DE102014013354A1 - The invention relates to an apparatus and method for producing microencapsulated paraffin particles by an electrostatic rotary nozzle spray method and the use of this method. The thus encapsulated paraffin particles can be used for - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von mikroverkapselten Paraffinpartikel durch ein elektrostatisches Rotationsdüsen-Absprühverfahren. Die Verwendung dieses Verfahren, in Verbindung mit einem weiteren, der des Koagulationsverfahren, eine vollständige Belegung der Paraffinpartikel-Oberfläche mit einem polymeren Werkstoff ermöglicht. Die erfindungsgemäße Partikel sind dadurch gekennzeichnet, dass diese mikroverkapselten Paraffinpartikel für Phase Change Materials (Phasenwechselmaterialien), PCM, einschließlich PCM-Verbunde (PCM-V), PCM-Objekte (PCM-O) und PCM-Systeme (PCM-S), Einstufung nach RAL-GZ 896, benutzt werden kann.The invention relates to an apparatus and method for producing microencapsulated paraffin particles by an electrostatic rotary nozzle spray method. The use of this method, in conjunction with another one of the coagulation method, allows complete coverage of the paraffin particle surface with a polymeric material. The particles according to the invention are characterized in that they contain microencapsulated paraffin particles for phase change materials, PCM, including PCM composites (PCM-V), PCM objects (PCM-O) and PCM systems (PCM-S), classification according to RAL-GZ 896, can be used.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von mikroverkapselten Paraffinpartikel durch ein elektrostatisches Rotationsdüsen-Absprühverfahren sowie die Verwendung dieses Verfahren. Die so verkapselten Paraffinpartikel können für Phase Change Materials, PCM (Phasenwechselmaterial) einschließlich PCM-Verbunde, PCM-Objekte und PCM-Systeme eingesetzt werden.The invention relates to an apparatus and method for producing microencapsulated paraffin particles by an electrostatic rotary nozzle spray method and the use of this method. The thus encapsulated paraffin particles can be used for phase change materials, PCM (phase change material) including PCM composites, PCM objects and PCM systems.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren wie Vertropfungs-, Rührkessel-, Mehrstoffdüsenverfahren, Doppelemulsionsmethode, elektrostatische Mikroverkapselung, Phasenseperationsmethode (Koazervation), Grenzflächenreaktion, In-situ-Polymerisation zur Herstellung von mikroverkapselten Partikeln sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.Methods such as dropping, stirred tank, multi-fluid nozzle method, double emulsion method, electrostatic microencapsulation, phase separation method (coacervation), interfacial reaction, in situ polymerization for the preparation of microencapsulated particles are known in the art from the prior art.
Weiterhin ist bekannt, dass durch das Verspinnen von Polymermischungen zu Nanofasern oder kugelförmigen Partikeln, und der nachfolgender Entfernung einer Polymerphase, dieses zu porösen Strukturen an und in Nanofaser- oder kugelförmigen Partikeln führt. (
Weiterhin wird dort beschrieben, dass eine zusätzliche Möglichkeit darin besteht, die Luftfeuchtigkeit zu nutzen, um eine Kondensation von Wassertropfen auf dem „Jet” herbeizuführen. (
Bei einer Fällung von Polymeren im Fällbad spricht man von einer Phaseninversionsmethode. Die daraus entstandenen Produkte besitzen eine Kapillarstruktur. Hierbei ist wiederum das Koagulationsverfahren das am meisten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Materialien mit einer offenporigen Kapillarstruktur. Siehe dazu Aufsatz von
Durch die unterschiedlichsten Fällungsverfahren ist es möglich, feine bis grobe Poren von 100 bis 50.000 nm auch schichtenweise verteilt herzustellen. Innerhalb dieser Polymerschicht können zusätzliche Füllstoffe, unter der Bedingung, Partikelgröße kleiner Porengröße eingebaut und mit besonderen Ab- oder Desorptionseigenschaften eingebracht werden, damit deren Zugang durch die Kapillarstruktur gesichert ist.Due to the variety of precipitation methods, it is possible to produce fine to coarse pores of 100 to 50,000 nm also distributed in layers. Within this polymer layer additional fillers, under the condition, particle size small pore size can be installed and introduced with special Ab- or desorption properties, so that their access is ensured by the capillary structure.
Bei dem Koagulationsverfahren erfolgt der Übergang vom Sol-zum Gel-Faden und damit die sogenannte Phaseninversion durch Austausch des Lösungsmittel gegen ein Fällmittel, indem der Polymer unmittelbar unverzüglich in ein Fällbad eintaucht. Von Vorteil für das Verfahren ist in jedem Fall eine unbegrenzte Löslichkeit von Lösungsmittel und Fällmittel ineinander, wie es beispielhaft bei DMF, NMP und Wasser der Fall ist. Entscheidend für die Eignung zum Koagulationsverfahren ist die Forderung nach der Koagulationsfähigkeit einer Lösung. Ausschlaggebendes Kriterium für die Bildung mikro- und nanoporöser Strukturen ist die Fällmittel-Empfindlichkeit, die bei der Zugabe von gereinigten Wassermengen zur Entstehung von Assoziäten führt.In the coagulation process, the transition from the sol to the gel thread and thus the so-called phase inversion by exchange of the solvent for a precipitant by the polymer immediately immediately immersed in a precipitation bath. In any case, an unlimited solubility of solvent and precipitant into one another is advantageous for the process, as is the case, for example, with DMF, NMP and water. Decisive for the suitability for the coagulation process is the requirement for the coagulation ability of a solution. The decisive criterion for the formation of micro- and nanoporous structures is the precipitant sensitivity, which leads to the formation of associates when purified water is added.
Die Gelbildung im Partikel führt zumeist zur Ausbildung einer asymetrischen Porenstruktur, da sich beim Kontakt des Partikels mit dem Fällmittel eine Transportbarriere aufbaut, die das diffundierende Lösemittel in das Fällmittel bzw. des Fällmittels in den Partikel behindert. Aus diesem Grund erfolgt die Fällung meist durch Zusatz von 20 bis 50% Lösungsmittel in das Fällbad.The gel formation in the particle usually leads to the formation of an asymmetric pore structure, since a transport barrier builds up upon contact of the particle with the precipitant, which hinders the diffusing solvent into the precipitant or the precipitant in the particles. For this reason, the precipitation usually takes place by adding 20 to 50% solvent in the precipitation bath.
