WO2018202868A1 - Barrier encapsulation of water-based systems on the basis of uv-curable shell systems - Google Patents

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WO2018202868A1
WO2018202868A1 PCT/EP2018/061542 EP2018061542W WO2018202868A1 WO 2018202868 A1 WO2018202868 A1 WO 2018202868A1 EP 2018061542 W EP2018061542 W EP 2018061542W WO 2018202868 A1 WO2018202868 A1 WO 2018202868A1
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Thomas Ballweg
Doris Hanselmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Abstract

The present invention relates to a method for producing capsules comprising a water-containing core material and a water-vapour-impermeable polymerised casing, wherein the capsules have a high water vapour impermeability, and relates to water-(vapour)-impermeable capsules or capsules that can be obtained by the method. The method comprises co-extruding the core material and a composition that contains a UV-polymerisable precursor material of the casing and a radical starter in such a way that the UV-polymerisable precursor material surrounds droplets of the water-containing core material, in order to obtain a co-extruded material, and subsequently passing the co-extruded material through a curing zone for a short time, wherein a polymerisation and crosslinking of the precursor material of the casing is brought about by actinic radiation, wherein the UV-polymerisable precursor material is at least one compound with two diacrylate groups and/or dimethacrylate groups respectively at the ends, which are connected by a short, rigid group, and wherein the core material contains a means for achieving interfacial compatibility between the core material and the casing.

Description

Barriere-Verkapselung wasserbasierter Systeme auf Basis UV-härtbarer Schalensysteme  Barrier encapsulation of water-based systems based on UV-curable shell systems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kapseln mit einem Wasser enthaltenden Kernmaterial und einer wasserdampfundurchlässigen The present invention relates to a process for the preparation of capsules comprising a water-containing core material and a water vapor-impermeable one
polymerisierten Hülle, wobei die Kapseln eine hohe Wasserdampfundurchlässigkeit aufweisen, sowie wasser(dampf)undurchlässige Kapseln bzw. nach dem Verfahren erhältliche Kapseln. Die Verkapselung von Wasser, wässrigen Lösungen, Suspensionen, Emulsionen oder anderen wässrigen oder in Wasser suspendierten Inhaltstoffen im Sinne einer wasser- und wasserdampfdichten hermetischen und kontaminationsfreien Versiegelung in einem dünnwandigen Behälter ist in vielen Bereichen und für viele Anwendungen eine ungelöste Herausforderung. Während die Verkapselung größerer Volumina im Milliliter- oder polymerized shell, the capsules having a high water vapor impermeability, as well as water (vapor) impermeable capsules or capsules obtainable by the process. The encapsulation of water, aqueous solutions, suspensions, emulsions or other aqueous or water-suspended ingredients in terms of a water and water vapor-tight hermetic and contamination-free seal in a thin-walled container is an unresolved challenge in many areas and for many applications. While the encapsulation of larger volumes in milliliters or
Litermaßstab (sog. Makroverkapselung) in der Regel durch die Befüllung und den Literature scale (so-called macroencapsulation) usually by the filling and the
Verschluss vorgefertigter Behälter erreicht werden kann, gibt es für den Größenbereich von 0,1 bis 10 mm Durchmesser (Nanoliter bis Submilliliter-Bereich bis max. ca. 1 Milliliter), bei dem die Verkapselung nicht durch nachträgliches Befüllen, sondern bevorzugt durch einen in-situ-Prozess erfolgt, keine brauchbare Alternative.  It can be achieved in the size range from 0.1 to 10 mm in diameter (nanoliter to submillitre range up to a maximum of about 1 milliliter), in which the encapsulation is not achieved by subsequent filling, but preferably by an internal situ process takes place, no viable alternative.
Das liegt daran, dass die Zahl geeigneter wasserdampfundurchlässigen Materialien zum einen sehr begrenzt ist und zum anderen die Prozessierbarkeit der Materialien kompatibel mit den Inhaltstoffen sein muss. Polyolefine wie z. B. Ultrahochmolekulares Polyethylen, das beispielsweise für die Makroverkapselung von Salzhydrat-basierten Wärmespeichern verwendet wird, bieten gute Voraussetzungen, die Anforderungen an die This is because, on the one hand, the number of suitable water vapor impermeable materials is very limited and, on the other hand, the processability of the materials must be compatible with the ingredients. Polyolefins such. B. Ultra-high molecular weight polyethylene, which is used for example for the macroencapsulation of salt hydrate-based heat storage, provide good conditions, the requirements of the
Wasserdampfbarriere zu erfüllen. Zur Prozessierung der Materialien im Rahmen von in-situ (Mikro)Verkapselungsverfahren sind jedoch Temperaturen im Schmelzbereich der  To meet water vapor barrier. However, for the processing of the materials in the context of in-situ (micro) encapsulation processes, temperatures in the melting range are
Materialien jenseits von 100°C oder aber der Einsatz von Lösemitteln erforderlich, die zum Sieden oder zur Kontamination des wässrigen Inhalts führen würden und damit nicht proesskompatibel sind. Daher werden Behälter aus polymeren Materialien vorgefertigt und nachträglich befüllt und verschlossen. Ähnliches gilt für die Prozessierung von Materials beyond 100 ° C or the use of solvents required, which would lead to boiling or contamination of the aqueous content and thus are not pro-compatible. Therefore containers made of polymeric materials are prefabricated and subsequently filled and sealed. The same applies to the processing of
Metallcontainern. Niedrig schmelzende Wachse und Fette wiederum sind zur Erzeugung dünnwandiger mechanisch stabiler Hüllen ungeeignet und genügen darüber hinaus auch nicht den Barriereanforderungen. Metal containers. In turn, low melting waxes and fats are unsuitable for producing thin-walled, mechanically stable shells and, moreover, do not meet the barrier requirements.
Abhängig vom Verwendungszweck müssen die Kapseln häufig noch einen Katalog weiterer Kriterien erfüllen, insbesondere im Hinblick auf die Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften wie der Bruchfestigkeit und des E-Moduls. Insbesondere wenn es darum geht, den Inhalt der Kapseln in einem definierten Druckfenster durch mechanische Depending on the intended use, the capsules frequently still have to meet a catalog of further criteria, in particular with regard to the adjustability of the mechanical properties such as the breaking strength and the modulus of elasticity. Especially when it comes to it goes, the contents of the capsules in a defined pressure window by mechanical
Einwirkung und Zerstörung der Kapselwände freizusetzen, sind klassische Exposing and destroying the capsule walls are classic
Polymermaterialien (Thermoplaste,„Plastics") aufgrund ihrer plastischen Verformbarkeit und Schlagzähigkeit kein geeigneter Ausgangspunkt, so dass auch aus diesem Grund andere Lösungskonzepte gefordert sind. Polymer materials (thermoplastics, "Plastics") due to their plastic deformability and impact resistance is not a suitable starting point, so that for this reason other solution concepts are required.
Eine adäquate Lösung dieses Problems gibt es bisher nicht. In dem in WO 2010/125094 A2 beschriebenen„Verfahren zum Verkapseln von flüssigen oder pastösen Substanzen in einem vernetzten Verkapselungsmaterial" kommen vorvernetzte aktinisch härtbare An adequate solution to this problem does not yet exist. In the "method for encapsulating liquid or pasty substances in a crosslinked encapsulating material" described in WO 2010/125094 A2, precrosslinked actinically curable ones are used
Verbindungen auf Basis von anorganisch-organischen Hybridpolymeren als Schalenbildner zum Einsatz. Durch eine konzentrische Düsenkonfiguration werden Tropfen erzeugt mit dem Inhaltstoff im Kern und dem hybridpolymeren Schalenmaterial auf der Außenseite der Tropfen. Die Härtung erfolgt beim Durchfallen eines UV-Strahlungsfeldes. Durch die UV- induzierte„kalte" Härtung ist eine Temperaturkontrolle und die Herstellung weitgehend defektfreier Kapseln in Kern-Schale-Morphologie möglich. Die Forderungen einer moderaten Prozesstemperatur und weitgehende Lösemittelfreiheit als Bedingung für eine schonende in- situ-Verkapselung ist auf diese Weise erfüllbar. Eine Wasser- und Wasserdampfbarriere wird mit diesen Materialien jedoch nicht zugänglich. Die Ursachen hierfür sind vielfältig. Zum einen genügt das heterogene Matrixmaterial mit seinen polaren Struktureinheiten nicht den materiellen Anforderungen eines Wasserdampf-Barrierematerials, das sich über das kombinierte Löslichkeits-/ Diffusionsprinzip definiert. Zum zweiten verlangsamt die Compounds based on inorganic-organic hybrid polymers as shell formers for use. A concentric nozzle configuration produces droplets of the ingredient in the core and the hybrid polymeric shell material on the outside of the droplets. Hardening occurs when a UV radiation field fails. The UV-induced "cold" hardening enables temperature control and the production of largely defect-free capsules in core-shell morphology, which means that the requirements of a moderate process temperature and largely solvent-free conditions as conditions for gentle in situ encapsulation can be met. However, a water and water vapor barrier is not accessible with these materials because of the many different reasons: Firstly, the heterogeneous matrix material with its polar structural units does not meet the material requirements of a water vapor barrier material, which is defined by the combined solubility / diffusion principle second slows down the
Vorvernetzung die Schalenformierung mit der Folge einer uneinheitlichen Schalendicke und schlechten Verkapselungsqualität. Zum Dritten enthalten die Hybridpolymere praktisch unvermeidlich immer Spuren leicht flüchtiger Komponenten und/oder von Lösemittelresten, die die Kompaktheit genauso wie die Fehlerhäufigkeit der Schale beeinträchtigen. Daher genügen prozessbedingt die Hybridpolymere nicht den Anforderungen, die an ein Pre-crosslinking the shell molding with the result of a non-uniform shell thickness and poor encapsulation quality. Third, the hybrid polymers virtually inevitably always contain traces of volatile components and / or residual solvents that affect the compactness as well as the defect frequency of the shell. Therefore, due to the process, the hybrid polymers do not meet the requirements of a
Substratmaterial für Barriereanwendungen gestellt werden müssen. Substrate material for barrier applications must be made.
In der US 6,780,507 B2 wird die Verkapselung auch wässriger Systeme mit Hilfe von UV- härtbaren Acrylaten beschrieben (Hydrocapsules). Die Tropfenbildung und Kapselformierung erfolgt hier durch Mikroextrusion mit Hilfe einer konzentrischen Düse, hier jedoch im The encapsulation of aqueous systems with the aid of UV-curable acrylates (hydrocapsules) is also described in US Pat. No. 6,780,507 B2. The drop formation and capsule formation takes place here by micro-extrusion using a concentric nozzle, but here in the
Gegensatz zur WO 2010/125094 A2, bei der die Extrusion in Luft oder allgemein Contrary to WO 2010/125094 A2, in which the extrusion in air or in general
Gasatmosphäre erfolgt - in ein Ölbad, welches von einen UV-Strahler ausgeleuchtet wird. Die Idee und Motivation hierfür war, die Verweilzeiten im Strahlungsfeld in den Gas atmosphere takes place - in an oil bath, which is illuminated by a UV lamp. The idea and motivation for this was to use the residence times in the radiation field in the
Sekundenbereich auszudehnen, die für die Kapselformierung und Aushärtung als notwendig erachtet wurde. Der Barriere-Aspekt ist bei den„Hydrocapsules" nicht adressiert. Die Hüllen sind im Hinblick auf Wasserdampf-Permeabilität nicht definiert bzw. es ist davon Range of seconds considered necessary for capsule formation and cure. The barrier aspect is not addressed in the "hydrocapsules." The shells are not defined with respect to water vapor permeability
auszugehen, dass die dort offenbarten Kapseln bei Aufbewahrung an der Atmosphäre innerhalb kurzer Zeit austrocknen, wenn ein wässriges Kernmaterial verwendet wird. Die Größenverteilung der Kapseln ist breit, da die Abscherung durch unvermeidliche assume that the capsules revealed there are stored in the atmosphere dry out within a short time when an aqueous core material is used. The size distribution of the capsules is wide, as the shearing by inevitable
Strömungen des Fluids unkontrolliert beeinflusst wird. Oberflächenqualität und Form der Kapseln genauso wie die Prozess-Frequenz werden durch das äußere flüssige Medium nachteilig beeinflusst. Flows of the fluid is influenced uncontrollably. Surface quality and shape of the capsules as well as the process frequency are adversely affected by the external liquid medium.
US 2006/0071357 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikrokapseln mittels Ultraschall-Atomisierung, wobei als Ausgangsmaterial für die Hülle ein UV-polymerisierbares Material verwendet wird. Konkret wurden als Hüllmaterialien propoxyliertes Neopentylglycoldiacrylat (SR-9003 von Sartomer) und ein ethoxyliertes Pentaerythritol-Tetraacrylat (SR 494 Sartomer) verwendet. Aufgrund der verwendeten Hüllmaterialien und der beschriebenen Herstellung ist nicht von einer wasserdampf- undurchlässigen Hülle auszugehen. Im Gegenteil bewirkt die Propoxylierung und inbesondere die Ethoxylierung eine Erhöhung der Wasseraffinität und hat eine besonders schnelle Austrocknung der Kapseln zufolge. US 2006/0071357 A1 discloses a method and an apparatus for producing microcapsules by means of ultrasonic atomization, wherein a UV-polymerizable material is used as the starting material for the envelope. Concretely, propoxylated neopentyl glycol diacrylate (SR-9003 from Sartomer) and an ethoxylated pentaerythritol tetraacrylate (SR 494 Sartomer) were used as the shell materials. Due to the shell materials used and the described preparation is not to be assumed by a water vapor impermeable envelope. On the contrary, the propoxylation and in particular the ethoxylation causes an increase in water affinity and has a particularly rapid dehydration of the capsules.
US 2010/0126344 A1 offenbart Gemische, die eine Komponente zur latenten US 2010/0126344 A1 discloses mixtures which are a component of the latent
Wärmespeicherung in Form von Mikrokapseln in einer metallorganischen Matrixkomponente enthalten. Heat storage in the form of microcapsules contained in an organometallic matrix component.
