KR102659108B1 - 디알코올 셀룰로스계 구형 캡슐 - Google Patents

디알코올 셀룰로스계 구형 캡슐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중공(hollow) 코어 주변에 중합체성 쉘을 포함하는 구형 캡슐(spherical capsule)에 관한 것이며, 상기 중합체성 쉘은 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스를 포함한다. 본 발명은 또한, 이러한 구형 캡슐을 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스 및 하나 이상의 비극성 유기 화합물을 포함하는 용액을 안티용매(antisolvent)와 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 안티용매는 하나 이상의 화합물을 포함하거나 이로 구성되고, 물의 극성보다 더 낮은 극성을 갖는다.

Description

디알코올 셀룰로스계 구형 캡슐
본 발명은 셀룰로스계 생물중합체로부터 제조된 중공(hollow) 구형 캡슐(spherical capsule), 및 또한 이의 제조 방법에 관한 것이다.
열 팽창성(thermally expandable) 미소구체(microsphere)는 당업계에 알려져 있고, 예를 들어 US3615972, WO 00/37547 및 WO2007/091960에 기재되어 있다. 많은 예는 상표명 Expancel® 하에 판매된다. 이들은 매우 낮은 중량 및 낮은 밀도 충전제를 형성하도록 팽창될 수 있고, 발포된(foamed) 또는 저밀도 수지, 페인트 및 코팅, 시멘트, 잉크 및 크랙 충전제와 같은 적용에 사용될 수 있다. 팽창성 미소구체를 종종 함유하는 소비자 제품은 경량 신발 밑창(예를 들어 런닝화용), 텍스처드 커버링(textured covering), 예컨대 벽지, 태양 반사 및 단열 코팅, 식품 포장 밀봉재, 와인 코르크, 인조 가죽, 보호용 헬멧 라이너용 폼, 및 자동차 가죽 스트립을 포함한다.
열 팽창성 중합체 미소구체는 통상 열가소성 중합체성 쉘을 포함하며, 중공 코어는 가열 시 팽창하는 발포제(blowing agent)를 포함한다. 발포제의 예는 저 비등점 탄화수소 또는 할로겐화된 탄화수소를 포함하며, 이들은 실온에서 액체이지만 가열 시 기화한다. 팽창된 미소구체를 제조하기 위해, 팽창성 미소구체는 가열되어, 열가소성 중합체성 쉘은 연화되고, 발포제는 기화하고 팽창하므로, 미소구체를 팽창시킨다. 전형적으로, 미소구체 직경은 팽창 동안 1.5배 내지 8배 증가할 수 있다.
미소구체에 전형적으로 사용되는 열가소성 중합체와 관련된 문제점은, 이들 중합체가 지속 가능한 공급원으로부터 유래되지 않는다는 점이다. 전형적인 단량체는 아크릴레이트, 아크릴로니트릴, 아크릴아미드, 비닐리덴 디클로라이드 및 스티렌에 기초한 것을 포함하며, 이는 석유화학 공급원으로부터 주로 유래된다. 게다가, 많은 중합체는 생물분해 불가능하거나, 적어도 이들 중합체가 환경에서 누적물 확립의 위험이 있을 정도로 서서히 분해된다.
더 큰 치수, 예를 들어 밀리미터 규모의 중공 중합체성 구체가 또한 제조될 수 있다. 이들은 약물 전달제로서 사용될 잠재성을 가지며, 예를 들어, 생물학적 공급원의 중합체를 사용한 이의 제조는 이의 융화성 및 용인성(acceptance)을 개선하는 것을 돕기에 바람직할 것이다.
셀룰로스 구체는 예를 들어 Pettersson and Eriksson in Anal. Biochem., 2000, 285(2), 220-224에 의해 기재된 바와 같이 제조될 수 있다. 그러나, 이들은 중공 "코어/쉘" 유형 캡슐과는 대조적으로 비드-유사 구체이다. 이들은 또한, 비가요성(inflexible)인 경향이 있고, 일단 형성되면 팽창될 수 없다.
따라서, 합성-후(post-synthesis) 팽창될 수 있는 것을 포함하여 코어-쉘 구조를 갖는 구형 캡슐 및/또는 미세캡슐을 성공적으로 형성할 수 있는 대안적인 생물학적-공급원의 중합체 또는 생물학적-유래의 중합체에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 중공 코어를 둘러싸는 중합체성 쉘을 포함하는 구형 캡슐에 관한 것이며, 상기 중합체성 쉘은 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스를 포함한다.
본 발명은 또한, 이러한 구형 캡슐을 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스 및 하나 이상의 비극성 유기 화합물을 포함하는 용액을 안티용매(antisolvent)와 혼합하여 상기 특징을 갖는 구형 캡슐을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 안티용매는 하나 이상의 화합물을 포함하거나 이로 구성된다.
안티용매는 하기 방정식에 따라 80.1 미만의 계산된 유전율(dielectric constant), ε안티를 가질 수 있으며:
상기 방정식에서,
ε안티 = 20℃에서 안티용매의 계산된 유전율이며;
εi = 20℃에서 순수한 화합물 i의 유전율이고;
n = 안티용매 내 상이한 화합물의 수이며;
Mi = 안티용매 내 화합물 i의 몰분율이다.
추가로 또는 대안적으로, 안티용매는 하기 방정식에 따라 계산 시, 1.00 미만의 계산된 상대 극성, 을 가질 수 있으며:
상기 방정식에서,
= 안티용매의 계산된 상대 극성이며;
= 물과 비교하여, 25℃ 및 대기압에서 순수한 화합물 i의 상대 극성이고;
n = 안티용매 내 상이한 화합물의 수이며;
Mi = 안티용매 내 화합물 i의 몰분율이다.
추가로 또는 대안적으로, 안티용매는 C1-6 알코올, C2-6 디올, C3-6 트리올, C1-6 할로알코올, C1-6 할로디알코올, C1-6 알코올에테르, C1-6 글리콜 에테르 또는 글리세롤 에테르, C1-6 케톤 및 디케톤, C1-6 알데하이드, C1-8 할로에테르, C1-6 아민, C1-6 알코올아민, C1-6 카르복실산 및 또한 이의 무수물 및 C1-4 에스테르, C1-6 니트릴, C1-6 아미드 및 이의 C1-2 알킬 N- 또는 N,N-치환된 유도체, C4-8 환식 무수물 또는 아미드, C1-6 유기설페이트 및 C1-6 설폭사이드로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 게다가, 안티용매는 또한 물을 포함할 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, 하나 이상의 비극성 유기 화합물은 안티용매에서 1 중량% 미만의 용해도를 가질 수 있다.
하기 논의에서, 용어 "(치환된) 디알코올 셀룰로스", "디알코올 셀룰로스 및/또는 치환된 디알코올 셀룰로스" 및 "선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스"는 동일한 의미를 갖는다.
도 1은 C1-2 알코올 또는 물과 C1-2 알코올의 혼합물을 안티용매로서 사용하여 제조된 구형 캡슐의 사진 모음이며;
도 2는 디알코올 셀룰로스의 습식 및 공기-건조된 캡슐의 사진을 도시하고;
도 3은 동결-건조된 습식 디알코올 셀룰로스 캡슐 및 공기-건조된 캡슐의 전자 현미경 사진을 도시하며;
도 4는 물에 현탁 시 팽창-전(pre-expanded) 및 팽창-후(post-expanded) 디알코올 셀룰로스 캡슐의 사진을 도시하고;
도 5는 팽창-전 및 팽창-후 습식 디알코올 셀룰로스 캡슐의 사진을 도시하며;
도 6은 디알코올 셀룰로스 및 셀룰로스의 팽창-전 및 팽창-후 습식 캡슐의 비교 사진을 도시한다.
