DE102019113061A1 - METHOD OF CHARACTERIZATION OF MICROCAPSULES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik und betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Mikrokapseln, wie es beispielsweise für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Mikrokapseln angewandt werden kann.Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Charakterisierung von Mikrokapseln bezüglich ihres Verhaltens bei Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherbelastung.Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Charakterisierung von Mikrokapseln bezüglich ihres Verhaltens bei Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherspannung auf die Mikrokapseln und/oder auf ihre Umgebung, bei dem mindestens eine Mikrokapsel in ein transparentes oder transluzentes Elastomer eingebracht und nachfolgend das Elastomer und/oder die Mikrokapsel verformt werden und die Formveränderung optisch überwacht wird, wobei die Verformung mittels Zug-, Druck- und/oder Scherspannung realisiert wird, und die Verformung der Mikrokapsel und/oder der Mikrokapselhülle und/oder des Elastomers in Abhängigkeit von der aufgebrachten Zug-, Druck- und/oder Scherspannung ermittelt wird.The invention relates to the field of measurement technology and relates to a method for characterizing microcapsules, such as can be used, for example, for determining the mechanical properties of microcapsules. The object of the invention is therefore to provide a simple and inexpensive method for characterizing microcapsules with respect to Their behavior when exposed to tensile, compressive and / or shear loads. The object is achieved by a method for characterizing microcapsules with regard to their behavior when exposed to tensile, compressive and / or shear stress on the microcapsules and / or on their surroundings , in which at least one microcapsule is introduced into a transparent or translucent elastomer and subsequently the elastomer and / or the microcapsule are deformed and the change in shape is monitored optically, the deformation being implemented by means of tensile, compressive and / or shear stress, and the deformation the microcapsule and / or the microcapsule shell and / or the elastomer is determined as a function of the applied tensile, compressive and / or shear stress.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Polymerchemie und der Messtechnik und betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Mikrokapseln, wie es beispielsweise für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Mikrokapseln angewandt werden kann, um dann Aussagen für deren Anwendung beispielsweise in der medizinischen Diagnostik von Drug Delivery Systemen oder zur „Selbstheilung“ in Werkstoffen zum Einsatz treffen zu können.The invention relates to the fields of polymer chemistry and measurement technology and relates to a method for characterizing microcapsules, as can be used, for example, to determine the mechanical properties of the microcapsules, in order to then make statements for their use, for example in medical diagnostics of drug delivery Systems or for "self-healing" in materials.
Der Einsatz von Mikrokapseln erstreckt sich heutzutage über eine Vielzahl von Branchen und Industriezweigen.
Seit einigen Jahren ist die medizinische und therapeutische Anwendung von Mikrokapseln Gegenstand der Forschung und Entwicklung, beispielsweise zur lokalen Wirkstofffreisetzung (lokal drug delivery) (
For several years, the medical and therapeutic use of microcapsules has been the subject of research and development, for example for local drug delivery (
Ein weiterer Gegenstand der Forschung und Entwicklung bezüglich des Einsatzes von Mikrokapseln ist die Initiierung einer autonomen Regeneration der mechanischen Eigenschaften von steifen Kunststoffen bei auftretenden Rissen (
Daher ist es erwünscht, die Bedingungen für die Zerstörung der Kapselhülle bei verschiedenen Umgebungen zu kennen, um ein Zerstören der Kapselhülle erst unter gewünschten Bedingungen, zum gewünschten Zeitpunkt und/oder am gewünschten Ort zu realisieren. Dies wiederum erfordert, dass die Kapselhüllen ausreichend charakterisiert werden können und insbesondere ihre mechanischen Eigenschaften bestimmen zu können.It is therefore desirable to know the conditions for the destruction of the capsule shell in different environments in order to realize a destruction of the capsule shell only under the desired conditions, at the desired time and / or at the desired location. This in turn requires that the capsule shells can be sufficiently characterized and, in particular, their mechanical properties can be determined.
