高pH值下具有受控的释放特性的活性组分的紫胶涂覆颗粒及其制造方法和用途

摘要

本发明建议了一种在pH为10至14下具有受控的释放特性的活性组分的新型涂覆颗粒，其中所述活性组分选自一种或多种用于控制无机粘合剂的建筑化学添加剂，其特征在于，所述涂层包含紫胶，本发明还建议了所述颗粒的制造方法及其作为添加剂用于砂浆、干砂浆、水泥浆料和/或混凝土的用途。

说明书

引言和技术问题

除了材料特性外，可加工性是胶凝体系的重要特性之一。在建筑工 地现场，通常需要长时间的可加工性和快速固化/硬化，从而一方面为 工人提供足够的施用时间，并且另一方面不因延迟的固化/硬化而妨碍 施工进度。所需的砂浆特性通常通过加入某一剂量的促凝剂(accelerator) 而实现。只要促凝剂不足够有效而引发所谓的“快速固化”，例如喷射 混凝土的情况，则加入促凝剂可相当好地进行。引起快速固化的促凝剂 因可加工时间过短而明显不能用于砂浆中。

问题在于可加工性和固化时间彼此直接关联。例如如果施用需要快 速固化，则使用更高剂量的促凝剂或更高效的促凝剂，但是，这样做， 可加工时间也会缩短。反之亦然，如果需要长时间的可加工性，则固化 会相当慢，以致延缓整个工作进度(见图1)。因此，如果可加工性和 固化时间可以彼此不相关联，则其会是非常有益的。然后可以在一种砂 浆中实现长时间的可加工性和短的固化时间。此外，如果这些时间可以 视目的而调节，则这将是配制胶凝配方的一个非常有力的手段。

快速固化可以通过高剂量的促凝剂实现或通过使用高效的促凝剂 实现。两者均会缩短可加工时间，除非促凝剂仅在一段时间后被释放。 该挑战在于开发具有受控的释放特性的促凝剂。释放时间应在2分钟至 8小时的范围内，释放本身应非常快，以使固化可以在短时间内进行， 并且应该可以使用高效促凝剂以确保释放时的快速固化。

为开发具有受控的释放特性的所需颗粒，本发明的发明人进行了大 量的研究并且得到以下结果。

受控的释放

与颗粒几何形状有关的理论释放机理

原则上，可以分为三种不同类型的释放类型。每种释放类型与特定 的颗粒几何形状和涂料功能性直接相关(见图2)：

1.一级释放＝基体颗粒溶解

2.零级释放＝扩散

3.由于内部引发或外部引发的快速释放

没有另外涂层的基体颗粒在其活化后立即开始溶解。开始时，释放 速率高并且释放速率随时间稳步降低，直至整个颗粒溶解。与基体颗粒 类似，受扩散控制的零级释放在活化后立即开始，但是具有稳定的释放 速率。在理想的情况下，释放速率不改变，直至活性组分完全溶解。

在一段时间后由内部引发或由外部引发释放时，观察到完全不同的 释放特性。在引发剂活化之前，没有活性组分释放。外部引发为例如改 变pH、温度或施加机械力，如剪切应力或机械压力。内部引发为例如 渗透压。外部引发与内部引发之间的主要差异在于活化时间。只要引发 剂不被活化，则通过外部引发的功能颗粒的释放不发生变化，但是一旦 引发剂被活化，通常在短时间内发生释放。在实际情况中，这是在大量 应用中释放活性组分的理想的方式，所述应用如肠药品中(通过pH改 变而释放)、激光打印机中的调色剂胶囊(通过温度而释放)或无碳复 印纸中(通过圆珠笔尖的压力而释放)。相比之下，通过内部引发释放 的颗粒需要一定时间来活化。在活性化合物的活化与释放之间存在合理 的时间延迟。当然，在一个颗粒中不同颗粒几何形状与不同的释放特性 的结合原则上是可能的，例如用pH敏感的涂料涂覆的基体颗粒。

