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Verkapselung von organischen Substraten in
Polycyanoacrylat-Nanokapseln
Neslihan Altinbas
Verkapselung von organischen Substraten in
Polycyanoacrylat-Nanokapseln
Von der
Fakultät für Naturwissenschaften
der Universität Duisburg-Essen
(Standort Duisburg)
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
von
Neslihan Altinbas
aus
Kayseri/Türkei
Referent: Prof. Dr. C. Mayer
Korreferent: Prof. Dr. K. Molt
Tag der mündlichen Prüfung: 9. April 2003
Danksagung
Leider lässt sich eine wahrhafte Dankbarkeit mit Worten nicht ausdrücken. J.W. von Goethe
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Christian Mayer für die Überlassung des interessanten Themas, seine unermüdliche, freundliche Unterstützung und für die stete Bereitschaft zur Diskussion und für die hilfreichen Anregungen bei der Erstellung dieser Arbeit.
Bei Herrn Dr. W. von Rybinski möchte ich mich für Ermöglichung der Zusammenarbeit mit Henkel KGaA Düsseldorf und für seine Unterstützung, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat, bedanken.
Herrn Prof. Dr. Markus Anonietti danke ich für die Kooperation und die Nutzung der Möglichkeiten des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächen-forschung. Herrn Prof. Dr. Helmut Cölfen danke ich für die Einweisung und seine Diskussionsbereitschaft für alle Fragen bezüglich AUZ, während und nach meinem Aufenthalt bei dem MPI. Auch bei Antje Völkel bedanke ich mich ganz herzlich für ihre hilfreichen Ratschläge und ihre Geduld bei 29°C im AUZ-Labor und für die nicht immer fachlichen Diskussionen im Akkustik-Labor. Für die freundliche Stimmung während die Diskussionen im Akkustik-Labor möchte ich mich bei Dr. Klaus Padtberg und allen anderen Beteiligten bedanken.
Für die zahlreichen schönen TEM-Bilder danke ich Dr. Dirk Hoffmann, Rona Pitschke und für die AFM-Aufnahmen Anne Heilig.
Herrn Dr. Dirk Hoffmann danke ich auch für die Zusammenarbeit in der Arbeitsgruppe „Nanokapseln“, die eine Basis für eine nette Freundschaft geschaffen hat. An dieser Stelle danke ich bei meinen Kollegen Dr. Uwe Großpietsch, Dr. Michael Wohlgemuth und allen anderen Mitgliedern dieser Arbeitsgruppe und Mitarbeiter und Mitarbeitern des Fachgebiets Physikalische Chemie für die freundschaftliche und offene Atmosphäre.
Für die Lösung der unzähligen, nervenraubenden Probleme mit TGA und PC
bedanke ich mich für seine geduldigen Hilfestellungen bei Herrn Dipl.-Ing. Uwe
Bachorski .
Mein Dank richtet sich auch an Prof. Dr. Borries Demeler, der mich trotz der
meilenweiten Entfernung mit seinen Ratschlägen unterstützt hat.
Mein besonderer Dank gilt meinen verstorbenen Eltern, ohne deren Unterstützung
dieses Studium nicht möglich gewesen wäre.
Mein herzlichster Dank geht an alle, die auf vielfältige Art und Weise zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen haben, aber hier nicht namentlich aufgeführt sind.
Evet, beni en zor dönemlerimde yalniz birakmayanlar, yakinimda ve cok uzaklarda
bana destek olmak amaciyla, sabir tasina dönenler icin de büyük bir tesekkür
borcluyum.
Benimle güzel günlerimde ki mutlulugumu ve zor dönemlerimde ki problemlerimi
paylastiginiz, beni desteklediginiz, bana inandiginiz icin hepinize ayri ayri tesekkür
ediyorum.
