Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mikroverkapseln
von Partikeln aus feuchtigkeitsempfindlichen Treib- und
Explosivstoffen sowie Oxidatoren, insbesondere Ammonium
dinitramid (ADN) und/oder Ammoniumnitrat (AN) und mittels
eines solchen Verfahrens hergestellte mikroverkapselten
Partikeln.
Ammoniumdinitramid (ADN) ist als Oxidator für Treibstof
fe, z. B. für Raketentreibstoffe, und als Explosivstoff
von großer Bedeutung. Ammoniumnitrat (AN) wird ebenfalls
in Treib- und Explosivstoffen, in Gasgeneratoren, in
Raketen und neuerdings auch für Airbags eingesetzt. Da
reines AN in Abhängigkeit von der Temperatur in fünf
verschiedenen Kristallmodifikationen mit unterschiedli
cher Dichte vorliegt, wird es in der Regel, z. B. durch
Einbau von Amin- oder Diaminkomplexen phasenstabili
siert, so daß es innerhalb eines großen Temperaturinter
valls eine annähernd gleichbleibende Dichte aufweist.
Bei der Verarbeitung, der Verwendung oder auch der Lage
rung sowohl von ADN als auch von AN ist insbesondere
deren Hygroskopizität nachteilig. Beide Substanzen sind
außerordentlich feuchtigkeitsempfindlich, wobei sich z. B.
ADN bei Feuchtigkeitszutritt verflüssigt.
Weiterhin sind ADN und AN mit vielen Polymeren schlecht
verträglich, was ihren Einsatz in solchen Treib- und
Explosivstoffen, insbesondere Raketentreibstoffen, die in
eine aus ein oder mehr Polymeren bestehende Bindermatrix
eingearbeitet werden, problematisch macht.
Beschichtete Partikel werden bei einer Vielzahl von
Produkten, z. B. Pharmazeutika, Düngemittel, Pestiziden,
Pheromonen und auch Treib- und Explosivstoffen einge
setzt. Eine solche Beschichtung (Coating) wird auch als
Mikroverkapselung bezeichnet.
Die Beschichtung erfüllt je nach Substanz unterschiedli
che Zwecke. Bei Pharmazeutika, Düngemitteln, Pestiziden
oder Pheromonen wird durch die Beschichtung eine verzö
gerte Freisetzung (Retardierung) der Wirksubstanz er
reicht. In der chemischen Verfahrenstechnik werden Sub
strate mit einem Katalysatormaterial verkapselt, um
gegenüber der Verwendung des reinen Katalysators große
Oberflächen bei verringertem Einsatz an Katalysatormate
rial bereitzustellen. Umgekehrt werden auch teure kataly
tisch aktive Substanzen durch Mikroverkapselung mit einem
inerten Material immobilisiert. In allen Fällen ist eine
gute Haftung des Kapselwandmaterials auf dem Substrat
erwünscht, wobei häufig zusätzlich Haftvermittler einge
setzt werden müssen, um die gewünschten mechanischen
Eigenschaften zwischen Substrat und Kapselwandmaterial zu
erhalten.
Der EP 0 865 819 A1 ist ein Verfahren zum Mikroverkapseln
von Partikeln, insbesondere kleinen Partikeln mit einem
Partikeldurchmesser < 100 µm entnehmbar, wobei in einem
Lösungsmittel gelöste Kapselwandmaterialien, z. B. Wach
se, in eine die Partikel enthaltende Wirbelschicht in
feinen Tropfen eingedüst und an den Partikeln abgeschie
den werden. Als Lösungsmittel werden überkritische Flui
de, insbesondere überkritisches Kohlendioxid, verwendet.
Die WO 97/27939 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
von Mikropartikeln, indem ein Wirkstoff zusammen mit
einem wachsartigen Material aufgeschmolzen und homogeni
siert und diese Wirkstoff-Wachs-Mischung im schmelzflüs
sigen Zustand in eine wäßrige Lösung eines als Wandmate
rials verwendeten Präpolymers eingebracht wird. Während
das Wandmaterial aus Polyacrylsäureestern, Polyurethanen,
Polyestern oder Aminoplasten gebildet sein kann, kommen
als Wirkstoff Pestizide, Insektizide, Repellenzien,
Wildverbißmittel, Pheromone oder dergleichen in Frage.