关于所需砂浆特性(图1)，对于砂浆促凝而言，仅促凝剂的时间 延迟和快速释放受到关注，这是因为这可以控制可加工时间。释放引发 原则上可以为外部的或内部的。零级释放和一级释放特征不合适，这是 因为活性组分的释放在活化后立即开始，这会再缩短可加工时间。

胶凝体系的外部引发相对复杂。在水泥水合过程中pH由于氢氧化 钙的产生而无法改变。也不应升高温度，这是因为水泥水合总是当在温 度升高时加速，加快了固化并且缩短了可加工时间。另一方面，对于阻 滞，温度引发的释放受到极大关注，这是因为当砂浆变得过暖时，粘合 剂水合将由于阻滞剂的释放而减慢。也不选择施加外部压力，这是因为 新制备的砂浆的糊状稠度。一个可能性会是对功能颗粒使用超声，其易 于受到该能量输入的影响。对于薄砂浆层而言，这可以是有用的观点， 但是对于更大的结构部件而言，该任务不易实现。

内部引发更加有利，这是因为水加入至砂浆开始活化并且在一定的 时间延迟后，促凝剂释放。当然，在该体系中，严格控制活化和释放之 间的时间延迟应是可能的。如果涂层通过颗粒内部的渗透压的形成而破 裂，则可以实现快速的释放。

内部引发的功能颗粒的主要优点在于其可以均匀混合至新制备的 砂浆中并且在整个基体同时开始释放，从而均匀固化。

基底特性

对于涂覆的颗粒而言，理想的基底应兼具数个特征，并且取决于预 期应用，必须选择合适的制备方式(见图3)。

颗粒形式

颗粒形式/形状对良好的且具有材料效率的涂层具有影响。理想的情 况是完全球形的颗粒。施加在该基底上的涂层在颗粒表面的每一处具有 均匀的层厚度并且需要最少的涂层材料。较少的涂料材料是有利的，因 为涂料材料通常是昂贵的。如果颗粒球形性较差，则可能形成类似具有 一些小坑的马铃薯形状，则其与理想的球形相比相差不多。但是，如果 颗粒是高度不规则形状的，则情况就不同了。那么，需要更多的涂料材 料填充空隙和空的空间并且涂层将不是均匀厚度的，并且在整个颗粒上 有效涂层厚度将受到最薄的涂层厚度的限制。此外，存在形状不规则的 颗粒和涂层由于机械操作而在边缘和边角磨损的高风险。如果涂层材料 是廉价的，例如当天然脂肪可以用于涂覆的情况，则大量的涂层将为不 相关的并且活性组分可以堆叠为厚涂层，从而忽略不规则的基底形状。 对于某些应用，像用于制备香肠的脂肪涂覆的柠檬酸，这是足够的，但 是对于更复杂的应用，这可以是一个严重的问题。此外，在具有更多涂 料的情况下，活性组分/涂料比例将降低，所以可得到每个颗粒的较少 的活性组分。如果涂料昂贵，则活性组分/涂料的高比例总是优选的。

颗粒类型

球形基底可以由纯的活性组分组成(实心颗粒)或者活性组分已施 用至核(核-壳颗粒)。图3未示出的另一可能为球形基体颗粒。具有 相同直径的实心颗粒和核-壳颗粒的差别在于每个颗粒的活性组分含量 不同。根据应用，可能必需选择一种类型或其他类型。实心颗粒原则上 是优选的，这是因为其具有可能最好的活性组分/涂料比例。重点是基 底不应具有边缘和边角。

颗粒表面

基底表面应该尽可能光滑，以避免对随后施用的涂料的任何干扰。 一定的表面粗糙度是相当有利的，这是因为涂料随后与基底紧密相连。 试验已表明，即使完全光滑的玻璃珠也是活性组分如硫酸锂一水合物的 合适载体(见图3，在中间的图片)。所示颗粒已通过流化床法制备。

