DE102014218857B4

DE102014218857B4 - Formaldehyd-freies Polymer auf der Basis von Aminoharz für die Mikroverkapselung, Verfahren zu dessen Herstellung sowie dieses umfassendes geformtes Polymererzeugnis

Info

Publication number: DE102014218857B4
Application number: DE102014218857.1A
Authority: DE
Inventors: Monika Jobmann; Katrin Hohmann; Frank Börner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2034-09-20
Also published as: DE102014218857A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Polymers, umfassend:- die Herstellung eines Aminoharzes, das Säuregruppen und/oder Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen enthält,- in Kontakt bringen des Aminoharzes mit mehrwertigen Kationen unter Bildung eines ionisch vernetzten Polymers, wobei die mehrwertigen Kationen Erdalkalimetallkationen, Kationen eines Elements der Gruppe 13 des Periodensystems, Kationen eines Übergangsmetalls, Kationen eines Diamins, oder Gemische oder Kombinationen von mindestens zwei dieser Kationen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Polymermaterialien, die für die Immobilisierung von Wirkstoffen verwendbar sind (z.B. in Form von Mikrokapseln), sowie ein Verfahren für deren Herstellung.
Die Verwendung von Polymeren zur Immobilisierung von Wirkstoffen für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen ist grundsätzlich bekannt, beispielsweise für die Immobilisierung bzw. Verkapselung von kosmetischen Wirkstoffen, pharmazeutischen Wirkstoffen, Pestiziden, Flammschutzmitteln, Pigmenten, Duftstoffen, Aromastoffen oder auch Katalysatoren bzw. Katalysatorkomponenten. Das Polymer kann beispielsweise als Matrix fungieren, in die der Wirkstoff eingebettet ist. Alternativ kann das Polymer den Wirkstoff umschließen, beispielsweise als Schale in einer Mikrokapsel.
Mikrokapseln, d.h. zwei- oder mehrkomponentige Partikel mit einer Größe von 0,5-2000 µm sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden bereits in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Wie dem Fachmann bekannt ist, können Mikrokapseln in Form von Matrix-Mikrokapseln oder Kern-Schale-Mikrokapseln vorliegen. Bei der Matrixverkapselung ist der Wirkstoff in der Hüllkomponente („Matrix“) mehr oder weniger homogen verteilt. Die Kern-Schale-Mikropartikel weisen eine Kapselwand (Schale) aus organischen und/oder anorganischen Materialien auf, die den Kapselkern, welcher durch den Wirkstoff gebildet wird, umschließt.
Mikrokapseln auf der Basis von Aminoharzen spielen aufgrund ihrer hervorragenden Anwendungseigenschaften (z.B. sehr gute chemische und mechanische Stabilität) und des vergleichsweise einfachen Herstellungsprozesses hierbei eine herausragende Rolle.
Aminoharze werden durch Polykondensation eines Amins (z.B. Melamin) oder Amids (z.B. Harnstoff) und einer Aldehydkomponente unter Abscheidung von Wasser gebildet. Durch Aushärten (d.h. kovalente Vernetzung) bildet sich schließlich ein dreidimensionales Netzwerk in Form eines duroplastischen Polymers aus.
Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, können dreidimensionale polymere Netzwerke (d.h. vernetzte Polymere) durch Ausbildung von kovalenten und/oder nicht-kovalenten Bindungen erhalten werden. Nicht-kovalente Bindungen werden beispielsweise über Verschlaufungen von Polymerketten, ionische Wechselwirkungen oder auch Wasserstoffbrückenbindungen realisiert. Die über Wechselwirkung zwischen ionischen Gruppen erfolgende Vernetzung wird auch als ionische Vernetzung bezeichnet und das daraus erhaltene Polymer wird als ionisch vernetztes Polymer bezeichnet. Erfolgt die Vernetzung über die Ausbildung kovalenter chemischer Bindungen, so wird dies als kovalente Vernetzung bezeichnet und man erhält ein duroplastisches Polymer.
Aminoharze werden üblicherweise einer kovalenten Vernetzung unterzogen.
Bei der Bildung von Formaldehydharzen kommt als Aldehydkomponente vorzugsweise Formaldehyd wegen seiner hohen Reaktivität und des niedrigen Rohstoffpreises zum Einsatz.
DE 10 2005 060 947 A1 beschreibt pulverförmige Polykondensationsprodukte bestehend aus a) 5 bis 95 Gew.-% eines Polykondensationsproduktes auf Basis einer aromatischen oder heteroaromatischen Verbindung (A) mit 5 bis 10 C-Atomen oder Heteroatomen mit mindestens einem Oxyethylen- oder Propylen-Rest und einem Aldehyd (C) ausgewählt aus der Gruppe Formaldehyd, Glyoxylsäure und Benzaldehyd oder Mischungen davon sowie b) 5 bis 95 Gew.-% eines feinteiligen mineralischen Trägermaterials.
DE 10 2013 217 654 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Aminoharzes oder Amidharzes, umfassend (i) die Umsetzung eines Amins oder Amids mit einem Monoaldehyd, der mindestens 2 C-Atome aufweist, unter Ausbildung eines Zwischenprodukts, das an mindestens einer Amingruppe oder Amidgruppe eine reaktive Schutzgruppe aufweist, die sich aus dem Monoaldehyd ableitet, und (ii) die Umsetzung des Zwischenprodukts mit einem Dialdehyd oder Trialdehyd unter Ausbildung eines vernetzbaren Aminoharzes oder Amidharzes.
DE 10 2010 022 174 A1 beschreibt eine Cineol-haltige Darreichungsform für die perorale Applikation in Form einer Kapsel, wobei die Darreichungsform als Kapselnin-Kapsel-System ausgebildet ist, das eine äußere Kapsel und eine Mehrzahl in der äußeren Kapsel befindlicher innerer Kapseln aufweist.