Ziel der Mikroverkapselung der genannten Wirkstoffe ist
ihre kontrollierte Freisetzung über einen möglichst
langen Zeitraum. Aus diesem Grund beträgt der Wachsanteil
an der den Partikelkern bildenden Wirkstoff-Wachs-Mi
schung 10-99 Mass.-% bezogen auf den Wirkstoff, während
das polymere Wandmaterial 3-40 Mass.-% bezogen auf den
Partikelanteil beträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Mikroverkapseln von Partikeln aus feuchtigkeitsemp
findlichen Treib- und Explosivstoffen sowie Oxidatoren,
insbesondere ADN und/oder AN vorzuschlagen, welches
sowohl eine einfache Verarbeitung als auch eine hohe
Lagerstabilität solcher feuchtigkeitsempfindlicher Stoffe
ohne Beeinträchtigung ihrer Produktqualität ermöglicht.
Sie ist ferner auf mittels eines solchen Verfahrens
hergestellte mikroverkapselte Partikel gerichtet.
Der verfahrenstechnische Teil dieser Aufgabe wird bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch ge
löst, daß
- 1. die Partikel unter Ausschluß von Feuchtigkeit mit
einer dünnen Schicht aus wenigstens einem wachs
artigen Material beschichtet und
- 2. die derart beschichteten Partikel mit einer
Aminoharzschicht verkapselt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient Schritt (a) der
vorbereitenden feuchtigkeitsdichten Beschichtung der
Partikel, um sie anschließend in Schritt (b) mit einer
Aminoharzschicht zu verkapseln. Da bei Polykondensations
reaktionen, wie sie zur Verkapselung der beschichteten
Partikel mit einer Aminoharzschicht erforderlich sind,
grundsätzlich Wasser freigesetzt wird, werden die Parti
kel in Schritt (a) vollständig mit einer feuchtigkeits
dichten Schicht aus einem wachsartigen Material beschich
tet. Um den nicht-energetischen Anteil der aus einem
hydrophilen Treib- und Explosivstoff bzw. Oxidator beste
henden Partikel so gering wie möglich zu halten bzw. das
Abbrandverhalten nicht negativ zu beeinflussen, muß die
Schicht aus dem wachsartigen Material filmartig dünn, z. B.
mit einer Schichtdicke < 20 µm aufgebracht werden und
beträgt vorzugsweise höchstens 10 Mass.-%, insbesondere
höchstens 2 Mass.-% bezogen auf die Gesamtmasse der
Partikel.
Zum Beschichten der hygroskopischen Partikel mit einer
dünnen, filmartigen Schicht aus einem wachsartigen Mate
rial ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, daß die
Partikel durch Einbringen in eine Schmelze des wachsarti
gen Materials unter vollständiger Benetzung der Partikel
bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der
Partikel beschichtet werden. Die Temperatur der Schmelze
beim Zusetzen der Partikel wird hierbei vorzugsweise auf
etwa 5-40°C, insbesondere etwa 10-30°C oberhalb des
Schmelzbereichs des wachsartigen Materials eingestellt,
um eine möglichst flüssige Schmelze mit geringer Viskosi
tät zu erhalten.
Die Partikel werden der Schmelze des wachsartigen Mate
rials vorzugsweise langsam zugesetzt und etwa 1-20 min,
insbesondere etwa 3-15 min in der Schmelze gehalten. Um
für eine vollständige Beschichtung der Partikel zu sor
gen, kann die Schmelze z. B. langsam gerührt oder in
einem um seine Längsachse drehbaren Gefäß mit den Parti
keln versetzt werden.
Für die Beschichtung von Partikeln aus ADN, welches einen
Schmelzpunkt von etwa 93°C aufweist, werden zweckmäßig
wachsartige Materialien mit einem Schmelzbereich unter
90°C verwendet. Für die Beschichtung von Partikel feuch
tigkeitsempfindlicher Treib- und Explosivstoffe mit
höherem Schmelzpunkt, z. B. AN (Schmelzpunkt = 170°C),
können auch wachsartige Materialien mit einem höheren
Schmelzbereich, im Falle von AN z. B. bis etwa 160°C
verwendet werden.