EP 2 081 541 B1 offenbart mikroverkapselte Photoinitiatoren, die hergestellt werden, indem eine Mikroemulsion gebildet wird und anschließend die Monomertröpfchen der EP 2 081 541 B1 discloses microencapsulated photoinitiators which are prepared by forming a microemulsion and subsequently the monomer droplets of the
Mikroemulsion polymerisiert werden. EP 1 784 302 B1 offenbart von einer Polymerkapsel umhülltes, im Wesentlichen nichtfließendes Trägermaterial aus Monomeren, Oligomeren oder Polymeren, wobei das polymere Hüllmaterial nicht wesentlich eingeschränkt ist. Microemulsion are polymerized. EP 1 784 302 B1 discloses a substantially non-flowing carrier material of monomers, oligomers or polymers coated by a polymer capsule, wherein the polymeric coating material is not substantially limited.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und hochproduktives Verfahren zur Herstellung von Kapseln insbesondere im Größenbereich bis etwa 10 mm Durchmesser mit möglichst enger Größenverteilung und hoher Oberflächenqualität bereitzustellen, die als Kernmaterial Wasser oder eine Wasser enthaltende The object of the present invention is therefore to provide a simple and highly productive process for the production of capsules, in particular in the size range up to about 10 mm in diameter with the narrowest possible size distribution and high surface quality, containing as the core material water or a water
Zusammensetzung aufweisen, wobei die Kapselhülle eine hohe Wasserdampf- bzw. Composition, wherein the capsule shell a high water vapor or
Wasserundurchlässigkeit aufweist, die Kapseln eine hohe Lagerstabilität haben und das Kernmaterial bei Bedarf durch eine definierte mechanische Einwirkung freisetzbar ist. Has impermeability to water, the capsules have a high storage stability and the core material can be released as needed by a defined mechanical action.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 erreicht. This is inventively achieved by a method according to claim 1.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens finden sich in Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche Kapseln bzw. Kapseln mit einer Preferred embodiments of the method can be found in subclaims and the following description. The present invention also relates to capsules or capsules obtainable by the method according to the invention
wasserdampfundurchlässigen Hülle aus einem polymeren Material, das aus einem UV- polymerisierbaren Vorläufermaterial erhalten wurde, und einem wässrigen Kernmaterial. Die Kapseln ermöglichen ein leichtes Freisetzen des wässrigen Kernmaterials durch water vapor-resistant envelope of a polymeric material obtained from a UV-polymerizable precursor material and an aqueous core material. The capsules allow for easy release of the aqueous core material
mechanische Einwirkung/Beanspruchung, beispielsweise durch Druck- und/oder mechanical action / stress, for example by pressure and / or
Scherbelastung. Shear stress.
Es ist gelungen, sphärische Kapseln gefüllt mit Wasser, wässrigen Lösungen, wässrigen Suspensionen, wässrigen Emulsionen, insbesondere wässrigen ÖI-in-Wasser-Emulsionen, im Millimeter- und Sub-Millimeter-Bereich mit dünnen Acrylat-Schalen herzustellen, die auch bei Lagerung unter Umgebungsbedingungen oder sogar den Bedingungen besonders trockener Luft lange Rückhaltedauern (über Monate und Jahre) gegenüber Wasser- und Wasserdampf haben und nicht austrocknen. Die hohe Qualität der Schalen mit ihren guten mechanischen und Basis-Barriereeigenschaften ermöglicht es darüber hinaus, die Kapseln z. B. durch Vakuum-Verfahren sogar in den Hochbarriere-Bereich, z. B. durch Sputter- Technologie, weiter zu veredeln. It has been possible to produce spherical capsules filled with water, aqueous solutions, aqueous suspensions, aqueous emulsions, in particular aqueous oil-in-water emulsions, in the millimeter and sub-millimeter range with thin acrylate shells which are also stored under storage Ambient conditions or even the conditions of particularly dry air have long retention periods (over months and years) against water and water vapor and do not dry out. The high quality of the shells with their good mechanical and basic barrier properties also makes it possible to use the capsules z. B. by vacuum process even in the high barrier area, z. B. by sputtering technology to further refine.
Erreicht wird dies durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Kapseln mit einem Wasser enthaltenden Kernmaterial und einer wasserdampfundurchlässigen polymerisierten Hülle, mit den Schritten: This is achieved by a method according to the invention for the production of capsules with a water-containing core material and a water vapor-impermeable polymerized shell, with the steps:
- Coextrusion des Kernmaterials und einer Zusammensetzung, welche ein UV- polymerisierbares Vorläufermaterial der Hülle und einen Radikalstarter enthält, derart, dass das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial Tröpfchen des Wasser enthaltenden  Coextrusion of the core material and a composition containing a UV-polymerizable precursor material of the shell and a radical initiator, such that the UV-polymerizable precursor material contains droplets of the water-containing
Kernmaterials umgibt, um ein co-extrudiertes Material zu erhalten, und  Surrounding core material to obtain a co-extruded material, and
- anschließend Führen des co-extrudierten Materials durch eine Härtungszone, bei der es sich um einen gasgefüllten Bereich, z. B. Luft- oder mit Inertgas gefüllten Bereich handelt, worin eine Polymerisation und Vernetzung des Vorläufermaterials der Hülle durch aktinische Strahlung bewirkt wird und die Verweildauer des co-extrudierten Materials in dieser Härtungszone 0,02 bis 0,2 Sekunden beträgt,  - then passing the coextruded material through a curing zone which is a gas filled area, e.g. Air or inert gas filled area wherein polymerization and crosslinking of the precursor material of the shell is effected by actinic radiation and the residence time of the coextruded material in this curing zone is 0.02 to 0.2 seconds,
wobei das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial mindestens eine Verbindung mit zwei jeweils endständigen Diacrylatgruppen und/oder Dimethacrylatgruppen ist, die durch eine kurze, starre Gruppe verbunden sind, und wherein the UV-polymerizable precursor material is at least one compound having two respective terminal diacrylate groups and / or dimethacrylate groups joined by a short, rigid group, and
wobei das Kernmaterial ein Mittel zur Erzielung einer Grenzflächenkompatibilität zwischen dem Kernmaterial und der Hülle enthält. wherein the core material contains a means for achieving interfacial compatibility between the core material and the shell.
Die Härtungszone ist erfindungsgemäß insbesondere eine Zone sehr hoher Strahlungsintensität. Diese hohe Strahlungsintensität kann dadurch erreicht werden, dass eine Gesamtstrahlungsleistung von bspw. 140 W/cm x 15 cm = 2100 W in einer Brennlinie von bspw. etwa 1 cm Breite fokussiert wird, die die Kapseln durchfallen. Bei einer 1 cm breiten Brennlinie entspricht dies einer Strahlungsintensität von 140 W/cm2. Erfindungsgemäß ist die Strahlungsintensität in dem Bereich, der durch die Teilchen durchfallen wird, bevorzugt 10 bis 160 W/cm2, weiter bevorzugt 20 bis 150 W/cm2, bevorzugter 30 bis 145 W/cm2, noch bevorzugter im Bereich von 50 bis 140 W/cm2. Eine solche Strahlungsintensität kann vom Fachmann leicht eingestellt werden. Dadurch können kurze Verweilzeiten und gleichzeitig hohe Vernetzungsgrade erreicht werden. Im Stand der Technik, bspw.US 2006/0071357 A1 , ist die Strahlungsintensität deutlich geringer. The curing zone according to the invention is in particular a zone of very high radiation intensity. This high radiation intensity can be achieved by having a Total radiation power of, for example, 140 W / cm x 15 cm = 2100 W is focused in a focal line of, for example, about 1 cm wide, which fall through the capsules. For a 1 cm wide focal line, this corresponds to a radiation intensity of 140 W / cm 2 . According to the invention, the radiation intensity in the region which is precipitated by the particles is preferably 10 to 160 W / cm 2 , more preferably 20 to 150 W / cm 2 , more preferably 30 to 145 W / cm 2 , still more preferably in the range of 50 to 140 W / cm 2 . Such a radiation intensity can easily be set by the person skilled in the art. As a result, short residence times and simultaneously high degrees of crosslinking can be achieved. In the prior art, for example US 2006/0071357 A1, the radiation intensity is significantly lower.
Hergestellt werden die Kapseln erfindungsgemäß demnach mittels eines technologischen Verfahrens, das Mikroextrusion, die Auswahl bestimmter Vorläufermaterialien, eine in der Regel schwingungsinduzierte Tropfengenerierung und UV-Härtung miteinander kombiniert. Überraschend war insbesondere, dass Kapseln mit besonders guten Barriereeigenschaften durch bestimmte Diacrylate und Methacrylate erhalten werden und nicht mit höher funktionalen Bausteinen (Tri-/ Tetraacrylate oder Oligomere), die prinzipiell eine höhere Vernetzungsdichte ermöglichen. According to the invention, the capsules are thus produced by means of a technological process which combines microextrusion, the selection of specific precursor materials, a generally vibration-induced drop generation and UV curing. In particular, it was surprising that capsules with particularly good barrier properties are obtained by certain diacrylates and methacrylates and not with higher functional building blocks (tri- / tetraacrylates or oligomers), which in principle make possible a higher crosslinking density.
Die Coextrusion erfolgt erfindungsgemäß mittels einer konzentrischen Düsenkombination mit einer Kern- und Ringdüse, die ein möglichst paralleles Auslaufen des The coextrusion is carried out according to the invention by means of a concentric nozzle combination with a core and ring nozzle, the most parallel possible leakage of the
Hüllenvorläufermaterials und des Kernmaterials ermöglichen derart, dass das vernetzbare Vorläufermaterial als Außenmantel (z. B. ringförmig) um den Inhaltstoff herum extrudiert wird, das Kernmaterial von dem Vorläufermaterial umschlossen wird und vom  The sheath precursor material and the core material enable such that the cross-linkable precursor material is extruded as an outer sheath (eg, annular) around the content material, the core material is enclosed by the precursor material, and from the core material
Außenmaterial umhüllte Tropfen gebildet werden. Dies gewährleistet die saubere Outside material covered drops are formed. This ensures the clean
Trennung von Kern (Wasser)- und Schale-Materialien bei vernachlässigbarer Separation of core (water) and shell materials at negligible
Kontamination sowie kontrolliert einstellbarer Schalendicke mit engen Toleranzen im  Contamination and controlled adjustable shell thickness with tight tolerances in the
Sinne einer maximalen Kapselungseffizienz. Der Coextrusionsschritt erfolgt in Luft oder allgemein einem Gas, insbesondere einem Inertgas. Unmittelbar oder kurz nach dem Extrusionsschritt und vorzugsweise in relativ großer räumlicher Nähe zur Sense of maximum encapsulation efficiency. The coextrusion step is carried out in air or generally a gas, in particular an inert gas. Immediately or shortly after the extrusion step and preferably in a relatively large spatial proximity to the
Extrusionsvorrichtung werden die Partikel vorzugsweise mit Hilfe der Schwerkraft durch eine Zone geführt, in der das Vorläufermaterial durch aktinische Strahlung polymerisiert und vernetzt wird. Dabei ist die Wahl der Abstände zwischen den Komponenten wichtig. Der Abstand zwischen der Extrusionsvorrichtung und der Strahlungszone ist bevorzugt so zu wählen, dass er zur Abschnürung und Abrundung der Tropfen gerade noch ausreicht. Abhängig von der Düsenaustrittsgeschwindigkeit der Materialien, der damit verbundenen optimalen Abschnürfrequenz und der daraus resultierenden Produktionsgeschwindigkeit beträgt dieser Abstand bevorzugt mindestens 15 cm und maximal 150 cm, typischerweise ca. 20 bis 50 cm. Mit zunehmendem Abstand zwischen Düsen und Strahler nimmt die Geschwindigkeit der Kapseln infolge der Erdbeschleunigung zu, so dass die Verweilzeit in der Strahlungszone bei noch größerem Abstand zur Härtung nicht ausreicht. Extrusion device, the particles are preferably guided by gravity through a zone in which the precursor material is polymerized and crosslinked by actinic radiation. The choice of the distances between the components is important. The distance between the extrusion device and the radiation zone is preferably to be selected such that it is just sufficient for pinching and rounding off the drops. Depending on the nozzle exit speed of the materials, the associated optimal pinch-off frequency and the resulting production speed, this distance is preferably at least 15 cm and a maximum of 150 cm, typically about 20 to 50 cm. With increasing distance between nozzles and radiator takes the Speed of the capsules due to the acceleration of gravity, so that the residence time in the radiation zone at an even greater distance for curing is not sufficient.
Das dabei entstehende Vernetzungsprodukt umschließt als Kapsel den Inhaltsstoff, der diese Strukturen füllt. Das Coextrusionsverfahren zur Bildung von Kapseln ist an sich bekannt und beispielsweise beschrieben in Chemie Ingenieur Technik 2003, 75, No.11 , S. 1741 -1745, jedoch ohne die in dieser Erfindung eingesetzte UV-Härtung zur Kapselung wässriger Inhaltstoffe. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass als UV-polymerisierbares Vorläufermaterial für die Hülle mindestens eine Verbindung mit zwei jeweils endständigen Gruppen ist, wobei die endständigen Gruppen unabhängig voneinander aus The resulting cross-linking product encloses as a capsule the ingredient that fills these structures. The coextrusion process for the formation of capsules is known per se and described for example in Chemie Ingenieur Technik 2003, 75, No.11, pp. 1741-1745, but without the UV curing used in this invention for encapsulating aqueous ingredients. An essential feature of the present invention is that the UV-polymerizable precursor material for the shell is at least one compound having two respective terminal groups, the terminal groups being independent of one another
Diacrylatgruppen, Dimethacrylatgruppen und Kombinationen davon ausgewählt sind, verwendet wird, wobei die endständigen Gruppen durch eine kurze, starre Gruppe verbunden (im Folgenden auch als„Verbindungsgruppe" bezeichnet) sind. Ein Fachmann wird hierunter Gruppen verstehen, die eine geringe laterale und rotatorische Beweglichkeit aufgrund sterischer Gegebenheiten und/oder durch stabilisierende Wasserstoffbrücken aufweist. Diacrylate groups, dimethacrylate groups, and combinations thereof are selected, wherein the terminal groups are linked by a short, rigid group (hereinafter also referred to as "linking group"). One skilled in the art will understand groups having low lateral and rotational mobility having steric properties and / or by stabilizing hydrogen bonds.
Der Ausdruck "(Meth-)Acrylat", und davon abgeleitete Ausdrücke, wie sie vorliegend gebraucht werden, umfassen Methacrylate, Acrylate oder Mischungen von beiden, bzw. sind entsprechend zu verstehen.  The term "(meth) acrylate", and terms derived therefrom, as used herein include, but are not limited to, methacrylates, acrylates or mixtures of both.
Durch Wahl einer kurzen Verbindungsgruppe wird die Beweglichkeit einer aus dem  By choosing a short connection group, the mobility of one of the
Vorläufermaterial gebildeten Polymerkette eingeschränkt. Die Starrheit oder Kettensteifheit der Verbindungsgruppe ist durch die räumliche Struktur der Verbindungsgruppe und die chemische Natur der darin vorkommenden Bindungen bestimmt. Da das Hüllmaterial als Wasser- bzw. Wasserdampfbarriere dient, ist erfindungsgemäß bevorzugt eine unpolare Verbindungsgruppe zu wählen. Die Vernetzung und Polymerisation erfolgt erfindungsgemäß im Wesentlichen über die endständigen (Meth)acrylatgruppen. Die Verbindungsgruppe sollte bevorzugt nicht oder nicht wesentlich zur Vernetzung beitragen und enthält daher bevorzugt keine Doppelbindungen. Überdies sind Doppelbindungen bei der UV-Härtung spaltbar und sollten daher innerhalb der Verbindungsgruppe erfindungsgemäß auch deshalb bevorzugt vermieden werden. Limited precursor material formed polymer chain. The rigidity or chain stiffness of the linking group is determined by the spatial structure of the linking group and the chemical nature of the bonds occurring therein. Since the shell material serves as a water or water vapor barrier, it is preferable according to the invention to choose a nonpolar compound group. The crosslinking and polymerization takes place according to the invention substantially via the terminal (meth) acrylate groups. The linking group should preferably not or not significantly contribute to crosslinking and therefore preferably contains no double bonds. Moreover, double bonds can be cleaved during UV curing and should therefore preferably be avoided according to the invention within the compound group.