US 4,040,984 A beschreibt elektrisch leitfähige Materialien, die beispielsweise auf Papier aufgebracht werden. Als kationische Komponente enthält das elektrisch leitfähige Material ein Polymer wie z.B. Polydimethyldiallylammoniumchlorid, Polyvinylamin, Polyethylenimin, Acrylamid/Vinylpyridin-Copolymere oder Polydiethylaminoethylacrylat.
Nachteilig ist die von Formaldehyd ausgehende gesundheitliche Belastung. Nach der europäischen Verordnung 605/2014 vom Juni 2014 wird Formaldehyd in der Richtlinie über gefährliche Stoffe in der Kategorie 1B (wahrscheinlich beim Menschen krebserregend) geführt.
Als Stand der Technik ist die Reduzierung des Formaldehydgehaltes durch Zusatz von Formaldehydfängern während der Härtung der Mikrokapseln und/oder in der finalen Formulierung der Mikrokapseln anzusehen. Beispielhaft für derartige Formaldehydfänger seien an dieser Stelle Ammoniak ( EP 0 383 358 , EP 319 337 ), Harnstoff ( DE 19833347 ), Ethylenharnstoff ( EP 0 415 273 ), Melamin ( EP 0 026 914 ), Amine wie Diethanolamin und Triethanolamin ( DE 19835114 ) und Dicarbonylverbindungen wie Acetoacetamid, Ethylacetoacetat und Dimethylenacetamid ( US 2007/0138671 ) genannt.
Formaldehydfänger arbeiten sehr effektiv, jedoch kann auch bei hohen Zugabemengen ein bestimmter Wert nicht unterschritten werden. Weiterhin besteht insbesondere bei thermischer Behandlung die Gefahr der erneuten Abspaltung von freiem Formaldehyd.
WO 2009/015872 beschreibt den Einsatz von Oxidationsmitteln (insbesondere Wasserstoffperoxid) zur Reduzierung des Formaldehydgehalts. Hierbei wird Formaldehyd in Carbonsäuren und letztlich Kohlendioxid überführt. Das Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid hat eine leichte Flüchtigkeit und kann die Umgebung durch das Oxidationspotential schädigen. Es ist daher nicht in vielen Systemen einsetzbar.
Alternativ ist im Stand der Technik auch bekannt, bei der Herstellung von Aminoharzen den Formaldehyd durch andere Aldehyde zu ersetzen.
WO 2011/110368 beschreibt Aminoharze, für deren Herstellung eine Reihe unterschiedlicher Aldehyde eingesetzt werden können, unter anderem Glyoxylsäure, Glycerinaldehyd oder Glykolaldehyd.
WO 2013/068255 beschreibt einen Prozess zur Synthese von Formaldehyd-freien Mikrokapseln auf der Basis eines Prepolymers aus einer Polyaminkomponente und einer Aldehydkomponente, wobei die Aldehydkomponente eine Mischung aus Glyoxal und C_4-6 2,2-Dialkoxyethanal und (optional) Glyoxylsäure bzw. einem Alkalimetallsalz der Glyoxylsäuresalz ist. Dem Reaktionsansatz müssen zur Erhöhung der Reaktivität und Verbesserung der Stabilität der Mikrokapseln Vernetzer in Form von aromatischen oder aliphatischen Di- oder Triisocyanaten oder Di- oder Trioxirankomponenten zugesetzt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Polymers, mit dem sich Wirkstoffe immobilisieren lassen, wobei sich die Art der Immobilisierung (z.B. möglichst dauerhafte Verkapselung oder langsame, kontrollierte Freisetzung oder auch spontane Freisetzung durch externen Stimulus) gezielt einstellen lässt. Vorzugsweise sollte das Polymer auch bei längerer Lagerung keine oder nur eine sehr geringe Emission von Formaldehyd aufweisen. Weitere Aufgaben der Erfindung liegen in der Bereitstellung von Mikrokapseln oder anderen Formkörpern, die das Polymer enthalten, sowie in der Bereitstellung von Syntheseverfahren für dieses Polymer bzw. diese Formkörper (z.B. Mikrokapseln).
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Polymers, umfassend:

- die Herstellung eines Aminoharzes, das Säuregruppen und/oder Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen enthält,
- in Kontakt bringen des Aminoharzes mit mehrwertigen Kationen unter Bildung eines ionisch vernetzten Polymers, wobei die mehrwertigen Kationen Erdalkalimetallkationen, Kationen eines Elements der Gruppe 13 des Periodensystems, Kationen eines Übergangsmetalls, Kationen eines Diamins, oder Gemische oder Kombinationen von mindestens zwei dieser Kationen sind.

Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird, können mit dem erfindungsgemäßen Polymer sowohl eine kontrollierte Freisetzung wie auch eine dauerhafte Verkapselung von Wirkstoffen realisiert werden. Da in dem erfindungsgemäßen Polymer eine nicht-kovalente ionische Vernetzung durch die Anwesenheit mehrwertiger Kationen erfolgt und außerdem eine zusätzliche kovalente Vernetzung (durch Ausbildung chemischer Bindungen mittels Polykondensationsreaktion) möglich ist, lässt sich der Gesamtvernetzungsgrad des Polymers und somit auch die Freisetzungskinetik des Wirkstoffs über einen breiten Bereich variieren. Wenn die Vernetzung überwiegend ionisch erfolgt, lässt sich eine relativ schnelle Freisetzung des Wirkstoffs realisieren, wohingegen eine dauerhafte Verkapselung bzw. Immobilisierung möglich ist, wenn das ionisch vernetzte Polymer anschließend noch einer kovalenten Vernetzung unter Ausbildung eines duroplastischen Polymers unterzogen wird.
Wie oben ausgeführt wird, beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung eines Aminoharzes, das Säuregruppen und/oder Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen enthält.