Als wachsartige Materialien kommen im Prinzip sämtliche
nativen - pflanzliche, tierische oder chemisch modifi
zierte Wachse, wie z. B. Montanesterwachse - und/oder
synthetischen Wachse in Frage, welche hinsichtlich ihrer
Stoffeigenschaften einerseits für eine dünne, feuchtig
keitsdichte Beschichtung geeignet sind, andererseits
einen für den jeweiligen Treib- und Explosivstoff geeig
neten Schmelzbereich, der unter dem Schmelzpunkt des
Treib- und Explosivstoffs liegen muß, aufweisen. Bevor
zugt werden z. B. Paraffinwachse oder Polyethylenglykol
wachse verwendet.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß Mischungen
wachsartiger Materialien mit unterschiedlichen Schmelz
punkten verwendet werden. Solche Mischungen führen auf
grund ihres langsamen Erstarrungsverhaltens zu einer
besonders dichten Beschichtung der Partikel, so daß die
feuchtigkeitsdichte Schicht filmartig dünn sein kann. Um
die festen Partikel aus dem verwendeten Treib- und Explo
sivstoff nicht aufzuschmelzen, sollte der Schmelzpunkt
aller Komponenten der Mischung wachsartiger Materialien
wenigstens etwa 5-10°C unter dem Schmelzpunkt des
Treib- und Explosivstoffs liegen. Als Mischung wachsarti
ger Materialien können vorzugsweise polymere Materialien
verschiedener Kettenlänge verwendet werden, wie Paraffin
wachse oder Polyethylenglykolwachse mit jeweils verschie
dener Kettenlänge, z. B. PEG 2000 und PEG 6000 (Polyethy
lenglykole mit einer mittleren Molmasse von 2000 g/Mol
bzw. 6000 g/Mol). Solche Mischungen von Polymeren, die
sich lediglich in ihrer Kettenlänge, aber nicht in ihrem
Aufbau unterscheiden bzw. aus den gleichen Monomeren
aufgebaut sind, sind in der Regel sowohl im schmelzeflüs
sigen als auch im festen Zustand unbegrenzt mischbar,
weisen aber verschiedene, jeweils von der Molmasse abhän
gige Schmelzpunkte auf.
Die z. B. 3-15 min in der Schmelze des wachsartigen
Materials gehaltenen Partikel können z. B. der Schmelze
entnommen und abgekühlt werden.
In bevorzugter Ausführung ist jedoch vorgesehen, daß die
Schmelze des wachsartigen Materials mit den vollständig
benetzten Partikeln abgekühlt und vor ihrem Erstarren ein
Adsorbens zur Adsorption des überschüssigen wachsartigen
Materials zugesetzt wird. Überraschenderweise hat sich
gezeigt, daß durch die Zugabe eines geeigneten Adsorbens
vor dem Erstarren der Schmelze diese nicht zu einer
festen, im wesentlichen homogenen Masse mit darin einge
schlossenen Partikeln erstarrt, sondern es wird ein
rieselfähiges Produkt aus filmartig dünn mit dem wachs
artigen Material beschichteten Partikeln erhalten, an
deren Beschichtung Reste des Adsorbensmaterials anhaften
können. Die beschichteten Partikel können auf beliebige
Weise, z. B. Klassieren, von dem erstarrten, wachsartigen
Material abgetrennt werden, welches aufgrund des Zusatzes
des Adsorbens feinpulvrig vorliegt.
Zweckmäßig wird die Schmelze des wachsartigen Materials
nach Einstellen der Temperatur der Schmelze auf z. B.
10-30°C oberhalb des Schmelzbereichs des wachsartigen
Materials und dem Zusetzen der Partikel langsam abgekühlt
und die Schmelze mit den vollständig benetzten Partikeln
z. B. nach 3-15 min unmittelbar vor dem Erstarren, insbe
sondere im Temperaturbereich der Rekristallisationstempe
ratur des wachsartigen Materials, mit dem Adsorbens
versetzt und anschließend weiter auf eine Temperatur
unter dem Schmelzbereich des wachsartigen Materials
abgekühlt.
