DE4303415A1 - Emulsion enthaltend Chitosan - Google Patents

Emulsion enthaltend Chitosan

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Emulsion, die Chito­ san enthält, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Ver­ wendung.
Produkte, die die erfindungsgemäß hergestellte Emulsion al­ leine oder in Verbindung mit anderen Stoffen, wie mit Ölen und/oder Wachsen und/oder Harzen enthalten, lassen sich gut als Anstrichmittel verwenden. Anstrichmittel, die Öle und/oder Wachse und/oder Harze sowie übliche Zusatzstoffe enthalten, werden vielfach für den Oberflächenschutz von Ma­ terialien eingesetzt.
Bekannte Anstrichmittel, die Öle und/oder Wachse und/oder Harze enthalten, bedürfen, auch wenn es sich um Naturharze, Naturöle und Naturwachse handelt, eines Lösungsmittels, um verarbeitbar eingestellt zu werden. Selbst das einfache Lein­ ölfirniss muß verdünnt werden, um ins Holz eindringen zu kön­ nen. Es handelt sich dann um ein Halböl. Als Lösungsmittel werden z. B. natürliche Terpentine, wie balsamisches Terpentin oder Citrus-Terpentin oder reines aromatenfreies Test-Benzin eingesetzt. In einer Öllasur muß z. B. 70% Lösungsmittel vor­ handen sein. Im Öllack sind immer noch ca. 30% Lösungsmit­ tel.
Da die meisten Lösungsmittel noch lange nach der Behandlung aus den oberflächenbehandelten Materialien ausdampfen und diese Lösungsmittel für den Menschen schädlich sind, hat man sich in den letzten Jahren bemüht, Wasser als Lösungsmittel für Lacke, Farben und andere Pflegemittel einzusetzen.
In diesen technischen Emulsionen sind Wasser und Öl oder Fett als nichtmischbare Phasen anwesend. In Abhängigkeit von Zu­ sammensetzung und Verhältnis der Phasen bestehen zwei Mög­ lichkeiten der Verteilung. Ist Wasser die äußere und Öl die innere Phase, liegt eine O/W-Emulsion vor, deren Grundcharak­ ter durch das Wasser geprägt ist. Ist Öl die äußere und Was­ ser die innere Phase, liegt eine W/O-Emulsion vor, wobei hier der Grundcharakter vom Öl bestimmt wird. Bei der Herstellung derartiger Emulsionen werden zur Verringerung der Grenzflä­ chenarbeit Emulgatoren eingesetzt, die auch in starkem Maße bestimmen, welche Art der Emulsion sich ausbildet.
Die Emulsionsstabilität hängt von der Stärke der Energiebar­ riere ab, die ein Zusammenfließen der dispergierten Tröpfchen verhindert. Insbesondere durch Einflüsse auf den Grenzflä­ chenfilm zwischen den Phasen durch Emulgatoren, Proteine, Hy­ drokolloide und Feststoffteilchen kann die Stabilität von Emulsionen verändert werden.
Um eine stabile Öl-in-Wasser-Emulsion oder eine Wasser-in-Öl- Emulsion herzustellen, wird daher ein Emulgator und Stabili­ sator eingesetzt. Hier können oberflächenaktive Stoffe ver­ wendet werden, die durch Viskositätserhöhung und durch Aus­ bildung mechanisch-stabiler Grenzflächenfilme selbst die auf mechanischem Wege hergestellten Emulsionen stabilisieren.
Viele dieser Mittel sind fähig, mit den emulgierten Teilchen in Wechselwirkung zu treten, indem sie sich komplexartig an die zu schützenden Teilchen anlagern. Sie verstärken hierbei deren Ladung und/oder deren Solvathülle. Hier ist es bekannt, Hydrokolloide, d. h. wasserlösliche natürliche oder syntheti­ sche Polymere, die in wässerigen Systemen Gele bzw. viskose Lösungen bilden, einzusetzen. Die Stärke der Interaktion ist vom Hydrokolloid und von den Verarbeitungsbedingungen abhän­ gig. Als Hydrokolloide sind u. a. Gummi Arabicum, Tragant, Agar-Agar, verschiedene Cellulosen, verschiedene Polysaccha­ ride, Veegum und Polyacrylate bekannt.
Die bekannten, bei Anstrichen eingesetzten Emulgatoren weisen nun häufig den Nachteil auf, daß sie für den Menschen schäd­ lich sind, oder daß sie, wenn sie für den Menschen nicht schädlich sind, auch keine fungizide und antibakterielle Wir­ kung aufzeigen, die jedoch zum Schutz von Materialien häufig erwünscht ist.