Das Prinzip der Phaseninversion wird vor allem bei der Membran Herstellung von Polyarylensulfonen, aromatischem Polyamid oder Celluloseacetat sowie bei der Herstellung bestimmter Fasern wie Polyacrylnitril und Polyurethan genutzt.The principle of phase inversion is used above all in the membrane production of polyarylene sulfones, aromatic polyamide or cellulose acetate and in the production of certain fibers such as polyacrylonitrile and polyurethane.
Es ist bekannt, dass die Phaseninversion einer Lösung durch Änderung des thermodynamischen Zustandes eingeleitet wird. Dies kann durch Verdunsten eines Teils des Lösungsmittel bzw. einer Lösungsmittelkomponente, durch Zugabe einer weiteren Komponente (Fällmittel) in die Lösung oder durch eine Temperaturänderung erfolgen.It is known that the phase inversion of a solution is initiated by changing the thermodynamic state. This can be done by evaporating a part of the solvent or a solvent component, by adding a further component (precipitant) in the solution or by a change in temperature.
Zur Herstellung von Nano- und Mikropartikeln sind dem Fachmann eine Vielzahl von Verfahren bekannt, bei denen augenblicklich dem Elektrospinnverfahren eine große Aufmerksamkeit gewidmet wird.For the preparation of nanoparticles and microparticles, the person skilled in a variety of methods are known in which currently the electrospinning process is given much attention.
In den beschriebenen Verfahren der
Das Absprühen von Farbe (Polymerlösung) an einer Düse oder Kante wird beschrieben in dem Artikel von
Das Gebiet, das in seiner räumlichen Ausdehnung den oberen Teil des Tröpfchenkegel einnimmt, nämlich die der Fadenbildung im Zerwellgebiet, wurde aus mangelnder Erkenntnis der sich abspielenden Vorgänge zum Gebiet der bereits zerfallenden Teilchen gerechnet. (
Es wird dort gelehrt, dass Fadenlänge und Teilchengröße von der Feldstärke, weiterhin von den chemisch-physikalische Daten der Flüssigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Oberflächenspannung, Dipolmoment und Dielektrizitäkonstante und mechanischen Daten des Zerstäuberaggregates wie Überdruck beim Austritt aus der Düse oder Profil der Zerstäuberkante, Umfangsgeschwindigkeit und Benetzungsgrad der Kante abhängig ist. (
Die dort beispielhaft beschriebene rotierende Glocke erzeugt ein kreisringförmiges Sprühbild mit relativ kleinem Innendurchmesser.The rotating bell described by way of example produces an annular spray pattern with a relatively small inner diameter.
Gebildet wird das Sprühbild durch den Durchmesser der Glocke, die Höhe der angelegten Spannung, vom Abstand zwischen Zerstäuber und Werkstück. Glockendurchmesser wird mit 40 bis 300 mm beschrieben. Der Antrieb der Glocke erfolgt mit Elektromotor, Luftturbine oder hydraulisch. (
Der Mechanismus der elektrostatischen Lackzerstäubung wird von
In der Ausgabe
Weitere detaillierte Erläuterungen und Bilder werden beschrieben unter Allgemeine Beobachtungen, Einfluss der Scheibengeschwindigkeit auf die Zerstäubung, Einfluss der Höhe der Spannung auf die Zerstäubung, Einfluss des Grads der Benetzung der Zerstäuberkante, Einfluss des Kantenprofils, Einfluss der Gegenelektrode u. a. m. von
Beispielhaft wird in
In den Erläuterungen: Zum
Zusammenhang zwischen Leitungs-, Korona- und Triboaufladung bezüglich der Teilchenaufladung an einer Glocke oder Scheibe mit scharfen Rand und Hochrotation mit Drehzahlen im Bereich von 20.000 bis 60.000 U/min und der dadurch auftretende Effekt des Abreiben am Luftwiderstand werden von
Bei dem elektrostatischen Rotations-Spinnen kann man grundsätzlich zwischen unterschiedlichen Mechanismen unterscheiden: die langsam drehende Scheibe oder Glocke. Nadeln oder dünne Drähte und einem Sprühspalt zwischen Absprüh- und Gegenelektrode (
Das mechanische mit einer elektrostatischen Deposition verbundenen Hoch-Rotationsspinnen mittels Glocke. (
Aufgabenstellungtask
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte und günstig herstellbare Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von mikroverkapselten Paraffinkugeln in einem elektrostatischen Hochrotation-Absprühverfahren mittels einer Glocke anzugeben, bei welcher zumindest ein Teil der bekannten Nachteile ausgeschlossen ist. Die Absprüheinheit kann auf einer Bewegungsmaschine montiert sein und Bewegungen um die Längs-, Quer- und Hochachse ausführen. Beständigkeit gegen Wasser und Medien sind zu erfüllen.The object of the present invention is to provide an improved and inexpensive to manufacture device and a method for producing microencapsulated paraffin balls in a high-pressure electrostatic spray-off by means of a bell, in which at least a part of the known disadvantages is excluded. The ejection unit may be mounted on a motion machine and perform movements about the longitudinal, transverse and vertical axis. Resistance to water and media must be fulfilled.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des beigefügten Anspruch 1. sowie ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch (1 bis 10) erfolgt. Die Ansprüche (Aufladungsformen) stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.This object is achieved in that a device and a method with the features of the appended
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei dem elektrostatischen Hochrotation-Absprühverfahren für die elektrostatische Aufladung des zu verspinnenden Polymers, diese auf unterschiedliche Arten erfolgen kann. Bei der Leitungs- und Kontaktaufladung wird das Polymer durch den Kontakt mit der metallischen Rotationsglocke elektrostatisch aufgeladen. Bei den elektrisch leitfähigen Polymeren kann eine Kontaktaufladung nicht ohne weiteres eingesetzt werden. Eine hohe Leitfähigkeit des Polymers würde zu einem Kurzschluss in der Spannungsversorgung führen. Ist eine geringe Anzahl von unterschiedlichen leitfähigen Polymeren für den Wechsel vorgesehen, kann die Polymerversorgung isoliert aufgebaut werden. Das heißt, Polymerbehälter und Polymerversorgungleitungen werden isoliert installiert.A particular advantage of the invention is that in the electrostatic high-rotation Absprühverfahren for the electrostatic charging of the polymer to be spun, this can be done in different ways. During conduction and contact charging, the polymer is electrostatically charged by contact with the metallic rotary bell. In the case of the electrically conductive polymers, contact charging can not readily be used. A high conductivity of the polymer would lead to a short circuit in the power supply. If a small number of different conductive polymers are provided for the change, the polymer supply can be built up in isolation. That is, polymer containers and polymer supply lines are installed in isolation.