Unter einem „Salz einer Säuregruppe mit einem einwertigen Kation“ wird die durch (teilweise oder vollständige) Deprotonierung der Säuregruppe erhältliche anionische Gruppe in Kombination mit einem einwertigen Kation verstanden (d.h. die negative Ladung der deprotonierten anionischen Gruppen wird durch einwertige Kationen kompensiert bzw. neutralisiert).
Bevorzugte Säuregruppen sind Carbonsäuregruppen (d.h. -COOH) und Sulfonsäuregruppen (d.h. -SO₃H). Bevorzugte Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen sind daher -COO^-M⁺ und/oder -SO₃ ^-M⁺, wobei M⁺ ein einwertiges Kation ist.
Wie nachfolgend noch eingehender erläutert wird, können die Säuregruppen oder die Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen bereits in einer der Ausgangsverbindungen, die für die Aminoharzsynthese eingesetzt werden, vorliegen. Alternativ ist es auch möglich, dass zunächst ein Aminoharz ohne diese Säuregruppen hergestellt wird und die Säuregruppen oder die Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen in einem nachträglichen Modifizierungsschritt in das Aminoharz eingebracht werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Aminoharz“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf Kunstharze, die durch Umsetzung von Carbonylverbindungen (insbesondere Aldehyde) mit Verbindungen, welche NH-Gruppen aufweisen (insbesondere Amine oder Amide), gewonnen werden.
Geeignete Amine oder Amide für die Herstellung von Aminoharzen sind dem Fachmann bekannt.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das zur Aminoharzsynthese eingesetzte Amin oder Amid aus einem Diamin, einem Diamid, einem Triamin, einem Triamid oder Gemischen oder Kombinationen davon ausgewählt.
Bevorzugt ist das zur Aminoharzsynthese eingesetzte Amin oder Amid ein Aminotriazin, Harnstoff, ein Harnstoffderivat, Thioharnstoff, ein Thioharnstoffderivat, Iminoharnstoff, ein Iminoharnstoffderivat, ein Cyanamid, ein Diaminoalkan, ein Diamidoalkan, ein Polyacrylamid oder ein Gemisch dieser Verbindungen. Besonders bevorzugt sind Melamin, Harnstoff und Benzoguanamin.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Herstellung des Aminoharzes durch Umsetzung eines Amins oder Amids mit einem Monoaldehyd der Formel (I) OHC-[CHR]m-COOH (I)
wobei m=0-1 und R=H oder OH
oder einem Salz des Monoaldehyds, dessen Kation ein einwertiges Kation ist (d.h. OHC-[CHR]_m-COC^-M⁺, wobei m=0 oder 1, R=H oder OH ist, und M ein einwertiges Kation ist).
Bevorzugt ist m=0, d.h. der Monoaldehyd ist Glyoxylsäure.
Glyoxylsäure ist kommerziell erhältlich, beispielsweise in Form einer wässrigen Lösung oder des Monohydrats.
Sofern das Aminoharz Sulfonsäuregruppen (d.h. Gruppen der Formel -SO₃H) oder Salze der Sulfonsäuregruppen mit einwertigen Kationen (d.h. Gruppen der Formel -SO₃ ^-M⁺, wobei M⁺ ein einwertiges Kation ist) enthält, kann die Herstellung des Aminoharzes erfolgen durch Umsetzung eines Monoaldehyds mit einem Amin oder Amid und mit einer schwefelhaltigen Säure oder einem Salz der schwefelhaltigen Säure, dessen Kation ein einwertiges Kation ist. Bevorzugt wird das Aminoharz hergestellt, indem zunächst das Amin oder Amid mit dem Monoaldehyd umgesetzt wird und dieses Reaktionsprodukt anschließend umgesetzt wird mit der schwefelhaltigen Säure oder einem ihrer Salze mit einwertigem Kation. Bevorzugte Monoaldehyde sind Glykolaldehyd, Glycerinaldehyd, Glyoxylsäure oder ein Salz der Glyoxylsäure mit einem einwertigen Kation, Formaldehyd, oder ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Aldehyde. Eine bevorzugte schwefelhaltige Säure ist die schweflige Säure. Ein beispielhaftes Salz ist M₂S₂O₅ oder M₂SO₃, wobei M ein einwertiges Kation ist.
Sofern die Säuregruppen im Aminoharz in Form eines Salzes mit einwertigen Kationen vorliegen, können als geeignete einwertige Kationen beispielsweise Alkalimetallkationen (insbesondere Na⁺ oder K⁺) oder Ammoniumkationen (beispielsweise NH₄ ⁺ oder ein organisches Ammoniumkation, d.h. ein Ammoniumkation, das mindestens einen an das Stickstoffatom gebundenen organischen Rest (z.B. C_1-4-Alkyl) aufweist) genannt werden.
Wenn ein Salz der Glyoxylsäure oder ein Salz der schwefelhaltigen Säure als Edukt bei der Herstellung des Aminoharzes verwendet wird, ist daher bevorzugt, dass das einwertige Kation des Salzes aus einem der oben genannten Kationen ausgewählt wird.
Geeignete Verfahrensbedingungen für die Umsetzung eines Aldehyds mit einem Amin oder Amid im Rahmen der Herstellung des Aminoharzes kann der Fachmann auf der Basis seines allgemeinen Fachwissens ohne weiteres einstellen.
Bevorzugt wird ein wässriges Lösungsmittel verwendet. Ferner können Wasserstoffbrücken-brechende polare Lösungsmittel eingesetzt werden. Die Reaktionstemperatur kann beispielsweise im Bereich von 20°C bis 100°C, bevorzugter im Bereich von 40 bis 65°C liegen. In Abhängigkeit von dem Amin oder dem Amid und dem verwendeten Monoaldehyd kann der pH-Wert über einen breiten Bereich variieren. Der pH-Wert kann beispielsweise im Bereich von 6 bis 10, bevorzugter 7 bis 8,5 liegen.