본 개시내용에서, 디알코올 셀룰로스는, 글루코스 단량체 고리 중 적어도 일부가 열려 있는 변형된 셀룰로스 형태를 지칭한다. 이는 전형적으로 산화에 의해 달성되며, 상기 산화는 C2-C3 탄소-탄소 결합을 절단하여 2개의 알데하이드기를 형성하며, 이는 후속적으로 알코올기로 환원된다. 반응은 하기 반응식 (1)로 표시될 수 있다:
.
셀룰로스로부터의 디알코올 셀룰로스의 형성은 널리 알려져 있고, 예를 들어 Kasai 등; Cellulose, 2014, 21, 769-776, Larsson 등; Cellulose, 2014, 21, 323-333, 및 Larsson and Wagberg; Green Chem., 2016, 18, 3324-3333에 기재되어 있다. 일반적인 절차는 셀룰로스 또는 메틸올 셀룰로스(즉, 포름알데하이드 및 DMSO로 처리된 셀룰로스)를 얻는 단계, 및 이를 산화제, 예를 들어 퍼요오데이트염, 예컨대 소듐 퍼요오데이트(NaIO4)로 처리하여 고리-열린 디알데하이드 화합물을 형성하는 단계를 수반한다. 그 후에, 알데하이드기는 환원제, 예컨대 테트라보로하이드라이드염(예를 들어 NaBH4)을 사용하여 하이드록실기로 환원된다. 이렇게 해서 환원된 물질을 디알코올 셀룰로스라고 한다.
고리 열림의 규모(extent)는 예를 들어, 셀룰로스가 산화제와 접촉되어 유지되는 시간의 길이, 처리 온도, 및/또는 산화제에 대한 셀룰로스의 상대비를 다양하게 함으로써 다양해질 수 있다. 구현예에서, 셀룰로스 내 고리-열린 글루코스 단량체의 백분율(종종 산화도(degree of oxidation)로 지칭됨)은 100% 이하, 예를 들어 70% 이하, 예컨대 50% 이하 또는 40% 이하이다. 구현예에서, 이는 적어도 1%, 예를 들어 적어도 5%, 또는 적어도 10%이다.
디알코올 셀룰로스의 글루코스 고리-열림의 규모는, 산화 단계 후 그러나 환원 단계 전에 셀룰로스의 카르보닐 함량을 계산함으로써 결정될 수 있다. 구현예에서, 산화기 후 그러나 환원기 전에, 카르보닐 함량은 0.001 내지 12 mmol g-1, 예를 들어 1 내지 11 mmol g-1, 3 내지 9 mmol g-1, 또는 5 내지 8 mmol g-1 범위이다. 이들 값은 기지의 방법, 예컨대 Zhao and Heindel; Pharm Res 1991, 8(3), 400-402 및 Larsson 등; Cellulose, 2008, 15, 837-847, 및 Larsson 등, Cellulose, 2014, 21, 325쪽에 기재된 하이드록실아민 하이드로클로라이드-기초 방법을 사용하여 결정될 수 있다.
환원 후 디알코올 셀룰로스의 카르보닐 함량은 전형적으로 0 내지 10 mmol g-1, 예를 들어 0 내지 7 mmol g-1, 또는 0 내지 4 mmol g-1 범위이다. 구현예에서, 적어도 일부 카르보닐 함량, 예를 들어 적어도 0.001 mmol g-1이 존재한다.
고리 열림의 규모는 또한, 셀룰로스의 소위 결정도 지수와 상관관계가 있을 수 있다. 비변형된 셀룰로스는 결정질 구조를 갖는다. 그러나, 고리 열림은 비정질 영역을 도입하며, 이는 셀룰로스에 개선된 연성(ductility)을 도입하여, 이를 구형 캡슐 형성, 특히 팽창성 캡슐에 더욱 적합하게 만드는 것으로 여겨진다.
디알코올 셀룰로스의 결정도 규모는, 예를 들어 Segal 등; Text. Res. J., 1959, 29(10), 786-794에 기초한 Larsson 등, Cellulose, 2014, 21, 323-333, 특히 327쪽에 나타낸 바와 같이 셀룰로스(002) 피크의 강도 및 비정질 강도를 비교함으로써 결정될 수 있다. 비정질 강도는 (002) 셀룰로스 피크와 (101) 셀룰로스 피크 사이의 최소 높이로부터 측정될 수 있다.
구현예에서, 결정도 지수는 80 이하, 예를 들어 50 이하이다. 추가 구현예에서, 결정도 지수는 30 이하이다. 구현예에서, 적어도 어느 정도의 결정도가 존재하며, 예를 들어 결정도 지수는 적어도 1 또는 적어도 10이다. 그러므로, 예시적인 결정도 지수 범위는 0 내지 80, 0 내지 50, 또는 0 내지 30, 예를 들어 1 내지 80, 1 내지 50, 또는 1 내지 30을 포함한다. 추가 구현예에서, 결정도 지수 범위는 10 내지 80, 또는 10 내지 50, 예컨대 10 내지 30이다.
캡슐은 디알코올 셀룰로스를 포함하거나 이로 구성된 중합체성 쉘에 기초하며, 이는 선택적으로 하기에서 추가로 기재된 바와 같은 하나 이상의 치환기로 변형된다.
중합체성 쉘은 하나 이상의 추가 중합체성 성분을 포함할 수 있으며, 이는 또한 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스로부터 선택될 수 있다.
구현예에서, 디알코올 셀룰로스 상의 하이드록실 모이어티는 예를 들어 하나 이상의 작용기에 의해 작용화될 수 있다. 그러므로, 디알코올 셀룰로스는 하기 화학식 (1) 내지 (3)으로 표시된 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다:
.
다른 구현예에서, 디알코올 셀룰로스는 셀룰로스의 산화 시 형성되는 알데하이드기 및/또는 이러한 알데하이드기의 반응에 기초한 작용기를 포함할 수 있다. 그러므로, 디알코올 셀룰로스는 추가로 또는 대안적으로, 하기 화학식 (4) 내지 (7)에 따른 하나 이상의 기를 포함할 수 있다:
.
상기 화학식 (1) 내지 (7)에서, Cg는 디알코올 셀룰로스 백본의 일부인 탄소 원자이며, 즉, 상기 반응식 (1)에서 (*)로 표시된 임의의 원자이다.
A는 -H, - ORb, 및 -C(O)ORb로부터 선택될 수 있다. 구현예에서, A는 -H 및 -C(O)OH로부터 선택된다.
화학식 (5)에서, Y는 산소이거나 부재하며, 즉, Cg와 Rb 사이에 직접 결합이다.
Ra는 1 내지 11개의 탄소 원자를 갖는 포화된 또는 불포화된 지방족 기로부터 선택될 수 있으며, 선형, 분지형 또는 환식일 수 있다.
Ra는 또한, 5-원 및 6-원 방향족 고리로부터 선택될 수 있다.
Ra는 선택적으로 -OH, 할라이드, C1-4 알킬, 및 C1-4 알콕시로부터 선택되는 하나 이상의 치환기를 포함할 수 있으며, 여기서 C1-4 알킬기 및 C1-4 알콕시기는 선택적으로 할라이드 및 -OH로부터 선택되는 하나 이상의 기로 치환된다.
구현예에서, Ra는 1 내지 7개의 탄소 원자, 예를 들어 1 내지 5개, 또는 1 내지 3개의 탄소 원자를 포함한다.
화학식 (2) 내지 (7)에서, A는 H이며, Ra는 선택적으로 부재할 수 있어서, 이는 화학식 (2) 내지 (7)에서 A 및 상응하는 모이어티를 직접 연결하는 화학 결합을 나타내고, 그렇지 않으면 여기에 Ra가 부착될 것이다. 구현예에서, 기 Ra-A는 Rb 기일 수 있다.