Andere Anstrichmittel wiederum haben den Nachteil, daß sie, wenn sie für Anstriche eingesetzt werden, die im Freien ver­ wendet werden, schlecht abbaubar sind. Dies ist z. B. der Grund, warum viele Farben und Lacke nicht als Antifoulings für Schiffsrümpfe verwendet werden können.
Die Britische Patentschrift 458,813 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Zusammensetzungen und von überzogenen und imprägnierten Materialien. Ein desacetyliertes Chitin wird in wäßriger Säure, z. B. Essigsäure, gelöst, um eine Überzugs- oder Imprägnierzusammensetzung zu ergeben, die zum Überziehen oder Imprägnieren von Cellulosesubstanzen, Stoffen oder ande­ ren faserigen Materialien geeignet ist. Es ist allgemein be­ schrieben, daß in Wasser dispergierbare Materialien auch in Kombination mit bestimmten desacetylierten Chitinsalzen ver­ wendet werden können, so z. B. auch Harze, die in alkalischer Lösung löslich oder im wäßrigen System emulgierbar sind.
Die Britische Patentschrift 458,815 beschreibt die Herstel­ lung und den Gebrauch von Emulsionen, insbesondere Emulsio­ nen, die Salze von Aminopolysacchariden enthalten, sowie de­ ren Verwendung zum Imprägnieren von faserigem Material wie Papier, Kleidung u.ä. Diese lassen sich auf die Bildung von Emulsionen von natürlichen und synthetischen Wachsen und wachsähnlichen Materialien, natürlichen und synthetischen Harzen, Fetten und anderen wasserabstoßenden Materialien an­ wenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Emulsion der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Art als gebrauchsfertigen, lagerfähigen, mit Wasser verdünnbaren Ansatz vorzusehen, der mit einer Vielfalt von Naturölen, -harzen und/oder -wachsen verträglich und auf einfache Weise zu ökologisch und gesund­ heitlich unbedenklichen Anstrichstoffen, Imprägniermitteln, Oberflächenpflegemitteln, Bindemitteln und Kosmetika, wie Salben oder Körperlotions, verarbeitbar ist, wobei zudem eine antibakterielle und fungizide Wirkung erreicht werden soll.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1. Patentanspruch 8 zeigt ein Verfahren zur Herstellung der Emulsion und Patentanspruch 9 deren Verwendung. Die Unteran­ sprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Tabelle und an Beispielen näher erläutert. Es zeigt:
Tabelle 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Verwendung der erfindungsgemäßen Emulsion.
Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Emulsion aufgrund ihrer Zusammensetzung eine gute Aufnahmefähigkeit für und Mischbarkeit mit vielen Naturölen, -harzen und -wachsen auf­ weist.
Durch die Verwendung von Anstrichstoffen, die auf Basis des erfindungsgemäßen Ansatzes hergestellt worden sind, lassen sich Wasser und Schmutz abweisende sowie abriebfeste Überzüge erhalten.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Emulsion ergibt den Vor­ teil, daß in einem Herstellbetrieb bei der Herstellung von vielfältigen Produkten jeweils auf den gleichen emulgierenden Ansatz zurückgegriffen werden kann. Dies führt zu einer Ver­ einfachung der einzelnen Herstellverfahren und es reduziert sich der Umfang der Lagerhaltung an Ausgangsmaterialien.
Hierdurch wird innerhalb eines Produktbereiches, d. h. den der Anstrichstoffe und dergl., ein Anreiz zur Bereitstellung von mehreren Produkten auf Naturbasis, die frei von toxischen Zu­ sätzen sind, geschaffen.
Darüberhinaus wird durch die erhöhte Nachfrage nach dem Aus­ gangsmaterial Chitosan die Entwicklung eines bisher wenig be­ achteten Industriezweiges gefördert.
Chitosan ist aus Chitin erhältlich, das einen Bestandteil der äußeren Schale von Schalentieren wie Hummern und Krebsen bil­ det. Chitin ist ein natürliches, stickstoffhaltiges Polysac­ charid aus N-Acetylglucosamin. Mittels alkalischer Hydrolyse der Acetylgruppen erhält man aus Chitin das polykationische Polysaccharid Chitosan.