粒径

在使用功能颗粒的每个应用中，合适的基底粒径可能为重要特性。 如果粒径和应用不匹配，则不能实现想要的结果。该不匹配的一个很好 的例子可见于图4。在图4中，具有不同直径的紫胶涂覆的硫酸锂一水 合物的颗粒已在由普通的硅酸盐水泥(Portland cement)、高氧化铝水 泥和石膏组成的三元粘合剂体系中进行测试。在每次试验中，活性组分 的总剂量恒定。当颗粒非常大(800μm)时，形成单斑，这清楚地表明 促凝剂局部过饱和。在约330μm的更小粒径的情况下，仍可见不均匀 性，但是几乎每个体积单元的砂浆均已与促凝剂接触。如果粒径进一步 减小并且其具有局部浓度的活性组分，未见不均匀性，这清楚地表明促 凝剂已与砂浆基体的每个部分接触。重要的是，图4右侧的试验使用的 是经涂覆的核-壳颗粒(＜150μm)而不是实心颗粒。

在改变粒径的情况下，则每个体积单元的砂浆的颗粒的数目也改变。 当颗粒直径从由800μm减小至150μm时，每立方厘米的颗粒数目从约 9个颗粒增加至2400个颗粒。原则上，当一种颗粒为实心颗粒时，颗粒 数目与每个颗粒的活性组分浓度就立方体关系而言彼此为互反函数。如 果颗粒直径减小至原来的二分之一，则每个体积单元的颗粒数目将增加 到8倍。此外，对于恒定总剂量而言，经涂覆的核-壳颗粒的每个体积 单元的颗粒数目总是大于相同尺寸的实心颗粒的颗粒数目，这是因为经 涂覆的核-壳颗粒包含较少的活性组分。对于在均匀的砂浆样品中每立 方厘米2400个颗粒，促凝剂的扩散路径为约500μm长。对于约150μm 的粒径，且当发生释放时，在砂浆仍为糊料、含有水作为传输介质的情 况下，活性组分可能可以克服该距离。当然，当使用更有效的促凝剂或 砂浆体系改变时，这可以是显著不同的。从研究结果可以得出，100至 150μm的粒径似乎是最优选的。

制备基底

根据应用所需的粒径，一些制造方法可能是可以使用的。如上所述， 对于大多数应用而言，直径为100-200μm的颗粒是优选的。就用于该 颗粒的基底质量而言，最好的制备方法是流化床技术，这是因为其实现 以上提及的所有需要的特征。不幸的是，与在高剪切混合器中通过制粒 法或者湿法造粒制备颗粒相比，流化床技术由于需要大型技术设备，因 而是相对昂贵的制备技术，除非制备大量颗粒。就成本效率而言，其他 制备方法是有利的。问题在于，例如使用制粒法，仅可以制造直径低至 约300μm的颗粒。如上所述，这些颗粒对于使用而言通常是过大。

在pH＞10下用于受控释放的涂料

对在pH＞10下用于受控释放的合适的涂料的要求描述于以下图5 中。

成膜性

第一，涂料应表现出良好的成膜性，否则在施用后涂料将无法提供 密闭的功能性的壳。成膜不充分原则上可以通过加入塑化剂而改进。经 常用涂料工作的人们知晓，使用塑化剂不仅改变成膜性，而且改变其他 涂料特性如溶解性、渗透性、E-模量等。因此无论何时使用塑化剂，必 须考虑涂料特性的其他改变。在许多制药应用中，加入塑化剂为现有技 术。

涂料溶解性

第二，在涂覆过程前，涂料应该是水溶性的，并且在涂覆过程后应 该是不溶的，但是对于水是可渗透的。

水溶性的涂料通常易于并且便于使用，这是因为在涂覆过程中挥发 的水可直接释放至环境中并且不需要另外的安全措施。相比之下，在流 化床反应器中用溶剂基涂料工作时，溶剂必须从废气中冷凝，之后气体 可被释放至环境中。此外，应采取制备的其他安全措施，例如在惰性气 体气氛下工作以防止在涂覆过程中爆炸。显然，水基涂料在日常使用中 是优选的。