Rb는 각각의 경우 독립적으로, H 및 C1-4 알킬기, 예를 들어 C1-2 알킬기로부터 선택되며, 선택적으로 하나 이상의 치환기는 할라이드 및 -OH 기로부터 선택된다. 구현예에서, C1-4 알킬기 또는 C1-2 알킬기는 비치환된다. 화학식 (1) 내지 (3)에서, 기 는 전형적으로 이다.
구현예에서, Ra는 포화된 선형 또는 분지형 지방족 기 또는 환식 지방족 기일 수 있다. v는 1 내지 11, 예를 들어 1 내지 8, 예컨대 1 내지 6, 또는 1 내지 4의 범위의 정수이다. w는 3 내지 11, 예를 들어 4 내지 6의 범위의 정수이다.
Rc는 각각의 경우 독립적으로, H, -OH, 할라이드, C1-4 알킬, 및 C1-4 알콕시로부터 선택되며, 여기서, C1-4 알킬기 및 C1-4 알콕시기는 할라이드 및 -OH로부터 선택되는 하나 이상의 기로 선택적으로 치환된다.
화학식 (3)에서, y는 1 내지 4의 범위의 정수이고, 구현예에서 모든 경우에 Rb는 H이다.
구현예에서, 화학식 (4) 내지 (7)에서, Cn 상의 Rb 기는 H이다.
구현예에서, Ra는 "y"개의 이중 결합을 포함하는 불포화된 선형 또는 분지형 지방족 기일 수 있다. x는 2 내지 11, 예를 들어 2 내지 6, 또는 2 내지 4의 범위의 정수이다. y는 이중 결합의 수를 나타낸고, 전형적으로 1 또는 2이다.
추가 구현예에서, Ra는 "y"개의 이중 결합을 포함하는 불포화된 환식 지방족 기일 수 있으며, 여기서, y는 전형적으로 1 또는 2이고, w는 상기 정의된 바와 같다.
더욱 추가의 구현예에서, Ra는 방향족 기일 수 있다. z는 5 및 6으로부터 선택되는 정수이다.
더욱 추가의 구현예에서, Ra는 환식 지방족 또는 방향족 고리를 포함하는 선형 또는 분지형 지방족 기일 수 있다. 그러므로, Ra는 11개 이하의 탄소 원자를 갖는 기일 수 있으며, 여기서 E는 상기 정의된 바와 같은 또는 이다. p 및 r은 각각 독립적으로, 0 내지 8의 정수이며, p + r은 적어도 1이다. 각각의 q 및 s는 각각의 비-환식 지방족 성분 내의 이중 결합의 수이다. 구현예에서, q 및 s는 각각 독립적으로 0, 1 및 2로부터 선택된다.
할라이드는 전형적으로 F 및 Cl로부터 선택된다. 그러나 구현예에서, 작용기는 할라이드-무함유여서, 기 A, Ra, Rb 및 Rc 내에 할라이드가 존재하지 않는다.
구현예에서, 적어도 하나의 Rc 기는 H이다. 다른 구현예에서, 2개 이하의 Rc 기는 H 이외의 것이며, 추가 구현예에서, 1개 이하의 Rc 기는 H 이외의 것이다. 더욱 추가의 구현예에서, 모든 Rc 기는 H이다.
Ra, Rb 및 Rc의 상기 정의에서, 1개 초과의 -OH 치환기가 존재하는 경우, 전형적으로 탄소 원자당 1개 이하의 -OH 치환기가 존재한다.
소정의 구현예에서, Ra는 선택적으로 치환된 C1-C8 지방족(알킬렌) 기이다. 다른 구현예에서, Ra는 선택적으로 치환된 C6 방향족 고리이다. 추가 구현예에서, Ra는 비치환된다.
치환된 디알코올 셀룰로스 물질은 기지의 수단에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어 카르복실레이트-작용화된 물질(예를 들어 상기 화학식 (2))은 Nishio 등; Cellulose, 2006 (13), 245-259의 방법 또는 DE102008024089에 기재된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 축합 반응(예를 들어 화학식 (1)의 것을 형성하기 위해)은 알코올 또는 알콕사이드와의 산-촉매화된 축합을 포함한다. 화학식 (3)의 치환기를 갖는 물질은 할로카르복실산(예를 들어 클로로아세트산)과의 알칼리-촉매화된 반응에 의해 제조될 수 있다. 화학식 (4) 내지 (7)의 치환기에 대해, 기는, 셀룰로스 고리가 상기 제시된 바와 같이 산화될 때 형성되는 비환원된 알데하이드기의 통상적인 반응에 의해 형성될 수 있다.
구현예에서, 화학식 (2)의 하나 이상의 치환기가 존재하며, 여기서 상기 치환기는 아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트, 펜타노에이트, 헥사노에이트, 헵타노에이트, 옥타노에이트 및 프탈레이트로부터 선택된다. 추가 구현예에서, 상기 치환기는 아세테이트, 프로피오네이트 및 부티레이트로부터 선택된다.
하나 이상의 치환기에 의한 셀룰로스의 하이드록실기의 치환도(DS: degree of substitution)는 0 내지 3.2, 예를 들어 0 내지 3의 범위일 수 있다. 구현예에서, 치환도는 0이며, 즉, 비치환된 디알코올 셀룰로스가 사용된다.
(치환된) 디알코올 셀룰로스의 중합도(DP: degree of polymerization)는 종래의 방법에 의해, 예를 들어, Kasai 등 in Cellulose, 2014, 21, 769-776에 기재된 알칼리 크기 배제 크로마토그래피(SEC)를 사용하여 결정될 수 있다. 전형적으로, DP 값은 100 내지 10,000, 예를 들어 200 내지 6,000의 범위일 것이다.
(치환된) 디알코올 셀룰로스의 유리 전이 온도(Tg) 및 용융점은 디알코올 셀룰로스 상의 작용기를 다양하게 함으로써, 분자량을 다양하게 함으로써, 또는 셀룰로스의 산화 또는 하이드록실화 규모를 다양하게 함으로써 변형되거나 제어될 수 있다.
구형 캡슐은 코어-쉘 구조를 갖는 중공이며, 여기서, 상기 쉘은 (치환된) 디알코올 셀룰로스를 포함하고 중공 코어는 합성 혼합물로부터 유래하는 유체, 예를 들어 액체 또는 기체성 성분을 함유한다. 코어는 셀룰로스 또는 셀룰로스-유도체, 예를 들어 결정질 셀룰로스상, 또는 쉘에 존재하는 임의의 (치환된) 디알코올 셀룰로스 물질을 함유하지 않는다. 그러므로, 구형 캡슐은 불균일한 밀도를 가지며, 중합체성 쉘의 밀도는 유체-함유 중공 코어의 밀도보다 더 높다.
캡슐을 제조하는 데 사용되는 (치환된) 디알코올 셀룰로스는 1.2 내지 1.7 g cm-3, 예를 들어 1.35 내지 1.60 g cm-3 범위의 밀도를 가질 수 있다.
구현예에서, 구형 캡슐은 팽창성이고, 캡슐 밀도는 1.00 g cm-3 미만, 예를 들어 0.002 내지 0.80 g cm-3, 또는 0.005 내지 0.60 g cm-3 하락할 수 있다. 추가 구현예에서, 팽창된 구형 캡슐의 밀도는 0.008 내지 0.40 g cm-3 범위이다. 더 높은 밀도, 특히 1.00 g cm-3 이상의 밀도는 일반적으로, 구체 팽창이 중요한 적용에 샘플을 사용하기에 적합하지 않음을 의미한다. 이들은 전형적으로, 물질의 부피가 증가되어야 하는 경우 및/또는 밀도 감소가 필요한 경우, 예를 들어 경량 폼-유사 물질을 제조하는 데 사용될 때 적용된다.