Bei den Verbindungsgruppen handelt es sich um Gruppen, die von Verbindungen mit endständigen OH-Gruppen (Diole, Bisphenole) stammen oder abgeleitet sind. Mit„stammen von" oder„abgeleitet von" ist gemeint, dass im Vorläufermaterial an den endständigen OH- Gruppen dieser Verbindungen die Wasserstoffatome durch die Acrylat- oder The linking groups are groups derived or derived from compounds having terminal OH groups (diols, bisphenols). By "derived from" or "derived from" it is meant that in the precursor material at the terminal OH groups of these compounds, the hydrogen atoms through the acrylate or
Methacrylatreste ersetzt sind. Bevorzugt stammt die kurze, starre Gruppe (Verbindungsgruppe) von mindestens einer Verbindung oder ist davon abgeleitet, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: a. aliphatischen bicyclischen oder tricyclischen Ringdiolsystemen, welche durch Methacrylate residues are replaced. Preferably, the short, rigid group (linking group) is derived from or derived from at least one compound selected from the group consisting of: a. aliphatic bicyclic or tricyclic ring diol systems obtained by
Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert sein können,  Alkyl groups with 1 to 3 carbon atoms may be substituted,
b. Bisphenol A oder Derivaten davon, bei denen einer oder beide Phenylreste durch b. Bisphenol A or derivatives thereof in which one or both of the phenyl radicals
Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert sind, und  Alkyl groups are substituted by 1 to 3 carbon atoms, and
c. Diurethanen, welche aus einem verzweigten Cs bis Cio-Alkyldiisocyanat oder Cs bis C10- Cycloalkyldiisocyanat und Monoethylenglycol gebildet sind, wobei das Molverhältnis bevorzugt von etwa 1 :1 ,5 bis etwa 1 :3 (Alkyldiisocyanat : Ethylenglycol) beträgt. c. Diurethanes formed from a branched Cs to Cio-alkyl diisocyanate or Cs to C10 cycloalkyl diisocyanate and monoethylene glycol, wherein the molar ratio is preferably from about 1: 1.5 to about 1: 3 (alkyl diisocyanate: ethylene glycol).
Die unter a. genannten Verbindungen sind erfindungsgemäß besonders bevorzugt und können aus Diolen von Bicyclen wie Bicycloheptanen (z.B. Bicyclo[3.2.0]heptan), The under a. mentioned compounds are particularly preferred according to the invention and can be prepared from diols of bicyclic compounds such as bicycloheptanes (for example bicyclo [3.2.0] heptane),
Bicyclooctaen (z.B. Bicyclo[2.2.2]octan), Bicyclononanen (z.B. Bicyclo[3.3.1]nonan oder Bicyclo[4.3.0]nonan), Bicyclodecanen (z. B. Bicyclo[4.4.0]decan), Bicycloundecanen (z. B. Bicyclo[3.3.3]undecan), und dergleichen abgeleitet sein oder verbrückten Bicyclen (also Tricyclen), wie z.B. Diolen von Tricyclodecandimethan. Bicyclooctaene (eg bicyclo [2.2.2] octane), bicyclononanes (eg bicyclo [3.3.1] nonane or bicyclo [4.3.0] nonane), bicyclodecanes (eg bicyclo [4.4.0] decane), bicycloundecanes (e.g. B. bicyclo [3.3.3] undecane), and the like, or bridged bicyclics (ie, tricycles), such as Diols of tricyclodecanedimethane.
Die unter a. genannten Verbindungen können erfindungsgemäß unsubstituiert sein oder mit Alkylgruppen mit jeweils 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert sein. Als bevorzugte The under a. mentioned compounds may be unsubstituted according to the invention or substituted with alkyl groups each having 1 to 3 carbon atoms. As preferred
Substituenten kommen Methylgruppen in Frage. Die Anzahl der optionalen Substituents are methyl groups in question. The number of optional
Alkylsubstituenten beträgt bevorzugt 1 bis 5, weiter bevorzugt 2 bis 4. In weiteren Alkyl substituents are preferably 1 to 5, more preferably 2 to 4. In further
bevorzugten Ausführungsformen sind keine weiteren Substituenten vorhanden. Als konkrete und besonders bevorzugte Beispiele für Vorläufermaterialien, die Verbindungen der Kategorie a. entsprechen, seien Tricyclodecandimethanoldiacrylat (TCDDA, genauer Tricyclo[5.2.1 .0]decandimethanoldiacrylat) und Tricyclodecandimethanoldimethacrylat (TCDMDA, genauer Tricyclo[5.2.1 .0]decandimethanoldimethacrylat) genannt, wobei Tricyclodecandimethanoldiacrylat (TCDDA) ganz besonders bevorzugt ist. preferred embodiments, no further substituents are present. As concrete and particularly preferred examples of precursor materials, the compounds of category a. Tricyclodecanedimethanol diacrylate (TCDDA, more particularly tricyclo [5.2.1.0] decanedimethanol diacrylate) and tricyclodecanedimethanol dimethacrylate (TCDMDA, more particularly tricyclo [5.2.1.0] decanedimethanol dimethacrylate) may be mentioned, with tricyclodecanedimethanol diacrylate (TCDDA) being most preferred.
Die unter b. genannten Verbindungen sind insbesondere von Bisphenol A (2,2-Bis-(4- hydroxyphenyl)-propan) abgeleitet oder von Derivaten von Bisphenol A, bei denen einer oder beide Phenylreste durch Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert sind. Als bevorzugte Substituenten kommen Methylgruppen in Frage. Die Gesamtzahl der optionalen Alkylsubstituenten an den Phenylresten beträgt bevorzugt 1 bis 4, weiter bevorzugt 2 bis 3. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind keine Substituenten an den aromatischen Ringen vorhanden, d.h. es handelt sich um Bisphenol A. Beispiele für Alkyl-substitueirte Derivate sind Bisphenol C (4,4'-(1 -Methylethyliden)bis[2-methylphenol]) oder Bisphenol G (4,4'-(1 -Methylethyliden)bis[2-(1 -methylethyl)phenol]). The under b. The compounds mentioned are in particular derived from bisphenol A (2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane) or from derivatives of bisphenol A in which one or both phenyl radicals are substituted by alkyl groups having 1 to 3 carbon atoms. Preferred substituents are methyl groups. The total number of optional alkyl substituents on the phenyl radicals is preferably from 1 to 4, more preferably from 2 to 3. In further preferred embodiments, there are no substituents on the aromatic rings, ie, bisphenol A. Examples of alkyl substituents Derivatives are bisphenol C (4,4 '- (1-methylethylidene) bis [2-methylphenol]) or bisphenol G (4,4' - (1-methylethylidene) bis [2- (1-methylethyl) phenol]).
Als konkrete und besonders bevorzugte Beispiele für Vorläufermaterialien die Verbindungen der Kategorie a. entsprechen, seien Bisphenol-A-Diacrylat und Bisphenol-A-Dimethacrylat genannt. As concrete and particularly preferred examples of precursor materials, the compounds of category a. may be mentioned bisphenol A diacrylate and bisphenol A dimethacrylate.
Die unter c. genannten Verbindungen sind bevorzugt von Diurethanen abgeleitet, welche aus einem verzweigten Cs bis Cio-Alkyldiisocyanat oder Cs bis Cio-Cycloalkyldiisocyanat und Monoethylenglycol gebildet sind. Dabei beträgt das Molverhältnis bevorzugt von etwa 1 :1 ,5 bis etwa 1 :3 (Alkyldiisocyanat : Monoethylenglycol), weiter bevorzugt etwa 1 :2.  The under c. The compounds mentioned are preferably derived from diurethanes which are formed from a branched Cs to Cio-alkyl diisocyanate or Cs to Cio-Cycloalkyldiisocyanat and monoethylene glycol. In this case, the molar ratio is preferably from about 1: 1, 5 to about 1: 3 (alkyl diisocyanate: monoethylene glycol), more preferably about 1: 2.
Bei diesen Verbindungen handelt es sich um Verbindungen mit zwei endständigen  These compounds are compounds with two terminal ones
Monoethylenglycolgruppen, die jeweils über eine Urethangruppe mit einer zentralen, verzweigten Alkylengruppe verbunden sind. Die verzweigte Alkylengruppe weist bevorzugt 5 bis 10 Kohlenstoffatome auf, weiter bevorzugt 6 bis 9 Kohlenstoffatome. Die Hauptkette der verzweigten Alkylengruppe weist bevorzugt 4 bis 7, weiter bevorzugt 5 oder 6 Monoethylenglycolgruppen, which are each connected via a urethane group with a central, branched alkylene group. The branched alkylene group preferably has 5 to 10 carbon atoms, more preferably 6 to 9 carbon atoms. The main chain of the branched alkylene group preferably has 4 to 7, more preferably 5 or 6
Kohlenstoffatome auf. Als Verzweigungsgruppe sind insbesondere Methylgruppen bevorzugt. Besonders bevorzugt ist die verzweigte Alkylengruppe eine 2-Methyl-4,4- dimethylhexylengruppe. Auch Cycloalkylgruppen sind erfindungsgemäß geeignet, wobei die Zyklen bevorzugt 5 bis 6, insbesondere 6, Ringkohlenstoffe aufweisen und weiterhin durch Alkylgruppen, insbesondere Methylgruppen, substituiert sein können.  Carbon atoms on. As the branching group, in particular, methyl groups are preferable. Most preferably, the branched alkylene group is a 2-methyl-4,4-dimethylhexylene group. Cycloalkyl groups are also suitable according to the invention, the cycles preferably having 5 to 6, in particular 6, ring carbons and furthermore being able to be substituted by alkyl groups, in particular methyl groups.
Als konkrete und besonders bevorzugte Beispiele für Vorläufermaterialien die Verbindungen der Kategorie c. entsprechen, seien Urethandimethacrylat (UDMA) der folgenden Formel, wobei es sich in der Regel um ein Isomerengemisch handelt, genannt, oder das As concrete and particularly preferred examples of precursor materials, the compounds of category c. are urethane dimethacrylate (UDMA) of the following formula, which is usually a mixture of isomers, called, or
entsprechende Urethandiacrylat: corresponding urethane diacrylate:
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Diese ist im Handel unter der Bezeichnung UDMA (HEMATMDI) bspw. von der Firma Evonik erhältlich und weist eine Viskosität von 0,33 Pas (60°C) auf (Herstellerangabe). Wie bereits erwähnt, erfolgt eine Coextrusion des Kernmaterials und des This is commercially available under the name UDMA (HEMATMDI), for example, from the company Evonik and has a viscosity of 0.33 Pas (60 ° C) (manufacturer). As already mentioned, a coextrusion of the core material and the
Vorläufermaterials der Hülle derart, dass das Vorläufermaterial das Kernmaterial umgibt. Dies wird mit Hilfe einer Düsenkombination aus einer in der Regel ringförmigen Düse und einer zentralen, in der Regel konzentrischen Innendüse erreicht. Das so erhaltene co- extrudierte Material wird anschließend durch aktinische Strahlung verfestigt. Die Precursor material of the shell such that the precursor material surrounds the core material. This is achieved by means of a nozzle combination of a generally annular nozzle and a central, usually concentric inner nozzle. The resulting coextruded material is then solidified by actinic radiation. The
erreichbaren Formen können ineinander übergehen, d. h. je nach Verfahrensführung lassen sich im Wesentlichen sphärische Kapseln, eher tropfen- oder eiförmige Kapseln erzeugen. Ein besonderer Vorteil ist aber, dass erfindungsgemäß Kapseln mit hoher achievable forms can merge into each other, d. H. Depending on the process, it is possible to produce essentially spherical capsules, or rather drop-shaped or egg-shaped capsules. A particular advantage, however, is that according to the invention capsules with high
Sphärizität und möglichst monomodaler Größenverteilung erreicht werden können. Sphericity and possible monomodal size distribution can be achieved.
Hinsichtlich einer möglichst monomodalen Größenverteilung sind typischerweise As far as possible a monomodal size distribution are typical
erfindungsgemäß dmax/dmin-Werte von kleiner 1 ,1 , kleiner 1 ,05 oder auch im Bereich von 1 ,01 oder kleiner erreichbar, wobei es sich bei dmax und dmin um die Durchmesser einzelner Partikel aus einem Ensemble von beispielsweise 20 oder 50 Partikeln handelt. Die Durchmesser der einzelnen Partikel können dabei mittels einer Schieblehre oder bei kleinen Teilchengrößen durch ein Licht- oder Rasterelektronenmikroskop bestimmt werden. According to the invention, dmax / dmin values of less than 1, 1, less than 1, 05, or also achievable in the range of 1:01 or smaller, where dmax and dmin are the diameters of individual particles of an ensemble of, for example, 20 or 50 particles , The diameters of the individual particles can be determined by means of a caliper or with small particle sizes by a light or scanning electron microscope.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kapseln bzw. die Kapseln der vorliegenden Erfindung sind sogenannte Mikrokapseln und liegen in einem Bereich einer mittleren Teilchengröße von bevorzugt 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 0,2 bis 8, weiter bevorzugt 0,3 bis 5 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich 1 bis 5 mm. Die daraus resultierende Portionierung des Wassers ist für viele Anwendungen vorteilhaft, da große Mengen bei gleichzeitig guter Durchmischung appliziert werden können. Die mittlere Teilchengröße kann beispielsweise mittels einer Schieblehre bestimmt werden, wobei der Durchmesser von 20 oder mehr, z.B. 50 oder 100 Teilchen, bestimmt und dann der Mittelwert gebildet wird. Bei kleineren Teilchengrößen kann die Teilchengrößenbestimmung auch mittels Licht- oder Rasterelektronenmikroskop bestimmt werden, ebenfalls durch Mittelung von 20 oder mehr, z.B. 50 oder 100 Teilchen. Bei hoher Sphärizität und monomodaler Teilchengrößenverteilung reichen in der Regel 20 Teilchen zur Bestimmung des mittleren Durchmessers aus. In der Regel werden erfindungsgemäß ideal kugelförmige Partikel angestrebt, ovale Formen der Partikel sind aber auch umfasst. Im Fall ovaler, länglicher Partikelformen kann zunächst für jedes Einzelpartikel der Teilchendurchmesser bestimmt werden, indem der der lange und der kurze Durchmesser gemessen werden und der Mittelwert davon als Teilchendurchmesser herangezogen wird. Aus diesen Teilchendurchmessern wird dann wie im Fall runder Partikel der mittlere Teilchendurchmesser berechnet. Es ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Kapseln mit im Vergleich zur The capsules or the capsules of the present invention prepared by the method according to the invention are so-called microcapsules and are in a range of an average particle size of preferably 0.1 to 10 mm, preferably 0.2 to 8, more preferably 0.3 to 5 mm, most preferably in the range 1 to 5 mm. The resulting portioning of the water is advantageous for many applications, since large quantities can be applied with good mixing at the same time. The mean particle size can be determined, for example, by means of a caliper, the diameter of 20 or more, for example 50 or 100 particles, determined and then the average is formed. For smaller particle sizes, the particle size determination can also be determined by means of light or scanning electron microscope, also by averaging 20 or more, for example 50 or 100 particles. In the case of high sphericity and monomodal particle size distribution, 20 particles are generally sufficient to determine the mean diameter. As a rule, ideal spherical particles are desired according to the invention, but oval shapes of the particles are also included. In the case of oval, elongated particle shapes, the particle diameter can first be determined for each individual particle by measuring the long and the short diameter and using the mean value thereof as the particle diameter. From these particle diameters, the average particle diameter is then calculated as in the case of round particles. It is possible with the method according to the invention, capsules with compared to
Kapselgröße dünnen Wandstärken herzustellen. Im Allgemeinen weisen die Capsule size thin wall thicknesses. In general, the
erfindungsgemäß hergestellten Kapseln eine mittlere Wanddicke von 10 μηη bis 2 mm, bevorzugt 50 μηη bis 200 μηη auf. Eine Wandstärke der Kapseln im Bereich von 50 bis 200 μηη bietet einen optimalen Kompromiss von Kapseleffizienz und Festigkeit, im erweiterten Bereich sind auch Bereich 10 μηη bis 2 mm einstellbar. Capsules produced according to the invention have an average wall thickness of 10 μm to 2 mm, preferably 50 μm to 200 μm. A wall thickness of the capsules in the range of 50 to 200 μηη provides an optimal compromise of capsule efficiency and strength, in the extended range are also range 10 μηη adjustable to 2 mm.