Cakiltaslarim, iyi ki v
ardiniz!!!Inhaltsverzeichnis I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .............................................................................................1
2 Nanokapseln ........................................................................................5
2.1 Anwendung und Darstellungsmethoden......................................5
2.1.1 Allgemeine Definition und Fragestellung .....................................................5
2.1.2 Anwendungsgebiete der Nanokapseln .......................................................7
2.1.3 Darstellung......................................................................................................15
2.1.3.1 Synthesevarianten......................................................................................15
2.1.3.2 Aufbau und Eigenschaften........................................................................16
2.1.3.3 Bildungs- und Reaktionsmechanismen..................................................19
2.1.3.4 Abhängigkeit der Kapselgröße von chemischen und physikalischen
Parametern.................................................................................................22
2.2 Charakterisierungsmethoden........................................................... 26
2.2.1 Thermogravimetrie ........................................................................................26
2.2.2 Analytische Ultrazentrifuge ..........................................................................29
2.2.3 Transmissionsmikroskopie...........................................................................35
2.2.4 Atomkraftmikroskopie ...................................................................................38
2.2.5 Zetapotenzial..................................................................................................39
3 Experimenteller Teil .......................................................................... 40
3.1.1 Synthese der Nanokapseln..........................................................................40
3.1.2 Versuchsdurchführung und –aufbau.........................................................41
3.1.3 Variation der Syntheseparameter..............................................................42
3.1.3.1 Faktorenversuchsplan....................................................................43
4 Ergebnisse und Diskussion............................................................. 45
Inhaltsverzeichnis II
4.1 Experimente zur Darstellung der Kapseln mit
unterschiedlichen Komponenten.............................................. 49
4.1.1 Experimenteller Verlauf und Ergebnisse ....................................... 49
4.1.2 Diskussion der Ergebnisse der Kapselbildung mit unterschied-
lichen Komponenten..........................................................................80
4.2 Anwendung von Statistischer Versuchsplanung..................... 85
4.2.1 Thermogravimetrische Messungen.................................................85
4.2.2 Bestimmung der Dichten und die Wandstärken der Kapseln.....89
4.2.3 Bestimmung der Kapselgröße .........................................................94
4.2.4 Morphologie der Kapseln..................................................................96
4.2.5 Diskussion der Ergebnisse der Untersuchungen unter
Anwendung der Faktorenversuchsplanung..................................103
5. Zusammenfassung ........................................................................ 107
6. Anhang............................................................................................. 109
6.1 Mengenvariationen der Komponenten........................................................109
6.2 Tabellen der Thermogramme der reinen Komponenten..........................113
6.3 Thermogrammme der im Verlauf des reduzierten Faktorenversuchs-
plans dargestellten Kapseln..........................................................................118
6.4 Tabellen zu de Berechnungen der Dichten und Wandstärken................125
6.5 Tabelle der Ergebnisse der DLS Messungen.............................................127
6.6 Verwendete Chemikalien...............................................................................137
6.7 Messmethoden................................................................................................140
6.8 Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................142
6.9 Symbolverzeichnis..........................................................................................143
7. Literatur ........................................................................................... 144
Nanokapseln 1
1 Einleitung
Einfache kolloidale Systeme finden seit dem Altertum in verschiedenen
Lebensbereichen Anwendung. Bier, ein weit verbreitetes alkoholisches Genussmittel,
welches in manchen Regionen auch als Grundnahrungsmittel angesehen wird, stellt
ein kolloidales System dar. Darüber hinaus wurden Kosmetika, Tinten oder
Pigmente, welche ebenfalls kolloidale Systeme sind, schon seit Jahrhunderten
genutzt.
Der Terminus „Kolloide“ (von griech.: kolla = Leim u. eidos = Form, Aussehen) geht
auf T. Graham (1861) zurück. Er bezeichnete damit jene Stoffe, die in wässrigen
Lösungen nicht oder sehr langsam durch dichte Membranen diffundieren können und
sich dadurch von den sog. „Kristalloiden“ unterscheiden. Auch sprach Graham als
erster von „einer besonderen Art der Aggregation als kolloider Zustand der Materie“.
Dadurch führte er die Besonderheit der Kolloidlösungen auf die Größe ihrer gelösten
Teilchen zurück. M. Faraday, Selmi, Berzelius und K. W. von Nägeli hatten bereits vor
Graham eine Anzahl kolloider Systeme beschrieben. Die moderne Definition des
Kolloidbegriffs gehen auf Wolfgang Ostwald, von Weimarn, Staudinger, Stauff,
Landau, Derjaguin u.a. zurück [1, 2].
Kolloide sind Stoffe, die in charakteristischer Weise fein zerteilt sind. Im Allgemeinen
bezeichnet das Wort „kolloid“ (od. „kolloidal“) keine Stoffeigenschaft, sondern einen
Zustand. Kolloide besitzen große Bedeutung für die moderne Industrie, Biologie,
Landwirtschaft und Medizin. Kolloidale Systeme bzw. kolloidale Prozesse sind
nachweisbar in allen lebenden und toten Organismen, bei Eiweiß, Kunstfasern,
Kunststoffen, Seifen, Leimen und Klebstoffen, Nahrungsmitteln, vielen Arzneimitteln,
Lacken, Farbbindemitteln, Latex, Reinigungsmitteln, Flotationsmitteln,
Schmiermitteln, im Staub, Rauch usw. Für das Pflanzenwachstum in den Böden
spielen kolloidale Tonteilchen, im Blut die kolloidalen Plasma-Proteine für die
Aufrechterhaltung des kolloidosmotischen Drucks eine wichtige Rolle.