但是，当以下两方面的要求时，水溶性涂料仅可用作含水体系中的 受控释放涂料：首先，水溶性涂料为不溶的，其次，水溶性涂料在涂覆 过程后仍可渗透水。从可溶向不溶的变化是重要的，这是因为如果在涂 覆过程后涂料仍为水溶性的，则其易于溶解并且因此一加入水就释放活 性组分(见图6，左侧)。如果涂料是不溶性的并且不渗透水，则其完 全不溶解，因而阻止活性组分的任何释放(见图6，右侧)。例如当水 基蜡分散体用作涂料时发生这种情况。因此，对于由渗透压引发的内部 释放，涂料必须是不溶性的，但是在涂覆后可渗透溶剂(见图6，中部)。 然后水可以通过涂层渗透至核，水在核中部分地溶解核并且增加渗透压。 如果渗透压足够高，则涂层将破裂并且将盐溶液释放至周围基体。

因此当涂料的溶解性从涂覆过程之前的可溶性转变为涂覆过程后 的不溶性、但可渗透的时，可以实现功能组分的所需的释放特征(图5)。

溶解性的改变可通过例如当官能团如COOH或-NR₂质子化或去质 子化时的pH变化而实现。肠溶包衣料为具有该特性的一类涂料。另一 可能性为施用后通过另外的交联分子或涂料的固有反应性活化使涂料 不可逆地交联。但是这必须非常小心地进行以保持对水的渗透性。

释放机理

第三，为实现延迟但快速的释放，最好是通过渗透压而从内部引发 释放。内部引发的前提为涂料对内部压力敏感。如果涂层弹性过大或刚 度过大，则涂层将不会按照预期破裂(见图7，左侧和中部)。在该两 种情况下，释放特征将为扩散特征(参见，图2)。仅当内部渗透压高 于涂层的刚度时，才会观察到涂层破裂(见图7，右侧)并且快速释放。 当然，涂层刚度与涂料层的厚度有关。层越厚，则产生破裂所需的压力 越大。

涂覆方法

第四，涂料最好通过流化床技术施用，这是因为该技术对于直径＞ 100μm的颗粒而言作用良好并且提供优异的涂层质量。原则上可以使 用除流化床技术以外的其他涂覆技术，但是其大部分仅对于＞500μm的 颗粒有效。如上所述，该颗粒尺寸对于所预期的用途而言通常过大。

概括而言，在pH＞10下用于受控释放的涂料应提供以下特性：

●良好的成膜性

●在施用前为水溶性的

●在施用后为不溶性的，但是在pH＞10下可渗透水

●涂层刚度应低于内渗透压以提供快速释放

涂料筛分

为找到具有所需特性的合适的涂料，已经对在粗硫酸锂一水合物颗 粒(直径约750μm)上的许多不同的涂料进行筛分。颗粒由于其光滑 的表面和几乎圆形的形状而已被用于涂料筛分的基底。

在室温下，于开口的烧杯中在合成的孔隙溶液中用导电电极测量活 性组分的释放。合成的孔隙溶液为碱性的、Ca²⁺饱和的、含有Na⁺、K⁺、 SO₄^2-的溶液，其类似于通过使水泥与水混合然后滤除溶液而获得的溶液， 不同之处在于合成溶液不是过饱和的。碱性的pH值是硅酸盐水泥所固 有的，因为其在水泥水合过程中形成了氢氧化钙。对于导电性测量而言， 将涂覆的颗粒在开始测量30秒后加入至溶液。释放测量示于图8中， 且所有接下来的测量均为在合成的孔隙溶液中进行的导电性测量。

紫胶为表现出所需阶梯释放特征的唯一涂料(见图8)。其他涂料 如蜡或高模量水玻璃根本不释放活性组分或者表现出不想要的扩散释 放，所述涂料如Kollicoat SR30D。大部分涂料由于其在合成的孔隙溶 液中快速溶解而不能筛分。基于这些结果，选择紫胶作为胶凝体系中受 控释放颗粒的涂料。