Aufgrund der hohen Schalenfestigkeit und damit erreichbaren geringen Schalendicke lassen sich Ladungskapazitäten von bis 50 bis 90 % oder mehr als 90 % erreichen, wobei die Ladungskapazität als das Verhältnis von Masse Kernmaterial zur Gesamtmasse der Kapseln definiert ist.  Due to the high shell strength and thus achievable low shell thickness charge capacities of up to 50 to 90% or more than 90% can be achieved, wherein the charge capacity is defined as the ratio of mass of core material to the total mass of the capsules.
Die Einstellung der Wandstärke erfolgt durch die Einstellung des Verhältnisses der The wall thickness is set by adjusting the ratio of the
Materialströme für das Kern- und Schalenmaterial. Hierzu wird zu Beginn einer Material flows for the core and shell material. This is done at the beginning of a
Produktionsserie ein Materialstromverhältnis von Kern- zu Schalenmaterial z. B. von 5:1 Gew./Gew. vorgegeben. Bei einem definierten Außendurchmesser der Kapsel z. B. von 4 mm, der durch die Wahl der Düsengeometrie eingestellt wird, ist damit auch unter Production series a material flow ratio of core to shell material z. From 5: 1 w / w. specified. For a defined outer diameter of the capsule z. B. of 4 mm, which is set by the choice of the nozzle geometry, is thus under
Berücksichtigung der Dichte für Kern- und Schalenmaterial die Wandstärke definiert. Die Kontrolle der mittleren Wandstärke einer Kapselcharge erfolgt, indem ein repräsentatives Ensemble von ca. 20 Wasser-gefüllten Kapseln definierter Größe zunächst gewogen, dann zerdrückt, getrocknet und erneut gewogen werden. Über die Dichte von Kern- und Consideration of density for core and shell material defines the wall thickness. Control of the average wall thickness of a capsule batch is accomplished by first weighing a representative ensemble of about 20 water-filled capsules of defined size, then crushing, drying and weighing again. About the density of nuclear and
Schalenmaterial bei definiertem Außendurchmesser wird die mittlere Wandstärke berechnet. Exemplarisch erfolgt an einzelnen Kapseln der Serie die Kontrolle der Schalendicke und deren Gleichförmigkeit und Defektfreiheit auch mit Hilfe von licht- und  Shell material with a defined outer diameter, the average wall thickness is calculated. By way of example, on individual capsules of the series, the control of the shell thickness and its uniformity and freedom from defects also take place with the aid of light and light
rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der Schalenoberfläche und der Bruchkanten. Scanning electron micrographs of the shell surface and the break edges.
Die aus den Abmessungen resultierende Druckfestigkeit (uniaxiale Belastung) ist durch die variable Einstellung des Kapseldurchmessers und der Schalendicke abhängig vom The compressive strength resulting from the dimensions (uniaxial load) is dependent on the variable diameter of the capsule diameter and the shell thickness
Verwendungszweck einstellbar im Bereich von 0,1 N bis 200 N. Dies entspricht den Use adjustable in the range of 0.1 N to 200 N. This corresponds to the
Kategorien Eierschalen-Morphologie bis praktisch (mit der Hand) unzerstörbar. Für Kapseln, bei denen der Kapselinhalt durch Zerdrücken der Schalen zwischen den Fingern erfolgt, ist eine Druckfestigkeit im Bereich von ca. 5 N bis 25 N besonders vorteilhaft. Die Bestimmung der uniaxialen Druckfestigkeit erfolgt dabei mit Hilfe einer Zwick-Universalprüfmaschine anhand von repräsentativen Stichprobenumfängen von 20 Kapseln. Dabei werden die Kapseln zwischen zwei planaren Prüfstempeln aus Edelstahl mit einer Categories Eggshell morphology to practical (by hand) indestructible. For capsules in which the capsule contents are made by crushing the cups between the fingers, compressive strength in the range of about 5 N to 25 N is particularly advantageous. The uniaxial compressive strength is determined using a Zwick universal testing machine based on representative sample sizes of 20 capsules. The capsules are between two planar test stamps made of stainless steel with a
Vorlaufgeschwindigkeit von 3 mm/min bis zum totalen Versagen (Bruch) zerdrückt. Die Datenerfassung und Auswertung erfolgt mit einer 100 N-Messdose und der Software testXpert®. Die Kapselwandstärke ist nicht nur für die Druckfestigkeit, sondern auch für die Wasserdampf-Transmissionsrate eine maßgebliche Größe. Eine Reduktion der Wandstärke reduziert die Druckfestigkeit und damit die zur Freisetzung erforderliche Kraft, erhöht andererseits jedoch die Wasserdampftransmissionsrate. Abhängig vom Einsatzbereich kann hier jeweils ein Kompromiss gefunden werden und ein Abgleich erfolgen. Forward speed from 3 mm / min to total failure (break) crushed. The data acquisition and evaluation is carried out with a 100 N load cell and the software testXpert ® . The capsule wall thickness is a significant factor not only for the compressive strength but also for the water vapor transmission rate. A reduction of the wall thickness reduces the pressure resistance and thus the force required for the release, but on the other hand increases the water vapor transmission rate. Depending on the field of application, a compromise can be found here and an adjustment made.
Wie bereits erwähnt, sind die Kapseln in monomodaler, einheitlicher Größe mit sehr geringem Toleranzbereich herstellbar. Dies ist vorteilhaft für die Erzielung einer As already mentioned, the capsules can be produced in monomodal, uniform size with a very low tolerance range. This is beneficial for achieving a
gleichförmigen Wandstärke und verhindert ein Unterschreiten eines Mindestwertes als Voraussetzung für Barriereapplikationen und Weiterprozessierung in Vakuum verfahren. uniform wall thickness and prevents falling below a minimum value as a prerequisite for barrier applications and further processing in a vacuum process.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das rheologische Verhalten des In the method according to the invention, the rheological behavior of the
Vorläufermaterials so abgestimmt werden, dass es die Abschnürung und die Ausbildung von möglichst kugelförmigen Kapseln bevorzugt und ein gleichmäßiges Verlaufen auf dem Kernmaterial begünstigt. Bevorzugt beträgt die Viskosität des UV-polymerisierbaren Vorläufermaterials bei der Prozesstemperatur, also beim Extrudieren, 0,001 bis 50 Pa-s, weiter bevorzugt 0,01 bis 10 Pa-s, noch weiter bevorzugt 0,1 bis 1 Pa-s. Die Precursor material can be adjusted so that it prefers the constriction and the formation of spherical capsules as possible and favors a smooth running on the core material. Preferably, the viscosity of the UV-polymerizable precursor material at the process temperature, ie during extrusion, 0.001 to 50 Pa-s, more preferably 0.01 to 10 Pa-s, even more preferably 0.1 to 1 Pa-s. The
Viskositätswerte beziehen sich also auf die jeweilige beim Extrudieren verwendete Viscosity values thus relate to the particular used in the extrusion
Temperatur des Vorläufermaterials. Die Viskositätsmessung erfolgt mit einem Paar- Rheometer MCR 102 nach dem Kegel-Platte-Prinzip mit Kegelabmessungen 60 mm/4° bei einem Messspalt von 150 μηη. Zur Abschätzung einer geeigneten Prozesstemperatur kann standardmäßig bei im Drehzahlbereich von 0,1 bis 100 1/s bei 20, 40 und 60°C gemessen werden. Die jeweils gewünschten Viskositäten können über die Temperatur gesteuert bzw. nachjustiert werden, bei der die Verkapselung erfolgt. Temperature of the precursor material. The viscosity is measured with a pair of MCR 102 rheometer according to the cone-and-plate principle with cone dimensions of 60 mm / 4 ° and a measuring gap of 150 μm. For estimation of a suitable process temperature can be measured by default in the speed range from 0.1 to 100 1 / s at 20, 40 and 60 ° C. The respective desired viscosities can be controlled or readjusted via the temperature at which the encapsulation takes place.
Weiterhin können allein nicht-prozessierbare (oder bei einer gegebenen Temperatur nicht- prozessierbare) höher-viskose Vorläufermaterialien auch durch Abmischen mit Furthermore, only non-processable (or non-processable at a given temperature) higher-viscosity precursor materials can also by mixing with
niedrigviskosen Komponenten, bspw. den weiter unten beschriebenen Tri-, Tetra- oder höherfunktionellen Acrylaten, verarbeitet werden. Im Hinblick auf die Wasser- oder Wasserdampfundurchlässigkeit der Hüllen der low-viscosity components, for example, the tri-, tetra- or higher-functional acrylates described below, are processed. With regard to the water or water vapor impermeability of the sheaths of
erfindungsgemäßen Kapseln ist eine möglichst defektfreie Kapselhülle anzustreben. Um dies zu erreichen, ist es erfindungsgemäß besonders günstig, wenn das Vorläufermaterial keine organischen Lösungsmittel oder sonstigen flüchtigen Bestandteile enthält, die beim Herstellungsprozess oder der Lagerung entweichen könnten und so die Hülle schädigen könnten. Mischsysteme (technical grade) mit Verunreinigungen und Anteilen niedrigen Dampfdrucks begünstigen Schalendefekte durch Blasenbildung und sind Capsules according to the invention aim for a capsule shell which is as defect-free as possible. In order to achieve this, it is particularly advantageous according to the invention if the precursor material contains no organic solvents or other volatile constituents which could escape during the production process or storage and thus could damage the casing. Technical grade systems with impurities and low vapor pressure fractions favor shell defects due to bubble formation
erfindungsgemäß weniger geeignet. In bevorzugten Ausführungsformen besteht die Zusammensetzung, welche als Hüllmaterial extrudiert wird, bevorzugt aus dem Vorläufermaterial und dem Radikalstarter, in weiteren bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Summe aus Vorläufermaterial und Radikalstarter mindestens 98 Gew.-%, idealerweise größer 99 Gew.-% der Zusammensetzung, welche als Hüllmaterial extrudiert wird. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht die Zusammensetzung, welche als Hüllmaterial extrudiert wird, aus dem Vorläufermaterial, dem Radikalstarter und aus einem Mittel zur Verbesserung der Grenzflächenkompatibilität. less suitable according to the invention. In preferred embodiments, the composition which is extruded as a shell material preferably consists of Precursor material and the radical initiator, in further preferred embodiments, the sum of precursor material and free-radical initiator is at least 98 wt .-%, ideally greater than 99 wt .-% of the composition, which is extruded as a shell material. In further embodiments of the invention, the composition which is extruded as a shell material consists of the precursor material, the radical initiator and an agent for improving interfacial compatibility.
Das Vorläufermaterial, das mindestens eine Verbindung mit zwei jeweils endständigen Diacrylatgruppen und/oder Dimethacrylatgruppen ist, die durch eine kurze, starre Gruppe verbunden sind, kann teilweise durch Tri-, Tetra- oder höherfunktionelle Acrylate ersetzt sein, insbesondere um die Viskosität des Vorläufermaterials einzustellen, wie oben erwähnt. Die vorliegende Erfindung umfasst somit auch Ausführungsformen, bei denen das Di(meth)acrylat-Vorläufermaterial zu bis zu 30 Gew.-%, beispielsweise bis zu 25 Gew.-% oder bis zu 20 Gew.-%, durch derartige Tri-, Tetra- oder höherfunktionelle The precursor material which is at least one compound having two respective terminal diacrylate groups and / or dimethacrylate groups joined by a short, rigid group may be partially replaced by tri-, tetra- or higher-functionality acrylates, in particular to adjust the viscosity of the precursor material, as mentioned above. The present invention thus also encompasses embodiments in which the di (meth) acrylate precursor material contains up to 30% by weight, for example up to 25% by weight or up to 20% by weight, of such tri-, tetra - or higher functional
Acrylate ersetzt ist. Ein Beispiel für ein solches erfindungsgemäß einsetzbares Acrylates is replaced. An example of such inventively applicable
trifunktionelles Acrylat ist Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA). trifunctional acrylate is trimethylolpropane triacrylate (TMPTA).
Erfindungsgemäß wird eine Extrusion in einer Gasatmosphäre, i.d.R. Luft oder Inertgas, durchgeführt, um eine maximale Grenzflächenspannung der Schale gegenüber dem According to the invention, an extrusion in a gas atmosphere, i.d.R. Air or inert gas, carried out to a maximum surface tension of the shell over the
Außenmedium zu erzeugen, so dass eine hinreichend gute, defektfreie und glatte Oberfläche als Bedingung für eine pinholefreie Barriere erhalten wird. Als Gase eignen sich neben Luft z.B. Stickstoff oder Edelgase wie Argon. Durch die Tropfenformierung in Luft oder External medium to produce, so that a sufficiently good, defect-free and smooth surface is obtained as a condition for a pinholefreie barrier. Suitable gases besides air, e.g. Nitrogen or noble gases such as argon. By the drop formation in air or
Gasatmosphäre erhält man eine bestmögliche Oberflächenqualität bei geringer Rauigkeit vergleichbar mit der der Substrate für Barrierefolien, wie durch AFM-Aufnahmen gezeigt wurde. Dies ist günstig im Hinblick auf eine optionale Weiterveredelung und Verbesserung der Barriereeigenschaften der Kapseln z. B. durch nachfolgende Metallisierung oder Metalloxid-Beschichtung. Gas atmosphere gives the best possible surface quality with low roughness comparable to that of the substrates for barrier films, as shown by AFM images. This is favorable with regard to an optional further refinement and improvement of the barrier properties of the capsules z. B. by subsequent metallization or metal oxide coating.