Das molare Verhältnis der Glyoxylsäure oder ihres Salzes zu den Amingruppen des Amins oder den Amidgruppen des Amids kann über einen breiten Bereich variiert werden. Weist das Amin oder Amid beispielsweise 3 Amin- bzw. Amidgruppen auf, so liegt das molare Verhältnis der Glyoxylsäure oder ihres Salzes zu den Amingruppen des Amins oder den Amidgruppen des Amids bevorzugt im Bereich von 0,5/3,0 bis 5,0/3,0, bevorzugter 1,8/3,0 bis 2,0/3,0. Weist das Amin oder Amid beispielsweise 2 Amin- bzw. Amidgruppen auf, so liegt das molare Verhältnis der Glyoxylsäure oder ihres Salzes zu den Amingruppen des Amins oder den Amidgruppen des Amids bevorzugt im Bereich von 0,2/2,0 bis 3,0/2,0, bevorzugter0,2/2,0 bis 2,0/2 oder 0 0,3/2,0 bis 1,5/2,0, noch bevorzugter 0,5/2,0 bis 1,0/2,0.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es prinzipiell möglich, dass jede Amingruppe des Ausgangsamins oder jede Amidgruppe des Ausgangsamids mit zumindest einem Molekül der Glyoxylsäure oder ihres Salzes reagiert. Alternativ kann es jedoch bevorzugt sein, dass zumindest eine Amingruppe des Amins oder eine Amidgruppe des Amids nicht mit der Glyoxylsäure oder ihrem Salz umgesetzt wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist das Aminoharz noch freie -NH₂-Gruppen oder zumindest Amingruppen mit noch freien -NH-Funktionen auf.
Die oben hinsichtlich der Glyoxylsäure oder des Glyoxylsäuresalzes gemachten Angaben gelten auch für andere Aldehyde, z.B. Glykolaldehyd oder Glycerinaldehyd.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Herstellung des Aminoharzes in mindestens zwei Teilschritten erfolgen, indem das aus der Umsetzung des Monoaldehyds (bevorzugt der Glyoxylsäure oder des Glyoxylsäuresalzes oder des Glykolaldehyds oder des Glycerinaldehyds) mit dem Amin oder dem Amid erhaltene Produkt anschließend mit einem weiteren Aldehyd, bevorzugt einem Dialdehyd oder einem Trialdehyd umgesetzt werden. Als geeigneter Dialdehyd kann beispielsweise Glyoxal oder ein Dialdehyd der Formel OHC-(CH₂)_1-3-CHO (d.h. Malonaldehyd, Succindialdehyd, Glutaraldehyd) genannt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erhält man dadurch ein Harz, das noch freie Aldehydgruppen aufweist. Diese freien Aldehydgruppen können in dem später erfolgenden Verkapselungsschritt die Vernetzung des Harzes weiter verbessern. Wenn also nach der Umsetzung des Monoaldehyds (z.B. der Glyoxylsäure oder des Glyoxylsäuresalzes) mit dem Amin oder dem Amid noch freie Amin- oder Amidgruppen vorhanden sind, wären diese in einem nachfolgenden Umsetzungsschritt unmittelbar für eine Reaktion mit dem Dialdehyd oder Trialdehyd zugänglich. Geeignete Verfahrensbedingungen, um dies sicherzustellen, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann der Monoaldehyd (z.B. die Glyoxylsäure oder das Glyoxylsäuresalz) im molaren Unterschuss, bezogen auf die Anzahl der Amingruppen des Amins oder der Amidgruppen des Amids zugegeben werden.
Es kann bevorzugt sein, dass das Aminoharz noch freie -NH₂-Gruppen oder zumindest noch Aminogruppen mit -N-H-Funktion aufweist. Dies gilt sowohl für Aminoharze, die einstufig hergestellt wurden, wie auch für solche Harze, die zweistufig (d.h. zunächst Umsetzung des Monoaldehyds wie z.B. der Glyoxylsäure oder des Glyoxylsäuresalzes mit dem Amin oder Amid und anschließend Umsetzung des Reaktionsprodukts mit einem Dialdehyd oder Trialdehyd) hergestellt wurden.
Dies kann zu einer weiteren Verbesserung der Vernetzungsfähigkeit des Harzes im später erfolgenden Verkapselungsschritt führen. Die Anzahl der im Aminoharz vorliegenden -NH₂-Gruppen bzw. Aminogruppen mit -N-H-Funktion kann über die molaren Verhältnisse der in dem Herstellungsverfahren eingesetzten Amine bzw. Amide, Monoaldehyde (z.B. Glyoxylsäure bzw. Glyoxylsäuresalze) und optionalen Dialdehyde eingestellt werden.
Sofern das Aminoharz durch Umsetzung eines Amins oder Amids mit Glyoxylsäure erhalten wurde, kann es bevorzugt sein, dass die im Aminoharz vorliegenden Carbonsäuregruppen zumindest teilweise in ihre Salzform in Anwesenheit eines einwertigen Kations überführt werden. Dies kann beispielsweise durch Einstellung eines geeigneten pH-Wertes realisiert werden (z.B. durch Zugabe von NaOH oder KOH). Hinsichtlich geeigneter einwertiger Kationen kann auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Herstellung des Aminoharzes kein Formaldehyd verwendet.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein in Kontakt bringen des Aminoharzes mit mehrwertigen Kationen unter Ausbildung eines ionisch vernetzten Polymers.
Wie oben bereits erwähnt, versteht der Fachmann unter einem ionisch vernetzten Polymer ein Polymer, dessen dreidimensionale Vernetzung über die Wechselwirkung ionischer Gruppen erfolgt. In dem erfindungsgemäßen Polymer wird die ionische Vernetzung durch die Wechselwirkung der anionischen deprotonierten Säuregruppen (z.B. der anionischen Glyoxylat- oder Sulfonatgruppen) mit den zwei- oder höherwertigen Kationen realisiert.