Bei der Außen- oder Koronaaufladung befinden sich die Rotationsglocke und die ihr zugeführte Polymerlösung auf Erdpotential. Die Aufladung des Polymerfadens erfolgt erst nach Verlassen der Rotationsglocke durch Ionisation des Polymerpartikels durch eine externe Elektrode.In external or corona charging, the rotary bell and the polymer solution supplied to it are at ground potential. The charging of the polymer thread takes place only after leaving the rotary bell by ionization of the polymer particle by an external electrode.
Werden nun die beiden Aufladungsformen der Außen- und Kontaktaufladung zum sogenannten Twin-Charge Verfahren kombiniert, können beide Vorteile miteinander verbunden werden. Diese sind dadurch gegeben, dass das Polymer ebenfalls in der Rotationsglocke aufgeladen wird, und eine Überlagerung mit einem von einer Außenaufladungselektrode erzeugten zusätzlichen elektrischen Feld zu einer engen Partikelführung der sich auf dem Weg zur Gegenelektrode befindlichen mikroverkapselten Paraffinkugeln führt.Now, the two forms of charging the external and contact charging combined to form the so-called twin-batch process, both advantages can be interconnected. These are due to the fact that the polymer is also charged in the rotary bell, and an overlay with an additional electric field generated by an external charging electrode leads to a narrow particle guidance of the microencapsulated paraffin spherules located on the way to the counterelectrode.
Es kann zusätzlich gegen Erde isoliert werden durch die Verwendung eines sog. Potentialtrenners, der Kontakt zwischen Glocke und Gegenelektrode, und den sich dazwischen befindlichen leitfähigen mikroverkapselten Partikeln gebildet, gegen Erde isoliert werden. Somit wird der sonst zwangsläufig entstehende Kurzschluss verhindert. Dies ist insbesondere notwendig beim Absprühen von MWCNT, Grafit oder Graphene des mit Paraffin gefüllten Polymers auf Grund seiner äußerst guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit notwendig.In addition, it can be isolated from earth by the use of a so-called potential separator, which forms the contact between the bell and the counterelectrode, and the conductive microencapsulated particles formed between them, which are isolated from earth. Thus, the otherwise inevitably resulting short circuit is prevented. This is especially necessary when spraying MWCNT, graphite or graphene of the paraffin-filled polymer due to its extremely good thermal and electrical conductivity.
Die Hochrotations-Absprüheinheit
Das zu versprühende Polymers wird durch kleine Bohrungen und Ventile in die rotierende Glocke geleitet. Die Zuführung des Polymers kann zentrisch oder auch azentrisch in die Glocke erfolgen. Der Glockenantrieb erfolgt durch eine radial angetriebene Turbinenscheibe. Über die Glockeninnenfläche gelangt das gelöste Polymer an den Rand der rotierenden Glocke und unterliegt dort mechanischen-, aerodynamischen und Fliehkräften. Die ab geschleuderten Mikropartikel bewegen sich radial von der Glocke weg und würden falls nicht axial gelenkt, die Gegenelektrode (Ablege Einheit) nicht erreichen.The polymer to be sprayed is passed through small holes and valves in the rotating bell. The supply of the polymer can be centric or acentric in the bell. The bell drive is performed by a radially driven turbine disk. The dissolved polymer reaches the edge of the rotating bell via the inner surface of the bell and is subject to mechanical, aerodynamic and centrifugal forces. The centrifuged microparticles move radially away from the bell and would not reach the counterelectrode (depositing unit) if not steered axially.
Dies wird durch die Unterstützung der Lenkluft erreicht. Der Austritt der Lenkluft erfolgt durch einen Bohrungskreis hinter der Glocke und führt die mikroverkapselten Paraffinkugeln in Richtung Ablegeeinheit.This is achieved by the support of the shaping air. The discharge of the shaping air takes place through a hole circle behind the bell and guides the microencapsulated paraffin balls in the direction of the laying unit.
Die Lenkluft hat den nicht gewollten Effekt, dass nämlich die Luft bei dem Erreichen an der Ablegeeinheit in Richtung Absauganlage vorbei bewegt wird, und die sich in der Lenkluft befindliche Partikel somit zusammen mit der Abluft an der Ablegeeinheit teilweise vorbeigeführt werden.The shaping air has the undesired effect of the air being moved past in the direction of the extraction unit when it reaches the depositing unit, and the particles located in the deflecting air thus being partially guided past the depositing unit together with the exhaust air.
Um dieses zu vermindern setzt man die Glocke auf ein hohes elektrostatisches Potential von 10–100 kV. Hierdurch wird erreicht, dass die elektrisch geladenen Partikel sich nun in ihrer Mehrzahl auf der elektrisch geerdeten Ablegeeinheit ablagern.
Diese Verfahrensweise ermöglicht sehr hohe Auftragungswirkungsgrade. Die Hochrotations-Absprüheinheit kann an Bewegungsmaschinen, sogenannten Robotern, aber auch an lineare Hubeinrichtung angebracht sein. Somit können komplexe flächige und gekrümmte Oberflächen-Geometrien mit Partikel belegt werden. Einschränkungen treten lediglich bei Vertiefungen an der Ablegeeinheit dort auf, wo durch die Ausbildung eines Faraday'schen Käfigs die elektrostatischen Kräfte ausgeblendet werden.This procedure allows very high application efficiencies. The high-rotation spray-on unit can be attached to moving machines, so-called robots, but also to a linear lifting device. Thus, complex surface and curved surface geometries can be coated with particles. Restrictions occur only in depressions on the depositing unit where the formation of a Faraday cage eliminates the electrostatic forces.