Vorzugsweise wird ein pulverförmiges, sehr feinkristal
lines Adsorbens verwendet, dessen Partikeldurchmesser
beispielsweise kleiner als die Dicke der auf die Partikel
aufgebrachten dünnen Schicht des wachsartigen Materials
ist. Als Adsorbens können vorzugsweise Harnstoffharze,
beispielsweise Polymethylenharnstoff, verwendet werden,
welche neben ihrer Eigenschaft als Adsorbens für das
wachsartige Material weiterhin die Funktion eines Haft
vermittlers für die auf die dünne Schicht des wachsarti
gen Materials aufgebrachte Aminoharzschicht übernehmen.
Zur Verkapselung der mit der dünnen Schicht aus einem
wachsartigen Material beschichteten Partikel mit einer
Aminoharzschicht ist in bevorzugter Ausführung vorgese
hen, daß die beschichteten Partikel durch Einbringen in
eine wäßrige Lösung wenigstens eines Aminoharzpräkonden
sates und Polykondensation des Präkondensates unter
Bildung der Aminoharzschicht verkapselt werden. Aufgrund
der feuchtigkeitsdichten Schicht aus einem wachsartigen
Material kann die Verkapselung auf an sich bekannte Weise
als Grenzphasenpolykondensation in wäßriger Lösung durch
geführt werden. Vorzugsweise wird die Präpolymerlösung
mit den beschichteten Partikeln während der Polykondensa
tion gerührt, wobei die eingetragene Rührenergie derart
eingestellt wird, daß keine zu hohen Scherkräfte auf die
Partikel einwirken und insbesondere die feuchtigkeits
dichte Schicht aus dem wachsartigen Material nicht
beschädigt wird.
Als Aminoharzpräkondensate kommen im wesentlichen sämt
liche bekannten Präkondensate in Frage, insbesondere
Präkondensate auf der Basis von Melamin-Formaldehyd,
Harnstoff-Formaldehyd oder Melamin-Harnstoff-Formaldehyd.
Es können beispielsweise zumindest partiell veretherte
Präkondensate verwendet werden. Der Veretherungsgrad der
gebildeten Aminoharze kann z. B. auch durch Zusatz eines
Alkohols im gewünschten molaren Verhältnis vor der Poly
kondensation eingestellt werden.
Zweckmäßig wird die Lösung des Aminoharzpräkondensates
vor der Polykondensation auf etwa 25-90°C, insbesondere
etwa 50-70°C erwärmt. Zur Initiierung der Polykondensa
tion wird die Lösung des Aminoharzpräkondensates nach dem
Zusetzen der beschichteten Partikel angesäuert, wobei
vorzugsweise organische Säuren, beispielsweise Essigsäu
re, Ascorbinsäure oder Zitronensäure verwendet werden. Im
Zuge der fortschreitenden Polykondensation bildet sich
ein partikuläres, kolloidales Gel, welches sich an der
Oberfläche der beschichteten Partikel anreichert, koales
ziert und zu einer die beschichteten Partikel vollständig
verkapselnden Polymerwand vernetzt. Die Reaktionszeit
kann je nach verwendeten Reaktionsbedingungen (Reaktions
temperatur, pH-Wert, Rührenergie, etc.) zwischen 5 min
und 3 h betragen.
Nach Verkapselung der Partikel mit der Aminoharzschicht
können diese getrocknet werden, wobei die Trocknungsbe
dingungen, insbesondere die Trocknungstemperatur, derart
gewählt werden, daß der jeweilige mikroverkapselte Treib-
und Explosivstoff nicht beschädigt wird.
Die Erfindung betrifft auch aus einem Kern aus einem
feuchtigkeitsempfindlichen Treib- und Explosivstoff sowie
Oxidator, insbesondere Ammoniumdinitramid (ADN) und/oder
Ammoniumnitrat (AN), einer den Kern umhüllenden feuchtig
keitsdichten, dünnen Schicht aus einem wachsartigen
Material und einer auf dieser Schicht aufgebrachten
Aminoharzschicht bestehende mikroverkapselte Partikel,
die mit einem solchen Verfahren hergestellt sind.