구형 캡슐의 팽창성 특징을 고려할 때, 많은 인자는 효과적인 이용에 너무 높은 팽창-후 밀도를 초래할 수 있다. 예를 들어, 고밀도는 불량한 캡슐 수율로 인한 것일 수 있으며, 즉, 구형 캡슐의 백분율은 너무 낮아서, 팽창 후 밀도 감소의 규모는 불충분하게 된다. 또 다른 잠재적인 이슈는 불량한 팽창 특징으로서, 이는 너무 많은 중공 캡슐이 적절한 팽창을 가능하게 하기에는 불충분한 팽창제 또는 발포제를 함유하는 경우 발생할 수 있다. 이는 쉘이 팽창제/발포제에 너무 투과성이어서, 또는 쉘이 팽창될 수 있기에는 너무 농후하거나 너무 비가요성이어서 생길 수 있다. 또 다른 잠재적인 원인은 캡슐의 응집 또는 뭉침(agglomeration)이며, 이는 팽창 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
구형 캡슐의 합성 시, (치환된) 디알코올 셀룰로스는 전형적으로 우선 용매에 용해되거나 분산되며, 상기 용매는 전형적으로 유기 용매이지만, 이온성 액체 또는 냉각 수성 알칼리, 예를 들어 수성 알칼리 금속 하이드록사이드의 형태일 수 있으며, 여기서 알칼리 금속은 전형적으로 Li, Na 또는 K로부터 선택된다. 용매는, (치환된) 디알코올 셀룰로스의 가용화가 달성되도록 선택된다. 용매는 하나 초과의 성분을 포함하는 용매 시스템일 수 있다. 예를 들어, 구현예에서, Berthold 등 in J. Appl. Polymer Sci., 2004, 94(2), 424-431에 기재된 바와 같이 디메틸 아크릴아미드 중 리튬 클로라이드의 용액이 사용될 수 있다.
구현예에서, 용매는 또한, 비극성 유기 화합물을 포함한다. 이는 캐비티 형성제(cavity forming agent)로서 작용하여, 합성 절차 동안 구형 캡슐의 중공 코어를 형성하는 데 일조할 수 있다. 비극성 유기 화합물은, (치환된) 디알코올 셀룰로스를 포함하는 용액에서 적어도 부분적으로 가용성이며, 예를 들어, 25℃ 및 대기압(즉, 1.013 bara, 여기서 "bara"는 절대-bar(bar-absolute)를 나타냄)에서 1 중량% 초과, 예를 들어 적어도 10 중량%의 용해도를 갖는다. 비극성 유기 화합물은 또한, 안티용매에서 불용성이거나 부분적으로 가용성이다. 예를 들어, 구현예에서, 안티용매에서의 용해도는 1 중량% 미만이고, 구현예에서 0.5 중량% 미만, 예를 들어 0.1 중량% 미만이다.
비극성 유기 화합물은 팽창성 폼 또는 팽창성 미소구체 적용에 종종 사용되는 소위 동일한 "발포제"일 수 있다. 이 개시내용에서, 용어 "발포제"는 "비극성 유기 화합물"과 동일함을 의미한다.
비극성 유기 화합물은 전형적으로 5.0 bara 압력에서 25℃ 초과 또는 3.0 bara 압력에서 25℃ 초과의 비등점을 갖는다. 승온에서의 비등점은 클라우시우스 클라페이론(Clausius Clapeyron) 방정식을 사용하여 계산될 수 있다. 전형적으로, 비극성 유기 화합물은 대기압에서 -50℃ 초과의 비등점을 갖는다.
전형적으로, 이들은 대기압에서 250℃ 이하, 예를 들어 150℃ 이하, 또는 50℃ 이하의 비등점을 갖는다. 구현예에서, 대기압에서의 비등점은 0℃ 미만이다.
발포제는 바람직하게는 불활성이며, 셀룰로스계 쉘과 반응하지 않는다.
발포제의 예는 디알킬 에테르, 알칸 및 할로카본, 예를 들어 클로로카본, 플루오로카본 또는 클로로플루오로카본을 포함한다. 구현예에서, 디알킬 에테르는 각각 C2 내지 C5 알킬기로부터 선택되는 2개의 알킬기를 포함한다. 구현예에서, 알칸은 C3 내지 C12 알칸이다. 구현예에서, 할로알칸은 C1 내지 C10 할로알칸으로부터 선택된다. 할로알칸은 염소 및 불소로부터 선택되는 하나 이상의 할로겐 원자를 포함할 수 있다. 디알킬 에테르, 알칸 및 할로알칸 내의 알킬기 또는 할로알킬기는 선형, 분지형 또는 환식일 수 있다. 하나 이상의 발포제 중 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
구현예에서, 환경적인 이유에서, 하나 이상의 발포제는 알킬 에테르 및 알칸으로부터 선택되고, 추가 구현예에서, 하나 이상의 발포제는 알칸으로부터 선택된다. 할로알칸은 바람직하게는, 이의 잠재적인 오존 파괴(ozone depletion) 특성, 및 또한 이의 대규모 지구 온난화 잠재성으로 인해 피해진다.
사용될 수 있는 적합한 발포제의 예는 프로판, n-펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, n-부탄, 이소부탄, 이소헥산, 네오헥산, 헵탄, 이소헵탄, 옥탄, 이소옥탄, 이소데칸, 및 이소도데칸을 포함한다. 구현예에서, 발포제는 C3 내지 C8 선형 또는 환식 알칸으로부터 선택된다. 다른 구현예에서, 발포제는 C4 내지 C12 이소-알칸으로부터 선택된다.
발포제는 전형적으로, 이것이 물 또는 합성 혼합물의 수성상에서 불용성이지만 안티용매와 적어도 부분적으로 가용성이거나 혼화성이도록 선택된다.
안티용매는 (치환된) 디알코올 셀룰로스의 침전을 야기하는 액체 화합물 또는 화합물의 액체 혼합물이다. 그러므로, 안티용매는 대안적으로 "침전제" 또는 "침전 제제"라고 할 수 있다. 이러한 의미에서 액체는 표준 온도 및 압력(25℃ 및 1.013 bara)에서의 액체를 의미한다. 안티용매는 수-혼화성이다. 그러나, (치환된) 디알코올 셀룰로스는 안티용매에서 불용성이거나 단지 부분적으로 가용성이다. 이러한 의미에서 부분적으로 가용성은, (치환된) 디알코올 셀룰로스가 안티용매에서 10 중량% 이하의 용해도, 예를 들어 5 중량% 이하의 용해도, 또는 구현예에서 1 중량% 이하의 용해도를 가짐을 의미한다.
안티용매는 물보다 덜 극성이어서, 물은 그 자체가 안티용매로서 사용되지 않는다. 구현예에서, 안티용매는 메탄올의 극성보다 더 큰 극성을 갖는다.
극성은 20℃에서 유전율, ε의 측면에서 발현될 수 있다. 안티용매의 하나 초과의 성분이 존재하는 경우, 유전율은 각각의 개별 성분의 유전율로부터 계산되고 적합하게는 혼합물 내 이의 몰분율에 기초하여 스케일(scale)화될 수 있다. 이는 방정식 (1)로 표시될 수 있으며:
상기 방정식 (1)에서,
ε안티 = 20℃에서 안티용매의 계산된 유전율이며;
εi = 20℃에서 순수한 화합물 i의 유전율이고;
n = 안티용매 내 상이한 화합물의 수이며;
Mi = 안티용매 내 화합물 i의 몰분율이다.
n이 1인 경우, 단일 화합물이 안티용매에서 사용되고, ε안티는 해당 단일 화합물의 유전율과 동일하다.
상기 계산은 안티용매 혼합물의 실제 실험적으로 결정된 유전율을 참으로 나타낼 수 없다. 그러나, 이 정의(방정식 1에 따름)는 어떤 화합물 또는 화합물들의 혼합물이 안티용매로서 사용될 수 있는지 적절하게 설명하는 것으로 밝혀졌다.