Die Versorgung der Glocke mit dem Polymer kann durch zwei Arten erfolgen, nämlich die der Außenversorgung und die der Innenversorgung. Bei der Außenversorgung ist die Glocke auf einer Welle aus Vollmaterial befestigt. Der sich in Lösung befindliche Polymer und seine notwendigen Spülmittel werden außerhalb der Welle durch die Absprüheinheit zu einem sich in der Einheit befindlichen Polymer-Verteiler geleitet, der dafür sorgt, dass der Polymer zentrisch in die Glocke eingeleitet wird. Hierbei können aufgrund des geringen Wellendurchmessers einfache Wälzlager eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Anordnung liegt in der höheren Verschmutzungsneigung der Glocke.The supply of the bell with the polymer can be done by two types, namely the external supply and the internal supply. In the external supply, the bell is mounted on a shaft made of solid material. The polymer in solution and its necessary rinsing agents are passed outside the shaft through the sparger to a unitary polymer manifold which causes the polymer to be centrally introduced into the bell. In this case, simple rolling bearings can be used due to the small shaft diameter. The disadvantage of this arrangement is the higher tendency for soiling of the bell.
Die Innenversorgung der Glocke durch das Polymer erfolgt dadurch, dass eine rotierende Hohlwelle die Medienzufuhr zur Glocke gewährleistet. Das Polymer kann dadurch zentrisch in die rotierende Glocke geleitet werden. Nachteilig bei dieser Konfiguration ist ein relativ großer Hohl-Wellendurchmesser mit den benötigt hohen Drehzahlen. Stand der Technik ist, dass das Lagerprinzip bei diesen rotierenden Wellen Luftlager sind. Die rotierende Welle bewegt sich auf einem Druckluftkissen, dessen Dicke 4 bis 5 um beträgt. Die Glocke, wenn sie in einer Bewegungseinheit integriert ist, unterliegt radialen Kräften, die auf die Welle einwirken. Ein Aufsetzen der Welle auf die Lagerschale führt zu einem höheren Verschleiß der Lagerung. Radiale Kräfte treten bei dem Hochrotationsabsprühen dann auf, wenn die Einheit auf einem Roboter (Bewegungsmaschine) schnell um seine Längs-, Quer- und Hochachse bewegt wird.The internal supply of the bell by the polymer takes place in that a rotating hollow shaft ensures the media supply to the bell. The polymer can thereby be passed centrally into the rotating bell. A disadvantage of this configuration is a relatively large hollow shaft diameter with the required high speeds. The state of the art is that the bearing principle of these rotating shafts are air bearings. The rotating shaft moves on a compressed air cushion whose thickness is 4 to 5 μm. The bell, when integrated in a moving unit, is subject to radial forces acting on the shaft. Placing the shaft on the bearing shell leads to a higher wear of the bearing. Radial forces occur in the Hochrotationsabsprühen then when the unit on a robot (moving machine) is moved quickly around its longitudinal, transverse and vertical axis.
Bei dieser Konfiguration der bewegten Glocke scheidet die Luftlagerung aus den erwähnten Gründen aus. Kugellager mit ausreichender Standzeit, um die hohen Drehzahlen sowie negative und positive Beschleunigungen zu ertragen sind heute im Markt erhältlich. Das Einbaugewicht dieser Hochrotations-Absprüheinrichtung liegt bei 3.500 Gramm, mit einem Außenaufladungsring erhöht sich das Gewicht auf 4.500 Gramm. Die Masse liegt somit unter der Belastungsgrenze von Standardrobotern von 5.0 kg.In this configuration, the moving bell separates the air bearing for the reasons mentioned. Ball bearings with sufficient service life to withstand the high speeds as well as negative and positive accelerations are available on the market today. The built-in weight of this high-rotation sprayer is 3,500 grams, with an outer charging ring, the weight increases to 4,500 grams. The mass is thus below the load limit of standard 5.0 kg robots.
(Die Drehfrequenz ist regelbar bis 80.000 U/min, Kontaktaufladung oder Außenaufladung und sogenannte Twin-Charge-Aufladung sind möglich. Drei integrierte Ventile für Polymer, Spülmittel und Rückführung von Spülmittel, verschiedene Glockendurchmesser und Medienverteiler mit Lenkluftringen sind weiterhin Merkmale der Hochrotations-Absprüheinrichtung.(The rotation frequency is adjustable up to 80,000 rpm, contact charging or external charging and so-called twin-charge charging are possible.) Three integrated valves for polymer, detergent and recirculation of detergent, various bell diameters and media distribution with Lenkluftringen are still features of the high-rotation sprayer.
Überraschender Weise hat sich folgendes gezeigt, wird nun durch den sich unmittelbar hinter dem Glockenkörper befindliche Lenkluftring, anstelle der Lenkluft oder eines Gases, dieser mit Wasser durchströmt, findet durch die Scherung des Wasserfilms an der Glockenoberfläche und Kante eine Zerstäubung in feine Wassertropfen statt. Dieser Wassernebel ist durch Innen- oder Außenaufladung, oder durch den Twin-Charge-Prozess, elektrostatisch aufgeladen und bewegt sich zur Gegenelektrode. An den Kontaktstellen-Wassernebel-Polymerpartikel erfolgt durch die sich spontan einstellende Phaseninversion der Austausch mit dem Lösungsmittel und führt dabei zu einer Vorkoagulation. Hierbei wird eine Vorfällung durch die mit Wasserdampf angereicherte Atmosphäre durchgeführt. Dieser Prozess wird gemeinhin auch als Trockenkoagulation bezeichnet.Surprisingly, the following has been shown, is now through the located directly behind the bell body shaping air ring, instead of the shaping air or a gas, this flows through with water, takes place by the shearing of the water film on the bells surface and edge atomization into fine drops of water. This water mist is charged electrostatically through internal or external charging, or through the Twin-Charge process, and moves to the counter electrode. At the contact points-water mist polymer particles, the exchange with the solvent takes place spontaneously due to phase inversion, leading to pre-coagulation. In this case, a pre-precipitation is carried out by the atmosphere enriched with water vapor. This process is commonly referred to as dry coagulation.