Für die Charakterisierung solcher Mikrokapseln und die Bestimmung mechanischer Kennwerte innerhalb der Qualitätsüberwachung im Produktionsprozess stehen zumeist lediglich kapselspezifische Verfahren zur Verfügung. So werden Mikrokapseln;
- - unter Einwirkung von Druckkräften untersucht, wie bei der Rasterkraftmikroskopie, Mikrokompression oder Nanoindentation, bei denen Mikrokapseln zwischen zwei Platten oder mit Kugel mit Druck belastet werden (
A. Ghaemi et al.: Chemical Engineering Science 142, 2016, 236-243 - - auf eine Verformung durch osmotische und adhäsive Effekte untersucht (
C. Gao et al.: The European Physical Journal E, 2001, 5: 21-27 - - auf eine Verformung durch eine zentrifugal angreifende Kraft untersucht (Spinning-Drop Tensiometer) (
G. Pieper et al.: Journal of Colloid and Interface Science 202, 1998, 293-300
- - examined under the influence of compressive forces, as in atomic force microscopy, microcompression or nanoindentation, in which microcapsules are loaded with pressure between two plates or with a ball (
A. Ghaemi et al .: Chemical Engineering Science 142, 2016, 236-243 - - examined for deformation due to osmotic and adhesive effects (
C. Gao et al .: The European Physical Journal E, 2001, 5: 21-27 - - examined for deformation caused by a centrifugal force (spinning-drop tensiometer) (
G. Pieper et al .: Journal of Colloid and Interface Science 202, 1998, 293-300
Mit diesen bekannten Verfahren wird das Verhalten der Materialien von Mikrokapseln insbesondere unter Druckbelastung ermittelt.With these known methods, the behavior of the materials of microcapsules is determined, especially under pressure.
Nachteilig an diesen Charakterisierungsverfahren für Mikrokapseln ist der hohe Präparations- und Zeitaufwand, wodurch in der Praxis nur ein geringer Probenumfang untersucht werden kann.The disadvantage of these characterization methods for microcapsules is the high expenditure of preparation and time, which means that in practice only a small number of samples can be examined.
Auch ist von Nachteil, dass sich mit den bekannten Charakterisierungsverfahren im Wesentlichen nur die Druckbelastung von Mikrokapseln messen lässt, nicht aber das Verhalten bei Einwirkung von Zug- und/oder Scherbelastung bis hin zum Versagen der Mikrokapsel bei gleichzeitiger visueller Nachverfolgung.Another disadvantage is that the known characterization methods essentially only measure the pressure load on microcapsules, but not the behavior under the action of tensile and / or shear loads up to the failure of the microcapsule with simultaneous visual tracking.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Charakterisierung von Mikrokapseln bezüglich ihres Verhaltens bei Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherbelastung.The object of the invention is therefore to provide a simple and inexpensive method for characterizing microcapsules with regard to their behavior when exposed to tensile, compressive and / or shear loads.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims, the invention also including combinations of the individual dependent claims in the sense of an and link, as long as they are not mutually exclusive.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Charakterisierung von Mikrokapseln bezüglich ihres Verhaltens bei Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherspannung auf die Mikrokapseln und/oder auf ihre Umgebung werden mindestens eine Mikrokapsel in ein transparentes oder transluzentes Elastomer eingebracht und nachfolgend das Elastomer und/oder die Mikrokapsel verformt und die Formveränderung mindestens einer Mikrokapsel und/oder der Kapselhülle der mindestens einen Mikrokapsel optisch überwacht, wobei die Verformung mittels Zug-, Druck- und/oder Scherspannung diskontinuierlich oder kontinuierlich realisiert wird, und die Verformung der Mikrokapsel und/oder der Mikrokapselhülle und/oder des Elastomers in Abhängigkeit von der aufgebrachten Zug-, Druck- und/oder Scherspannung ermittelt wird.In the method according to the invention for characterizing microcapsules with regard to their behavior when tensile, compressive and / or shear stresses are exerted on the microcapsules and / or their surroundings, at least one microcapsule is placed in a transparent or translucent elastomer and then the elastomer and / or deforms the microcapsule and optically monitors the change in shape of at least one microcapsule and / or the capsule shell of the at least one microcapsule, the deformation being implemented discontinuously or continuously by means of tensile, compressive and / or shear stress, and the Deformation of the microcapsule and / or the microcapsule shell and / or the elastomer is determined as a function of the applied tensile, compressive and / or shear stress.
Vorteilhafterweise wird das Elastomer zu einem transparenten oder transluzenten Formteil vernetzt und ausgehärtet.The elastomer is advantageously crosslinked and cured to form a transparent or translucent molded part.
Weiterhin vorteilhafterweise wird eine Vielzahl an Mikrokapseln in das Elastomer eingebracht.A large number of microcapsules are also advantageously incorporated into the elastomer.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Mikrokapseln eingesetzt, die ohne Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherspannung undurchlässig für das im Inneren der Mikrokapsel befindliche Material oder Fluid sind.Microcapsules are also advantageously used which are impermeable to the material or fluid inside the microcapsule without the action of tensile, compressive and / or shear stress.
