Mikroverkapselung

Als langjähriger Spezialist auf dem Gebiet der Mikroverkapselung für die Herstellung von Selbstdurchschreibepapieren beschäftigt sich Koehler intensiv mit der Weiterentwicklung dieser
Technologie.

Seit Beginn der Produktion eigener Mikrokapseln im Jahr 1974 findet ein ständiger Optimierungsprozess
der Kapselherstellung und der hierfür benötigten Anlagen statt. Eigene Patente im Bereich Mikroverkapselung und mehr als 40 Jahren Erfahrung haben uns zum führenden Hersteller von Selbstdurchschreibepapieren in Europa gemacht. Mit dieser Kenntnis der Verfahrensentwicklung und der großtechnischen Produktion konzentrieren wir uns auf das Machbare, um die kundenspezifische Fragestellungen zielgerichtet umzusetzen

Mikrokapsel durchs Mikroskop

Beim Prozess der Mikroverkapselung werden kleinste Öltropfen oder feste Partikel gleichmäßig mit einem polymeren Material umhüllt. Der Kapselinhalt wird durch die mechanische Zerstörung der Kapselwand oder andere Öffnungsmechanismen wie pH, Temperatur oder Strahlung wieder freigesetzt.

 

Anwendungsbereich der Mikroverkapselung

Die Mikroverkapselung ist eine vielseitig nutzbare Technologie. Sie bietet Lösungen für zahlreiche Innovationen - von der Papierindustrie bis hin zu Haushaltsprodukten erhöht die Mikroverkapselung die Funktionalität unterschiedlichster aktiver Substanzen. Verkapselte Aktivstoffe können wirtschaftlicher eingesetzt werden und verbessern die Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit vieler Produkte. Einsatzbereiche dieser funktionalen Produkte finden Sie in den folgenden Anwendungsbeispielen.

Kapseln für den Bereich Papier und Druck

Papier, Verpackung, Print

Neben der Nutzung von Mikrokapseln in der Papierbranche, setzen innovative Marketingkonzepte auf mikroverkapselte Duftstoffe zur gezielten Kundengewinnung.

  • Selbstdurchschreibepapiere
  • Duftlacke
  • Scratch and Sniff Werbebeilagen in Magazinen
  • Flüssigkristalle – color changing labels
Mikrokapseln für Haushaltsprodukte

Haushaltsprodukte

Mikrokapseln sind schon längst Teil des alltäglichen Lebens, ohne dass es uns gleich bewusst ist:

  • Parfumölkapseln im Weichspüler
  • Duftzusatz für Waschmittel
  • Reinigungsmittel
Mikrokapseln für den Bereich PCM

Phase Change Materials (PCM)

Bei Phase Change Materials handelt es sich um Kälte-Wärme-Speicherstoffe, die durch Umwandlung des Aggregatzustandes Energie speichern und wieder freigeben. Bei dieser Anwendung findet keine Freisetzung des Kernmaterials statt.

  • Textilien
  • Matratzen
  • Baumaterial
Mikrokapseln für die Chemieindustrie

Chemieprodukte

Die Aufzählung in diesem Bereich scheint endlos, deshalb nennen wir hier nur einige Anwendungen:

  • Klebstoffe für die Schrauben-sicherung
  • Langsame Freisetzung von Bioziden
  • Schmiermittel für Gleitlacke
  • Selbstheilung von Lackschichten
  • Fracking Flüssigkeit
Mikrokapseln für den Bereich Personal Care

Personal Care

Die Einsatzmöglichkeiten von verkapselten Pflege- oder Duftstoffen auf diesem Gebiet sind sehr vielseitig – hier nur einige Beispiele:

  • Deodorant
  • Bad- und Duschgel
  • Shampoo
  • Gesichtscreme
 

Technologie der Mikroverkapselung

Mikroverkapselung ist ein Oberbegriff für verschiedene Verfahren um Substanzen im Mikrometerbereich mit einer Hülle zu umschließen. Ziel ist es diese häufig als Wirkstoffe bezeichneten Aktivkomponenten zu schützen und zu einem bestimmten Zeitpunkt gezielt freizusetzen. Es kann sich bei diesen Kernmaterialien um Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase handeln. Im Bereich > 100 µm werden einzelne Partikel mit verschiedenen Sprühtechnologien beschichtet, Flüssigkeiten hingegen werden über Vertropfungsverfahren eingekapselt. Für Mikrokapseln mit einem Durchmesser unter 100 µm, gelingt eine Verkapselung jedoch nur durch Abscheiden sogenannter Wandbildner an einer Phasengrenzfläche. Im hierfür industriell genutzten Herstellungsverfahren wird eine Emulsion oder Suspension des hydrophoben Kernmaterials in Wasser erzeugt. Die in der äußeren Phase befindlichen Monomere lagern sich in einer Schicht um die Emulsionstropfen oder die dispergierten Feststoffpartikeln und polymerisieren zu einer kompakten Schale. Je nach Wandmaterial und Vernetzungsgrad können so individuelle Eigenschaften der Mikrokapseln erzielt werden.

Die sowohl chemisch als auch mechanisch stabilen Kapseln basieren auf Aminoplastharzen. Neben der hohen Dichtigkeit der Kapselhülle ist die Wand sehr beständig gegenüber reaktiven Chemikalien. Durch Druck und Scherung kann die Kernflüssigkeit wieder gezielt freigesetzt werden. Mikrokapseln können darüber hinaus aus Acrylatmonomeren, Polyharnstoffen oder auch Biopolymeren wie Gelatine und anderen Proteinen oder anorganischen Wandmaterialien hergestellt werden.