Eine weitere Prozessvariante stellt die sogenannte Zweistufen-Koagulation dar, bei welcher die durch die Vorkoagulation (Vorfällung) behandelten Partikeln auf ihrem Weg in ein weiteres Fällbad eingeleitet werden. Die Temperatur des Wassers im Fällbad kann bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur gewählt werden. Das Fällbad kann als stehendes oder fliesendes Gerinne ausgebildet sein. Die Partikel werden durch den elektrostatisch aufgeladenen Wassernebel und mit dem elektrostatisch aufgeladenen Partikel zur Gegenelektrode (Fällbad) geleitet. Der bei der Vorkoagulation (Vorfällung) zusätzlich angebotene Wasserdampf sorgt für den zum Gelingen der Phaseninversion notwendigen Überschuss an Fällmittel.Another process variant is the so-called two-stage coagulation, in which the particles treated by the pre-coagulation (pre-precipitation) are introduced on their way into a further precipitation bath. The temperature of the water in the precipitation bath can be selected at room temperature or elevated temperature. The precipitation bath may be formed as a standing or flowing channel. The particles are conducted through the electrostatically charged water mist and with the electrostatically charged particles to the counter electrode (precipitation bath). The water vapor additionally offered during pre-coagulation (pre-precipitation) ensures the excess of precipitant necessary for the success of phase inversion.
Erfindungsgemäß werden in einer weiteren Ausführung die Partikel mit den sich noch im Partikel befindlichen Lösungsmittel und Paraffin, in das Fällbad geführt. Dieses ist als stehende oder fließende Wasserrinne ausgebildet. Hier erfolgt dann das vollständige Herauslösen des Lösungsmittels durch Phaseninversion. Die Partikel werden auf ihrem Weg zum Fällbad durch elektrostatische Aufladung und Lenkluft geführt. Das auf dem Weg zur Gegenelektrode (Fällbad) auftretende Herauslösen des Lösungsmittel wie es dem Fachmann bekannt ist, führt dabei gezielt zu mikroskopisch feinen Mikro- und Makroporen von 100 bis 50.000 nm.According to the invention, in a further embodiment, the particles with the solvents and paraffin still present in the particle are conducted into the precipitation bath. This is designed as a standing or flowing gully. Here then the complete dissolution of the solvent by phase inversion takes place. The particles are guided on their way to the precipitation bath by electrostatic charging and shaping air. The dissolution of the solvent occurring on the way to the counter electrode (precipitation bath), as known to the person skilled in the art, leads specifically to microscopically fine micropores and macropores of 100 to 50,000 nm.
Die Fällung unter normalen Bedingungen wie 50% rel. Feuchte und der entsprechenden Phasenübergangstemperatur gelingt grundsätzlich auch. Wobei aber dies zu einer Porentiefe an der Partikeloberfläche von 80 nm führt. Die Phaseninversion wird auf Grund des zu geringen Fällmittelangebotes zeitabhängig. In der Praxis bedeutet dies, dass der notwendig stattfindende DMF-Wasseraustausch ohne Überschreiten der Phasenübergangstemperatur, um das drei- bis vierfache zeitlich erhöht ist und damit zu einer gewünschten, ungenügenden Porenbildung letztlich führt. The precipitation under normal conditions such as 50% rel. Humidity and the corresponding phase transition temperature succeed in principle also. But this leads to a pore depth at the particle surface of 80 nm. The phase inversion becomes time-dependent due to the insufficient supply of precipitant. In practice, this means that the necessarily taking place DMF water exchange without exceeding the phase transition temperature is increased by three to four times in time, thus ultimately leading to a desired, insufficient pore formation.
Die Koagulation des Tropfen wird auch durch die hohe Luftfeuchtigkeit der umgebenden Luft unterstützt und übt einen großen Einfluss auf die Kinetik und Porenform der Außenhaut des Tropfens aus.The coagulation of the droplet is also aided by the high humidity of the surrounding air and exerts a major influence on the kinetics and pore shape of the outer skin of the droplet.
Der gewünschte Effekt ist, dass durch diese Idee, die Wasserdampfmoleküle die Koagulation von außen bereits unterstützen, und damit das Fällmittel-Angebot erweitern. Wie dem Fachmann bekannt ist, erfolgt auf dem Weg der Tropfen von der Glocke zur Gegenelektrode bereits eine teilweise Verdunstung der Lösemittel. Durch eine gesättigte Wasserdampfatmosphäre oder gezielte Einstellung eines NMP oder DMF/Wassergemisches in dieser umgebenden Atmosphäre wird eine vollständige und vorzeitige Verdunstung des Lösemittels verhindert.The desired effect is that by this idea, the water vapor molecules already support the coagulation from the outside, and thus expand the precipitant offer. As is known to the person skilled in the art, a partial evaporation of the solvents already takes place on the way of the drops from the bell to the counterelectrode. By a saturated steam atmosphere or targeted adjustment of an NMP or DMF / water mixture in this surrounding atmosphere, complete and premature evaporation of the solvent is prevented.
Die poröse Strukturbildung des Tropfen bei der Phaseninversion ist somit abhängig von den verfahrenstechnischen Bedingungen wie Temperatur und Feuchte in der umgebenden Atmosphäre, Polymertyp und seiner Konzentration, Viskosität, Lösungsmittel, Temperatur, Leitfähigkeit, Dipolbildung, Dielektrizität und an der Hochrotations-Absprüheinheit wie elektrische Feldstärke, Geometrie der Glocke, Abstand zur Gegenelektrode, Aufladungsform (Innere-Äußere) sowie Drehzahl abhängig. Die Oberfläche des Tropfens kann je nach Einstellen der verfahrenstechnischen Bedingungen porenfrei hergestellt werden.The porous structure formation of the droplet in the phase inversion is thus dependent on the procedural conditions such as temperature and humidity in the surrounding atmosphere, polymer type and its concentration, viscosity, solvent, temperature, conductivity, dipole formation, dielectricity and the high-rotation spray-on unit such as electric field strength, Geometry of the bell, distance to the counter electrode, charging mode (inside-outer) as well as speed dependent. The surface of the drop can be produced without pores, depending on the setting of the procedural conditions.