Die breite Platte der Anwendungsmöglichkeiten der Kolloide stimulierte
Weiterentwicklungen und wissenschaftliche Arbeiten auf diesem Gebiet. Basierend
auf grundlegenden Erkenntnissen der Kolloidwissenschaft, kombiniert mit dem
zwischenzeitlich hinzu gewonnenen Wissen und der Erfahrung auf diesem Gebiet,
eröffnet sich die neue Welt der „Nanotechnologie“.
Nanokapseln 2
Nanopartikel, die in feiner Verteilung ebenfalls Kolloide sein können, sind
Grundsteine und zugleich Hauptbestandteile dieser neuen Technologie. Die
Nanotechnologie befasst sich mit Systemen, deren Größenordnung sich im
millionstel Teil eines Millimeters bewegt. Zur Veranschaulichung der Dimension der
Nanopartikel kann man sich den Punkt, der am Ende dieses Satzes steht, bestehend
aus 250 Milliarden Teilchen denken. In dieser Größenordnung nehmen diese
räumlich winzigen Strukturen auf die Funktionen und die Eigenschaften des Systems
einen bestimmenden Einfluss [3]. Die Erkenntnis, dass die Komponenten dieses
neuen Entwicklungsgebiets aus winzigen Teilchen, aus wenigen Atomen oder
Molekülen bestehen, fand das Interesse der Wissenschaftler. Aufgrund ihrer überaus
geringen Dimension weisen Nanopartikel andere Eigenschaften in ihrem
chemischen, magnetischen, optischen oder elektrischen Verhalten auf als größere
Partikel (>50 µm), so dass neue Materialeigenschaften resultieren und sich damit
neue Anwendungsgebiete eröffnen.
Die Nanotechnologie verbindet fachübergreifend zahlreiche naturwissenschaftliche
Disziplinen und sie gilt als Schlüsseltechnologie dieses Jahrhunderts. Da die
chemischen Stoffeigenschaften, die neben den physikalischen Gesetzmäßigkeiten
und biologischen Vorgängen den Anwendungsbereich bestimmende wichtige
Faktoren sind, welche bei der Entstehung und Aufrechterhaltung eines solchen
Systems eine große Rolle spielen, wird die Nanochemie zu den wichtigsten
Wachstumsmärkten der nächsten Jahrzehnte gehören.
Diese Prognose stützt sich auf den Erfolg bereits marktreifer Produkte wie z. B. mit
Nanopartikeln beschichtete, selbst reinigende Glasscheiben, Datenspeicher mit
hoher Speicherkapazität oder nanochirurgischer Werkzeuge.
Wenn man bedenkt, dass Industriezweige wie die Gummi-, Textil-, Kunststoff-, Leder-
, Leim-, Nahrungsmittel-, Sprengstoff- u. Seifen-Industrie im Wesentlichen mit
Kolloiden zu tun haben, sieht man die Bedeutung und Unverzichtbarkeit dieser
kleinen Partikel. Die Breite der Produktpalette ist jedoch noch viel größer. Mögliche
Anwendungsbereiche erstrecken sich von Membrantechnik, Katalyse,
Wirkstoffdeponierung, UV-Schutzpräparate, neuartiger Pharmaka oder
bioverträglicher Implantate über funktionelle Oberflächen bis zu selbstorientierten
Molekülen. Selbst die Zeitungsschwärze oder die Siliciumdioxidpartikel in der
Zahnpasta sind Nanopartikeln.
Nanokapseln 3
Nanokapseln, die wie die Nanosphären unter dem Oberbegriff Nanopartikel fallen,
sind kolloidale Wirkstoffträger aus biologisch abbaubaren Kunststoffen [4].
Vereinfacht bestehen diese aus Öltropfen, in welchen lipophile Wirkstoffe gelöst sind.
Dieser Ölkern wird durch einen kugelförmigen Polymermatrix umschlossen.
In den letzten zehn Jahren gewann die Erforschung dieser Kapseln in der Pharmazie,
Biologie und Medizin aufgrund der vielen Anwendungsmöglichkeiten unter anderem
auch als „Drug-Targeting-Systeme“ enorm an Bedeutung. Das Interesse an
Nanokapseln als Wirkstoffträger in der Medizin stieg deshalb, weil sie die
kontrollierte Freisetzung der Wirkstoffe in Zielgeweben ermöglichen. Der in der
Nanokapsel eingeschlossene Wirkstoff wird von diesen Kapseln gezielt zu den
vorgesehenen Geweben transportiert und dort fein dosiert freigesetzt [5]. Daher
erhöht die Verwendung von Nanopartikeln als Wirkstoffträger die therapeutische
Wirksamkeit biologisch aktiver Komponenten, während die Nebenwirkungen
reduziert werden [6]. Dabei spielt die Größe und die Größenverteilung der
Nanokapseln eine bestimmende Rolle, denn je nach Zielorgan muss die Größe der
Nanokapseln entsprechend gewählt werden.