Die Tropfenerzeugung erfolgt schwingungsunterstützt im Frequenzbereich von 20 bis 2000 Hz abhängig von Kapselgröße. Für eine Kapselgröße von 4 mm Durchmesser wird derDrop generation is vibration-assisted in the frequency range from 20 to 2000 Hz depending on capsule size. For a capsule size of 4 mm diameter is the
Frequenzbereich von 40 bis 200 Hz bevorzugt, gleichbedeutend mit einer Kapselmenge von 40 bis 200 Kapseln pro Sekunde oder rd. 150 000 bis 720 000 Kapseln pro Stunde. Dadurch ergibt sich ein hochskalierbarer und kommerzialisierbarer Prozess. Kurze Belichtungszeiten sind erfindungsgemäß eine notwendige Bedingung für die Frequency range of 40 to 200 Hz preferred, equivalent to a capsule amount of 40 to 200 capsules per second or approx. 150,000 to 720,000 capsules per hour. This results in a highly scalable and commercializable process. Short exposure times are inventively a necessary condition for the
Erzeugung von Kapseln mit Barriere-Qualität. Durch den kurzen und hochintensiven Production of capsules with barrier quality. By the short and high-intensity
Belichtungsimpuls wird die Härtung der Schalen initiiert, die nach der sich anschließenden Dunkelreaktion sehr hohe Konversionsraten der eingesetzten Monomere von bspw. deutlich oberhalb von 90% bewirkt, so dass die Härtungsreaktion beim Auftreffen der Kapseln im Auffangbehälter oder einer Auffangvorrichtung weitestgehend abgeschlossen ist und die Kapseln über eine klebefreie Oberfläche verfügen. Die Belichtungszeit beträgt Exposure pulse, the hardening of the shells is initiated, which after the subsequent dark reaction very high conversion rates of the monomers used, for example. Significant above 90%, so that the curing reaction is largely complete when the capsules hit the collecting container or a collecting device and the capsules have a tack-free surface. The exposure time is
erfindungsgemäß etwa 0,02 bis 0,2 Sekunden, bevorzugt etwa 0,05 bis 0,1 Sekunden. According to the invention about 0.02 to 0.2 seconds, preferably about 0.05 to 0.1 seconds.
Daraus resultiert ein maximaler, bisher nicht erreichter oder berichteter Vernetzungsgrad. Die Konversionsrate liegt zum Beispiel im Bereich von 93-95% z. B. für TCDD(M)A, mindestens jedoch 85%. This results in a maximum, not yet reached or reported degree of crosslinking. The conversion rate is for example in the range of 93-95% z. For TCDD (M) A, but at least 85%.
Die Initiierung der Starterreaktion erfolgt in einem UV-Strahlungsfeld, das aus einem The initiation of the starter reaction takes place in a UV radiation field, which consists of a
Quecksilberspektrum oder metalldotierten (z. B. Fe) Quecksilbersilberstrahler erhalten wird. Als Strahler können konkret beispielsweise eisendotierte Quecksilberdampf-Strahler verwendet werden, die ein Strahlungsspektrum des D-Typs erzeugen. Dieses ist dadurch charakterisiert, dass es über das kurzwellige Hg-Spektrum hinaus auch einen starken Output im längerwelligen UV- Bereich von 350 bis 400 nm aufweist. Ein erfindungsgemäß einsetzbarer Strahler ist 15 cm lang und emittiert pro cm Länge maximal 200 Watt an Gesamtstrahlungsleistung (IR, Sichtbar, UV). Die Strahlung kann über einen elliptischen Reflektor in einer Brennlinie zusammengeführt werden, die von den Kapseln durchfallen wird. Als geeignete Strahlungsintensitäten können zum Beispiel etwa 50 bis 140 W pro cm Bogenlänge bzw. bei einer etwa 1 cm breiten Brennlinie ca. 50 bis 140 W/cm2 an Mercury spectrum or metal-doped (eg Fe) mercury silver is obtained. Specifically, for example, iron-doped mercury vapor radiators which generate a radiation spectrum of the D-type can be used as the radiator. This is characterized by the fact that, in addition to the short-wave Hg spectrum, it also has a strong output in the longer-wave UV range of 350 to 400 nm. An emitter usable according to the invention is 15 cm long and emits a maximum of 200 watts of total radiation power per cm length (IR, visible, UV). The radiation can be brought together via an elliptical reflector in a focal line which will fall through the capsules. For example, about 50 to 140 W per cm arc length or, in the case of an about 1 cm wide focal line, about 50 to 140 W / cm 2 can be used as suitable radiation intensities
Flächenintensität insgesamt genannt werden. Erfindungsgemäß ist die Strahlungsintensität in dem Bereich/Brennlinie, der durch die Teilchen durchfallen wird, bevorzugt 10 bis 160 W/cm2, weiter bevorzugt 20 bis 150 W/cm2, bevorzugter 30 bis 145 W/cm2, noch bevorzugter im Bereich von 50 bis 140 W/cm2. Eine solche Strahlungsintensität kann vom Fachmann mit Hilfe der oben genannten Strahler eingestellt werden. Dadurch können kurze Verweilzeiten und gleichzeitig hohe Vernetzungsgrade erreicht werden. Im Stand der Technik, bspw.US 2006/0071357 A1 , ist die Strahlungsintensität deutlich geringer. Total area intensity. In the present invention, the radiation intensity in the region / focal line which is precipitated by the particles is preferably 10 to 160 W / cm 2 , more preferably 20 to 150 W / cm 2 , more preferably 30 to 145 W / cm 2 , still more preferably in the range of 50 to 140 W / cm 2 . Such a radiation intensity can be adjusted by the person skilled in the art with the aid of the abovementioned radiators. As a result, short residence times and simultaneously high degrees of crosslinking can be achieved. In the prior art, for example US 2006/0071357 A1, the radiation intensity is significantly lower.
Die Zusammensetzung, welche ein UV-polymerisierbares Vorläufermaterial enthält, enthält erfindungsgemäß auch einen Radikalstarter. Als Radikalstarter können handelsübliche, dem Fachmann bekannte UV-Starter wie beispielsweise Benzophenone, Acylphosphinoxide, o Hydroxyketone o.ä., insbesondere Lucirin® TPO (BASF) oder Irgacure® 184 (Ciba), verwendet werden. The composition containing a UV-polymerizable precursor material according to the invention also contains a radical initiator. Commercial free-radical initiators known to those skilled in the art, such as, for example, benzophenones, acylphosphine oxides, o-hydroxyketones or the like, in particular Lucirin® TPO (BASF) or Irgacure® 184 (Ciba), can be used as radical initiators.
Der Restmonomeranteil der eingesetzten Monomere beträgt erfindungsgemäß nach der Härtung bevorzugt 15 Gew.-% oder kleiner, weiter bevorzugt 2 bis 10 Gew.-%, noch bevorzugter 1 bis 5 Gew.-%. Dies entspricht einer hohen Konversionsrate, d.h. einem hohen Grad an Umsetzung der eingesetzten Monomere und damit einer Minimierung des According to the invention, the residual monomer content of the monomers used after curing is preferably 15% by weight or less, more preferably from 2 to 10% by weight, even more preferably from 1 to 5% by weight. This corresponds to a high conversion rate, i. a high degree of conversion of the monomers used and thus a minimization of the
Restmonomergehaltes der Schale. Zugleich wird die auch die Menge des erforderlichen Radikal Starters reduziert. Dadurch kann die Migration von Restmonomeren und Startermolekülen in das Kernmaterial auch bei längerer Lagerung in den Bereich der Nachweisgrenze gedrückt werden. Dadurch werden neue Qualitäten erreicht, die den Einsatz der Materialien auch im Consumer-Produktbereich ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist außerdem, dass durch die hochintensive UV-Bestrahlung der wässrige Inhalt in-situ sterilisiert und auf diese Weise entkeimt wird. Die Konversionsrate und entsprechend auch der Restmonomergehalt der Schalen kann bspw. mit der Methode der Dynamic Scanning Calorimetry (DSC) auf einfache Weise bestimmt und zur Qualitätssicherung verwendet werden. Hierbei wird eine repräsentative Menge (typischerweise 0,1 g) gehärteter Schalenfragmente in einem Tiegel mit einer Rate von 10 K min kontinuierlich erhitzt, dadurch die verbliebenen Doppelbindungen zur Reaktion gebracht und durch Auswertung des resultierenden exothermen Signals die verbliebenen Doppelbindungen quantifiziert. Residual monomer content of the shell. At the same time, the amount of the required Radical starters reduced. As a result, the migration of residual monomers and starter molecules into the core material can be pushed into the detection limit range even during prolonged storage. As a result, new qualities are achieved which enable the use of materials in the consumer product sector as well. It is also particularly advantageous that the aqueous content is sterilized in situ by the high-intensity UV irradiation and sterilized in this way. The conversion rate and, correspondingly, the residual monomer content of the shells can be determined in a simple manner, for example using the Dynamic Scanning Calorimetry (DSC) method, and used for quality assurance purposes. Here, a representative amount (typically 0.1 g) of hardened shell fragments in a crucible is heated continuously at a rate of 10 K min, thereby causing the remaining double bonds to react and quantifying the remaining double bonds by evaluating the resulting exothermic signal.
Die Konversionsrate kann entsprechend dem geringen Restmonomergehalt deutlich größer als 85% sein, typischerweise sogar deutlich größer als 90%. The conversion rate may be significantly greater than 85%, typically even significantly greater than 90%, corresponding to the low residual monomer content.
Zur Erzielung der Grenzflächenkompatibilität zwischen dem polaren, wässrig dominierten Inhalt und deutlich weniger polaren Schalenmaterial ist die Zugabe eines Prozessadditivs zum Kernmaterial vorgesehen. Als solches Mittel zur Erzielung einer To provide interfacial compatibility between the polar, aqueous dominated content and significantly less polar shell material, the addition of a process additive to the core material is envisioned. As such, means for achieving a
Grenzflächenkompatibilität sind zum Beispiel neutrale Tenside (z.B. Tween 80) oder wasserlösliche Polymere wie Polyethylenoxid mit einem Molekulargewicht im Bereich von etwa 1 .000 bis 10.000.000, insbesondere 50.000 bis 3.000.000 oder 100.000 bis 2.000.000, geeignet (z. B. PEO mit Molmasse 1 Mio. oder 2 Mio. Dalton). Das Additiv PEO hat über die grenzflächenaktive Wirkung hinaus den zusätzlichen Vorteil, dass es die Viskosität des Kernmaterials erhöht, dadurch das Schwingungsverhalten des Tropfens reduziert und somit die Kapselformierung im Hinblick auf die Sphärizität begünstigt. Interfacial compatibility is, for example, neutral surfactants (eg Tween 80) or water-soluble polymers such as polyethylene oxide having a molecular weight in the range of about 1,000 to 10,000,000, especially 50,000 to 3,000,000 or 100,000 to 2,000,000 (e.g. PEO with molar mass 1 million or 2 million daltons). The additive PEO has the additional advantage over the surfactant effect that it increases the viscosity of the core material, thereby reducing the vibration behavior of the droplet and thus favors the capsule formation in terms of sphericity.
Die Konzentration liegt bevorzugt im Bereich von etwa 0,05 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Kernmaterial. Auch der Zusammensetzung, die das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial enthält, kann ein Mittel zur Erzielung einer Grenzflächenkompatibilität zugegeben werden, beispielsweise ein ethoxyliertes Acrylat, bevorzugt ist erfindungsgemäß aber, wenn das The concentration is preferably in the range of about 0.05 to 2 wt .-%, based on the core material. Also, the composition containing the UV-polymerizable precursor material may be added with an agent for achieving interfacial compatibility, for example, an ethoxylated acrylate, but is preferable in the present invention if the
Mittel zur Erzielung einer Grenzflächenkompatibilität nur dem Kernmaterial zugegeben wird. Means for achieving interfacial compatibility is added only to the core material.
Aufgrund des bei der Härtung erzielbaren hohen Konversionsgrades ist es in Due to the high degree of conversion that can be achieved during curing, it is in
Ausführungsformen der Erfindung nicht erforderlich, eine aktive Nachhärtung durchzuführen, optional kann eine solche Nachhärtung, insbesondere UV-Härtung, aber erfindungsgemäß vorteilhaft sein, um den Restmonomeranteil weiter zu verringern. Werden die erzeugten Kapseln beispielsweise im Auffangbehälter nicht vom Streulicht des Strahlers abgeschirmt, erfolgt eine automatische Nachvernetzung, ohne dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen. Embodiments of the invention are not required to carry out an active postcuring, optionally such postcuring, in particular UV curing, but according to the invention may be advantageous in order to further reduce the residual monomer content. If the capsules produced are not shielded, for example in the collecting container by the stray light of the radiator, An automatic post-crosslinking takes place without further measures having to be taken.
Die Kapselwände der erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Kapseln verfügen bereits unmodifiziert über Barriereeigenschaften bis in den mittleren Bereich bei Schalendicken im Bereich von 150 μηη. Man erhält damit Wasserdampf-Transmissionsraten (Water Vapour Transmission Rate WVTR) im Bereich von 1 bis 10 g/m2d bei Standard- Messbedingungen (23°C, 80% r. F. -Differenz). Die Wasserdampf-Transmissionsrate kann erfindungsgemäß mit einer vorgegebenen Anzahl von Partikeln, typischerweise 20 Partikeln, mit bekannter Wandstärke (z.B. etwa 150 μηη einfache Wandstärke), die sich in einerThe capsule walls of the capsules according to the invention or inventively prepared already have unmodified barrier properties up to the middle range at shell thicknesses in the range of 150 μηη. Water vapor transmission rates (WVTR) are thus obtained in the range from 1 to 10 g / m 2 d under standard measuring conditions (23 ° C., 80% relative humidity difference). The water vapor transmission rate can according to the invention with a predetermined number of particles, typically 20 particles, with a known wall thickness (eg about 150 μηη simple wall thickness), resulting in a
Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20% befinden, bestimmt werden. Dabei wird über eine vorgegebene Zeitspanne, z. B. 2 Wochen, der Gewichtsverlust gravimetrisch verfolgt. Der hohe Vernetzungsgrad ist eine wesentliche Voraussetzung für bzw. begünstigt die Barriere-Eigenschaft der Kapsel. Environment with a relative humidity of 20% can be determined. In this case, over a predetermined period of time, for. B. 2 weeks, the weight loss followed gravimetrically. The high degree of crosslinking is an essential prerequisite for or favors the barrier property of the capsule.