Das Prinzip der Phaseninversion wird hauptsächlich bei der Membranherstellung Polyarylsulfone (Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylsulfon), aromatischem Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Celluloseacetat und zur Herstellung bestimmter Fasern Polyacrylnitril (PAN), Polyurethan (PU), Polyarylsulfone (PSU, PESU, PPSU) und Polyvinylidenefluoride (PVDF), aus genutzt.The principle of phase inversion is mainly used in membrane production polyarylsulphones (polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone), aromatic polyamide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and cellulose acetate and for the preparation of certain fibers polyacrylonitrile (PAN), polyurethane (PU), polyarylsulphones (PSU, PESU , PPSU) and polyvinylidene fluoride (PVDF), from.
Wie dem Fachmann bekannt ist wird die Phaseninversion einer Lösung durch die Änderung des thermodynamischen Zustandes eingeleitet. Dies erfolgt durch die Verdunstung eines Teils des Lösemittels oder einer Lösungsmittelkomponente, durch die Zugabe einer weiteren Komponente (Fällmittel) in die Lösung oder kann mittels einer Temperaturänderung erfolgen.As known to those skilled in the art, the phase inversion of a solution is initiated by the change in the thermodynamic state. This is done by the evaporation of a portion of the solvent or a solvent component, by the addition of another component (precipitant) in the solution or can be done by means of a temperature change.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es eine mikroverkapselte mit Paraffin gefüllte kugelförmige Kapsel herzustellen.The object of the present invention is to produce a microencapsulated paraffin-filled spherical capsule.
Überraschender Weise zeigte sich, dass die mikroverkapselte Partikelherstellung aus einer Kombination von Zustandsänderungen erfolgt. Das Polymer ist im Fällmittel (Wasser) nicht löslich. Bei dem Kontakt mit der Polymerlösung wird ein Stoffaustausch zwischen Lösungs- und Fällmittel ausgelöst, der eine Phasenseparation und die Koagulation des Polymers verursacht. Die auf Grund der Rayleigh-Instabilitäten hervorgerufenen Änderung der Geometrien am Faden, es entstehen kugelförmige Tröpfchen, die als Koazervate (Tröpfchen höher konzentierter Lösung) und Vakuolen (Tröpfchen mit verdünnter Lösung) bezeichnet werden. Aus diesen Tröpfchen bildet sich die Kondensationsstruktur aus. Je nach den gegebenen Bedingungen entstehen netz- oder zellenförmige Strukturen. Beim Auslaufen der Vakuolen Flüssigkeit (Synärese) entsteht häufig eine Kapillarkontraktion, die zum Zusammenbruch der Struktur (Kollaps) führt. Durch die Stützfunktion des zugegebenen Nichtlösers Paraffin trägt dieser beim Fällungsvorgang bis zur Strukturverfestigung bei. Somit wird der Strukturkollaps verhindert.Surprisingly, it has been shown that the microencapsulated particle preparation is a combination of state changes. The polymer is not soluble in the precipitant (water). Upon contact with the polymer solution, mass transfer between solvent and precipitant is initiated which causes phase separation and coagulation of the polymer. The change in the geometry of the thread due to Rayleigh instabilities produces spherical droplets called coacervates (droplets of highly concentrated solution) and vacuoles (droplets of dilute solution). From these droplets, the condensation structure is formed. Depending on the given conditions, network or cellular structures are created. When the vacuoles run out of fluid (syneresis), capillary contraction often occurs, which leads to collapse of the structure (collapse). Due to the supporting function of the added non-solvent paraffin, it contributes to the structuring during the precipitation process. This prevents structure collapse.
Das von Gröbe und Mitarbeitern 1966 beschriebene Ablaufmodell der Strukturbildung, Koagulation mit Wasser einer Polymerlösung, besitzt noch heute Gültigkeit. Das Ablaufmodell beschreibt die Koagulation im Dreiecksdiagramm für das ternäre Gemisch Polymer/Lösemittel/Fällmittel. Diese Prozessvariante erzeugt Fasern oder Partikel nach dem durch Gröbe beschriebenen Modell, nämlich Entstehung einer dichten Außenhaut durch tropfige Entmischung, d. h. durch Überschreitung der Stabilitätsgrenze des tenären System Polymer/DMF/Wasser bilden sich schlagartig Flüssigkeitströpfchen aus in dem das Polymer ein feines Netzwerk daraus aufbaut, die Entstehung eines Hohlraumsystem im Polymer erfolgt durch den lokal unterschiedlichen Stofftransport in das Innere der Lösung und somit zu ungleichen Tröpfchen Wachstum. Der Abbruch des Tropfenwachstums wird durch den Konzentrationsausgleich zwischen Hohlräumen und Polymersubstanz bewirkt.The process model of structure formation, coagulation with water of a polymer solution described by Gröbe and co-workers in 1966, is still valid today. The sequence model describes the coagulation in the triangular diagram for the ternary mixture polymer / solvent / precipitant. This process variant produces fibers or particles according to the model described by Gröbe, namely formation of a dense outer skin by dripping separation, d. H. By exceeding the stability limit of the polymer / DMF / water ternary system, liquid droplets suddenly form in which the polymer builds up a fine network. The formation of a cavity system in the polymer takes place through the locally different mass transport into the interior of the solution and thus to uneven droplets of growth , The termination of the drop growth is effected by the concentration balance between cavities and polymer substance.
Mitentscheidend für die ablaufenden Stoffausgleichsvorgänge zwischen den sich bildenden und bereits umgebenden Phasen ist für die Kapillarstruktur nicht nur die Kinetik mit Additiven, Nukleierungsmitteln, Pigmenten (Füllstoffen) entscheidend, sondern auch solche, die die Fließ- und Benetzungseigenschaften des Polymers unter Einwirkung eines elektrischen Feldes verändern und zu seiner Kapillarstruktur beitragen.Decisive for the ongoing material equalization processes between the forming and already surrounding phases is not only the kinetics with additives, nucleating agents, pigments (fillers) crucial for the capillary structure, but also those that change the flow and wetting properties of the polymer under the action of an electric field and contribute to its capillary structure.