20℃에서 물에 대한 유전율은 80.10이다. 따라서, 안티용매의 유전율(ε안티)은 80.10 미만이어야 한다. 구현예에서, 유전율은 20.0 내지 80.10 미만, 예를 들어 20.0 내지 80.0 범위이다. 구현예에서, 유전율은 메탄올의 유전율보다 높으며, 상기 메탄올의 유전율은 20℃에서 33.0이다. 그러므로, 구현예에서, 안티용매는 33.0 초과, 예를 들어 33.0 초과 내지 80.1 미만, 또는 34.0 내지 80.0, 예컨대 38.0 내지 78.0, 45.0 내지 75.0, 55.0 내지 75.0, 또는 60.0 내지 70.0 범위의 유전율(ε안티)을 갖는다.
극성을 표현하는 또 다른 방식은 상대 극성 스케일을 사용하는 것에 의한 것이며, 이는 기준 용매와 비교하여 각각의 용매의 존재 하에 용매화발색성(solvatochromic) 염료의 UV/Vis 분광법 흡수 밴드에서의 시프트(shift)에 기초할 수 있다. 이러한 결정은 예를 들어 Reichardt in Chem. Rev., 1994, 94, 2319-2358에 기재되어 있다. 사용될 수 있는 염료는 피리디늄 N-페놀레이트 베타인 염료이며, 상대 극성값, 은 용매에 지정될 수 있으며, 여기서 1의 값은 물에 상응하고, 0(제로)은 테트라메틸실란(25℃ 및 대기압에서 측정됨)에 상응한다. 따라서, 안티용매의 는 1.00 미만이어야 한다. 안티용매가 하나 초과의 성분을 포함하는 경우, 평균화된/스케일화된 값은 방정식 (2)로부터 계산될 수 있으며, 이는 유전율에 대해 상기에 제시된 것과 유사하고:
상기 방정식 (2)에서,
= 안티용매의 계산된 상대 극성이며;
= 25℃ 및 대기압에서 순수한 화합물 i의 상대 극성이고;
n = 안티용매 내 상이한 화합물의 수이며;
Mi = 안티용매 내 화합물 i의 몰분율이다.
많은 보편적인 용매에 대한 값의 목록은 상기 언급된 Reichardt 리뷰에서 찾을 수 있다. 안티용매의 값은 1.00 미만이어야 한다. 구현예에서, 상기 값은 0.50 내지 0.97의 범위이다. 추가 구현예에서, 상기 값은 메탄올의 값 초과이며, 그 값은 0.76이다. 그러므로, 구현예에서, 안티용매는 0.76 초과, 예를 들어 0.76 초과 내지 1.00 미만, 예를 들어 0.77 내지 0.97, 예컨대 0.80 내지 0.95, 0.85 내지 0.94, 또는 0.90 내지 0.94의 범위의 값을 갖는다.
성분 혼합물의 계산된 값은 본질적으로, 실험적으로 결정된 값과 일치하지 않을 수 있다. 그러나, 이 정의(방정식 2에 따른 것임)는 적절하게는, 어떤 화합물 또는 화합물들의 혼합물이 안티용매로서 사용될 수 있는지 설명하는 것으로 밝혀졌다.
알코올(디올 및 트리올 포함)이 안티용매로서 편리하게 사용되긴 하지만, 전형적으로 더욱 극성 용매, 예를 들어 물 중 혼합물로서 사용된다. 안티용매에 포함될 수 있는 용매의 일부 예는 C1-6 알코올, C2-6 디올, C3-6 트리올, C1-6 할로알코올, C1-6 할로디알코올, C1-6 알코올에테르, C1-6 글리콜 에테르 또는 글리세롤 에테르, C1-6 케톤 및 디케톤, C1-6 알데하이드, C1-8 할로에테르, C1-6 아민, C1-6 알코올아민, C1-6 카르복실산 및 또한 이의 무수물 및 C1-4 에스테르, C1-6 니트릴, C1-6 아미드 및 이의 C1-2 알킬 N- 또는 N,N-치환된 유도체, C4-8 환식 무수물 또는 아미드, C1-6 유기설페이트 및 C1-6 설폭사이드를 포함한다. 구현예에서, 안티용매의 각각의 성분은 20.0 이상의 유전율을 갖는다. 구체적인 예는 물 중 하나 이상의 하기의 혼합물을 포함한다: 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 2-부탄올, 2-클로로에탄올, 3-클로로-1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 아세트알데하이드, 아세톤, 비스(2-클로로에틸) 에테르, 2,4-펜탄디온, t-부틸아민, 포름산, 아세틱 무수물, 아세토니트릴, 부탄니트릴, 포름아미드, N-메틸포름아미드, N,N'-디메틸 아세타미드, N,N-디메틸포름아미드, 2-피롤리돈, 디메틸 설페이트, 에피클로로하이드린, 디메틸설폭사이드, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 에탄올아민, 디에탄올아민, 및 트리에탄올아민.
구현예에서, 안티용매는 할로겐-함유 화합물 또는 설폭사이드-함유 화합물을 포함하지 않는데 이의 잠재적으로 부정적인 환경적 영향으로 인해서이다.
구형 캡슐을 제조하기 위해, (치환된) 디알코올 셀룰로스를 포함하는 용액이 제조된다. 치환기의 선택 및/또는 디알코올 셀룰로스의 산화 규모는 용매 또는 용매 시스템과의 완전 혼화성을 보장하는 것을 돕기 위해 맞춰질 수 있다. 구현예에서, 용액은 또한 하나 이상의 비극성 유기 화합물/발포제를 포함한다.
(치환된) 디알코올 셀룰로스가 가용성인 적합한 매질 또는 용매는 Berthold 등 in J. Appl. Polymer Sci., 2004, 94(2), 424-431에 의해 기재되어 있으며, 이는 디메틸 아세타미드(DMAc) 중 리튬 클로라이드(LiCl)의 용액을 사용한다. (치환된) 디알코올 셀룰로스의 농도는 전형적으로 0.1 내지 10 중량%, 예를 들어 0.5 내지 5 중량% 범위이다.
(치환된) 디알코올 셀룰로스를 포함하는 용액은 또한, 용해된 비극성 유기 화합물(발포제)을 포함한다. 전형적인 농도는 전형적으로, 용매 또는 용매 시스템 내 비극성 유기 화합물의 용해도에 의존할 것이지만, 일반적으로 적어도 0.5 중량%, 예를 들어 0.5 내지 10 중량% 범위이다.
용액은 안티용매와 조합되어, (치환된) 디알코올 셀룰로스가 침전되고 중공 내부 또는 코어와 함께 구형 캡슐을 형성한다. 중공 코어는 하나 이상의 발포제를 함유할 수 있고, 또한 (치환된) 디알코올 셀룰로스 쉘의 다공성 또는 투과성에 따라 용매 및 안티용매의 양을 함유할 수 있다.
합성은 0℃ 내지 100℃ 범위의 온도에서 발생할 수 있긴 하지만, 전형적으로 0℃ 내지 35℃의 온도가 임의의 휘발성 비극성 유기 화합물의 양호한 용해도 및 체류를 보장하는 데 바람직하다.
0.5 내지 10 bara 범위의 압력이 사용될 수 있다. 전형적으로, 압력은 적어도 0.9 bara 또는 적어도 대기압이므로, 감소된 압력은 휘발성 비극성 유기 용매가 증발하여, (치환된) 디알코올 셀룰로스를 포함하는 용액에서 이의 함량을 감소시킬 수 있다.
첨가는 적가되어 수행될 수 있으며, 이는 구체의 형성을 용이하게 한다. 나아가, 구현예에서, (치환된) 디알코올 셀룰로스-함유 용액이 안티용매에 첨가된다. 첨가되는 액적의 크기는 형성되는 구형 캡슐의 크기에 영향을 미칠 수 있다.