Geeignete mehrwertige Kationen sind zumindest zweiwertig, d.h. mindestens zweifach positiv geladen. Solche zwei- oder höherwertige Kationen, durch die eine ionische Vernetzung ausgelöst werden kann, sind dem Fachmann bekannt.
Bei den zwei- oder höherwertigen Kationen handelt es sich um Erdalkalimetallkationen (insbesondere Ca²⁺, Mg²⁺), Kationen eines Elements der Gruppe 13 („Bor-Gruppe“) des Periodensystems (insbesondere Al³⁺), Kationen eines Übergangsmetalls (z.B. Fe²⁺, Fe³⁺, etc), Kationen von Diaminen (z.B. Ethylendiamin) oder Gemische oder Kombinationen von mindestens zwei dieser Kationen.
Das in Kontakt bringen des Aminoharzes mit den mehrwertigen Kationen kann über herkömmliche, dem Fachmann geläufige Verfahrensschritte erfolgen. Bevorzugt erfolgt das in Kontakt bringen unter Bedingungen, die zur Ausbildung von Mikropartikeln führen. Alternativ können sich aber auch Filme, Fasern, Schäume oder andere Formen ausbilden.
Beispielsweise kann die ionische Vernetzung unter Ausbildung des ionisch vernetzten Polymers in einem Fällbad, bevorzugt einem wässrigen Fällbad, erfolgen, wobei das Fällbad die zwei- oder mehrwertigen Kationen enthält, z.B. in Form eines Salzes, das in dem Fällbad vorliegt. Das Aminoharz kann dem Fällbad unter Ausbildung von Mikrokapseln zugegeben wird, z.B. durch Zutropfen oder Sprühen (beispielsweise durch eine Düse).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass die mindestens zweiwertigen Kationen zunächst in einer unlöslichen Verbindung vorliegen (im Aminoharz und/oder im Fällbad) und erst freigesetzt werden, nachdem das Aminoharz dem Fällbad zugegeben wurde. Bei dieser unlöslichen Verbindung kann es sich beispielsweise um Calciumcarbonat handeln und die Freisetzung der Calciumkationen erfolgt durch Säurezugabe (z.B. Essigsäure).
Die ionische Vernetzung kann auch in einer Emulsion realisiert werden. Beispielsweise kann zunächst eine Wasser-in-Öl-Emulsion gebildet werden. Die in der Ölmatrix dispergierten Wassertröpfchen können beispielsweise das Aminoharz enthalten und durch Zugabe von mehrwertigen Kationen (z.B. in Form eines wasserlöslichen Salzes wie CaCl₂) zu der Emulsion wird das ionisch vernetzte Polymer gebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass die in der Ölmatrix dispergierten Wassertröpfchen das Aminoharz und die mehrwertigen Kationen in Form einer wasserunlöslichen Verbindung (z.B. CaCO₃) enthalten und anschließend eine Säure der Emulsion zugegeben wird, um die mehrwertigen Kationen freizusetzen und damit die Ausbildung des ionisch vernetzten Polymers zu ermöglichen.
Bevorzugt erfolgt die Bildung des ionisch vernetzten Polymers in Anwesenheit eines zu immobilisierenden oder verkapselnden Wirkstoffs. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können eine Vielzahl unterschiedlicher Wirkstoffe verkapselt werden. Es kann sich um hydrophile oder alternativ auch um hydrophobe Wirkstoffe handeln. Beispielhaft können in diesem Zusammenhang kosmetische Wirkstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe, Pestizide, Flammschutzmittel, Pigmente, Duftstoffe, Aromastoffe oder auch Katalysatoren bzw. Katalysatorkomponenten genannt werden. Die Verkapselung kann durch eine Kern-Hülle-Verkapselung oder auch eine Matrixverkapselung erfolgen.
Der Wirkstoff kann beispielsweise dem Aminoharz zugegeben werden und das den Wirkstoff enthaltende Aminoharz kann anschließend in Anwesenheit der mehrwertigen Kationen der ionischen Vernetzung unterzogen werden, so dass ein ionisch vernetztes Polymer, in dem ein Wirkstoff immobilisiert ist, erhalten wird. Der Wirkstoff kann in dem Aminoharz gelöst oder auch dispergiert vorliegen.
Das mit dem Wirkstoff versehene Aminoharz kann dem Fällbad zugegeben werden (z.B. durch Zutropfen oder Sprühen).
Es ist auch möglich, dass der Wirkstoff in dem Fällbad vorgelegt wird und dann das Aminoharz dem Fällbad zugegeben wird.
Weiterhin ist es möglich, dass das Aminoharz und der Wirkstoff über eine Mehrstoffdüse (z.B. mit konzentrischer Düsenanordung) mit den mehrwertigen Kationen in Kontakt gebracht werden. Indem das Aminoharz und der Wirkstoff räumlich getrennt, aber zeitgleich mit den mehrwertigen Kationen in Kontakt gebracht werden, ist die Ausbildung von Kern-Schale-Mikropartikeln möglich. Das ionisch vernetzte Polymer bildet die Schale, die den Wirkstoffkern umschließt.