Dem Fachmann ist bekannt, dass die durch
Verfahrensgemäß wird der notwendige Fällmittel Überschuss dadurch erreicht, dass bereits eine Vorfällung durch Wasserdampf/Luftatmosphäre oder beispielhaft in einer Wasserdampf/Luft/DMF-Atmosphäre erfolgt.According to the method, the necessary precipitant excess is achieved by pre-precipitation by water vapor / air atmosphere or by way of example in a water vapor / air / DMF atmosphere.
Nach der Vorfällung und Fällung erfolgt das Auswaschen und Trocknen. Der Trocknungsprozess kann durch Trocknung im Hochfrequenztrockner bei einer Erwärmung im elektrischen Wechselfeld (Streufeld) im Vakuum oder in einem Normklima erfolgen.After the pre-precipitation and precipitation, the washing and drying takes place. The drying process can be carried out by drying in a high-frequency dryer with heating in an alternating electric field (stray field) in a vacuum or in a standard atmosphere.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die erfindungsgemäßen Verfahren werden anhand der in
Aufgabengemäß sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Methoden zur Herstellung von mikroverkapselten Partikeln vereinfacht werden. Hierbei kann das Kernmaterial flüssig oder verflüssigt sein.
Aufgabe der Erfindung ist demnach, aus den verschiedenen bekannten Herstellungsverfahren ein neues Verfahren durch Überlagerung bereits bekannter Verfahren zu erschließen. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass eine Überlagerung der Verfahrensprozesse wie elektrostatische Mikroverkapselung, Phasenseperationsmethode (Koazervation) und In-situ Polymerisation, erfolgt.The object of the invention is therefore to develop a new method by superposition of already known methods from the various known production methods. The invention solves this problem by the fact that a superposition of the process processes such as electrostatic microencapsulation, phase separation method (coacervation) and in-situ polymerization takes place.
In folgender Zusammensetzung und folgenden Schritten wurden Polymere für eine Mikroverkapselung hergestellt:Polymers for microencapsulation were prepared in the following composition and steps:
Beispiel IExample I
- a) 25 g RT21 (Rubitherm) in 50 g NMP (BASF) bei RT einrühren und auflösen.a) Stir 25 g RT21 (Rubitherm) in 50 g NMP (BASF) at RT and dissolve.
- b) 25 g PPSU (Solvay) in 160 g NMP (BASF) 80°C einrühren und auflösen.b) Stir 25 g of PPSU (Solvay) in 160 g of NMP (BASF) at 80 ° C. and dissolve.
Beispiel I.IExample I.I.
- a) und b) aus Beispiel I dann für 30 min. bei 70°C zusammen in einem Magnetrührer einrühren.a) and b) from Example I then for 30 min. Stir together at 70 ° C in a magnetic stirrer.
Beispiel IIExample II
- c) 40 g RT21 (Rubitherm) in 70 g NMP (BASF) bei RT einrühren und auflösen.c) stir in 40 g of RT21 (Rubitherm) in 70 g of NMP (BASF) at RT and dissolve.
- d) 25 g PPSU (BASF) in 160 g NMP (BASF) 80°C einrühren und auflösen.d) Stir 25 g of PPSU (BASF) in 160 g of NMP (BASF) at 80 ° C. and dissolve.
Beispiel I.IExample I.I.
- a) und b) aus Beispiel I für 30 min. bei 70°C zusammen in einem Magnetrührer einrühren.a) and b) from Example I for 30 min. Stir together at 70 ° C in a magnetic stirrer.
Beispiel II.IExample II.I.
- c) und d) aus Beispiel II für 30 min. bei 70°C zusammen in einem Magnetrührer einrühren.c) and d) from Example II for 30 min. Stir together at 70 ° C in a magnetic stirrer.
Beispiel III.IExample III
- c) und d) aus Beispiel II für 30 min bei 70°C zusammen in einem Magnetrührer einrühren.c) and d) from Example II for 30 min at 70 ° C stir together in a magnetic stirrer.
Unter Beibehaltung der unter Beispiel I bis II.I beschriebenen Polymere wurden weitere auf dem Markt befindlichen Paraffine der Fa. Rubitherm, Berlin, mikroverkapselt. Diese sind RT22HC Schmelzbereich (20–23°C) Erstarrungsbereich (23–20°C), RT21HC Schmelzbereich (20–23°C) Erstarrungsbereich (21–19°C) sowie RT21 Schmelzbereich (18–21°C) Erstarrungsbereich (22–19°C). Grundsätzlich sind weitere, aber mit unterschiedlichem Schmelzpunkt und Schmelzenthalpien, einsetzbar.While retaining the polymers described under Example I to II.I other paraffins on the market of the company. Rubitherm, Berlin, were microencapsulated. These are RT22HC Melting Range (20-23 ° C) Solidification Range (23-20 ° C), RT21HC Melting Range (20-23 ° C) Solidification Range (21-19 ° C) and RT21 Melting Range (18-21 ° C) Solidification Range (22 -19 ° C). In principle, more, but with different melting point and Schmelzenthalpien, can be used.
Um die elektrische Leitfähigkeit des Polymers für das elektrostatische Hochrotationszerstäuber-Absprühverfahren zu gewährleisten, wurden 3 ml einem Mix-Ansatz entnommen, der nach folgender Rezeptur hergestellt wurde: 5 g TEAB wurden in 70 g NMP bei RT für 60 min eingerührt. Davon wurden jeweils 3 ml entnommen und in Beispiel I.I bzw. Beispiel II.I für 30 min bei 70°C eingerührt. Für Beispiel III.I erfolgt keine Zugabe der 3 ml aus TEAB Mix-Ansatz.In order to ensure the electrical conductivity of the polymer for the electrostatic Hochrotationszerstäuber-spraying, 3 ml were removed from a mix batch, which was prepared according to the following recipe: 5 g of TEAB were stirred into 70 g of NMP at RT for 60 min. Of these, 3 ml each were taken and stirred in Example I.I or Example II.I for 30 min at 70 ° C. For Example III.I, no addition of the 3 ml of TEAB Mix batch is made.