Und auch vorteilhafterweise werden Mikrokapseln eingesetzt, deren Hülle permeabel für das im Inneren der Mikrokapsel befindliche Material oder Fluid oder für das Elastomer ist.Microcapsules whose shell is permeable to the material or fluid located inside the microcapsule or to the elastomer are also advantageously used.
Vorteilhaft ist es auch, wenn Mikrokapseln mit ihrem größten Durchmesser von ≤ 1 mm, vorteilhafterweise mit Durchmessern von 5-100 µm, noch vorteilhafterweise von 20-80 µm, weiterhin vorteilhafterweise von 60-80 µm, eingesetzt werden.It is also advantageous if microcapsules with their largest diameter of 1 mm, advantageously with diameters of 5-100 μm, still advantageously 20-80 μm, furthermore advantageously 60-80 μm, are used.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn als Elastomer ein oder mehrere Silikone oder Silikonverbindungen eingesetzt werden.It is also advantageous if one or more silicones or silicone compounds are used as the elastomer.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Einbringen der Mikrokapseln in das Elastomer mittels Mischen, vorteilhafterweise Homogenisieren, erfolgt.It is also advantageous if the microcapsules are introduced into the elastomer by means of mixing, advantageously homogenizing.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn ein im Wesentlichen blasenfreies Elastomer als Formteil mittels Evakuieren von Fluiden aus dem Elastomer eingesetzt wird.And it is also advantageous if a substantially bubble-free elastomer is used as a molded part by evacuating fluids from the elastomer.
Von Vorteil ist es auch, wenn die optische Überwachung der Mikrokapsel und/oder Mikrokapselhülle mittels eines Mikroskops und/oder einer Kamera durchgeführt wird, wobei noch vorteilhafterweise der Fokus der optischen Überwachung auf die Mikrokapsel und/oder Mikrokapselhülle während der Aufbringung der Zug-, Druck- und/oder Scherspannung auf das Elastomer und/oder die Mikrokapseln nachjustiert wird.It is also advantageous if the optical monitoring of the microcapsule and / or microcapsule shell is carried out by means of a microscope and / or a camera, the focus of the optical monitoring on the microcapsule and / or microcapsule shell during the application of the tensile, pressure - and / or the shear stress on the elastomer and / or the microcapsules is readjusted.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Verformung der Mikrokapsel mindestens bis zum Bruch der Mikrokapsel und/oder der Mikrokapselhülle oder bis zur Delamination von dem Elastomer durchgeführt wird.It is also advantageous if the deformation of the microcapsule is carried out at least until the microcapsule and / or the microcapsule shell rupture or until the elastomer delaminates.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Zug-, Druck- und/oder Scherspannung ermittelt wird, bei der die Hülle der Mikrokapsel bricht.It is also advantageous if the tensile, compressive and / or shear stress at which the shell of the microcapsule breaks is determined.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, Mikrokapseln einfach und kostengünstig hinsichtlich ihres Verhaltens bei Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherbelastung zu charakterisieren.With the solution according to the invention it is possible for the first time to characterize microcapsules simply and inexpensively with regard to their behavior when exposed to tensile, compressive and / or shear loads.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhafterweise die Kraft quantifizierbar, bei der sich die Mikrokapsel verformt, bricht oder zumindest die geschlossene Mikrokapselhülle aufbricht und das Material im Inneren der Mikrokapsel zugänglich wird.With the method according to the invention, the force at which the microcapsule deforms, breaks or at least breaks the closed microcapsule shell and the material inside the microcapsule becomes accessible can advantageously be quantified.
Erfindungsgemäß werden mindestens eine, vorteilhaft eine Vielzahl an Mikrokapseln in ein transparentes oder transluzentes Elastomer eingebracht, und vorteilhafterweise die Mikrokapseln mit dem Elastomer gemischt. Vorteilhafterweise kann als Elastomer ein oder mehrere Silikone oder Silikonverbindungen eingesetzt werden.According to the invention, at least one, advantageously a large number of microcapsules are introduced into a transparent or translucent elastomer, and the microcapsules are advantageously mixed with the elastomer. One or more silicones or silicone compounds can advantageously be used as the elastomer.
Das Elastomer kann vorteilhafterweise evakuiert werden, um eventuell vorhandene Fluide, insbesondere Gasblasen, aus dem Elastomer zu entfernen.The elastomer can advantageously be evacuated in order to remove any fluids that may be present, in particular gas bubbles, from the elastomer.