이론으로 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 구형 캡슐은 비극성 유기 화합물의 별개의 상의 국소화된 형성 결과 형성되며, 안티용매에서 이의 불용성으로 인한 것으로 생각된다. 그러므로, 용매와 안티용매가 혼합될 때, (치환된) 디알코올 셀룰로스의 침전은, 별개의 비극성 유기상이 존재하는 영역에서 발생한다. 이것이 유체상과 혼합될 수 없기 때문에, 이러한 별개의 비극성 유기상은 침전 영역의 중심(centre) 내로 이동하여, (치환된) 디알코올 셀룰로스의 쉘이 그 주변에서 형성되게 야기한다.
캡슐은 예를 들어 1 μm 내지 5 mm 범위의 평균 입자 직경을 갖는 크기 범위로 제조될 수 있다. 일 구현예에서, 0.5 내지 5.0 mm 캡슐이 제조될 수 있다. 다른 구현예에서, 1 내지 1000 μm의 직경을 갖는 미소구형 캡슐이 제조될 수 있다. mm-크기의 구체와는 대조적으로 미소구체는 예를 들어 Utada 등 in MRS Bulleting, 32, 2007, 702-708, 및 Carrick 등 in RCS Advances, 2014, 4, 19061-19067에 기재된 바와 같이 미세유체 절차를 사용하여 제조될 수 있다.
구현예에서, 구체 또는 미소구체 캡슐은 팽창성이다. 팽창된 캡슐은 전형적으로, 비팽창된 캡슐보다 1.5배 내지 8배 더 큰 직경, 예를 들어 이의 원래의 직경의 2배 내지 7배, 또는 3배 내지 6배 범위이다.
입자 크기는 적합하게는, 광 산란 기법, 예를 들어 레이저 회절, 예컨대 저각 레이저 광 산란(LALLS: low angle laser light scattering)을 사용하여 측정된다. 이러한 기법은 특히 미소구체를 측정하는 데 도움이 된다. 다른 기법은 팽창-전 또는 팽창-후 구형 캡슐의 사진 또는 전자 현미경 이미지로부터의 이미지 분석을 포함한다.
캡슐을 팽창시키기 위해, 이는 가열될 수 있다. 필요한 온도는 사용되는 발포제(비극성 유기 화합물)의 비등점에 의존할 것이다. 구현예에서, 온도는 발포제의 비등 온도 초과인 한편, 동시에 (치환된) 디알코올 셀룰로스의 용융 온도 미만이다. 팽창에 전형적인 온도는 0℃ 내지 200℃, 예를 들어 20℃ 내지 200℃, 예컨대 50℃ 내지 190℃, 또는 100℃ 내지 190℃ 범위를 포함한다.
다른 구현예에서, 캡슐 주변의 압력은 감소된다. 이는 주변 압력을 10% 이상, 예를 들어 20% 이상 또는 50% 이상만큼 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 합성이 주위 압력, 예를 들어 1 bara에서 수행된다면, 0.9 bara 이하, 예를 들어 0.8 bara 이하 또는 0.5 bara 이하가 사용될 수 있다. 이러한 기법은 캡슐을 팽창시키는 발포제의 증발 또는 팽창을 야기할 수 있다.
팽창을 위해, 캡슐은 연화된 상태로 존재해야 한다. 이는, (치환된) 디알코올 셀룰로스의 유리 전이 온도(Tg)를 초과하거나 캡슐을 습식 상태에서 유지시킴으로써, 벽이 예를 들어 이를 감압 및/또는 승온, 30℃ 내지 200℃, 예를 들어 30℃ 내지 150℃ 범위의 온도에서 안티용매 또는 물로 습윤시킴으로써 연화되는 것을 의미한다.
구형 캡슐을 가열하는 방식은 예를 들어 WO2004/056549, WO2014/198532 및 WO2016/091847에 기재된 바와 같이 열 전달 매질, 예컨대 증기 또는 가압 증기와의 직접적인 또는 간접적인 접촉을 포함한다. 추가 구현예에서, 증기와 선택적으로 혼합된 다른 가열된 기체(예를 들어 공기 또는 질소)와의 직접적인 또는 간접적인 접촉이 사용될 수 있다. 더욱 추가의 구현예에서, 간접 가열이 사용되는 경우, 액체 열 전달 매질, 예를 들어, 가열된 오일이 사용될 수 있다. 또 다른 구현예에서, IR 방사선이 캡슐을 가열하는 데 사용될 수 있다.
발포제가 상대적으로 비휘발성인 경우, 가열은 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 합성이 상승된 압력 하에 수행된다면, 구형 캡슐의 팽창을 보장하기 위해 압력을 이완(relieve)시키는 것이 단순히 필요할 수 있다. 추가로, 액체상 합성 혼합물로부터의 물질의 여과 또한, 임의의 가열 없이 팽창을 초래할 수 있다. 역으로, 발포제가 상대적으로 비휘발성이라면, 감소된 압력이 사용될 수 있다. 일반적으로, 발포제, 및 디알코올 셀룰로스의 분자량 규모, 고리 열림 및/또는 카르복실화 또는 다른 작용화에 따라 0.5 내지 1.5 bara 범위의 압력 및 10℃ 내지 200℃ 범위의 온도가 사용될 수 있다.
캡슐의 팽창 특성은 열기계적 분석기(예를 들어 Mettler TMA 841)를 사용하여 평가될 수 있고, 정량적 데이터는 적합한 소프트웨어, 예를 들어 STARe 소프트웨어를 사용하여 이미지로부터 수득될 수 있다. T시작은 팽창이 시작되는 온동이고, T최대는 최대 팽창이 수득되는 온도이다.
캡슐은 기지의 수단, 예를 들어 여과, 경사법(decantation) 또는 원심분리에 의해 합성 매질로부터 분리될 수 있다.
이들은 슬러리 형태, 예를 들어 수성 슬러리 형태, 또는 건조된 입자(예를 들어 건조 분말) 형태로 제공될 수 있다. 이들은 또한, 습식-케이크 형태로 제공될 수 있으며, 여기서 캡슐은 완전히 건조되지 않고 서로 느슨하게 접착된 채로 남아 있다. 캡슐은 비팽창된 형태 또는 팽창된 형태로 제공될 수 있다.
미소구체의 적용은 예를 들어 이러한 적용에서 경량 충전제를 제공하기 위해 종이(예를 들어 엠보싱 종이, 종이 충전제, 사이징제(sizing agent)), 잉크, 코르크, 시멘트계 조성물, 접착제, 폼(foam), 단열 물질, 코팅, 고무계 생성물, 열가소성 물질, 열경화성 물질, 세라믹, 부직포 복합 물질, 충전제 등의 제조를 포함한다.
mm-크기의 구체의 적용은 약물 전달, 촉매작용, 단열 물질, 포장재, 화장품 및 광학(optics)을 포함한다.
실시예
[디알코올 셀룰로스 합성]
용해-등급의 셀룰로스 펄프는 스웨덴 소재의 Domsjo Fabriker AB(Domsj Dissolving Plus)에 의해 제공되었다. 셀룰로스 함량은 93 중량%였으며, 표면 전하는 29 μeq/g이고 중합도는 약 780이었다. N, N-디메틸아세타미드(DMAc) 및 리튬 클로라이드(LiCl)를 Sigma Aldrich로부터 구매하고, 프로판을 AGA Gas AB로부터 구매하였다.
셀룰로스 섬유를 물에 20 g/L의 농도로 현탁시키고, 소듐 퍼요오데이트, NaIO4와 반응시켰다. 사용되는 소듐 퍼요오데이트의 양은 1.35 g /g 섬유의 농도를 보장하는 데 충분하였다. 또한, 2-프로판올(6.3 부피%)을 첨가하였다. 혼합물을 암실, 50℃의 온도에서 2시간 동안 놔두었다. 5 μS/cm 미만의 여과물 전도도가 달성될 때까지 여과, 뒤이어 물을 이용한 세척에 의해 반응을 중단시켰다.