Wie oben erwähnt, bewirkt die Anwesenheit der zwei- oder höherwertigen Kationen eine ionische Vernetzung des Aminoharzes. Um die Freisetzung eines Wirkstoffs noch weiter zu verzögern oder sogar möglichst weitgehend zu verhindern, kann es bevorzugt sein, dass das ionisch vernetzte Polymer noch einer kovalenten Vernetzung (d.h. Aushärtung durch Ausbildung weiterer chemischer Bindungen) unterzogen wird. Bei einer ausreichend starken Vernetzung erhält man ein duroplastisches Polymer. Die weitere kovalente Vernetzung kann über herkömmliche, dem Fachmann bekannte Maßnahmen realisiert werden, beispielsweise durch thermische Behandlung und/oder geeignete pH-Werteinstellung. Die kovalente Vernetzung kann beispielsweise im Fällungsbad erfolgen. Es ist auch möglich, das Polymer (z.B. in Form von Mikropartikeln) aus dem Fällungsbad zu entfernen (z.B. durch Filtration oder Zentrifugation) und anschließend einer kovalenten Vernetzung zu unterziehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass das durch die ionische Vernetzung erhaltene Polymer (d.h. das ionisch vernetzte Polymer), bevorzugt in Form von Mikropartikeln, mit Anionen in Kontakt gebracht wird, die eine Fällungsreaktion mit den zwei- oder höherwertigen Kationen eingehen. Dadurch können die zwei- oder höherwertigen Kationen aus dem ionisch vernetzten Polymer zumindest teilweise wieder entfernt werden. Beispielsweise können die Mikropartikel mit einer Sulfatlösung oder einer EDTA-Lösung (EDTA: Ethylendiamintetraacetat) in Kontakt gebracht werden und über eine Fällungsreaktion können Ca²⁺-Kationen zumindest teilweise wieder aus dem Polymer entfernt werden. Dies wiederum kann zu einer Auflösung der Mikropartikel und somit zu einer spontanen Freisetzung des verkapselten Wirkstoffs führen. Durch einen externen Stimulus lässt sich also eine spontane Wirkstofffreisetzung initiieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Polymer, das durch das oben beschriebene Verfahren erhältlich ist.
Das Polymer kann als ionisch vernetztes Polymer (erhalten durch die ionische Vernetzung aufgrund der Wechselwirkung zwischen den anionischen Glyoxylatgruppen des Aminoharzes und den mehrwertigen Kationen) oder auch als duroplastisches Polymer (erhalten durch eine nach der ionischen Vernetzung stattfindenden kovalenten Vernetzung) vorliegen.
Bevorzugt enthält das erfindungsgemäße Polymer einen immobilisierten Wirkstoff. Hinsichtlich beispielhafter Wirkstoffe kann auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein geformtes Polymererzeugnis bzw. Polymerformkörper, umfassend das oben beschriebene Polymer.
Bevorzugt liegt das geformte Polymererzeugnis in Form von Mikrokapseln, in Form eines Films, in Faserform oder in Form eines Schaums vor (d.h. bevorzugte Polymerformkörper sind Mikrokapseln, Filme, Fasern oder Schäume).
Bei den Mikrokapseln kann es sich um Kern-Schale-Mikrokapseln oder um Matrix-Mikrokapseln handelt. Bei der Matrixverkapselung liegt der Wirkstoff in der Hüllkomponente („Matrix“) mehr oder weniger homogen verteilt vor. Die Kern-Schale-Mikropartikel weisen eine Kapselwand (Schale) aus dem erfindungsgemäßen Polymer auf und diese Kapselwand umschließt den Wirkstoff, der den Kapselkern bildet. Die Matrix-Mikrokapseln können optional noch mit einer Schale versehen werden (z.B. einer in Magensäure löslichen Schale im Fall eines immobilisierten pharmazeutischen Wirkstoffs). Auch die Kern-Schale-Mikropartikel können optional zusätzlich zu der den Wirkstoffkern umschließenden Schale aus dem ionisch vernetzten Polymer noch eine oder mehrere zusätzliche Schalen aufweisen.
Bevorzugt enthält die Matrix der erfindungsgemäßen Matrix-Mikrokapseln als einzige polymere Komponente das erfindungsgemäße Polymer. Auch bei den erfindungsgemäßen Kern-Schale-Mikrokapseln ist es bevorzugt, dass die unmittelbar den Kern umschließende Schale als einzige polymere Komponente das erfindungsgemäße Polymer enthält.
Der mittlere Durchmesser der Mikropartikel, beispielsweise bestimmt durch bildgebende Messverfahren wie Mikroskopie, kann über einen breiten Bereich variieren und liegt beispielsweise im Bereich von 0,5-3000 µm. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich sowohl Mikropartikel mit kleinerem mittleren Partikeldurchmesser (z.B. im Bereich von 0,5-500 µm oder 5-250 µm) wie auch Mikropartikel mit relativ großem mittleren Partikeldurchmesser (z.B. im Bereich von 800-3000 µm oder 1000-2000 µm) realisieren. Für Mikropartikel, die aus Aminoharzen hergestellt wurden, waren insbesondere solche großen Partikel bisher nicht zugänglich.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele eingehender erläutert.
Beispiele
Beispiel 1
Herstellung eines Aminoharzes durch Umsetzung von Melamin mit dem Kaliumsalz der Glyoxylsäure
444 g (3 Mol) 50 %-ige wässrige Glyoxylsäure werden mit 50 %-iger wässriger Kaliumhydroxidlösung bis pH 7,3 neutralisiert. Man erhält ein Glyoxylsäuresalz mit einem einwertigen Kation (K⁺). Nach Zugabe von 252 g (2 Mol) Melamin wird unter kräftigem Rühren auf 58°C erwärmt und 40 Minuten bei dieser Temperatur und anschließend 60 Minuten bei 65°C gerührt. Danach werden innerhalb von 30 Minuten 144 g (0,78 Mol) 40 %-ige wässrige Glyoxallösung langsam zugetropft. Nach weiteren 5 Minuten wird die Lösung im Wasserbad auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Mikroverkapselung, Herstellung von Matrix-Mikropartikeln
Dem Aminoharz wird ein zu verkapselnder roter Farbstoff als Wirkstoff zugegeben. Als Fällbad fungiert eine wässrige Calciumchlorid-Lösung.