Unter Mikrokapseln sollen erfindungsgemäß Kapseln verstanden werden, deren größter Durchmesser ≤ 1 mm beträgt. Die Mikrokapseln, die erfindungsgemäß charakterisiert werden, weisen vorteilhafterweise Durchmesser zwischen 5 und 100 µm , noch vorteilhafterweise zwischen 20 und 80 µm, weiter vorteilhafterweise von 60 - 80 µm auf.According to the invention, microcapsules are to be understood as meaning capsules whose largest diameter is 1 mm. The microcapsules that are characterized according to the invention advantageously have a diameter between 5 and 100 μm, more advantageously between 20 and 80 μm, more advantageously between 60 and 80 μm.
Die zu charakterisierenden Mikrokapseln können aus einem spröden oder auch aus einem weichen, dehnfähigen Material bestehen.The microcapsules to be characterized can consist of a brittle or a soft, stretchable material.
Weiter sind die Mikrokapseln vorteilhafterweise ohne Einwirkung von Zug-, Druck- und/oder Scherspannung undurchlässig für das im Inneren der Mikrokapsel befindliche Material der Fluid oder das Elastomer, so dass optisch erkennbar ist, wenn das im Inneren der Mikrokapsel vorliegende Material oder Fluid bei einem Riss aus der Mikrokapsel austritt. Jedoch kann auch die Permeation des Materials in der Mikrokapsel durch die Kapselhülle detektiert werden, wenn das Material der Hülle der Mikrokapsel permeabel für das in Inneren der Mikrokapsel befindliche Material oder Fluid und/oder für das Elastomer ist.
Dies ist ein großer Vorteil gegenüber den Lösungen des Standes der Technik, da solche Ergebnisse bisher nicht nachweisbar sind.Furthermore, the microcapsules are advantageously impermeable to the material, the fluid or the elastomer located inside the microcapsule, without the action of tensile, compressive and / or shear stress, so that it is optically recognizable if the material or fluid present inside the microcapsule is in a Crack emerges from the microcapsule. However, the permeation of the material in the microcapsule through the capsule shell can also be detected if the material of the shell of the microcapsule is permeable for the material or fluid located inside the microcapsule and / or for the elastomer.
This is a great advantage over the solutions of the prior art, since such results have not yet been demonstrable.
Für die Berechnung kapselspezifischer Kennwerte kann im Vorfeld das Spannungs-Dehnungsverhalten des zu verwendenden Elastomers charakterisiert werden. Als Grundlage dafür dienen
Mindestens eine Mikrokapsel muss für die Vornahme einer Charakterisierung erfindungsgemäß in das transparente oder transluzente, möglichst blasenfreie Elastomer eingebracht werden.According to the invention, at least one microcapsule must be introduced into the transparent or translucent, preferably bubble-free elastomer in order to carry out a characterization.
Nach Einbringung der Mikrokapsel(n) in das Elastomer, vorteilhafterweise mittels Mischen, noch vorteilhafterweise mittels Homogenisierung, und ebenfalls vorteilhafterweise nach einer Evakuierung des Elastomers, wird das vorteilhafterweise im Wesentlichen blasenfreie Elastomer in eine Form gegossen, vorteilhafterweise in eine band- oder streifenförmige oder eine Breit-Flach-Form, da an einer solchen Form des Elastomers mit der oder den Mikrokapseln die optische Überwachung der Mikrokapseln einfacher realisierbar ist.After the microcapsule (s) has been introduced into the elastomer, advantageously by means of mixing, still advantageously by means of homogenization, and also advantageously after evacuation of the elastomer, the advantageously essentially bubble-free elastomer is poured into a mold, advantageously in a band, strip or strip shape Wide-flat shape, since with such a shape of the elastomer with the microcapsule (s) the optical monitoring of the microcapsules can be realized more easily.
Anschließend wird das Elastomer vorteilhafterweise vernetzt und ausgehärtet, sofern ein solches Elastomer angewandt wird.
Die Vernetzung und Aushärtung des Elastomers kann durch Lagerung bei oder oberhalb der Raumtemperatur (20 °C), durch Bestrahlung mit UV-Licht und/oder durch thermisches Vernetzen bei höheren Temperaturen erfolgen. The elastomer is then advantageously crosslinked and cured if such an elastomer is used.
The elastomer can be crosslinked and cured by storage at or above room temperature (20 ° C.), by irradiation with UV light and / or by thermal crosslinking at higher temperatures.
