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Was haben Mikrokapseln und ein Überraschungsei gemeinsam? – den Öffnungsmechanismus

Mikroverkapselung und der Einfluss von Chemie und Prozessführung auf Kapseleigenschaften

Die Mikrokapselhülle bildet sich an der Phasengrenzfläche zum Kernmaterial

Die Mikrokapsel wird durch Druck oder Scherung geöffnet

Die Kapselwand ist in gewissen Grenzen flexibel

Nach dem Bruch der Schale wird das Kernmaterial abgegeben

Die dünne Schale des Überraschungseis umschließt einen attraktiven Inhalt, der auf Wunsch durch Zerbrechen der Schokolade preisgegeben wird. Dieses Prinzip funktioniert auch in der Mikroverkapselung. Mit einer Hülle im Mikrometer-Bereich umschließt die Kapsel Ihre Inhaltsstoffe (Flüssigkeiten, Gase oder Feststoffe), um sie zu schützen oder gezielt freizusetzen. Das Anwendungsgebiet von Mikrokapseln als Einschlussimmobilisierung ist breit und reicht von Chemieprodukten über Papier, Verpackung und Print bis zu Personal Care und Haushaltsprodukten.

Welche Kapseleigenschaften lassen sich durch die Mikroverkapselung erzielen?

Am Anfang ist es wichtig, die gewünschten Eigenschaften der Kapsel genau zu definieren. Was soll verkapselt werden, wie groß darf oder muss die Kapsel sein, und wofür wird die Kapsel eingesetzt? Wann soll der Kapselinhalt wieder freigesetzt werden?

Unsere Verkapselungstechnologie umhüllt hydrophobe Kernmaterialien wie Öle, organische Lösungsmittel oder in Wasser unlösliche Feststoffe. Die Größe der Kapsel wird nicht nur durch die benötigte Menge an freizusetzendem Aktivstoff bestimmt, sondern auch durch Ihre Anwendung. Für Kern/Schale-Mikrokapseln liegt der Durchmesser meist im Bereich von 1 µm bis 100 µm. Beim Einarbeiten in Lacke kann die aufzubringende Schichtdicke ein begrenzender Faktor sein. Die mechanische Belastung beim Verarbeiten in Extrudern oder Applizieren über Sprühdüsen erfordert kleinere Kapseln mit einer größeren Scherstabilität. Auch das Kernmaterial selbst hat durch seine Viskosität und seine chemischen Eigenschaften einen Einfluss auf die Emulgierfähigkeit und damit auf den Durchmesser der Emulsionströpfchen. Feststoffe können entweder als einzelne Partikel umhüllt oder fein verteilt in einem hydrophoben Trägerstoff verkapselt werden.

Die Mikroverkapselung wird vielfach zum Schutz von reaktiven Komponenten in komplexen Formulierungen eingesetzt. In der Anwendung sollen diese dann bei Bedarf zum Einsatz kommen. Die Kapsel muss aufbrechen und den Inhalt wieder komplett zur Verfügung stellen. Hierfür sind, abhängig von Größe und Wandstärke, Drücke von 40 bar und mehr nötig. Bei zusätzlich auftretenden Scherkräften ist es sehr viel einfacher, die Mikrokapseln zu öffnen. Der Freisetzungsmechanismus in der Anwendung spielt daher eine entscheidende Rolle.                                           

Welche Unterschiede gibt es bei der Herstellung von Kern/Schale-Mikrokapseln?

Einfach und ökonomisch lassen sich Kern/Schale-Mikrokapseln herstellen, indem das nicht lösliche Kernmaterial in Wasser emulgiert oder dispergiert wird. In Abhängigkeit von der Viskosität flüssiger Kernmaterialien kommen vom einfachen Rührer bis zum Hochleistungsdispergierer verschiedenste Aggregate zum Einsatz. Dabei scheiden sich die Wandbildner vollständig aus der kontinuierlichen Wasserphase auf der Tröpfchen-Oberfläche ab und können anschließend vernetzt werden. Dieser Mechanismus wird genutzt bei der In-situ-Polymerisation von Amino- und Phenoplast-Mikrokapseln und bei der Koazervation wasserlöslicher Hydrokolloide. Das Kernmaterial kommt bei diesem Verfahren nur in geringem Maße mit reaktiven Vernetzern in Kontakt, sodass es sich besonders für leicht oxidierbare Stoffe eignet. Bei der radikalischen Polymerisation erfolgt die Wandbildung durch öllösliche Acrylat-Monomere. Darüber hinaus kommen Verfahren zum Einsatz, bei denen wasserlösliche und öllösliche Ausgangsstoffe an der Phasengrenze der Emulsionstropfen zur Reaktion gebracht werden, die die feste Schale bilden. Beispiele hierfür sind die Reaktion von Isocyanaten und Aminen bzw. Alkoholen zu Polyharnstoff- bzw. Polyurethanwänden (Grenzflächenpolymerisation), aber auch die Hydrolyse von Silikat-Präkursoren mit anschließender Kondensation unter Ausbildung einer anorganischen Kapselwand (Sol-Gel-Verfahren).

Die Vernetzung der Monomeren definiert die Dicke und Dichtigkeit der Kapsel. Die verschiedenen Systeme ergeben dabei sehr unterschiedliche Eigenschaften in Hinblick auf die chemische und mechanische Stabilität. Je nach Anforderungen kann die Kapselwand in Richtung elastisch oder spröde beeinflusst werden, oder auch durchlässig für eine diffusionsgesteuerte Freisetzung.

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