이 단계에서의 생성된 섬유는 2.62±0.03 mmol/g의 카르보닐 함량을 가졌으며, 이는 산화되어 고리-열리는 대략 22%의 글루코스 고리에 상응하였다.
그 후에, 섬유를 물에 8 g/L의 농도로 재분산시키고, 소듐 보로하이드라이드, NaBH4와 0.5 g /g 섬유의 농도로 반응시켰다. 0.01 M 모노소듐 포스페이트, NaH2PO4를 또한 첨가하여, pH가 10 값의 미만에서 유지되도록 보장하였다. 반응을 실온에서 2시간 동안 계속하고, 그 후에 반응을 여과에 이해 중단시키고, 여과물 전도도가 5 μS/cm 미만이 될 때까지 잔여물을 물로 세척하였다.
[캡슐 합성]
셀룰로스 또는 디알코올 셀룰로스 섬유를 물에서 팽윤시키고, Carrick 등. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6(23), 20928-20935에 의해 기재된 바와 같이 용매 교환 절차를 사용하여 가용성으로 되게 하였다. 이 방법에서, 물-팽윤 섬유를 96% 에탄올애서 2일 동안 현탁시킨 후, 여과하였다. 2일의 기간에 걸쳐 총 4회 에탄올-팽윤 섬유를 DMAc에 현탁시키며, 여과하고, DMAc에 재현탁시켰다. 그 후에, 리튬 클로라이드를 오일 배쓰에서 110℃까지 약 30분 동안 가열된 DMAc에 30분의 기간에 걸쳐 첨가하여 7 중량% LiCl/DMAc 용액을 제조함으로써 DMAc-팽윤 섬유를 용해시켰으며, LiCl을 오븐에서 105℃에서 예열하여 미량의 물을 제거하였다.
용액을 60℃까지 냉각시키고, 이때 DMAc-처리된 셀룰로스 섬유를 LiCl/DMAc 용액에 첨가하여 1.5 중량% 셀룰로스 용액을 생성하였다. 펄프의 용해를 용이하게 하기 위해, 용액을 실온에서 밤새 교반하였다.
Carrick 등. in Langmuir 2014, 30(26), 7635-7644에 기재된 용액 고체화 방법을 사용하여 구형 캡슐을 형성하였다. 우선, 상기 제조된 20 mL의 LiCl/DMAc/섬유 용액을 프로판 기체로 1시간 동안 포화시켰다. 다음, 직경 1.2 mm의 바늘을 사용하여 안티용매를 적가하여, mm-크기의 구형 캡슐의 침전을 초래하였다. 사용된 안티용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 이들 각각의 수성 혼합물로부터 선택되었다. 물을 또한 대조군으로서 사용하였다.
침전 후 캡슐을 신선한 비-용매에 24시간 동안 배치함으로써 상기 캡슐을 세척하였다. 진탕 표(shaking table) 및 250 mL의 비-용매를 사용하여 세척 단계를 2일 동안 1일 3회 반복하였다.
생성된 캡슐의 치수를 광학 현미경으로 포착된 이미지로부터 측정하였다. 매개변수를 10개 캡슐 상에서 평가하였다. 표면 형태 및 캡슐 벽 두께를 Hitachi S-4800 필드 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)을 사용하여 특징화하였다.
[팽창 실험]
캡슐을 저하된 외부 압력에 노출시킴으로써 캡슐 팽창을 수행하였다. 일부 실험을 물에서 수행하였으며, 여기서 캡슐을 진공 펌프에 연결된 물-충전된 플라스크에 배치하였다. 물로부터 얻어진 습식-상태 캡슐의 팽창을 관찰하기 위해, 이들 캡슐을, 하나의 단부에서 밀봉되고 다른 단부에서 진공 펌프에 연결된 유리 파이펫에 배치하였다. 고속 카메라를 사용하여 성능을 평가하였다.
디알코올 셀룰로스로부터 제조된 캡슐의 특성을 표 1에 나타낸다.
이들 결과는, 알코올이 적합한 안티용매이긴 하지만 개선된 캡슐은, 특히 더 양호한 기체 캡슐화 및 체류 특성을 갖는 물에 희석되었을 때 수득됨을 강조한다. 최상의 결과는, 순수(neat) 메탄올의 극성보다 높은 극성, 즉, 0.762 초과의 상대 극성 값 및 약 33.7 초과의 ε안티, 그러나 물의 극성보다 낮은 극성, 즉, 1.000의 상대 극성 값 미만 및 80.1 미만의 ε안티와 관련이 있는 것으로 보인다.
표 1 - 디알코올 셀룰로스 캡슐 특성
실시예 안티용매 (a) ε안티 구형? 기체 캡슐화 (b)
1 (c) 물 80.1 1.000 아니오 아니오
2 물/ 메탄올 (1:1) 65.6 0.927 예 (d) 예, 높음
3 물/ 메탄올 (1:1.2) 63.7 0.917 예 예, 높음
4 메탄올 33.0 0.762 예 아니오
5 물/에탄올 (1:1) 67.2 0.918 예 예, 더 낮음
6 에탄올 25.3 0.654 예 아니오
7 물/이소프로판올 (1:1) 68.7 0.913 예 예, 매우 낮음
8 이소프로판올 20.2 0.546 예 아니오
(a) 괄호 안의 수치는 부피비를 나타낸다
(b) 캡슐의 중공 내부 부분의 시각적 조사 및 크기에 기초하여 - 기체(프로판) 체류 효율에 비해 - 제조 후 수시간째에 측정된다.
(c) 비교예
(d) 캡슐 상에 존재하는 테일(tail)
도 1은 (a) 실시예 4(메탄올 단독), (b) 실시예 2(1:1 물/메탄올), (c) 실시예 6(에탄올 단독), (d) 실시예 5(1:1 물/에탄올) 및 (e) 실시예 3(1:1.2 물/메탄올)과 관련된 상이한 안티용매의 효과를 실증하는 사진을 도시한다.
ε안티가 약 60 내지 약 70이고 가 약 0.90 내지 0.95인, 안티용매로서의 물/메탄올의 혼합물은 중공 구형 캡슐의 최적 수율, 크기 및 균질성을 제공하는 것으로 보였다.
표 2는 셀룰로스로부터 제조된 캡슐 및 또한 실시예 3의 캡슐의 특성을 비교한다. 임의의 산화/환원 전처리를 받지 않았던 셀룰로스 섬유를 사용하는 점을 제외하고는 셀룰로스 캡슐을 실시예 3과 유사한 경로를 사용하여 제조하였다.
표 2 - 셀룰로스 및 디알코올 셀룰로스 캡슐의 비교
디알코올 셀룰로스
(실시예 3)		 셀룰로스
용액 농도 [중량%] 1.5 1.5
용액의 동적 점도 [mm2/s] 24.54 2264.8
습식 캡슐의 직경 [mm] 2.43±0.09 2.21±0.06
습식 캡슐의 중량 [mg] 4.62±0.21 4.61±0.31
건조 캡슐의 직경 [mm] 1.29±0.05 n/a (a)
건조 캡슐의 중량 [mg] 0.13 0.21
습식 캡슐 내 물 백분율 [%] 97.2 95.4
습식 캡슐 밀도 [kg m-3] 614.93 815.69
건조 캡슐 밀도 [kg m-3] 115.66 n/a
(a) 캡슐은 유의하게 변형되어서, 이의 직경은 정확하게 측정될 수 없었다.
도 2는 실시예 3의 (a) 습식 및 (b) 공기-건조된 디알코올 셀룰로스 캡슐의 광학 현미경 이미지를 도시한다. 습식 샘플은 건조 샘플보다 더 두꺼운 벽을 보여준다. 그러나, 깨끗한 코어/쉘 구조는 분명하다.