Vorteilhafterweise können Zusätze, Hilfsstoffe, Füllstoffe, Vulkanisationsmittel, Aushärtungsmittel, Vernetzungsmittel, Beschleuniger, Aktivatoren und/oder Katalysatoren dem Elastomer vor der Vernetzung und Aushärtung zugesetzt werden.Advantageously, additives, auxiliaries, fillers, vulcanizing agents, curing agents, crosslinking agents, accelerators, activators and / or catalysts can be added to the elastomer prior to crosslinking and curing.
Das Formteil aus dem, vorteilhafterweise vernetzten und ausgehärteten, Elastomer kann dann derart bearbeitet werden, dass das Formteil unter einer optischen Überwachungseinheit, beispielsweise einem Mikroskop oder einer Kamera, betrachtet werden kann. Die Bearbeitung kann beispielsweise durch Schneiden eines folienförmigen Formteils in kleinere Stücke erfolgen.The molded part made of the, advantageously crosslinked and cured, elastomer can then be processed in such a way that the molded part can be viewed under an optical monitoring unit, for example a microscope or a camera. The processing can be done, for example, by cutting a film-shaped molded part into smaller pieces.
Als nächstes wird das bearbeitete oder unbearbeitete Formteil in einer Spannvorrichtung unter der optischen Überwachungseinheit positioniert, vorteilhafterweise die Spannvorrichtung eines Mikroskops, wobei die Spannvorrichtung am oder im Mikroskop positionierbar ist.
Der Fokus des Mikroskops wird auf eine Mikrokapsel ausgerichtet und eingestellt. Danach erfolgt die diskontinuierliche oder kontinuierliche Verformung des Elastomers und/oder der Mikrokapsel, wobei zeitgleich der Fokus auf die Mikrokapsel mit fortschreitender Verformung des Elastomers und/oder der Mikrokapsel justiert wird.Next, the machined or unmachined molded part is positioned in a clamping device under the optical monitoring unit, advantageously the clamping device of a microscope, the clamping device being positionable on or in the microscope.
The focus of the microscope is aligned and adjusted to a microcapsule. This is followed by the discontinuous or continuous deformation of the elastomer and / or the microcapsule, the focus on the microcapsule being adjusted at the same time as the deformation of the elastomer and / or the microcapsule progresses.
Vorteilhafterweise liegt die mindestens eine optisch überwachte Mikrokapsel nicht am Rand des Formteils aus dem Elastomer, sondern mit einem Mindestabstand vom Rand des Formteils von 3 mm, vorteilhafterweise mittig im Elastomerformteil, so dass durch die Verformung des Elastomers ein gleichmäßiger Krafteintrag und damit eine gleichmäßige Verformung der Mikrokapsel realisiert wird.The at least one optically monitored microcapsule is advantageously not located on the edge of the molded part made of the elastomer, but with a minimum distance from the edge of the molded part of 3 mm, advantageously in the center of the elastomer molded part, so that the deformation of the elastomer ensures a uniform application of force and thus a uniform deformation of the Microcapsule is realized.
Die Verformung durch Zug-, Druck- und/oder Scherspannungen kann durch Dehnung, Druckaufbringung und/oder durch Scherung des Elastomers und/oder der Mikrokapsel realisiert werden, beispielsweise indem das Elastomer manuell in 1 - 5 mm-Schritten diskontinuierlich einer Zug-, Druck- und/oder Scherspannung, vorteilhafterweise einer Scherspannung, ausgesetzt und damit verformt wird. Die Verformung kann ebenso kontinuierlich erfolgen.The deformation by tensile, compressive and / or shear stresses can be realized by stretching, applying pressure and / or by shearing the elastomer and / or the microcapsule, for example by manually applying a tensile, compressive, or non-continuous tensile or compressive action to the elastomer in 1-5 mm steps - and / or shear stress, advantageously a shear stress, is exposed and thus deformed. The deformation can also take place continuously.
Dabei wird vorteilhafterweise der Fokus der optischen Überwachung auf die Mikrokapsel und/oder Mikrokapselhülle während der Aufbringung der Zug-, Druck- und/oder Scherspannung auf das Elastomer und/oder die Mikrokapseln nachjustiert, so dass die gewünschte zu überwachende Stelle immer im Fokus der Überwachung liegt.The focus of the optical monitoring on the microcapsule and / or microcapsule shell is advantageously readjusted during the application of the tensile, compressive and / or shear stress to the elastomer and / or the microcapsules, so that the desired point to be monitored is always the focus of the monitoring lies.