Für den Versuchsaufbau wurde folgende Versuchsausrüstung bereitgestellt:
Kugelgelagerter, elektrostatischer Hoch rotationszerstäuber, Fabrikat LacTec-alpha-Bell, einschließlich lastabhängiger Drehzahlregelung, maximal 35.000 min–1
Hochspannungsversorgung bis 100 kV, negative Gleichspannung.The following experimental equipment was provided for the experimental setup:
Ball-bearing, electrostatic high-speed rotary atomizer, manufactured by LacTec-alpha-Bell, including load-dependent speed control, a maximum of 35,000 min -1
High voltage supply up to 100 kV, negative DC voltage.
Isoliert aufgebaute Materialversorgung mit temperiertem Polymervorratsbehälter mit einer Zahnraddosierpumpe, Fördervolumen max. 60 ml min–1
Elektrische und pneumatische Steuereinheit. Umgebungsbedingungen 20°C bei 72% rel. Luftfeuchtigkeit, Glockendurchmesser 70 mm.Isolated material supply with tempered polymer storage tank with a gear metering pump, delivery volume max. 60 ml min -1
Electric and pneumatic control unit. Ambient conditions 20 ° C at 72% rel. Humidity, bell diameter 70 mm.
Für die Versuchsdurchführung wurden folgende Verfahrens-Parameter gewählt:The following process parameters were chosen for the experiment:
Für Versuch A) Beispiel I.I:For experiment A) Example I.I:
Hochrotationszerstäuber elektrische Spannung U = 45 kV, Stromstärke I = < 0.05 mA, Drehzahl der Glocke n = 10.000 min–1, Lenkluft p = 1 bar, Abstand Glocke zur Substratoberfläche Wassergerinne = 9 cm, Polymerfördermenge = 42 ml min–1, elektrische Leitfähigkeit des Polymeransatz Rv = 1.6·105 (Ohm) bei Messspannung von 9 V.High rotation atomizer electrical voltage U = 45 kV, current intensity I = <0.05 mA, speed of the bell n = 10,000 min -1 , directing air p = 1 bar, distance bell to substrate surface water channel = 9 cm, polymer flow = 42 ml min -1 , electrical conductivity of the polymer batch R v = 1.6 × 10 5 (ohms) at a measuring voltage of 9 V.
Bewertung: kugelförmige mikroverkapselte Partikel, nicht agglomeriert frei auf der Wassergerinne Oberfläche schwimmend, gleichmäßige Verteilung.Evaluation: spherical microencapsulated particles, not agglomerated freely floating on the water surface surface, uniform distribution.
Für Versuch B) Beispiel II.I:For experiment B) Example II.I:
Versuch wurde dann mit folgenden veränderten Parametern durchgeführt: U = –70 kV, Lenkluft p = 1.2 bar, Glockenabstand zur Substratoberfläche-Wassergerinne = 22 cm, Polymerfördermenge = 60 ml min–1 Experiment was then carried out with the following parameters changed: U = -70 kV, guide air p = 1.2 bar, bell distance to the substrate surface water channel = 22 cm, polymer flow = 60 ml min -1
Bewertung: kugelförmige mikroverkapselte Partikel, nicht agglomeriert, frei auf der Wassergerinne-Oberfläche schwimmend, durch erhöhte Lenkluft Anregung und Ausbreitung von Oberflächenwellen im Gerinne.Evaluation: spherical microencapsulated particles, not agglomerated, floating freely on the water channel surface, due to increased shaping air excitation and propagation of surface waves in the channel.
Für Versuch C) Beispiel II.I:For experiment C) Example II.I:
Hochrotationszerstäuber elektrische Spannung U = –70 kV, Stromstärke I = < 0.05 mA, Drehzahl der Glocke n = 12.000 min–1, Lenkluft p = 1 bar, Abstand Glocke zur Substratoberfläche Wassergerinne = 10 cm, Polymerfördermenge = 42 ml min–1, elektrische Leitfähigkeit des Polymeransatz Rv = 1.6·105 (Ohm) bei Messspannung 9 V.High rotation atomizer electrical voltage U = -70 kV, current intensity I = <0.05 mA, rotational speed of the bell n = 12,000 min -1 , directing air p = 1 bar, distance bell to substrate surface water channel = 10 cm, polymer flow = 42 ml min -1 , electrical Conductivity of the polymer mixture R v = 1.6 · 10 5 (ohms) at a measuring voltage of 9 V.
Bewertung: kugelförmige mikroverkapselte Partikel, nicht agglomeriert, frei auf der Wassergerinne Oberfläche schwimmend, gleichmäßige Verteilung.Evaluation: spherical microencapsulated particles, not agglomerated, free floating on the water surface surface, uniform distribution.
Für Versuch D) Beispiel III.I:For experiment D) Example III.I:
Hochrotationszerstäuber ohne elektrische Spannung und Stromstärke, Drehzahl der Glocke n = 12.000 min–1, Lenkluft p = 0.8 bar, Abstand der Glocke zur Substratoberfläche-Wassergerinne = 2 cm, Polymerförderung = 42 ml min–1 High rotation atomizer without electrical voltage and current, speed of the bell n = 12,000 min -1 , guide air p = 0.8 bar, distance of the bell to the substrate surface water channel = 2 cm, polymer delivery = 42 ml min -1
Bewertung: ebenfalls kugelförmige mikroverkapselte Partikel, nicht agglomeriert, frei auf der Wassergerinne-Oberfläche schwimmend, gleichmäßige Verteilung.Evaluation: also spherical microencapsulated particles, not agglomerated, floating freely on the water channel surface, uniform distribution.
Die mikroverkapselten Partikel liegen mit ihrem Partikel-Durchmesser im Bereich von 5.0 bis 2.000.0 μm.The microencapsulated particles are with their particle diameter in the range of 5.0 to 2000.0 microns.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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