Das den roten Farbstoff (d.h. den zu immobilisierenden Wirkstoff) enthaltende Aminoharz wird bei Raumtemperatur unter Rühren mit Hilfe einer Spritzenpumpe (Kanüle 0,4 mm) in eine 20 %-ige wässrige Calciumchloridlösung mit einer Dosiergeschwindigkeit von 2 ml/min eingetropft. Es bilden sich sofort Mikropartikel, die aufgrund des verkapselten Farbstoffs rot eingefärbt sind. Durch den Austausch der einwertigen Kaliumkationen gegen die im Fällbad befindlichen zweiwertigen Calciumkationen entsteht sofort eine dünne Polymerwand. Durch weitere Diffusion der Calciumkationen setzt sich die ionische Vernetzung auch im Inneren des sphärischen Partikels fort. Man erhält sphärische, ionisch vernetzte Polymerpartikel.
Die sphärischen Matrix-Mikropartikel weisen einen Durchmesser im Bereich von etwa 1-2 mm auf. Anhand der Menge der erhaltenen Mikropartikel ergibt sich, dass etwa 60-70 Gew% des Aminoharzes an der Bildung der Kapselwände teilnehmen.
Die Matrix-Mikropartikel werden durch Filtration aus dem Fällbad isoliert und ohne weitere Hilfsstoffe getrocknet. Anschließend werden die Mikropartikel in Wasser redispergiert. Der rote Farbstoff diffundiert zeitabhängig aus den Partikeln in die umgebende wässrige Phase.
Beispiel 2
Herstellung eines Aminoharzes durch Umsetzung von Melamin mit dem Kaliumsalz der Glyoxylsäure
Das Aminoharz wurde wie oben in Beispiel 1 beschrieben hergestellt.
Mikroverkapselung, Herstellung von Matrix-Mikropartikeln
Dem Aminoharz wird ein zu verkapselnder roter Farbstoff zugegeben. Als Fällbad fungiert eine wässrige Calciumchlorid-Lösung.
Das den roten Farbstoff (d.h. den zu immobilisierenden Wirkstoff) enthaltende Aminoharz wird über eine Düse mit Druckluft (Sprühdruck 60 mbar) in eine 20 %- ige wässrige Calciumchloridlösung eingesprüht. Es bilden sich sphärische Mikropartikel, die aufgrund des verkapselten Farbstoffs rot eingefärbt sind und einen Durchmesser im Bereich von etwa 100-500 µm aufweisen. Anhand der Menge der erhaltenen Mikropartikel ergibt sich, dass etwa 60-70 Gew% des Aminoharzes an der Bildung der Kapselwände teilnehmen.
Die Mikropartikel werden durch Filtration aus dem Fällbad isoliert und ohne weitere Hilfsstoffe getrocknet. Anschließend werden die Mikropartikel in Wasser redispergiert. Der rote Farbstoff diffundiert zeitabhängig aus den Partikeln in die umgebende wässrige Phase.
Beispiel 3
Herstellung eines Aminoharzes durch Umsetzung von Melamin mit dem Kaliumsalz der Glyoxylsäure
Das Aminoharz wurde wie oben in Beispiel 1 beschrieben hergestellt.
Mikroverkapselung, Herstellung von Matrix-Mikropartikeln
Dem Aminoharz wird ein zu verkapselnder roter Farbstoff zugegeben. Als Fällbad fungiert eine wässrige Calciumchlorid-Lösung.
Das den roten Farbstoff (d.h. den zu immobilisierenden Wirkstoff) enthaltende Aminoharz wird über eine Düse mit Druckluft (Sprühdruck 60 mbar) in eine 20 %- ige wässrige Calciumchloridlösung eingesprüht. Es bilden sich sphärische Mikropartikel, die aufgrund des verkapselten Farbstoffs rot eingefärbt sind und einen Durchmesser im Bereich von etwa 100-500 µm aufweisen. Anhand der Menge der erhaltenen Mikropartikel ergibt sich, dass etwa 60-70 Gew% des Aminoharzes an der Bildung der Kapselwände teilnehmen.
Die Mikropartikel werden durch Filtration aus dem Fällbad isoliert und bei 80°C getempert, wodurch zusätzlich zu der ionischen Vernetzung eine kovalente Vernetzung des Polymers erzielt wird. Man erhält ein duroplastisches Polymer. Anschließend werden die Mikropartikel in Wasser redispergiert. Der rote Farbstoff bleibt in den Mikropartikeln verkapselt, d.h. der Farbstoff diffundiert nicht aus den Partikeln in die umgebende wässrige Phase. 1 zeigt eine Lichtmikroskopieaufnahme dieser getemperten Mikropartikel.
Beispiel 4
Herstellung eines Aminoharzes durch Umsetzung von Melamin mit dem Kaliumsalz der Glyoxylsäure
Das Aminoharz wurde wie oben in Beispiel 1 beschrieben hergestellt.
Mikroverkapselung, Herstellung von Kern-Schale-Mikropartikeln
Als zu verkapselnde Substanz wird ein Paraffinöl eingesetzt. Als Fällbad fungiert eine wässrige Calciumchlorid-Lösung.
Das Aminoharz und das Paraffinöl werden gleichzeitig, aber räumlich getrennt durch eine Mehrstoffdüse gepumpt (4 ml/min) und in eine 20 %-ige wässrige Calciumchloridlösung eingesprüht (Sprühdruck: 80 mbar). Es bilden sich sphärische Kern-Schale-Mikropartikel (d.h. das Polymer bildet die Schale, die den Kern aus Paraffinöl umschließt) mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 80-100 µm. Anhand der Menge der erhaltenen Mikropartikel ergibt sich, dass etwa 60-70 Gew% des Aminoharzes an der Bildung der Kapselwände teilnehmen.