Die Verformung erfolgt vorteilhafterweise mindestens bis zum Bruch der Mikrokapsel und/oder Mikrokapselhülle oder bis zu einer Delamination der Mikrokapseln vom Elastomer. Im Falle des Einsatzes einer Vielzahl von Mikrokapseln und der Überwachung von mehreren Mikrokapseln im Formteil gleichzeitig, können ein oder mehrere Mikrokapseln früher oder später brechen und/oder delaminieren. Verfahrensgemäß wichtig ist dabei die Kenntnis des ersten Brechens einer Mikrokapsel oder Mikrokapselhülle oder deren Delamination vom Elastomer.The deformation takes place advantageously at least until the microcapsule and / or microcapsule shell rupture or until the microcapsules delaminate from the elastomer. If a large number of microcapsules are used and several microcapsules are monitored in the molded part at the same time, one or more microcapsules can break and / or delaminate sooner or later. According to the method, it is important to know when a microcapsule or microcapsule shell is broken for the first time or when it is delaminated from the elastomer.
Die Zug-, Druck- und/oder Scherspannung wird ermittelt, bei der die Hülle der Mikrokapsel bricht oder die Mikrokapsel vom Elastomer delaminiert.The tensile, compressive and / or shear stress at which the shell of the microcapsule breaks or the microcapsule delaminates from the elastomer is determined.
Nach Charakterisierung von Mikrokapseln durch Ermittlung der Zug-, Druck- und/oder Scherspannungen, bei denen die Hülle der Mikrokapsel bricht oder die Mikrokapsel vom Elastomer delaminiert, können einerseits Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Elastomers und/oder auf die Umgebung der Mikrokapseln oder des Elastomers getroffen werden.After characterizing microcapsules by determining the tensile, compressive and / or shear stresses at which the shell of the microcapsule breaks or the microcapsule delaminates from the elastomer, conclusions can be drawn about the properties of the elastomer and / or the environment of the microcapsules or the elastomer to be hit.
Es wurde weiter überraschend festgestellt, dass sich Mikrokapseln unter bestimmten Bedingungen bei Ausübung der Zug-, Druck- und/oder Scherspannungen dahingehend verformen, dass die Kapselhülle nicht nur bricht, sondern je nach Material der Kapselhülle sich die Kapselhülle auch nach innen verformen kann, so dass ein Teil einer Kapselwand sich zu ihrer gegenüberliegenden Kapselwand bewegt und damit die Mikrokapsel quasi gefaltet wird, statt in die Länge gezogen oder auseinandergerissen zu werden.It was further surprisingly found that, under certain conditions, when the tensile, compressive and / or shear stresses are exerted, microcapsules deform to the extent that the capsule shell not only breaks, but depending on the material the capsule shell, the capsule shell can also deform inward, so that part of a capsule wall moves to its opposite capsule wall and thus the microcapsule is quasi folded instead of being stretched or torn apart.
Im Falle einer Delamination zwischen Elastomer und Mikrokapsel ist eine weitere Verformung nicht möglich und sinnvoll, da ein Bruch der Mikrokapsel oder eine Verformung nicht mehr herbeigeführt werden kann.In the event of delamination between the elastomer and the microcapsule, further deformation is neither possible nor sensible, since the microcapsule can no longer break or deform.
Die bis zur Delamination gewonnenen Daten können aber trotzdem Rückschlüsse darauf geben, bis zu welcher Druck-, Zug- oder Scherspannung die Mikrokapsel auch bruchsicher ist. Auch lassen sich aus den gewonnenen Daten Rückschlüsse auf die Adhäsion oder Materialkompatibilität zwischen Mikrokapsel und Elastomer ziehen.The data obtained up to the point of delamination can nevertheless provide conclusions as to the compressive, tensile or shear stress up to which the microcapsule is break-proof. The data obtained can also be used to draw conclusions about the adhesion or material compatibility between the microcapsule and the elastomer.
Vorteilhafterweise können Charakterisierungen hinsichtlich E-Modul, Dehnung, plastischer Verformung und/oder Bruchverhalten unter Zug-, Druck- und/oder Scherspannung der Mikrokapseln vorgenommen werden.Characterizations with regard to modulus of elasticity, elongation, plastic deformation and / or fracture behavior under tensile, compressive and / or shear stress of the microcapsules can advantageously be carried out.
Vorteilhafterweise erfolgt die Charakterisierung während einer kontinuierlichen Verformung des Elastomerformteils mit Mikrokapseln, die als Stopp-Motion oder als Video aufgenommen werden kann.The characterization is advantageously carried out during continuous deformation of the molded elastomer part with microcapsules, which can be recorded as a stop motion or as a video.