Der Durchmesser solcher Partikel kann beispielsweise
10-600 µm betragen. Um den nicht-energetischen Anteil der
mikroverkapselten Partikel so gering wie möglich zu
halten, ist die dünne Schicht aus einem wachsartigen
Material filmartig dünn und weist vorzugsweise eine
Stärke im Bereich von 5-20 µm auf. Entsprechendes gilt
für die Stärke der Aminoharzschicht, die beispielsweise
0,1-20 µm, insbesondere 0,1-1 µm beträgt. Der Anteil an
wachsartigem Material beträgt insbesondere höchstens 10
Mass.-%, vorzugsweise höchstens 5 Mass.-% und höchst
vorzugsweise höchstens 2 Mass.-% bezogen auf die Gesamt
masse des Partikels. Die mikroverkapselten Partikel
können zwischen der dünnen Schicht aus einem wachsartigen
Material und der Aminoharzschicht Einlagerungen eines
Adsorbensmaterials (z. B. Polymethylenharnstoff) für das
wachsartige Material aufweisen, welches die Haftung
zwischen wachsartigem Material und Aminoharzschicht
erhöht und somit als Haftvermittler wirkt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu
tert. Hierbei zeigt die einzige Figur:
einen Querschnitt durch einen mikroverkapselten
Partikel aus einem feuchtigkeitsempfindlichen
Treib- und Explosivstoff.
Beispiel 1
In ein rotierendes Gefäß werden 2,5 Gew.-Teile eines
Paraffinwachses mit einem im Schmelzbereich von 42-43°C
und 0,5 Gew.-Teile eines Paraffinwachses mit einem
Schmelzbereich von 75-80°C eingetragen, auf etwa 75°C
erwärmt und aufgeschmolzen. Nach vollständigem Schmelzen
des Wachsgemischs werden 10 Gew.-Teile ADN-Partikel
langsam zugesetzt und etwa 5 min benetzt. Anschließend
wird die Schmelze des Wachsgemischs auf eine Temperatur
im Bereich ihrer Rekristallisationstemperatur von etwa
55°C abgekühlt und ein Gew.-Teil eines feinen Polymethy
lenharnstoffpulvers als Adsorbens zugesetzt. Nach weite
rem Abkühlen werden rieselfähige Partikel erhalten,
welche mit einer filmartig dünnen, feuchtigkeitsdichten
Schicht aus Paraffinwachsen beschichtet sind und somit
durch Feuchtigkeit nicht hydrolytisch gespalten werden
können.
In einem weiteren Gefäß mit einer Rühreinrichtung werden
60 Gew.-Teile Wasser und 3,5 Gew.-Teile eines Aminoharz
präkondensates vorgelegt und die Lösung auf 60°C er
wärmt. Hierbei wird z. B. ein partiell mit Methanol
verethertes Melamin-Formaldehyd-Aminoharzpräkondensat mit
einem Feststoffgehalt von 50 Gew.-% verwendet. Der pH-
Wert der wäßrigen Lösung wird mit 2 N Zitronensäure auf
etwa 3,5 eingestellt. Anschließend werden die mit Paraf
finwachs beschichteten Partikel zugesetzt und etwa 30 min
unter kontinuierlichem Rühren durch Polykondensation des
Aminoharzpräkondensates verkapselt. Die wäßrige Lösung
wird abgenutscht und die mikroverkapselten Partikel unter
milden Bedingungen getrocknet.
Die erhaltenen Partikel 1 bestehen aus einem Kern 2 aus
ADN, einer den Kern 2 umhüllenden, dünnen Schicht 3 aus
Paraffinwachs und einer auf dieser Schicht 3 aufgebrach
ten Aminoharzschicht 4. Zwischen der dünnen Schicht 3 aus
Paraffinwachs und der Aminoharzschicht 4 weist der Parti
kel 1 Einlagerungen 5 des als Adsorbens verwendeten
Polymethylenharnstoffpulvers auf.
Beispiel 2
In das rotierende Gefäß gemäß Beispiel 1 werden 3 Gew.-
Teile PEG 2000 und 2 Gew.-Teile PEG 6000 eingetragen und
unter Bildung einer homogenen Schmelze auf eine Tempera
tur von etwa 75°C erwärmt. Der Schmelze werden 10 Gew.-
Teile ADN-Partikel zugesetzt und diese etwa 5 min voll
ständig benetzt. Während des anschließenden Abkühlens der
Schmelze werden im Bereich deren Rekristallisationstempe
ratur 0,4 Gew.-Teile eines feinpartikulären Polymethylen
harnstoffpulvers als Adsorbens zugesetzt und die erhalte
nen Partikel abgekühlt. Die Aminoharzverkapselung erfolgt
entsprechend Beispiel 1.