Die erfindungsgemäßen Emulsionen haben insbesondere den Vor­ teil, daß Chitosan ein guter Emulgator ist, der nur eine ge­ ringe Toxizität aufweist. So zeigt Chitosan in Mäusen eine LD50 < 60 g/kg. Chitosan wirkt jedoch gleichzeitig antibakte­ riell und fungizid, was für viele Anstrichfarben, insbeson­ dere für Außenanstrichsfarben und Schiffs-Antifoulings, not­ wendig ist. Weiterhin läßt sich Chitosan aus nachwachsenden Rohstoffresourcen, nämlich aus Chitin herstellen. Es läßt sich zudem durch natürlich vorkommende Enzyme gut abbauen, was ganz besonders zur Verwendung bei Schiffs-Antifoulings von Bedeutung ist, da bei einem Schiffs-Antifouling sich im­ mer die äußerste Farbschicht ablöst, wenn sich z. B. eine Mu­ schel an dem Schiffsrumpf ansetzt. Diese kann sich dadurch nicht am Schiffsrumpffesthalten, sondern schwimmt mit der abgelösten Farbschicht davon. Diese abgelöste Farbschicht ist dann im Meerwasser und darf nicht giftig sein; ferner sollte sie natürlich abbaubar sein - Voraussetzungen, die Chitosan erfüllt. Chitosan ist darüber hinaus noch ein Topfkonservie­ rer auf natürlicher Grundlage und es erhöht die Oberflächen­ härte der Anstrichmittel, in denen es eingesetzt wurde.
Chitin hat den Vorteil, daß es in der Natur weitverbreitet ist. Die Arthropoden (Insekten, Crustaceen) bilden neben den Pilzen und Hefen die größten Mengen an Chitin. Der Anteil an Chitin beträgt in der Cuticula von Crustaceen, Insekten bzw. der Zellwand von Pilzen ca. 20-40% der Trockenmasse. Es läßt sich daher leicht z. B. aus Abfällen der Krabbenfischerei ge­ winnen.
Chitosan, dessen systematischer Name [(1,4)-2-Amino-2-desoxy­ β-D-glucan] lautet, kommt in der Natur vor allem in Pilzen der Spezies Mucor vor. Wie oben erwähnt, läßt es sich jedoch aus Chitin gewinnen, was größtenteils durchgeführt wird.
In Pilzen hemmt Chitosan die RNA-Biosynthese und besitzt da­ mit in diesen Mikroorganismen wachstumsregulierende Eigen­ schaften. Möglicherweise ist die fungistatische Aktivität auch auf eine direkte Interaktion des Polykations mit der ne­ gativ geladenen Oberfläche von Zellmembranen zurückzuführen.
Der natürliche Abbau von Chitosan erfolgt enzymatisch durch Chitinasen. Dabei unterscheidet man mindestens zwei Enzym­ klassen, nämlich Endochitinasen, die das Polymer in kleinere Oligomere spalten und Exochitinasen, die die Oligomere weiter abbauen. Chitosan ist daher für viele Anstrichmittel geeigne­ ter als andere Stoffe, die nicht oder nur schwer mikrobiell abbaubar sind.
Zur technischen Gewinnung von Chitosan wird Roh-Chitin durch Erhitzen mit 40-50% Natronlauge auf 110-115°C unter Sauer­ stoffausschluß für mehrere Stunden weitgehend desacetyliert. Die Gewinnung ist daher wesentlich umweltfreundlicher als die vieler anderer Emulgatoren. Bei den Grundprozessen werden le­ diglich Alkalilaugen oder Mineralsäuren verwendet, deren Handhabung für den Fachmann unproblematisch ist. Es entstehen dabei keine giftigen Begleitstoffe.
Die erfindungsgemäßen Emulsionen lassen sich für Holzschutz im Innen- und Außenbereich, für Antifouling-Schiffsfarben im Unterwasserbereich, für Künstlerfarben und im Haushalt für diverse Pflegemittel sowie mit geeigneten Rohstoffen für Kos­ metikartikel verwenden.
Durch das erfindungsgemäße Mittel lassen sich viele Lasuren und Pflegemittel für Holz, Kork, Stein und Metall gut von lö­ sungsmittelhaltigen auf wasserverdünnbare und lösungsmittel­ freie Anstrichmittel umstellen. Da Chitosan ein exellenter Feuchtigkeitsvermittler ist, sind diese Anstrich- und Pflege­ mittel besonders für die Holzoberflächenpflege und den Kosme­ tiksektor sehr geeignet. Das Chitosan verbessert die Adhäsion und die Wasserresistenz von Öl- und Wachsfilmen. Die Produkte werden abriebfester, streichfähiger und gleichzeitig konser­ viert. Sie sind nicht nur ökologisch besser, sondern lassen sich zudem auch noch ökonomisch günstiger herstellen.