Aus einer für ein vernetztes und ausgehärtetes Elastomer ohne Mikrokapseln spezifische Spannungs-Dehnungs-Kurve, die entweder bekannt oder vorab ermittelt worden ist, kann die Kraft bestimmt werden, die notwendig ist, um eine Verformung oder den Bruch von Mikrokapseln oder die Delamination der Mikrokapselhülle von dem Elastomer in diesem Elastomer herbeizuführen. Aus diesem Wert der Kraft können weitere mechanische Kennwerte, wie E-Modul, Dehnung, plastische Verformung, oder auch das Bruchverhalten unter Zug-, Druck- und/oder Scherspannung ermittelt werden.From a specific stress-strain curve for a cross-linked and cured elastomer without microcapsules, which is either known or determined in advance, the force that is necessary to deform or break microcapsules or delamination of the microcapsule shell can be determined bring about the elastomer in this elastomer. From this value of the force, further mechanical parameters, such as modulus of elasticity, elongation, plastic deformation, or also the breaking behavior under tensile, compressive and / or shear stress can be determined.
Damit können konkrete Bedingungen für die Zerstörung der Kapselhülle oder ihrer Delamination in der Umgebung eines bestimmten Elastomers angeben werden, so dass ein Zerstören der Kapselhülle oder deren Delamination in einem solchen Elastomer unter gewünschten Bedingungen, zum gewünschten Zeitpunkt und/oder am gewünschten Ort realisiert werden kann.In this way, specific conditions for the destruction of the capsule shell or its delamination in the vicinity of a certain elastomer can be specified, so that the capsule shell or its delamination in such an elastomer can be destroyed under desired conditions, at the desired time and / or at the desired location .
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.
Beispiel 1:Example 1:
Es wird ein Polyurethanelastomer aus zwei Komponenten hergestellt, indem 10 g Polyisocyanat und 8 g Polyol zu einem gießfähigen Elastomer mit einer Shore Härte von 83 gemischt werden.
Anschließend werden 10 mg Mikrokapseln auf Polyharnstoffbasis mit einem mittleren Durchmesser zwischen 20 und 120 µm, deren Hohlräume eine Füllung mit dem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B aufweisen, dem Elastomer zugegeben und miteinander vermischt.A polyurethane elastomer is produced from two components by mixing 10 g of polyisocyanate and 8 g of polyol to form a pourable elastomer with a Shore hardness of 83.
Then 10 mg of polyurea-based microcapsules with an average diameter between 20 and 120 μm, the cavities of which are filled with the fluorescent dye rhodamine B, are added to the elastomer and mixed with one another.
Das Elastomer wird mit den Mikrokapseln in eine Form von 10 cm x 3 cm x 5 mm gegossen. Das Elastomer vernetzt und härtet innerhalb von 2 h bei 70 °C aus. Anschließend wird das Formteil aus dem Elastomer mit den Mikrokapseln auf eine Probengröße von 3 cm x 8 mm zugeschnitten.The elastomer with the microcapsules is poured into a mold measuring 10 cm x 3 cm x 5 mm. The elastomer cross-links and cures within 2 hours at 70 ° C. The molded part made from the elastomer with the microcapsules is then cut to a sample size of 3 cm × 8 mm.
Diese Probe wird in eine Spannvorrichtung in ein Licht-Mikroskop positioniert, der Fokus wird auf eine Mikrokapsel eingestellt und die Probe wird diskontinuierlich gedehnt. Die Dehnung erfolgt in Schritten von 1 mm, während der Dehnung muss der Fokus des Mikroskops auf die Mikrokapsel nachjustiert werden. Die Dehnung erfolgt bis zum Bruch der Mikrokapselhülle.This sample is positioned in a clamping device in a light microscope, the focus is set on a microcapsule and the sample is stretched discontinuously. The expansion takes place in steps of 1 mm, during the expansion the focus of the microscope on the microcapsule has to be readjusted. The expansion takes place until the microcapsule shell ruptures.
Aus einer für das Elastomer spezifischen bekannten Spannungs-Dehnungs-Kurve wird die Kraft ermittelt, die notwendig ist, um den Bruch der Mikrokapselhülle der überwachten Mikrokapsel herbeizuführen, welches im vorliegenden Fall bei einer Kraft von 12 mN erfolgt.
Aus diesem Wert können weitere mechanische Kennwerte, wie E-Modul, plastische Verformung, oder auch das Bruchverhalten unter Zug- oder Scherspannung ermittelt werden.A known stress-strain curve specific to the elastomer is used to determine the force that is necessary to cause the microcapsule shell of the monitored microcapsule to break, which in the present case occurs at a force of 12 mN.