Die geringe WVTR der unmodifizierten Kapseln ist eine Voraussetzung für eine The low WVTR of the unmodified capsules is a prerequisite for a
Weiterveredelung/Verbesserung der Kapseln in den Bereich der Hoch- und Refining / improvement of capsules in the field of high and
Ultrahochbarriere, da sie die Einstellung der für die Vakuum-Verfahren erforderlichen Prozessbedingungen ermöglicht. Die erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß Ultrahigh barrier, since it allows the adjustment of the process conditions required for the vacuum process. The invention or according to the invention
hergestellten Kapseln sind Vakuum-fest, d.h. mechanisch hinreichend stabil und hinreichend dicht gegenüber Wasserdampf, so dass sie in Vakuum-Verfahren ohne Beschädigungen der Schale weiter prozessiert und auf diese Weise auch noch weiter veredelt werden können. Zu diesen Verfahren zählen die standardmäßig eingesetzten Verfahren der produced capsules are vacuum-tight, i. mechanically sufficiently stable and sufficiently close to water vapor, so that they can be further processed in vacuum process without damaging the shell and in this way can be further refined. These methods include the standard methods of the
Barrierefolientechnologie wie Vakuum-Beschichtung durch Bedampfen, Sputtern, Barrier film technology such as vacuum coating by vapor deposition, sputtering,
Plasmaverfahren u.a. Die Kapseln erlauben aufgrund ihrer Stabilität und Undurchlässigkeit auch eine chemische und/oder galvanische Metallisierung. Plasma method and the like Due to their stability and impermeability, the capsules also permit chemical and / or galvanic metallization.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Kapseln und Kapseln die wie folgt definiert sind: Kapseln mit einer The present invention also relates to capsules and capsules which can be prepared by the process according to the invention and which are defined as follows: capsules having a
wasserdampfundurchlässigen Hülle aus einem polymeren Material, das aus einem UV- polymerisierbaren Vorläufermaterial erhalten wurde, wobei das UV-polymerisierbare A water-vapor-tight envelope of a polymeric material obtained from a UV-polymerizable precursor material, wherein the UV-polymerizable
Vorläufermaterial mindestens eine Verbindung mit zwei jeweils endständigen Diacrylat- und/oder Dimethacrylatgruppen ist, die durch eine kurze, starre Gruppe verbunden sind, und einem Wasser enthaltenden Kernmaterial, wobei die Kapseln eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm aufweisen, bevorzugt 1 bis 5 mm, und eine mittlere Wanddicke von 10 μηη bis 2 mm, bevorzugt 50 μηη bis 200 μηη. Die hinsichtlich des Verfahrens beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen gelten mutatis mutandis ausdrücklich auch für die erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß herstellbaren Kapseln. Precursor material is at least one compound having two terminal diacrylate and / or Dimethacrylatgruppen each, which are connected by a short, rigid group, and a water-containing core material, wherein the capsules have an average particle size of 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm, and an average wall thickness of 10 μηη to 2 mm, preferably 50 μηη to 200 μηη. The advantageous embodiments described with regard to the method also apply mutatis mutandis expressly for the capsules according to the invention or can be prepared according to the invention.
Demgemäß weisen die Kapseln beispielsweise bevorzugt eine WVTR (gemessen bei 23°C und einer relativen Luftfeuchtigkeitsdifferenz von 80%) von 0,005 bis 50 g/m2d, insbesondere 0,1 bis 10 g/m2d oder 1 bis 10 g/m2d, auf. Accordingly, for example, the capsules preferably have a WVTR (measured at 23 ° C. and a relative humidity difference of 80%) of 0.005 to 50 g / m 2 d, in particular 0.1 to 10 g / m 2 d or 1 to 10 g / m 2 d, up.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten Kapseln hegestellt werden, die eine hohe Beladungskapazität von bevorzugt 50 bis 90% aufweisen, wobei die Beladungskapazität in % als (Gewicht des Kernmaterials/Gesamtgewicht der Mikrokapseln)*100 [%] definiert ist. Die vorliegende Erfindung umfasst somit Kapseln mit einer Beladungskapazität von 50 bis 90% oder sogar mehr als 90%, weiter bevorzugt 60 bis 80 %. Die Beladungskapazität kann beispielsweise als Mittelwert aus 100 oder 1000 Partikeln bestimmt werden, indem die Schalen der Partikel mechanisch zerstört und das Gewicht der flüssigen Kernmaterialien und der festen Hüllmaterialien bestimmt wird. With the method according to the invention it was possible to prepare capsules which have a high loading capacity of preferably 50 to 90%, the loading capacity being defined in% as (weight of the core material / total weight of the microcapsules) * 100 [%]. The present invention thus encompasses capsules having a loading capacity of 50 to 90% or even more than 90%, more preferably 60 to 80%. The loading capacity can be determined, for example, as an average of 100 or 1000 particles by mechanically destroying the shells of the particles and determining the weight of the liquid core materials and the solid shell materials.
Die erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Kapseln weisen aufgrund der Materialwahl und auch des hohen Vernetzungsgrads eine sprödbrechende Schale auf, sodass das Wasser enthaltende Kernmaterial durch mechanische Einwirkung, Due to the choice of material and also the high degree of crosslinking, the capsules according to the invention or inventively produced have a brittle breaking shell, so that the water-containing core material can be removed by mechanical action,
beispielsweise eine Druckbeanspruchung (bspw. Stoßbelastung) und/oder For example, a compressive stress (eg impact load) and / or
Scherbeanspruchung, freisetzbar ist. Shear stress, releasable.
Die erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Kapseln können auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, z.B. in der Kosmetik, Automobilindustrie, Textil, Chemie, Bau- und Heimwerkerbereich, im Bereich der Verbraucherprodukte The capsules according to the invention or produced according to the invention can be used in various fields, e.g. in the cosmetics, automotive, textile, chemicals, DIY and home improvement, consumer products sectors
(Haushalt, Reinigung), Landwirtschaft und Umwelt. (Household, cleaning), agriculture and environment.
Die erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Kapseln eignen sich beispielsweise als Speicher für Salze, Salzhydrate, Kohlenhydrate, Proteine, Vitamine, Aminosäuren, Nukleinsäuren, Lipide, Medikamente, Verdickungsmittel, Emulgatoren, Tenside, Farbstoffe, Zellmaterial, Spermien, Aromastoffe und/oder Duftstoffe. Das The capsules according to the invention or prepared according to the invention are suitable, for example, as storage for salts, salt hydrates, carbohydrates, proteins, vitamins, amino acids, nucleic acids, lipids, medicaments, thickeners, emulsifiers, surfactants, dyes, cell material, sperm, flavorings and / or fragrances. The
Kernmaterial kann bspw. in Form von wässrigen Lösungen, ÖI-in-Wasser-Emulsionen, Wasser-in-ÖI-Emulsionen oder wässrige Suspensionen vorliegen. Die erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Kapseln eignen sich ebenfalls als integrierter oder separater Bestandteil von latenten Wärmespeichern, Core material may be present, for example, in the form of aqueous solutions, oil-in-water emulsions, water-in-oil emulsions or aqueous suspensions. The capsules according to the invention or produced according to the invention are likewise suitable as integrated or separate components of latent heat accumulators,
Trockenmischungen für den Baubereich, feuchtigkeitsaktivierbaren Dry mixes for the construction sector, moisture-activatable
Klebstoffzusammensetzungen, insbesondere Einkomponentenklebern. Die Verwendungsmöglichkeiten von Kapseln im genannten Größenbereich mit Wasserdampf-Barriereeigenschaften, die es ermöglichen, den wässrigen Inhalt über Monate oder Jahre zurückzuhalten, sind vielfältig. Ein Anwendungsbeispiel wäre die Verkapselung und Langzeitversiegelung von Phasenwechselmaterialien auf Basis von Salzhydraten, bei dem eine Barriere über einen Zeitraum von 10 Jahren gefordert ist. Gekapselte Adhesive compositions, in particular one-component adhesives. The uses of capsules of said size range with water vapor barrier properties, which make it possible to retain the aqueous content for months or years, are manifold. An application example would be the encapsulation and long term sealing of salt hydrated phase change materials, which require a barrier over a 10 year period. encapsulated
Wasserlösungen ermöglichen auch Trockenmischungen z. B. für den Baubereich, wobei die Freisetzung des Wassers oder wasserlöslicher Agentien beim Anmischen durch Zerstörung der Kapseln erfolgen kann. Wassergefüllte Kapseln könnten zur punktgenauen Aushärtung von Klebstoffen (Cyanacrylat, Silicon, 1 K-Polyurethan) eingesetzt werden durch deren getriggerte Freisetzung„per Knopfdruck". Water solutions also allow dry blends z. B. for the construction sector, wherein the release of water or water-soluble agents can be done during mixing by destroying the capsules. Water-filled capsules could be used for the precise curing of adhesives (cyanoacrylate, silicone, 1 K polyurethane) by their triggered release "at the touch of a button".
Die erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Kapseln können Anwendung finden in Trockenmischungen für den bauchemischen Bereich, z. B. für Mörtel/Betone mit integrierten Flüssigkomponenten, die beim Anmischen freigesetzt werden. The capsules according to the invention or inventively prepared can be used in dry blends for the construction chemical sector, z. For example, for mortar / concrete with integrated liquid components that are released during mixing.
Erfindungsgemäß ist auch die Verkapselung sensibler Produkte (Zellmaterial, Spermien) möglich und auch bevorzugt, da der Inhalt bei Herstellung der Kapseln bevorzugt sterilisiert wird. According to the invention, the encapsulation of sensitive products (cell material, sperm) is possible and also preferred, since the content is preferably sterilized in the production of the capsules.
Für Anwendungen, bei denen der Kapselinhalt im Verlauf der Produktlebensdauer möglichst nicht freigesetzt werden soll, wie beispielsweise für die Funktion als Speicher von Salzhydraten in latenten Wärmespeichern, eignen sich naturgemäß dickere For applications in which the capsule contents should not be released as far as possible during the product life, for example, for the function of storing salt hydrates in latent heat accumulators, naturally thicker ones are suitable
Wandstärken, die eine hohe Druckfestigkeit von beispielsweise 100 N oder mehr, z. B. 150 bis 200 N mehr der Kapseln liefern können. Wandstärken in einem Verhältnis von einfache Wandstärke zu Kapseldurchmesser von etwa 1 :10 bis 1 :50 können hier günstig sein. Wall thicknesses that have a high compressive strength of, for example, 100 N or more, z. B. can deliver 150 to 200 N more of the capsules. Wall thicknesses in a ratio of simple wall thickness to capsule diameter of about 1:10 to 1:50 can be favorable here.
In anderen Fällen, in denen auf Druck eine Freisetzung des wässrigen Inhalts erfolgen soll, kann die Wandstärke beispielsweise in einem Verhältnis von einfache Wandstärke zu Kapseldurchmesser von bspw. 1 :50 bis 1 :120 liegen. In other cases in which a release of the aqueous content is to take place under pressure, the wall thickness can be, for example, in a ratio of simple wall thickness to capsule diameter of, for example, 1:50 to 1: 120.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für wasser(dampf)- undurchlässige Kapseln ausführlicher beschrieben. The production process for water (vapor) impermeable capsules according to the invention is described in more detail below.
Der technische Ablauf der Vernetzungsreaktion (Härtungsreaktion) ist in Figur 1 The technical procedure of the crosslinking reaction (hardening reaction) is shown in FIG. 1
beispielhaft dargestellt. Die Erzeugung der Kapseln erfolgt mittels einer Ringdüse mit vorzugsweise konzentrischer Innendüse, wie bereits voranstehend erwähnt. Das zu kapselnde, Wasser und Additiv enthaltende Kernmaterial sowie die Zusammensetzung, welche das Vorläufermaterial für das Verkapselungsmaterial und den Radikalstarter enthält, werden separat mit Hilfe einer geeigneten Fördereinrichtung (z. B. mittels exemplified. The production of the capsules by means of an annular nozzle with preferably concentric inner nozzle, as already mentioned above. That too Containing encapsulating, water and additive containing core material and the composition containing the precursor material for the encapsulation material and the radical initiator are separately by means of a suitable conveyor (eg. By
Pumpen oder durch Druckbeaufschlagung) aus den Vorlagebehältern in die Pumps or by pressurization) from the storage containers in the
Düsenkonstruktion geführt. Der Durchmesser der Außendüse ist nicht spezifisch beschränkt; er liegt typischerweise im Bereich von ca. 5 mm bis 0,1 mm, kann aber zur Erzielung noch kleinerer Kapseln noch eine Größenordnung kleiner sein. Der Nozzle design led. The diameter of the outer nozzle is not specifically limited; it is typically in the range of about 5 mm to 0.1 mm, but can still be an order of magnitude smaller to achieve even smaller capsules. Of the
Durchmesser der Innendüse ist harmonisch auf den Außendurchmesser abgestimmt, liegt demnach also beispielsweise bei 2:3. Die Feineinstellung der Wandstärken der Kapseln wird jedoch vor allem auch durch andere Parameter als diejenigen der Düsengeometrie bestimmt, z. B. durch die gewählten Förderdrücke, die in günstiger Weise im Bereich von 0,1 bis 5 bar Überdruck im Vergleich zum Umgebungsdruck liegen können. Es ist bevorzugt, dass die Vorlagebehälter und Düse separat temperierbar sind. Dadurch können ggf. relativ höherviskose Harze als Hüllmaterial in den gewünschten Diameter of the inner nozzle is harmoniously matched to the outer diameter, so therefore, for example, at 2: 3. However, the fine adjustment of the wall thicknesses of the capsules is mainly determined by other parameters than those of the nozzle geometry, z. B. by the selected delivery pressures, which may be in a favorable manner in the range of 0.1 to 5 bar overpressure compared to the ambient pressure. It is preferred that the storage container and nozzle are separately tempered. As a result, relatively higher-viscosity resins may optionally be used as the shell material in the desired
Viskositätsbereich überführt werden, ohne dass es (aufgrund der kurzzeitigen Viscosity range are transferred without it (due to the short-term
Temperaturbelastung) zur Schädigung oder zu unerwünschten Nebeneffekten kommt. Bei geeigneter Abstimmung der Prozessparameter (z. B. einer Temperatur im Bereich von etwa 5 bis 50°C und/oder einer Förderrate von ca. 10"4 cm3/min bis ca. 10 cm3/min für das Harz und/oder den Inhaltsstoff - je nach gewünschter Größe/Dicke der Kapseln und gewünschter Relation von verkapseltem Material zur Wandstärke) können Kugeln, bestehend aus dem Hüllmaterial mit dem Inhaltstoff im Innenbereich, erzeugt werden. Der Durchmesser der Kugeln liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 10 mm, weiter bevorzugt 1 bis 5 mm. Die Einstellung eines Verhältnisses Wandstärke zu Kapseldurchmesser von 1 :100 ist erfindungsgemäß grundsätzlich möglich. So können stabile Kapseln von z. B. 4 mm Durchmesser mit Wandstärken von 40 μηη hergestellt werden. Temperature load) to damage or unwanted side effects. With appropriate adjustment of the process parameters (eg a temperature in the range of about 5 to 50 ° C and / or a delivery rate of about 10 "4 cm 3 / min to about 10 cm 3 / min for the resin and / or the ingredient - depending on the desired size / thickness of the capsules and desired relation of encapsulated material to wall thickness) balls, consisting of the shell material with the ingredient in the interior, can be generated The setting of a ratio of wall thickness to capsule diameter of 1: 100 is basically possible according to the invention, so that stable capsules of, for example, 4 mm diameter with wall thicknesses of 40 μm can be produced.