Erfindungsgemäß ausgehend von der Chitosanlösung als Emulga­ tor ergeben sich durch Zumischung von Naturölen und/oder Na­ turwachsen verschiedene Anstrich- und Pflegemittel und Kosme­ tikartikel mit Chitosan.
Als Stammansatz werden 5 bis 30 Gewichtsteile, vorzugsweise 15 Gewichtsteile, Chitosan, 10 bis 40 Gewichtsteile, vor­ zugsweise 20 bis 30 Gewichtsteile, Säure, insbesondere Essigsäure 60%ig und 1000 Gewichtsteile Wasser durch inten­ sives Rühren bei 50 bis 60°C zu einer viskosen Lösung ver­ mischt. Das intensive Dispergieren wird ca. 15 Minuten durchgeführt. Die erhaltene Chitosanlösung bleibt stabil.
Weiterhin wird ein Gemisch von fetten Ölen, vorzugsweise Leinöl-Standöl, Holzöl-Standöl und Rizinus-Standöl, Orangenöl und Holzöl, aber auch Mandel-, Nuß-, Jojaba-Öl etc. für die Kosmetik, mit einer geringen Menge eines nichtionischen Co- Emulgators, vorzugsweise EUMULGIN B1 unter Erwärmung vor­ emulgiert. Fettalkoholoxetylate vom Typ EUMULGIN B sind leicht abbaubare Niotenside. Die komplette Biodegeneration zu CO2 und Wasser erfolgt schneller als bei vergleichbaren Nonylphenoloxethylaten (L. Kravetz, H. Chung et al in Household & Personal Products Ind. 19, 46-52, 72 (1982)).
In die Chitosanlösung werden von dem voremulgierten Ölgemisch 15 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 35 besonders bevorzugt 33 Gew.-%, durch intensives Dispergieren eingearbeitet. Die O/W-Emulsion bleibt stabil. Die Emulsion kann jetzt weiter mit Wasser verdünnt werden, wobei sie weiterhin stabil bleibt.
Von diesem Grundansatz (in Tabelle 1 mit "CHITOSAN-ÖL-EMUL- SION" bezeichnet) werden 4,6 Gew.-% mit einem erwärmten, voremulgierten Gemisch von Naturwachsen, vorzugsweise Bienenwachs, Carnaubawachs und Schellackwachs (10 Gew.-%), aber auch Lanolin, Adeps Lanae etc. für den Kosmetiksektor, unter Rühren vermischt. Dieser Mischung werden 85 Gew.-% der Chitosanlösung unter instensiven Dispergieren zugegeben. Die so erhaltene Wachs-Emulsion, in Tabelle 1 mit "CHITOSAN- WACHS-EMULSION" bezeichnet, ist sehr stabil und kann ebenfalls mit Wasser verdünnt werden.
Ebenso kann ein Wachsgemisch in die Chitosanlösung unmit­ telbar eingearbeitet werden.
Durch weiteres Hinzufügen von Iod als fungizide Schutzkompo­ nente, ergeben sich erfindungsgemäß Produkte wie Baumpflege­ wachs und Antifoulingfarben für den Schiffsunterwasserbe­ reich. Eine 20-30%ige, vorzugsweise 25%ige, Iod-Lösung kann in einer Menge von 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% vorzugsweise 10 Gew.-%, zugegeben werden.
In der Kosmetik wird "CHITOSAN-WACHS-EMULSION" als Träger für Aloe Vera, Propolis etc. eingesetzt.
