible liquids are vegetable, mineral, animal and synthetic oils, for example corn oil, cottonseed oil, linseed oil, castor oil, l mint essence, scent plant essences, bacon fat, whale oil, petroleum fractions, trichloro-diphenyl, among many others, too numerous to mention. There may be solids immiscible in water and encapsulated, such as for example powdered magnetic iron oxide, separately or suspended in an oil, pigments, pigmented oils, crystalline or amorphous pOIldres such as dyes and anything which is substantially unwatered and susceptible to being wetted by the liquid polymer material of the walls.
Mention may be made, by way of particular example of material which can form the rings, of hexane, trichloro-diphenyl, pyromellitic anhydride, carvone, zinc sulphide and barium sulphate. Almost universally all fragments of solid material which are immiscible with water are susceptible to being wetted by the liquid polymeric material of the walls and will act as the core-forming material of the capsules.
If the solid used is of a species comminuted by stirring, it can be added en bloc, otherwise it is introduced into the already comminuted system.
The added water can be modified in any known manner as long as its volume is sufficient to support the formation of a dispersed liquid mobile phase rich in polymers, consisting of the polymeric wall-forming material introduced, plus the wall-forming material. cores, and as long as the modifying elements do not prevent phase separation and do not react with the phase separation inducing material or with the capsule materials. For example, water can be tinted using a water soluble dye that colors the walls of the capsules.
The invention is illustrated with the aid of a number of examples.
Example I
In this example, a premix consisting of 20 grams of pig skin gelatin having an isoelectric point corresponding to a pH of 8.9, 980 grams of water, is carried out at room temperature, in a small sample, 800 milliliters of a 20 O / o by weight aqueous solution of ammonium sulphate and the nucleus-forming material. This consists of 200 milliliters of corn oil, which can be introduced into the premix at room temperature.
If the premix is to contain the polymeric material in finely divided form for rapid dissolution on subsequent heating, the polymeric material may first be introduced into water, which is heated to form a preliminary solution of the aqueous polymer which is then cooled to 270 ° C. Then, an agent inducing phase separation is added with stirring, so as to cause the formation of a flocculating solid precipitate having a particle size of the order of a few microns to a few tens of microns. This precipitate can then itself constitute the storable premix to which one can add the material which is to form the nuclei.
In use the premix is heated between 35 and 500 ° C. with stirring so as to constitute a dispersed phase, rich in polymer, dispersible on the core-forming material, and the materials are then kept in a state of agitation until forming liquid-walled capsules which are then left in a self-sustaining state by cooling, at least to room temperature (20 to 250 ° C.) and hardened, if desired.
Example lI
In this example, a premixing of 10 grams of gelatin extracted with an acid is carried out with 10 grams of gum arabic, the gelatin being extracted from pig skin and the acidity of the gelatin due to the extraction method being such that when the mixture is introduced into 880 grams of water, and heated with stirring, to 35 to 550 C, the pH of the system is between 3 and 4, which is in the phase separation range.
Gelatin and gum arabic then form a complete liquid phase which is dispersed in water by stirring as a tiny liquid entity rich in polymers, available for seeding on and forming nucleus-forming particles. a liquid wall which is then gelled by natural or artificial cooling below the gel point of the material deposited on the walls. Self-sustaining capsules are thus formed which can be recovered from water and dried without heat.
If it is desired to make the capsules heat resistant so that they can be dried in hot air, or other hot medium, they must be cured with a crosslinking agent such as formaldehyde or glutaraldehyde. If glutaraldehyde is used, it is introduced by stirring into an amount of 10 milliliters of a 25 percent aqueous solution which when mixed for about two hours hardens the capsules to a degree which depends. the duration of treatment. Glutaraldehyde curing can be carried out at room temperature or at a lower temperature.
Using formaldehyde, 1.9 milliliters of a 37 percent aqueous solution are introduced into the system after formation of the liquid-walled capsules with the pH being raised to the value of 9 and the temperature reduced to 100 C to prevent build-up. disintegration of the liquid wall. Other aldehydes and other crosslinking agents can be used instead of those indicated.
Polyethylene maleic anhydride or polyvinyl-methyl-ether maleic anhydride can be used in part or in whole as substitutes for gum arabic, as negative polymers, but in lower concentration which can vary widely.