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Mikroverkapselung

Kompetenz in Mikroverkapselung. Seit 1962.

Als langjähriger Spezialist auf dem Gebiet der Mikroverkapselung für die Herstellung von Selbstdurchschreibepapieren, ist Koehler auch mit der Anpassung dieser Technologie für andere Industrien vertraut, insbesondere für die Herstellung von Duftkapseln.

Seit Beginn der Produktion eigener Mikrokapseln wurde die Technologie regelmäßig weiterentwickelt und die eigene Produktionsanlage entsprechend angepasst. Mit dieser Kenntnis der Verfahrensentwicklung und der großtechnischen Produktion konzentrieren wir uns auf das Machbare, um auch externe Kunden als Lohnhersteller zu unterstützen.

Mikroverkapselung

Mikroverkapselung

Beim Prozess der Mikroverkapselung werden kleinste Öltropfen oder feste Partikel gleichmäßig mit einem polymeren Material umhüllt. Der Kapselinhalt wird meistens durch mechanische Zerstörung der Kapselwand gezielt wieder freigesetzt. Aktive Substanzen werden durch die dichte Kapselhülle geschützt. Die Stabilität der eingekapselten Inhaltstoffe wird verbessert und die Produktperformance kann durch eine kontrollierte Freisetzung des Kernmaterials gezielt erweitert werden.

Lohnfertigung

Lohnfertigung

Bei Interesse von externen Kunden steht Koehler als Ansprechpartner für eine Lohnfertigung oder Technologielizensierung zur Verfügung.
Nach einer Klärung der grundsätzlichen Anwendbarkeit der bei Koehler verfügbaren Technologien auf die Kundenanwendung und einer wirtschaftlichen Bewertung des Anwendungspotenzials erfolgen typischerweise folgende Schritte:

Anwendungsbereich der Mikroverkapselung

Die Mikroverkapselung ist eine vielseitig nutzbare Technologie. Sie bietet Lösungen für zahlreiche Innovationen - von der Papierindustrie bis hin zu Home Care Produkten 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.

Technologie der Mikroverkapselung

Mikroverkapselung ist ein Oberbegriff für verschiedene Verfahren um Substanzen im Mikrometerbereich mit einer Hülle zu umschließen. Ziel ist es häufig Wirkstoffe zu schützen und zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Anwendung gezielt freizusetzen.

Die sowohl chemisch als auch mechanisch stabilen Kapseln basieren auf zum Beispiel 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 aber auch aus Biopolymeren hergestellt werden, die nach Anwendung eine biologische Abbaubarkeit gewährleisten.

Kapselaufbau

Aufbau einer Mikrokapsel
Darstellung Wandbildung um Kernmaterial
Darstellung Wandbildung um Kernmaterial

Allgemeines Schema zur Mikroverkapselung über In-Situ-Polymerisation

Emulgieren des Kernmaterials in der wässrigen Phase

1. Emulgieren des Kernmaterials in der wässrigen Phase:

  • Wasser
  • Hydrophobes Kernmaterial
  • Schutzkolloid
Zugabe des Wandbildners

2. Zugabe des Wandbildners

  • Kondensation und Phasentrennung durch pH-Absenkung
Wandbildung

3. Wandbildung

  • Umhüllen der Emulsionstropfen mit Wandbildner
Vernetzung des Wandmaterials

4. Vernetzung des Wandmaterials

  • Zugabe Vernetzer zur Aushärtung

Funktionalität der Mikrokapsel

Freisetzungsprofile verschiedener Kapseln

Freisetzungsprofile verschiedener Kapseln
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.

Permanente Kern/Schale-Kapseln

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.

Produktentwicklung

Für die Entwicklung einer geeigneten Mikrokapsel ist die exakte Beschreibung der Anwendungen und der daraus resultierenden Anforderungen an die Kapseleigenschaften der erste Schritt. Die Freisetzung, die Größe der Kapsel und spezifischen Eigenschaften des Kernmaterials sind nur einige Parameter, die Einfluss auf die Formulierung und die Verfahrensentwicklung haben.

Machbarkeitsstudie

Machbarkeitsstudie

In ersten Machbarkeitsversuchen wird die Eignung des Kernmaterials für die Mikroverkapselung beurteilt und anschließend in ersten Laborversuchen getestet. Kann auf ein bestehendes Kapselsystem zurückgegriffen werden, müssen Kern- und Wandmaterial auf Kapselfähigkeit geprüft werden, eine überschaubare Anforderung. Ist aber das Ziel eine kundenspezifische Kapsel mit neuen Funktionalitäten und Wandmaterialien zu entwickeln, erfordert dies einen Kooperationsvertrag mit definierten Entwicklungsphasen und Meilensteinen. 

Für die Bereitstellung von Mustern für kundenseitige Anwendungsversuche werden im Labormaßstab Ansätze von 0,5 kg bis 1 kg realisiert.

Pilotmaßstab und Scale-Up

Pilotmaßstab und Scale-Up

Nach Festlegung von Formulierung und Prozess folgt das Scale-Up auf die Pilotanlagen im Technikum. Die langjährige Erfahrung unserer Mitarbeiter im Durchführen von Labor- und Pilotversuchen gewährleistet eine schnelle Anpassung des Prozesses bei der Übertragung auf die nächst größeren Anlagen. In dieser Testphase werden bereits Optionen zur Prozessoptimierung in die Betrachtung mit einbezogen. 

Die im Pilotmaßstab hergestellten Mustermengen von 100 kg bis 300 kg je Batch können für größere Anwendungs- oder Marketingtests verwendet werden.

Produktion

Koehler betreibt zur Fertigung von Mikrokapseln Produktionsanlagen mit unterschiedlichen Größen. Mittlere Produktionsmengen produzieren wir in Batchgrößen von 1,8 bis 3,6 Tonnen und einer Jahresleistung von ca. 2.000 t. Für großvolumige Produkte können bis zu 13.500 Tonnen Kapseldispersion hergestellt werden. Im weltweiten Vergleich zählt Koehler damit zu den größten Anbietern im Verkapselungsgeschäft. Mit diesen Kapazitäten können wir flexibel auf die Anfragen unserer Kunden reagieren.

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung

Eine termingerechte Lieferung und die gleichbleibende Qualität der Mikrokapseln sind für uns oberstes Gebot. In unserem Qualitätssicherungslabor führen wir verschiedenste Analysen kundenspezifisch aus.

Als physikalische Spezifikationsparameter werden standardmäßig der Feststoffgehalt, die Viskosität und die Kapselgrößenverteilung bestimmt. Letzteres erfolgt über Laserbeugung. Die Kapseln können aber auch optisch auf rasterelektronenmikroskopischen Bildern beurteilt werden. Für chemische Analysen stehen nasschemische aber auch verschiedene spektroskopische und chromatographische Methoden zur Verfügung.

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Unser Team

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