Kapselaufbau

Aufbau einer Mikrokapsel
Darstellung Wandbildung um Kernmaterial
Darstellung Wandbildung um Kernmaterial
 
 
 

Allgemeines Schema zur Mikroverkapselung über In-Situ-Polymerisation

Allgemeines Schema zur Mikroverkapselung über In-Situ-Polymerisation

1. Emulgieren des Kernmaterials in der wässrigen Phase:

  • Wasser
  • Hydrophobes Kernmaterial
  • Schutzkolloid
Allgemeines Schema zur Mikroverkapselung über In-Situ-Polymerisation

2. Zugabe des Wandbildners

  • Kondensation und Phasentrennung durch pH-Absenkung
Allgemeines Schema zur Mikroverkapselung über In-Situ-Polymerisation

3. Wandbildung


  • Umhüllen der Emulsionstropfen mit Wandmaterial
Allgemeines Schema zur Mikroverkapselung über In-Situ-Polymerisation

4. Vernetzung des Wandmaterials

  • Melaminzugabe
  • Aushärtung durch Termperatur-erhöhung


 

Funktionalität der Mikrokapsel

Freisetzungsprofile verschiedener Kapseln

Freisetzungsprofile verschiedener Mirkokapseln
Verzögerte Freisetzung

Verzögerte Freisetzung

Die Eigenschaften der Polymerschale einer Mikrokapsel können über die Dicke und den Vernetzungsgrad definiert werden. Die diffusionsgesteuerte Freisetzung des Kernmaterials kann so beeinflusst werden. In der Agrochemie nutzt man die langsame Abgabe von Nährstoffen für Langzeitdünger mit Depotwirkung. Die verzögerte Freisetzung von mikroverkapselten Bioziden als Antifoulingwirkstoffe findet Anwendungen in vielen technischen Produkten wie Farben für Außenfassaden oder Schiffslacken.

 
Gezielte Freisetzung

Gezielte Freisetzung

Die gezielte Freisetzung eines Stoffes durch einen Trigger, der zu einem definierten Zeitpunkt in der Anwendung die Schale öffnet, um das Kernmaterial freizusetzen, ist eine sehr komplexe Aufgabenstellung. Eine industrielle Anwendung findet dieses Prinzip bei der vorapplizierten Schraubensicherung. Der Klebstoff wird zusammen mit einem mikroverkapselten Initiator auf das Schraubengewinde aufgetragen. Beim Eindrehen werden die Kapseln zerstört und die Schraube mit dem Gewinde verklebt und gleichzeitig abgedichtet.
Je nach Kapselaufbau sind verschiedene Öffnungsmechanismen wie Temperatur, UV-Licht, enzymatische Aktivität oder pH Wertänderungen denkbar. Die spezifische Anpassung von Wandmaterial und Öffnungsmechanismus ist meistens eine kundenspezifische Einzellösung, die im Rahmen eines Entwicklungsprojektes realisiert werden können.

 
Freisetzung nach Bedarf

Freisetzung nach Bedarf

Druck und Reibung sind die am häufigsten in der industriellen Anwendung von Mikrokapseln genutzten Öffnungsmechanismen.

Weichspüler mit langanhaltendem Frischeduft ist heute „State of the Art“ in der Wasch- und Reinigungsmittelindustrie. Mikrokapseln mit einem Durchmesser von 20-30 µm, gefüllt mit Duftöl, verteilen sich gleichmäßig auf der Wäsche und haften am Gewebe. Beim Tragen der Kleidung zerplatzen die Kapseln durch die auftretende Reibung und geben den Duftstoff auf einmal frei. Mit jeder weiteren Bewegung wiederholt sich dieser Vorgang und sorgt für langanhaltenden Frischeduft.

Für grifftrocknende Schmierstofflösungen ist der Einsatz von Mikrokapseln eine elegante Lösung. Die Freisetzung von verkapselten Ölen bei Bedarf sorgt für eine effiziente Schmierung und damit eine längere Lebensdauer des Gleitlackes.
Selbstheilende Lacke können auf Basis von Mikrokapselsystemen für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Bei jeder Verletzung der Lackschicht werden reaktive Monomere aus dem Kapselinneren freigesetzt, die den Untergrund wieder autonom versiegeln. Zusammen mit Korrosionsinhibitoren und –indikatoren lässt sich der Korrosionsschutz erhöhen und die Standzeiten von technischem Gerät deutlich verlängern.

Mikroverkapselung macht aus konventionellen Lacken Smart Coatings.

 
Permanente Kapsel

Permanente Kern/Schale-Kapseln

PCM`s (Phase Change Materials) speichern die latente Wärme, die einen Phasenwechsel von fest zu flüssig bewirken. Bei Abkühlung der Umgebung wird die gespeicherte Wärmeenergie wieder abgegeben. Die dafür optimierte permanente Schale der Mikrokapseln muss dicht aber trotzdem flexibel sein, um den dauerhaften Phasenwechsel des eingekapselten Wachses und die Funktion der Kapsel zu garantieren.

 

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Papierfabrik August Koehler SE
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