Die Kapseln aus dem mit der Vorläufermaterialzusammensetzung umhüllten Kernmaterial werden erfindungsgemäß nicht in eine Flüssigkeit extrudiert, sondern bewegen sich nach dem Verlassen der Düse in der Regel im freien Fall auf eine Härtungszone zu, werden also unter dem Eindruck der Erdanziehungskraft beschleunigt. Je größer der Abstand zwischen Düse und Härtungszone ist, desto schneller durchfallen sie die Härtungszone und umso kürzer ist also die Verweilzeit. Der Abstand sollte so gewählt werden, dass einzelne Kapseln gebildet werden: Diese verlassen meist erst in Tropfenform die Düse und benötigen eine gewisse Zeit, die gewünschte (idealerweise sphärische) Geometrie auszubilden. Dem muss die Geometrie der Vorrichtung Rechnung tragen, weil sonst Kapseln mit ungleicher Schalendicke entstehen, die im ungünstigsten Fall Defekte aufweisen. Als günstiger Kompromiss hat sich ein Abstand im Bereich von 10 bis 50 cm erwiesen. Innerhalb dieser Fallstrecke können optional ein oder mehrere Blenden (insbesondere Irisblenden) angebracht sein, um die Düse vor Streulicht aus der The capsules of the core material coated with the precursor material composition are not extruded into a liquid according to the invention, but after leaving the nozzle usually move in free fall to a hardening zone, so are accelerated under the impact of gravity. The larger the distance between the nozzle and the curing zone, the faster they fall through the curing zone and the shorter the residence time. The distance should be chosen so that individual capsules are formed: These usually leave only in drop form the nozzle and require a certain amount of time to form the desired (ideally spherical) geometry. This must take into account the geometry of the device, because otherwise capsules arise with unequal shell thickness, which have defects in the worst case. As a favorable compromise, a distance has been found in the range of 10 to 50 cm. Within this case distance can optionally one or more apertures (especially iris diaphragms) be attached to the nozzle from stray light from the
Härtungszone zu schützen. Curing zone to protect.
Die Kontaktzeit der Inhaltstoffe mit dem Vorläufermaterial vor der Härtung beträgt in der Regel insgesamt nur eine kurze Zeitspanne (z. B. Sekundenbruchteile, insbesondere 0,1 bis 0,5 sec), so dass die Gefahr einer Kontamination der Inhaltstoffe durch Herauslösen von Schalenbestandteilen minimiert ist. The contact time of the ingredients with the precursor material prior to curing is generally only a short overall time (eg fractions of a second, in particular 0.1 to 0.5 sec), so that the risk of contamination of the ingredients by dissolving out of shell components minimized is.
Bei der Härtungszone handelt es sich erfindungsgemäß um einen Bereich hoher Strahlungsintensität, die durch kommerziell erhältliche Strahler wie UV-Strahler derAccording to the invention, the curing zone is a region of high radiation intensity, which is produced by commercially available emitters such as UV emitters
Firmen Hoenle oder Fusion bereitgestellt werden kann. Die Länge der Zone ist prinzipiell nicht festgelegt; in günstiger Weise beträgt sie 15-60 cm. Die Tröpfchenbildung erfolgt üblicherweise schwingungsinduziert mit Hilfe einer Vibrationsvorrichtung. Ein Companies Hoenle or Fusion can be provided. The length of the zone is not fixed in principle; favorably it is 15-60 cm. The formation of droplets is usually induced by vibration with the aid of a vibrating device. One
elektrostatisches Hochspannungsfeld zwischen der Ringdüse und einer Gegenelektrode unter dem Auffangbehälter kann vorgesehen sein, um das Abreißen der Tropfen zu unterstützen. Electrostatic high voltage field between the annular nozzle and a counter electrode under the collecting container may be provided to assist the tearing of the drops.
Die Verweildauer der Kapseln in der Härtungszone beträgt abhängig von der Länge der Härtungszone und dem Abstand Düse-Härtungszone erfindungsgemäß zwischen etwa 0,05 bis 0,2 Sekunden, bevorzugt etwa 0,05 bis 0,1 Sekunden. Insbesondere ergibt sich bei einer Härtungszonenlänge, insbesondere einer Strahlerlänge von 15 cm und einem Abstand Düse-Strahler (der vorzugsweise ca. 10-30 cm beträgt) von ca. 20 cm eine Verweilzeit von ca. 0,06 Sekunden als typische Verweilzeit. Falls eine Inhibierung durch Luftsauerstoff beobachtet wird, kann das Strahlungsfeld optional mit Inertgas gespült werden. Bei besonders dicken Schalen können die Kapseln zur völligen Durchhärtung im Bedarfsfall durch Platzierung des Auffangbehälters im Streulichtbereich des Strahlers auch noch nachgehärtet werden. The residence time of the capsules in the curing zone is, depending on the length of the curing zone and the nozzle-curing zone distance, between about 0.05 to 0.2 seconds, preferably about 0.05 to 0.1 seconds. In particular, given a curing zone length, in particular a radiator length of 15 cm and a distance nozzle radiator (which is preferably about 10-30 cm) of about 20 cm results in a residence time of about 0.06 seconds as a typical residence time. If an inhibition by atmospheric oxygen is observed, the radiation field can optionally be purged with inert gas. In the case of particularly thick shells, the capsules can also be posthardened if necessary by placing the collecting container in the scattered light region of the emitter for full through hardening.
Die Härtung erfolgt wie erwähnt mit Hilfe aktinischer Strahlung. Dadurch wird thermische Belastung der Inhaltsstoffe weitgehend vermieden (kalte Härtung). The curing is carried out as mentioned with the aid of actinic radiation. As a result, thermal stress on the ingredients is largely avoided (cold curing).
Erfolgt die Kapselformierung ohne aktive Tropfenabscherung, erfolgt also die If the capsule formation without active Tropfenabscherung, so the
Kapselablösung von der Düse nur unter dem Eindruck der Gewichtskraft der Tropfen, so wird die Tropfengröße primär durch die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften des Inhaltsstoffes und des Kapselmaterials bestimmt und nur in untergeordnetem Maße durch die Düsengeometrie. Durch Zugabe der Oberflächen- und Grenzflächenspannung reduzierenden Substanzen (z. B. Tensiden) erhält man Kapseln typischerweise von 0,5 bis 5 mm Durchmesser. Optional kann die Abscherung und damit derAbriss der Tröpfchen zur Erzielung kleinerer Durchmesser oder zur Erreichung eines höheren Capsule detachment from the nozzle only under the impression of the weight of the drops, the drop size is determined primarily by the surface and interfacial properties of the ingredient and the capsule material, and only to a lesser extent by the nozzle geometry. By adding surface and interfacial tension reducing substances (eg, surfactants), capsules are typically obtained from 0.5 to 5 mm in diameter. Optionally, the shearing and thus the eruption of the Droplets to achieve smaller diameter or to achieve a higher
Durchsatzes durch spezielle Düsengestaltung, einen gerichteten Gasstrom, durch Throughput through special nozzle design, a directed gas flow through
Schwingungen (Vibrationen), elektrostatische Felder oder andere in Fachkreisen bekannte Mechanismen unterstützt werden. Im Falle des sogenannten laminaren Vibrations (vibrations), electrostatic fields or other mechanisms known in the art are supported. In the case of the so-called laminar
Strahlzerfalls, bei dem die Tropfenbildung schwingungsunterstützt erfolgt, ergibt sich die Kapselgeometrie unmittelbar aus den Düsenabmessungen. Jet decay, in which the droplet formation is vibration-assisted, the capsule geometry results directly from the nozzle dimensions.
Als Upscaling-Prinzip ist die Parallelisierung des Verfahrens mit Hilfe von Vielfach-Düsen ein geeignetes Mittel. As an upscaling principle, the parallelization of the method by means of multiple nozzles is a suitable means.
Abhängig davon, ob im Einzel- oder Parallelbetrieb gearbeitet wird, ist das Strahlungsfeld unterschiedlich auszuleuchten. Im Falle eines Einzel- oder Monomodalbetriebes ist es günstig, mit Hilfe eines Ellipsoid-Reflektors oder dgl. die Strahlungsintensität in einer Brennlinie zu bündeln, durch die die Kapseln fallen. Im Falle eines Multimodalbetriebes kann eine parabolische Reflektorgeometrie vorteilhaft sein, die für eine gleichförmige Ausleuchtung des Strahlungsfeldes sorgt. Depending on whether you are working in single or parallel operation, the radiation field should be illuminated differently. In the case of a single or mono-modal operation, it is favorable, with the help of an ellipsoidal reflector or the like. To focus the radiation intensity in a focal line through which fall the capsules. In the case of a multimode operation, a parabolic reflector geometry can be advantageous, which ensures a uniform illumination of the radiation field.
Beispiele Anwendungsbeispiel 1 : Examples Application Example 1
Herstellung von Kapseln mit 4mm Durchmesser auf Basis von Sartomer® SR 833 S (Arkema) (Tricyclodecandimethanoldiacrylat) Vorbereitung Kernmaterial: 0,5 g PEO (2 Mio) wurden in 100 ml zuvor (zur Entfernung des gelösten Sauerstoffs) abgekochtem und demineralisiertem Wasser bei 30°C unter Rühren gelöst. Preparation of 4mm diameter capsules based on Sartomer® SR 833 S (Arkema) (tricyclodecanedimethanol diacrylate) Preparation Nuclear Material: 0.5 g of PEO (2 million) was dissolved in 100 ml of boiled and demineralized water (to remove dissolved oxygen) at 30 ° C ° C dissolved with stirring.
Vorbereitung Schale: 0,25 g Lucirin® TPO wurden in 25 g SR 833 S eingerührt und bei 50°C unter Lichtabschirmung und Argon-Atmosphäre gelöst.  Shell preparation: 0.25 g Lucirin® TPO was stirred into 25 g SR 833 S and dissolved at 50 ° C under light shielding and argon atmosphere.
Beide Materialien wurden in die entsprechenden Vorlagengefäße für Kern- und Schale gefüllt. Beide Behälter wurden auf 25°C temperiert. Both materials were filled into the corresponding core and shell master vessels. Both containers were heated to 25 ° C.
Die Fallstrecke wurde mit Argon als Inertgas geflutet. Der UV-Strahler wurde auf 60% der Maximalleistung entsprechend 84 W/cm Strahlungsintensität eingestellt. Die Frequenz des Schwingungsgenerators wurde auf 60 Hz eingestellt. Förderdrucke wurden auf 100 mbar (Kern) und 400 mbar (Schale) gestellt und die Extrusion durch eine konzentrischen The drop section was flooded with argon as an inert gas. The UV lamp was set at 60% of the maximum power corresponding to 84 W / cm of radiation intensity. The frequency of the vibration generator was set to 60 Hz. Delivery pressures were set to 100 mbar (core) and 400 mbar (shell) and the extrusion through a concentric
Düsenkonfiguration bestehend aus Ringdüse (mit 3,1 mm Durchmesser) mit konzentrischer Hohlnadel (2,2 mm-Bohrung) wurde begonnen. Die Kontrolle der Tropfenbildung erfolgte durch ein Stroboskop. Härtung der sich bildenden Kapseln im freien Fall und Auffangen der Kapseln in Behälter (Becherglas). Es resultierten Kapseln von einheitlicher Größe (4 mm Außendurchmesser) und einer mittleren Schalendicke von rd. 145 μηη. Die Kapseln verweilten für ca. 5 Minuten im Streulicht des Strahlers und erfuhren hierdurch noch eine Nachhärtung. Nozzle configuration consisting of annular nozzle (with 3.1 mm diameter) with concentric hollow needle (2.2 mm bore) has been started. The control of the drop formation took place through a stroboscope. Curing the forming capsules in free fall and collecting the capsules in containers (beaker). This resulted in capsules of uniform size (4 mm outer diameter) and an average shell thickness of approx. 145 μηη. The capsules lingered for about 5 minutes in the scattered light of the spotlight and thus experienced a post-curing.
Die Bestimmung der Permeation (Wasser(dampf)durchlässigkeit) erfolgte gravimetrisch anhand des Gewichtsverlusts einer Kapselprobe bestehend aus 20 Kapseln über die Zeit bei Lagerung bei 23°C und 20 % rel. Feuchte. Durch die Verfolgung des Gewichtsverlustes über einen Zeitraum von 2 Wochen wurde eine Wasserdampf-Permeation von 2,7 g/m2d für eine Schalendicke von 150 μηη erhalten. The determination of the permeation (water (vapor) permeability) was carried out gravimetrically on the basis of the weight loss of a capsule sample consisting of 20 capsules over time when stored at 23 ° C and 20% rel. Humidity. By following the weight loss over a period of 2 weeks, a water vapor permeation of 2.7 g / m 2 d was obtained for a shell thickness of 150 μηη.
Aus DSC-Messungen wurde eine Konversionsrate von 93% bestimmt. Anwendungsbeispiel 2:  From DSC measurements, a conversion rate of 93% was determined. Application Example 2:
Herstellung von Kapseln mit 4mm Durchmesser auf Basis von Sartomer® SR 833 S mit reduzierter Wandstärke Production of 4mm diameter capsules based on Sartomer® SR 833 S with reduced wall thickness
Vorbereitung Kernmaterial: 0,6 g TWEEN 80 wurden in 100 ml zuvor abgekochtem demineralisiertem Wasser gelöst. Preparation of core material: 0.6 g of TWEEN 80 were dissolved in 100 ml of previously boiled demineralized water.
Vorbereitung Schale: 0,4 g Irgacure® 184 wurden in 20 g SR 833 S eingerührt und bei 50°C unter Lichtabschirmung und Argon-Atmosphäre gelöst. Die beiden Materialien wurden in die Vorlagengefäße für Kern- und Schale gefüllt. Beide Behälter wurden auf 25°C temperiert. Die Fallstrecke wurde mit Argon als Inertgas geflutet. Der UV-Strahler wurde auf 70% der Maximalleistung entsprechend 98 W/cm Strahlungsintensität eingestellt. Die Frequenz des Schwingungsgenerators wurde auf 60 Hz eingestellt. Die Förderdrucke wurden auf 50 mbar (Kern) und 400 mbar (Schale) gestellt und die Extrusion durch eine konzentrische  Preparation of shell: 0.4 g Irgacure® 184 were stirred into 20 g SR 833 S and dissolved at 50 ° C under light shielding and argon atmosphere. The two materials were filled into the template vessels for core and shell. Both containers were heated to 25 ° C. The drop section was flooded with argon as an inert gas. The UV lamp was set to 70% of the maximum power corresponding to 98 W / cm of radiation intensity. The frequency of the vibration generator was set to 60 Hz. The feed pressures were set to 50 mbar (core) and 400 mbar (shell) and the extrusion through a concentric
Düsenkonfiguration bestehend aus Ringdüse (mit 3,1 mm Durchmesser) mit konzentrischer Hohlnadel (2,2 mm-Bohrung) wurde begonnen. Die Kontrolle der Tropfenbildung erfolgte durch ein Stroboskop. Die Härtung der sich bildenden Kapseln erfolgte im freien Fall und die Kapseln wurden in einem Behälter (Becherglas) aufgefangen. Es resultierten Kapseln von einheitlicher Größe (4 mm Außendurchmesser) und einer mittleren Schalendicke von rd. 120 μηη. Nachhärtung im Streulicht. Nozzle configuration consisting of annular nozzle (with 3.1 mm diameter) with concentric hollow needle (2.2 mm bore) has been started. Droplet control was by a stroboscope. The hardening of the forming capsules took place in free fall and the capsules were collected in a container (beaker). This resulted in capsules of uniform size (4 mm outer diameter) and an average shell thickness of approx. 120 μηη. After hardening in scattered light.