紫胶可在10-14的pH值下使用的这一发现是最令人惊奇的，这是 因为紫胶甚至已在制药应用中用作肠溶包衣，其中其已溶解于小肠液中 (pH8-8.5)。

紫胶

紫胶为具有约8个单体单元的天然低聚酯，其由在印度或泰国的树 木上的雌性紫胶虫(lac bug)分泌(化学结构见图9)。紫胶通过切割 由其包裹的树枝并且使其从木材分离而获得。纯化通过溶解于乙醇、脱 蜡并且用活性碳清洗而进行。其含有约50％的紫胶桐酸(9，10，16-三羟基 棕榈酸)和不同种类的萜烯酸。紫胶在乙醇中可溶，或者当游离羧酸基 团去质子化时，在pH＝8的弱碱性溶液中可溶。在酸性介质中，其是 不溶性的。在热碱性溶液中，紫胶可以被皂化。游离羧酸基团的含量通 过酸值定义(待中和其的mg KOH/g紫胶)，其通常为每1g紫胶约70 mg KOH。由于大量的OH基团，紫胶表现出优异的成膜特性。

由于紫胶为天然产物，故其组成和特性可以改变。紫胶的全球交易 量为每年约20,000吨，价格为每kg约本说明书中所涉及的试验 中，已经使用了紫胶种类SSB(HARKE Group，Mülheim an  der Ruhr；25％紫胶水溶液)。

紫胶的老化

在室温下储存4个月后，再次测量紫胶涂覆的硫酸锂样品并且观察 到更长的释放时间。紫胶涂层明显老化(参见图10)。该行为在干的胶 凝体系中是特别有问题的，这是因为这些体系必须至少在约6个月时间 内保持其特性。在此期间内，通过配方调节的可加工性和固化时间不应 改变太多。因此，释放从约10分钟改变至大于60分钟的缓慢老化的涂 层是不能接受的。

该紫胶的老化被认为是由于低聚酯分子中的OH基团与游离羧酸基 团之间进一步酯化的结果。该交联发生得越多，紫胶的溶解度和渗透性 越低，并且紫胶涂层的刚度越大。

紫胶的热固化

为了确定停止老化所需的固化时间和温度，进行一系列试验。试验 表明，80至140℃之间的温度是足够的，这取决于固化时间。温度越高， 停止老化的所需固化时间越短。在80℃下，固化时间应为一天至数天； 在100℃下，固化时间应为六小时至四天；在120℃下，固化时间应为 一小时至两天；在140℃下，固化时间应为一小时至一天。然而，这些 时间仅为大约的数值并且可以随紫胶类型而改变。当热固化延长超过这 些固化时间时，释放时间稳步增长，但是在释放过程中的斜率由于涂层 的较小的可渗透性和更大的刚度而变得没那么陡(见图12)。随即，活 性组分的释放特性逐步由阶梯状快速释放转变为不想要的更加扩散状 释放。

将紫胶涂覆的颗粒的样品在100℃下热固化1天至6天，然后在室 温下储存，最后在接下来的八周过中测量数次(见图11)。只要老化可 以通过热固化而停止，那么释放时间实际上没有改变。观察到的释放时 间的误差主要是导电性测量和孔隙溶液老化的结果。

如果固化温度升高至140℃，则紫胶涂层与在100℃下热固化相同 时间的样品相比，几乎完全失去阶梯状释放特性(见图13)。

在热固化时，认为紫胶中所含的活性羧酸基团与OH基团相互反应， 形成另外的酯连接。在涂层中，所述连接建立在单个低聚物之间，形成 三维交联的基体。具有该交联，分子量增加且熔点升高。分子量提高使 得紫胶实际上不可溶，但是其仍然对水是可渗透的，这是增强内部渗透 压的前提。

热固化应该借助于抗结块剂进行，以防止经涂覆的颗粒彼此粘结， 这是因为紫胶在加热至高于其约60℃的熔点的温度后变粘。连续交联反 应后紫胶再次呈刚性。完全“聚合的”紫胶仅在高于150℃的温度下熔 融。