Vergleichsbeispiel 1
Das in Beispiel 1 durch Umsetzung von Melamin mit dem Kaliumsalz der Glyoxylsäure hergestellte Aminoharz wurde zusammen mit einem zu verkapselnden Wirkstoff mittels Ultra-Turrax homogen in einem wässrigen Medium dispergiert. Der pH-Wert zur Initiierung der Polykondensationsreaktion (pH 4) wurde durch Zugabe von Amidosulfonsäure eingestellt. Die Dispergierung mit dem Ultra-Turrax wurde fortgesetzt, bis sich eine homogene Dispersion bildete. Dann wurde unter Rühren mit einem Balkenrührer 2 h nachgehärtet. Anhand der Menge der erhaltenen Mikropartikel ergibt sich, dass lediglich etwa 30-40 Gew% des Aminoharzes teilnehmen an der Bildung der Kapselwände. Außerdem sind ausschließlich kovalent vernetzte Mikropartikel mit Kern-Schale-Struktur zugänglich. Eine kontrollierte allmähliche Freisetzung des Wirkstoffs lässt sich damit nicht realisieren.
Wie die Beispiele belegen, können mit dem erfindungsgemäßen Polymer bzw. den erfindungsgemäßen Mikrokapseln sowohl eine kontrollierte Freisetzung (siehe Beispiele 1 und 2) wie auch eine dauerhafte Verkapselung (siehe Beispiel 3) realisiert werden. Auch die Variation der Partikeldurchmesser ist durch geringfügige Abänderungen in den Herstellungsbedingungen ohne weiteres möglich, siehe Beispiel 1 (Durchmesser von 1-2 mm) und Beispiel 2 (Durchmesser von etwa 200-500 µm). Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Polymer sowohl Matrix-Mikropartikel (Beispiele 1-3) wie auch Kern-Schale-Mikropartikel (Beispiel 4) herstellen.
Bei der ionischen Vernetzung in Anwesenheit mehrwertiger Kationen nehmen bis zu 70 Gew% des Aminoharzes teil an der Ausbildung der Kapselwände. Erfolgt die Bildung der Mikrokapseln direkt mit einem Aminoharz, dessen Säuregruppen in Form eines einwertigen Salzes vorliegen, so nehmen lediglich etwa 30-40 Gew% des Aminoharzes an der Ausbildung der Kapselwände teil.
Da in dem erfindungsgemäßen Polymer sowohl eine ionische Vernetzung (durch die ionische Wechselwirkung zwischen den Glyoxylatgruppen des Aminoharzes und den mehrwertigen Kationen) wie auch eine kovalente Vernetzung (durch Ausbildung chemischer Bindungen über Polykondensationsreaktion) vorliegen und beide durch entsprechende Verfahrensbedingungen gesteuert werden können, lässt sich der Gesamtvernetzungsgrad des Polymers und somit auch die Freisetzungskinetik des Wirkstoffs über einen breiten Bereich variieren. Wenn die Vernetzung überwiegend ionisch erfolgt, lässt sich eine relativ schnelle Freisetzung des Wirkstoffs realisieren, wohingegen eine dauerhafte Verkapselung bzw. Immobilisierung möglich ist, wenn das ionisch vernetzte Polymer anschließend noch einer kovalenten Vernetzung unter Ausbildung eines duroplastischen Polymers unterzogen wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Polymers, umfassend: - die Herstellung eines Aminoharzes, das Säuregruppen und/oder Salze der Säuregruppen mit einwertigen Kationen enthält, - in Kontakt bringen des Aminoharzes mit mehrwertigen Kationen unter Bildung eines ionisch vernetzten Polymers, wobei die mehrwertigen Kationen Erdalkalimetallkationen, Kationen eines Elements der Gruppe 13 des Periodensystems, Kationen eines Übergangsmetalls, Kationen eines Diamins, oder Gemische oder Kombinationen von mindestens zwei dieser Kationen sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Säuregruppen Carbonsäuregruppen -COOH und/oder Sulfonsäuregruppen -SO₃H ist bzw. sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Herstellung des Aminoharzes erfolgt durch Umsetzung eines Monoaldehyds mit einem Amin oder Amid und mit einer schwefelhaltigen Säure oder einem Salz der schwefelhaltigen Säure, dessen Kation ein einwertiges Kation ist.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Monoaldehyd Glykolaldehyd, Glycerinaldehyd, Glyoxylsäure oder ein Salz der Glyoxylsäure mit einem einwertigen Kation, Formaldehyd, oder ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Aldehyde ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Herstellung des Aminoharzes erfolgt durch Umsetzung eines Amins oder Amids mit einem Monoaldehyd der Formel OHC-[CHR]_m-COOH wobei m=0-1 und R=H oder OH, oder einem Salz des Monoaldehyds, dessen Kation ein einwertiges Kation ist.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Amin oder Amid ein Diamin, ein Diamid, ein Triamin, ein Triamid oder ein Gemisch von mindestens zwei dieser Amine oder Amide ist.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das einwertige Kation ein Alkalimetallkation oder ein Ammoniumkation oder ein Gemisch davon ist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 3-7, wobei die Herstellung des Aminoharzes in mindestens zwei Schritten erfolgt, indem zunächst das Amin oder Amid mit dem Monoaldehyd umgesetzt wird und das Reaktionsprodukt dieser Umsetzung anschließend mit einem Dialdehyd oder Trialdehyd umgesetzt wird.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aminoharz freie NH- und/oder NH₂-Gruppen aufweist; und/oder wobei das Aminoharz freie Aldehydgruppen aufweist.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bildung des ionisch vernetzten Polymers in einer wässrigen Lösung oder einer Emulsion erfolgt; und/oder das ionisch vernetzte Polymer in Form von Mikropartikeln, als Film, in Form von Fasern oder in Form eines Schaums ausgebildet wird.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bildung des ionisch vernetzten Polymers in Anwesenheit eines zu verkapselnden Wirkstoffs erfolgt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend die kovalente Vernetzung des ionisch vernetzten Polymers unter Ausbildung eines duroplastischen Polymers.
Polymer, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12.
Geformtes Polymererzeugnis, umfassend das Polymer gemäß Anspruch 13.
Geformtes Polymererzeugnis nach Anspruch 14 in Form von Mikropartikeln, in Form eines Films, in Faserform oder in Form eines Schaums.