도 3은 (a) 동결-건조된, 그리고 (b) 공기-건조된 실시예 3의 캡슐의 전자 현미경 사진을 도시하며, 현미경 사진 (c) 및 (d)는 각각의 단면이다. 현미경 사진 (e) 및 (f)는 이미지 (c) 및 (d)의 강조된 구획을 각각 확대한 이미지이다. 이들 현미경 사진은 습식 샘플과 건조된 샘플 사이의 벽 두께 차이를 강조한다(동결-건조된 샘플을 건조 전에 수행하여, 캡슐의 습식 특징을 보존하였음). 모든 경우, 코어/쉘 구조는 명백히 분명하다.
도 4는 실시예 3의 캡슐의 팽창 특징을 도시하며, 여기서 (a)는 상기 기재된 바와 같이 물에 현탁된 구체를 함유하는 플라스크에 감압을 적용하기 전이고 (b)는 그 후이다.
(a)로부터 (b)까지 내경의 변화는 1.49(즉, 내경 (b) = 1.49 x 내경 (a))만큼이며, 즉, 49% 증가이다. 외경의 변화는 (a)로부터 (b)까지 1.13만큼이며, 즉, 13% 증가이다.
도 5는 상기 기재된 바와 같이 (a) 파스테르 파이펫에서 감압을 받기 전 그리고 (b) 받은 후, 실시예 3의 습식 (그러나 더 이상 수-현탁되지 않은) 캡슐의 팽창 특징을 현탁 액체 수(water)로부터 상기 캡슐의 제거 후 20분째에 보여준다.
구체가 물 현탁액(도 4 참조)에 더 이상 존재하지 않기 때문에, 중합체성 쉘은 동일한 규모로 팽윤되지 않아서, 중합체성 쉘은 도 4의 것보다 더 얇은 것으로 보임을 주목한다.
중공 구체의 반경은 1.33(즉, 33%의 반경 증가)만큼 증가하였다.
도 6은 (i) 셀룰로스 및 (ii) 디알코올 셀룰로스로 제조된 (a) 팽창-전 및 (b) 팽창-후 구형 캡슐을 도시한다.
디알코올 셀룰로스 중공 구체는 더 큰 규모까지 팽창되었으며, (외부) 반경은 셀룰로스 캡슐에 대해 1.05(즉, 5% 증가)와 비교하여 1.24(즉, 24%의 증가)만큼 증가하였다.

Claims (8)

  1. 중공(hollow) 코어를 둘러싸는 중합체성 쉘을 포함하는 구형 캡슐(spherical capsule)로서,
    상기 구형 캡슐은 불균일한 밀도를 갖고,
    상기 중합체 쉘의 밀도는 중공 코어의 밀도보다 높으며,
    상기 중합체성 쉘은
    (i) 비치환된 디알코올 셀룰로스를 포함하거나, 또는
    (ii) 하기 화학식 (1) 내지 (2)에 따른 하나 이상의 치환기로 치환된 디알코올 셀룰로스를 포함하며:


    여기서,
    Cg는 디알코올 셀룰로스 백본의 일부인 탄소 원자이며;
    A는 -H, - ORb, 및 -C(O)ORb로부터 선택되고;
    Ra는
    (a) 1 내지 11개의 탄소 원자를 갖는 포화된 또는 불포화된 지방족 기로부터 선택되며, 이는 선형, 분지형 또는 환식이며, 이는 C1-4 알킬의 치환기에 의해 선택적으로 치환됨;
    (b) 5-원 및 6-원 방향족 고리로부터 선택되고, 이는 C1-4 알킬의 치환기에 의해 선택적으로 치환됨;
    (c) 포화된 선형 또는 분지형 지방족 기 또는 환식 지방족 기로부터 선택되며, 이는 C1-4 알킬의 치환기에 의해 선택적으로 치환되고, 여기서 v는 1 내지 11 범위의 정수이고, w는 3 내지 11 범위의 정수이며, Rc는 독립적으로, H 및 C1-4 알킬로부터 선택됨;
    (d) "y"개의 이중 결합을 포함하는 불포화된 선형 또는 분지형 지방족 기로부터 선택되며, x는 2 내지 11 범위의 정수이고, y는 1 또는 2임;
    (e) "y"개의 이중 결합을 포함하는 불포화된 환식 지방족 기로부터 선택되며, y는 1 또는 2이고, w는 상기 정의된 바와 같음; 및
    (f) A가 화학식 (2)에서 H인 경우, Ra는 부재(absent)할 수 있음
    중에서 선택되며;
    Rb는 각각의 경우 독립적으로, H 및 C1-4 알킬기로부터 선택되는,
    구형 캡슐.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    가열에 의해 및/또는 외부 압력을 감소시킴으로써 팽창성인, 구형 캡슐.
  4. 제1항에 따른 구형 캡슐을 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스 및 하나 이상의 비극성 유기 화합물을 포함하는 용액을 안티용매(antisolvent)와 혼합하여 구형 캡슐을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 안티용매는 하나 이상의 화합물을 포함하거나 이로 구성되며, 상기 안티용매는 하기 특성:
    (i) 상기 안티용매는 80.1 미만의 계산된 유전율(dielectric constant), ε안티를 가지며, ε안티는 하기 방정식에 따라 계산되고:

    상기 방정식에서,
    ε안티 = 20℃에서 안티용매의 계산된 유전율이며;
    εi = 20℃에서 순수한 화합물 i의 유전율이고;
    n = 안티용매 내 상이한 화합물의 수이며;
    Mi = 안티용매 내 화합물 i의 몰분율인, 특성;
    (ii) 상기 안티용매는 하기 방정식에 따라 계산 시, 1.00 미만의 계산된 상대 극성, 를 가지며:

    상기 방정식에서,
    = 안티용매의 계산된 상대 극성이며;
    = 물과 비교하여, 25℃ 및 대기압에서 순수한 화합물 i의 상대 극성이고;
    n = 안티용매 내 상이한 화합물의 수이며;
    Mi = 안티용매 내 화합물 i의 몰분율인, 특성;
    (iii) 상기 안티용매는 C1-6 알코올, C2-6 디올, C3-6 트리올, C1-6 할로알코올, C1-6 할로디알코올, C1-6 알코올에테르, C1-6 글리콜 에테르 또는 글리세롤 에테르, C1-6 케톤 및 디케톤, C1-6 알데하이드, C1-8 할로에테르, C1-6 아민, C1-6 알코올아민, C1-6 카르복실산 및 또한 이의 무수물 및 C1-4 에스테르, C1-6 니트릴, C1-6 아미드 및 이의 C1-2 알킬 N- 또는 N,N-치환된 유도체, C4-8 환식 무수물 또는 아미드, C1-6 유기설페이트 및 C1-6 설폭사이드로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하고, 선택적으로 또한 물을 포함하는, 특성; 및
    (iv) 상기 안티용매에서 비극성 유기 용매의 용해도는 1 중량% 미만인, 특성
    중 하나 이상을 갖는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    하기 조건:
    (i) 상기 비극성 유기 화합물이 C3-8 알칸 및 C4-12 이소알칸으로부터 선택되는, 조건;
    (ii) 상기 구형 캡슐의 중합체성 쉘은 제1항에 정의된 바와 같은 것인, 조건; 및
    (iii) 상기 안티용매의 ε안티 값은 20.0 내지 80.0, 또는 34.0 내지 80.0의 범위인, 조건
    중 하나 이상이 적용되는, 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스를 포함하는 용액이 안티용매에 첨가되는, 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 구형 캡슐은 팽창성인, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구형 캡슐은 선택적으로 치환된 디알코올 셀룰로스의 유리 전이 온도 초과 및 용융 온도 미만까지 가열함으로써; 및/또는 외부 압력을 10% 이상만큼 감소시킴으로써 팽창되는, 방법.
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