From this value, further mechanical parameters, such as modulus of elasticity, plastic deformation, or the fracture behavior under tensile or shear stress can be determined.
Nach dem Brechen der Kapselhülle tritt der Farbstoff aus dem Kapselinneren in das Elastomer aus und es ist zu erkennen, an welcher Stelle in der Elastomerprobe eine Mikrokapsel gebrochen ist.After the capsule shell has broken, the dye escapes from the inside of the capsule into the elastomer and it can be seen at which point in the elastomer sample a microcapsule has broken.
Beispiel 2:Example 2:
Es wird ein Silikonelastomer aus zwei Komponenten hergestellt, indem 10 g einer Siloxanmischung und 1 g Härter zu einem gießfähigen Elastomer gemischt werden. Anschließend werden 10 µg Mikrokapseln auf Polyelektrolytbasis mit einem mittleren Durchmesser zwischen 20 und 120 µm, deren Hohlraum eine Füllung mit Trimethylhexamethylendiamin aufweist, dem Elastomer zugegeben und miteinander vermischt.A silicone elastomer is produced from two components by mixing 10 g of a siloxane mixture and 1 g of hardener to form a pourable elastomer. Then 10 μg of polyelectrolyte-based microcapsules with an average diameter between 20 and 120 μm, the cavity of which is filled with trimethylhexamethylenediamine, are added to the elastomer and mixed with one another.
Das Elastomer wird mit den Mikrokapseln in eine Form von 10 cm x 3 cm x 3 mm gegossen. Das Elastomer vernetzt und härtet innerhalb von 7 Tagen bei Raumtemperatur aus. Anschließend wird das Formteil aus dem Elastomer mit den Mikrokapseln auf eine Probengröße von 3 cm x 3 cm zugeschnitten.The elastomer with the microcapsules is poured into a mold measuring 10 cm x 3 cm x 3 mm. The elastomer crosslinks and hardens within 7 Days at room temperature. The molded part made from the elastomer with the microcapsules is then cut to a sample size of 3 cm × 3 cm.
Diese Probe wird in eine Spannvorrichtung in ein Licht-Mikroskop positioniert, der Fokus wird auf eine Mikrokapsel eingestellt und die Probe wird kontinuierlich geschert. Während der Scherung wird der Fokus des Mikroskops auf die Mikrokapsel automatisch nachjustiert.
Die Scherung erfolgt bis zur Delamination der Mikrokapsel von dem Elastomer.This sample is positioned in a fixture in a light microscope, the focus is set on a microcapsule and the sample is continuously sheared. During the shear, the focus of the microscope on the microcapsule is automatically readjusted.
The shear continues until the microcapsule delaminates from the elastomer.
Aus einer für das Elastomer ermittelten spezifischen Spannungs-Dehnung-Kurve wird die Kraft ermittelt, die notwendig ist, um die Delamination der überwachten Mikrokapsel herbeizuführen, welches im vorliegenden Fall bei einer Kraft von 1,9 mN erfolgt.A specific stress-strain curve determined for the elastomer is used to determine the force that is necessary to cause delamination of the monitored microcapsule, which in the present case takes place at a force of 1.9 mN.
Beispiel 3:Example 3:
Die Probenpräparation erfolgt analog Beispiel 1, die Dehnung der Probe in der Spannvorrichtung erfolgt kontinuierlich.
Die Mikrokapseln weisen in ihrem Hohlraum eine farbige, ethanolische Betaninlösung auf.The sample preparation takes place as in Example 1, the stretching of the sample in the clamping device takes place continuously.
The microcapsules have a colored, ethanolic betanin solution in their cavity.
Die Nachjustierung des Fokusses des Mikroskops erfolgt automatisch.The microscope's focus is readjusted automatically.
Die Dehnung erfolgt bis zur visuell erkennbaren Permeation des farbigen Kapselfüllmaterials durch die Kapselhülle, ohne direkten Bruch der Mikrokapsel.The expansion takes place until the colored capsule filling material permeates through the capsule shell, without any direct breakage of the microcapsule.
Aus einer für das Elastomer bekannten spezifischen Spannungs-Dehnungs-Kurve wird die Kraft ermittelt, die notwendig ist, um die Permeation des farbigen Kapselfüllmaterials herbeizuführen, welches im vorliegenden Fall bei einer Kraft von 1,7 mN erfolgt.A specific stress-strain curve known for the elastomer is used to determine the force that is necessary to bring about the permeation of the colored capsule filling material, which in the present case takes place at a force of 1.7 mN.
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