Es wurden die folgenden Anstrichmittel gemäß den Beispielen 1 bis 4 (siehe auch Tabelle 1) hergestellt:
Beispiel 1a
Holzpflege für Innen/Wandlasurbinder
(CHITOSAN-ÖL-EMULSION, Bezugszeichen 1 in Tabelle 1)
Chitosanlösung|48.0 g
Leinöl-Holzöl-Standöl 8 : 2 12.0 g
Synouryn-Standöl 3 0P 12.0 g
Leinölstandöl 450P 12.0 g
Orangenöl 12.0 g
Holzöl 2.0 g
Calcium Octoat 6380/I.K.60% 0.4 g
Kob.6%-Zirk.9%-Octoat 635 0.3 g
EUMULGIN B1 1.3 g
Beispiel 1b
Kosmetik Körper-Lotion
Chitosanlösung|48.0 g
Mandelöl 12.0 g
Jojobaöl 12.0 g
Walnußöl 12.0 g
Orangenöl 12.0 g
Lavendelöl 2.0 g
EUMULGIN B1 1.3 g
Beispiel 2
Schnell trocknendes, polierfähiges Naturwachs für die Pflege von Holz, Stein, Kork und Leder
(CHITOSAN-WACHS-EMULSION, Bezugszeichen 2 in Tabelle 1)
CHITOSAN-ÖL-EMULSION (hergestellt gem. Bsp. 1a)|4.6 g
Carnaubawachs 4.0 g
Schellackwachs 5.0 g
Bienenwachs 5.0 g
EUMULGIN B1 0.4 g
Chitosanlösung 85.0 g
Beispiel 2a
Kosmetik-Salbe, feuchtigkeitsregulierend
(CHITOSAN-WACHS-EMULSION, Bezugszeichen 2a in Tabelle 1)
CHITOSAN-ÖL-EMULSION (hergestellt gem. Bsp. 1b)|4.6 g
Lanolin 4.0 g
Bienenwachs 10.0 g
EUMULGIN B1 0.4 g
Chitosanlösung 85.0 g
Beispiel 3
Antifouling-Schiffsfarbe und Baumwachs
CHITOSAN-ÖL-EMULSION (hergestellt gem. Bsp. 1a)|40.0 g
CHITOSAN-WACHS-EMULSION (hergestellt gem. Bsp. 2) 40.0 g
Dammarharz-Emulsion 10.0 g
Iod-Lösung 25% 10.0 g
Beispiel 4
Silberputzmittel
Chitosanlösung|63.0 g
Siliciumdioxid, amorph., natürlich 33.0 g

Claims (10)

1. Emulsion enthaltend Chitosan, Wasser, Säure, Öl und/oder Wachs, herstellbar durch
  • - Zusammenmischen von 5 bis 30 Gewichtsteilen Chitosan, von 10 bis 40 Gewichtsteilen Säure und 1000 Gewichtsteilen Wasser und Rühren bei 50 bis 60°C zur Bildung einer viskosen Chitosanlösung,
  • - Voremulgieren eines oder mehrerer fetter Öle und/oder Wachse mit einem Co-Emulgator unter Erwärmung zur Bildung eines voremulgierten Gemisches und
  • - nachfolgendes intensives Dispergieren von 15 bis 50 Ge­ wichtsteilen des voremulgierten Gemisches in 50 bis 85 Gewichtsteilen der Chitosanlösung.
2. Emulsion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure Essigsäure und/oder Citronensäure und/oder Sa­ licylsäure ist.
3. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 15 Gewichtsteile Chitosan und 20 bis 30 Gewichtsteile Säure mit 1000 Gewichtsteilen Wasser zusammengemischt werden.
4. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das fette Öl Leinöl-Standöl, Holzöl-Standöl, Ricinus- Standöl, Orangenöl, Holzöl, Mandelöl, Jojobaöl und/oder Nußöl ist.
5. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachs Carnaubawachs, Schellackwachs, Bienenwachs und/oder Wollwachs ist.
6. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 30 bis 35 Gewichtsteile des voremulgierten Öl- oder Wachsgemisches in 65 bis 70 Gewichtsteilen der Chitosanlösung voremulgiert werden.
7. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß 25%ige Jodlösung in einer Menge von 5 Gew. -% bis 15 Gew. - % zugegeben wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - von 5 bis 30 Gewichtsteile Chitosan, von 10 bis 40 Ge­ wichtsteile Säure und 1000 Gewichtsteile Wasser zusammengemischt und bei 50 bis 60°C zur Bildung einer viskosen Chitosanlösung gerührt werden,
  • - ein oder mehrere fette Öle und/oder Wachse mit einem Co- Emulgator unter Erwärmung zur Bildung eines voremul­ gierten Gemisches voremulgiert werden und
  • - nachfolgend von 15 bis 50 Gewichtsteile des voremulgierten Gemisches in 50 bis 85 Gewichtsteile der Chitosanlösung intensiv dispergiert werden.
9. Verwendung einer Emulsion gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Anstrichmittel, Imprägniermittel, Oberflächenpfle­ gemittel, Bindemittel, Kosmetik-Salbe und Körperlotion.
10. Verwendung nach Anspruch 9 als Fußbodenöl, Holzpflege­ mittel, Wandlasurbinder, Außenlasur, Holz-, Stein-, Kork- und Leder-Pflegemittel, Autowachs, Wandfarben-Bindemittel, Baum­ wachs, Antifouling-Schiffsfarbe, Instrumenten-Grundierung und Silberpflegemittel.
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