Anwendungsbeispiel 3: Herstellung von Kapseln mit reduziertem Durchmesser (2,4 mm) auf Basis des Schalenmaterials bestehend aus der Kombination UDMA:TMPTA (Trimethylolpropantriacriat) = 3:1 mit zu Beispiel 2 vergleichbarer Schalendicke. Vorbereitung Kernmaterial: 0,5 g PEO (2 Mio) wurde in 100 ml Wasser gelöst. Application Example 3 Production of capsules with reduced diameter (2.4 mm) based on the shell material consisting of the combination UDMA: TMPTA (trimethylolpropane triacriate) = 3: 1 with comparable shell thickness to Example 2. Preparation of core material: 0.5 g of PEO (2 ml) was dissolved in 100 ml of water.
Vorbereitung Schale: 0,4 g Lucirin® TPO wurde in 33 g der Acrylatkombination Shell preparation: 0.4 g of Lucirin® TPO was mixed in 33 g of the acrylate combination
UDMA:TMPTA = 3:1 eingerührt und bei 50°C unter Lichtabschirmung gelöst. Die beiden Materialien wurden in die Vorlagengefäße für Kern- und Schale gefüllt. Der Vorlagenbehälter für das Schalenmaterial sowie die Düse wurden auf 50°C und der Behälter für Kernmaterial auf 25°C eingestellt. UDMA: TMPTA = 3: 1 stirred and dissolved at 50 ° C under light shielding. The two materials were filled into the template vessels for core and shell. The tray for the tray material and the nozzle were set at 50 ° C and the core material container at 25 ° C.
Die Fallstrecke wurde mit Argon als Inertgas geflutet. Der UV-Strahler wurde auf 60% der Maximalleistung entsprechend 84 W/cm Strahlungsintensität eingestellt. Die Frequenz des Schwingungsgenerators wurde auf 90 Hz eingestellt. Die Förderdrucke wurden auf 200 mbar (Kern) und 4300 mbar (Schale) gestellt und die Extrusion durch eine konzentrischen The drop section was flooded with argon as an inert gas. The UV lamp was set at 60% of the maximum power corresponding to 84 W / cm of radiation intensity. The frequency of the vibration generator was set to 90 Hz. The feed pressures were set to 200 mbar (core) and 4300 mbar (shell) and the extrusion through a concentric
Düsenkonfiguration bestehend aus Ringdüse (mit 1 ,75 mm Durchmesser) mit konzentrischer Hohlnadel (1 ,1 mm-Bohrung) wurde begonnen. Die Kontrolle der Tropfenbildung erfolgte durch ein Stroboskop. Härtung der sich bildenden Kapseln im freien Fall und Auffangen der Kapseln in Behälter (Becherglas). Es resultierten Kapseln von einheitlicher Größe (2,4 mm Außendurchmesser) und einer mittleren Schalendicke von rd. 1 10 μηη.  Nozzle configuration consisting of annular nozzle (1.75 mm diameter) with concentric hollow needle (1, 1 mm bore) has been started. Droplet control was by a stroboscope. Curing the forming capsules in free fall and collecting the capsules in containers (beaker). This resulted in capsules of uniform size (2.4 mm outer diameter) and an average shell thickness of approx. 1 10 μηη.
* * * * * *

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zur Herstellung von Kapseln mit einem Wasser enthaltenden Kernmaterial und einer wasserdampfundurchlässigen polymerisierten Hülle, mit den Schritten: 1 . A process for the preparation of capsules comprising a water-containing core material and a water vapor-impermeable polymerized shell, comprising the steps of:
- Co-extrudieren des Kernmaterials und einer Zusammensetzung, welche ein UV- polymerisierbares Vorläufermaterial der Hülle und einen Radikalstarter enthält, derart, dass das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial Tröpfchen des Wasser enthaltenden Kernmaterials umgibt, um ein co-extrudiertes Material zu erhalten, und  Coextruding the core material and a composition containing a UV-polymerizable shell precursor and a radical initiator such that the UV-polymerizable precursor material surrounds droplets of the water-containing core material to obtain a coextruded material, and
- anschließend Führen des co-extrudierten Materials durch eine Härtungszone, bei der es sich um einen mit Luft, einem anderen Gas, oder insbesondere Inertgas, gefüllten Bereich handelt, worin eine Polymerisation und Vernetzung des Vorläufermaterials der Hülle durch aktinische Strahlung bewirkt wird und die Verweildauer des co- extrudierten Materials in dieser Härtungszone 0,02 bis 0,2 Sekunden beträgt, wobei das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial mindestens eine Verbindung mit zwei jeweils endständigen Diacrylatgruppen und/oder Dimethacrylatgruppen ist, die durch eine kurze, starre Gruppe verbunden sind, und  passing the coextruded material through a curing zone which is an area filled with air, another gas, or in particular inert gas, wherein polymerization and crosslinking of the precursor material of the shell is effected by actinic radiation and the residence time of the coextruded material in this curing zone is 0.02 to 0.2 seconds, the UV polymerizable precursor material being at least one compound having two respective terminal diacrylate groups and / or dimethacrylate groups joined by a short, rigid group, and
wobei das Kernmaterial ein Mittel zur Erzielung einer Grenzflächenkompatibilität zwischen dem Kernmaterial und der Hülle enthält.  wherein the core material contains a means for achieving interfacial compatibility between the core material and the shell.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die kurze, starre Gruppe aus mindestens einer 2. The method of claim 1, wherein the short, rigid group of at least one
Verbindung stammt oder abgeleitet ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus:  Derived or derived compound selected from the group consisting of:
a. aliphatischen bicyclischen oder tricyclischen Ringdiolsystemen, welche durch  a. aliphatic bicyclic or tricyclic ring diol systems obtained by
Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert sein können,  Alkyl groups with 1 to 3 carbon atoms may be substituted,
b. Bisphenol A oder Derivaten davon, bei denen einer oder beide Phenylreste durch Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert sind, und  b. Bisphenol A or derivatives thereof in which one or both of the phenyl radicals are substituted by alkyl groups of 1 to 3 carbon atoms, and
c. Diurethanen, welche aus einem verzweigten Cs bis Cio-Alkyldiisocyanat oder Cs bis Cio-Cycloalkyldiisocyanat und Monoethylenglycol gebildet sind.  c. Diurethanes which are formed from a branched Cs to Cio-alkyl diisocyanate or Cs to Cio-Cycloalkyldiisocyanat and monoethylene glycol.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial ausgewählt ist aus Bisphenol-A-Diacrylat, Bisphenol-A-Dimethacrylat, Tricyclodecandimethanoldiacrylat, Tricyclodecandimethanoldimethacrylat und 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the UV-polymerizable precursor material is selected from bisphenol A diacrylate, bisphenol A dimethacrylate, Tricyclodecandimethanoldiacrylat, Tricyclodecandimethanoldimethacrylat and
Urethandimethacrylat (UDMA) der folgenden Formel, wobei es sich in der Regel um ein Isomerengemisch handelt:
Figure imgf000026_0001
Urethane dimethacrylate (UDMA) of the following formula, which is usually a mixture of isomers:
Figure imgf000026_0001
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Viskosität des zu extrudierenden UV-polymerisierbaren Vorläufermaterials 0,001 bis 50 Pa-s, bevorzugt 0,1 bis 10 Pa-s, beträgt. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the viscosity of the UV-polymerizable precursor material to be extruded from 0.001 to 50 Pa-s, preferably 0.1 to 10 Pa-s.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das UV-polymerisierbare Vorläufermaterial kein Lösungsmittel und keine bei Raumtemperatur und 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the UV-polymerizable precursor material no solvent and no at room temperature and
Atmosphärendruck leicht flüchtigen Substanzen enthält.  Atmospheric pressure contains volatile substances.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verweildauer des co- extrudierten Materials in der Härtungszone 0,05 bis 0,1 Sekunden beträgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the residence time of the coextruded material in the curing zone 0.05 to 0.1 seconds.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intensität der 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the intensity of the
aktinischen Strahlung so gewählt wird, dass der Restmonomeranteil der eingesetzten Monomere nach der Härtung 15 Gew.-% oder kleiner ist, bevorzugt 2 bis 10 Gew.-%, noch bevorzugter 1 bis 5 Gew.-%.  actinic radiation is chosen so that the residual monomer content of the monomers used after curing 15 wt .-% or less, preferably 2 to 10 wt .-%, more preferably 1 to 5 wt .-%.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei optional eine durch 8. The method according to any one of the preceding claims, optionally with a through
aktinische Strahlung induzierte Nachhärtung durchgeführt wird.  actinic radiation induced postcuring is performed.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das grenzflächenaktive Mittel aus nichtionischen Tensiden und Polyalkylenoxiden, insbesondere A process according to any one of the preceding claims, wherein the surfactant comprises nonionic surfactants and polyalkylene oxides, in particular
Polyethylenoxiden mit einer Molmasse von 100.000 bis 3.000.000 Dalton, und  Polyethylene oxides having a molecular weight of 100,000 to 3,000,000 daltons, and
Kombinationen davon ausgewählt ist.  Combinations thereof is selected.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapseln eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm aufweisen, bevorzugt 1 bis 5 mm. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the capsules have an average particle size of 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapseln eine mittlere Wanddicke von 10 μηη bis 2 mm, bevorzugt 50 μηη bis 200 μηη aufweisen. 1 1. Method according to one of the preceding claims, wherein the capsules have an average wall thickness of 10 μηη to 2 mm, preferably 50 μηη to 200 μηη.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Kernmaterial Wasser, eine wässrige Salzlösung, Salzhydratlösung oder -dispersion oder eine wässrige Lösung oder Dispersion von biologischem Material wie Zellen oder Spermien verwendet wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein as the core material, water, an aqueous salt solution, salt hydrate solution or dispersion or an aqueous solution or dispersion of biological material such as cells or sperm is used.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen zusätzlichen Schritt der Beschichtung der Kapseln beinhaltet, wobei die Beschichtung mittels 13. The method according to any one of the preceding claims, which includes an additional step of coating the capsules, wherein the coating means
Vakuumverfahren wie Sputtern, Bedampfen oder Plasmaverfahren, oder mittels chemischer oder galvanischer Beschichtung erfolgt, um beschichtete Kapseln zu erhalten.  Vacuum processes such as sputtering, vapor deposition or plasma processes, or by means of chemical or electroplating to obtain coated capsules.
14. Kapseln oder beschichtete Kapseln, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. 14. Capsules or coated capsules obtainable by the method according to one of the preceding claims.
15. Kapseln mit einer wasserdampfundurchlässigen Hülle aus einem polymeren Material, das aus einem UV-polymerisierbaren Vorläufermaterial erhalten wurde, wobei das UV- polymerisierbare Vorläufermaterial mindestens eine Verbindung mit zwei jeweils endständigen Diacrylat- und/oder Dimethacrylatgruppen ist, die durch eine kurze, starre, unpolare, nicht-vernetzende Gruppe verbunden sind, und einem Wasser enthaltenden Kernmaterial, wobei die Kapseln eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm aufweisen, bevorzugt 1 bis 5 mm, und eine mittlere Wanddicke von 10 μηη bis 2 mm, bevorzugt 50 μηη bis 200 μηι. 15. Capsules with a water-impermeable envelope of a polymeric material obtained from a UV-polymerisable precursor material, wherein the UV-polymerizable precursor material is at least one compound having two respective terminal diacrylate and / or dimethacrylate groups which are replaced by a short, rigid, nonpolar, non-crosslinking group, and a core material containing water, wherein the capsules have an average particle size of 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm, and an average wall thickness of 10 μηη to 2 mm, preferably 50 μηη up to 200 μηι.
16. Kapseln nach Anspruch 14 oder 15, welche eine WVTR (gemessen bei 23°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80%) von 0,005 bis 50 g/m2d, insbesondere 0,1 bis 10 g/m2d aufweisen. 16. Capsules according to claim 14 or 15, which have a WVTR (measured at 23 ° C and a relative humidity of 80%) of 0.005 to 50 g / m 2 d, in particular 0.1 to 10 g / m 2 d.
17. Kapseln nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Wasser enthaltende 17. Capsules according to any one of claims 14 to 16, wherein the water-containing
Kernmaterial durch mechanische Beanspruchung freisetzbar ist.  Core material is releasable by mechanical stress.
18. Kapseln nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Kapseln eine 18. Capsules according to any one of claims 14 to 17, wherein the capsules a
Beladungskapazität, definiert als Gewicht des Kernmaterials zum Gesamtgewicht der Kapseln, von 50 bis 90 % aufweisen. Loading capacity, defined as the weight of the core material to the total weight of the capsules, from 50 to 90%.
19. Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 14 bis 18 als Speicher für Salze, Salzhydrate, Kohlenhydrate, Proteine, Vitamine, Aminosäuren, Nukleinsäuren, Lipide, Medikamente, Verdickungsmittel, Emulgatoren, Tenside, wässrige Suspensionen, wässrige Emulsionen, Farbstoffe, Zellmaterial, Spermien, Aromastoffe, Duftstoffe. 19. Use of capsules according to one of claims 14 to 18 as storage for salts, salt hydrates, carbohydrates, proteins, vitamins, amino acids, nucleic acids, lipids, medicaments, thickeners, emulsifiers, surfactants, aqueous suspensions, aqueous emulsions, dyes, cell material, sperm , Flavorings, Fragrances.
20. Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 14 bis 18 als integrierter oder separater Bestandteil von latenten Wärmespeichern, Trockenmischungen für den Baubereich, feuchtigkeitsaktivierbaren Klebstoffzusammensetzungen, insbesondere Einkomponentenklebern. 20. Use of capsules according to one of claims 14 to 18 as an integrated or separate component of latent heat accumulators, dry mixes for the construction sector, moisture-activatable adhesive compositions, in particular one-component adhesives.
PCT/EP2018/061542 2017-05-05 2018-05-04 Barrier encapsulation of water-based systems on the basis of uv-curable shell systems WO2018202868A1 (en)

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