Eine enge Größenverteilung (Monodispersität) der kolloidalen Arzneiformen stellt
einen Faktor dar, der für die biologische Verträglichkeit und für die erwünschte
Wirkung des Präparates entscheidend ist.
Wegen des großen Oberfläche- zu Volumenverhältnisses überwiegen bei
Nanopartikeln die Grenzflächeneffekte. Sie weisen deshalb neue, sehr interessante
physikalische und chemische Eigenschaften auf. Daher bieten sie eine Basis für
neuartige Materialien. Da die Eigenschaften der Nano-Materialien wesentlich von
den Partikeleigenschaften, d. h. von deren Größe, Morphologie, Oberflächen-
beschaffenheit, Ladungszustand usw. abhängig sind, kommen sowohl den
Herstellungsprozessen als auch der Charakterisierung große Bedeutung zu.
Daher ist es Ziel laufender Forschungsarbeiten, die Entstehungsvorgänge von Nano-
Partikeln experimentell und mit Hilfe von Computersimulationen zu charakterisieren
und ihre Morphologie bzw. die physikalischen und chemischen Eigenschaften zu
beschreiben und die Beziehungen zwischen Partikelstruktur und Partikel-
eigenschaften zu bestimmen.
Nanokapseln 4
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zu diesem Gebiet zu leisten. Dafür wurden die
Nanokapseln aus n-Butylcyanacrylat (BCA) nach dem durch die Arbeitsgruppe von
Prof. C. Mayer überarbeiteten Ansatz von Al Khouri Fallouh et al. Synthese
hergestellt. Dabei wurden die Synthese Parameter hinsichtlich ihrer Menge und Art
variiert. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wurde der Einfluss dieser
Variationen auf die Kapselgröße, Größenverteilung, Dichte, Wandstärken und die
Morphologie untersucht.
Nanokapseln 5
2 Nanokapseln
2.1 Anwendung und Darstellungsmethoden
2.1.1 Allgemeine Definition und Fragestellung
Nano-Partikel sind ein Teilaspekt im Kanon der Nano-Technologie.
Nanosphären und Nanokapseln sind kugelförmige, feste Kolloidteilchen aus einer
Polymermatrix in der Größenordnung von Nanometern. Der Unterschied zwischen
Nanosphären und Nanokapseln besteht darin, dass Nanosphären aus einem
massiven Polymergerüst aufgebaut sind, wobei man nicht genau unterscheiden kann,
ob das biologisch aktive Material an der Oberfläche adsorbiert, gebunden oder
eingeschlossen ist. Demgegenüber umschließt bei Nanokapseln die Polymermatrix
einen kugelförmigen Hohlraum, der mit einer Flüssigkeit aufgefüllt ist. Das aktive
Material befindet sich innerhalb dieses Flüssigkerns. In Abbildung 2 ist eine solche
Nanokapsel schematisch dargestellt. Nanokapseln und Nanosphären werden unter
dem Oberbegriff der Nanopartikel subsummiert [4].
Bei Nanopartikeln überwiegen aufgrund der im Verhältnis zum Volumen großen
Oberfläche die Grenzflächeneffekte. Sie weisen deshalb neue, sehr interessante
physikalische und chemische Eigenschaften auf und bieten eine Basis für neuartige
Materialien. Da die Eigenschaften der Nano-Materialien wesentlich von den
Partikeleigenschaften, d.h. von deren Größe, Morphologie, Oberflächenbe-
schaffenheit, Ladungszustand usw. abhängig sind, kommen sowohl den
Herstellungsprozessen als auch der Charakterisierung große Bedeutung zu.
Die besonderen Eigenschaften der Nanopartikeln (in Abhängigkeit der Herstel-
lunsparameter) sind u.a.
*große Oberflächen
*chemische Inertheit
*Biokompatibilität
Nanokapseln 6
In Kombination der Nano-Partikeln mit anderen Werkstoffen führen diese
Eigenschaften in manchen Fällen zu deutlichen Änderungen der Materialeigen-
schaften.
Daher ist es das Ziel anstehender Forschungsarbeiten die Entstehungsvorgänge von
Nano-Partikeln im Experiment und mittels Computersimulationen zu untersuchen, sie
hinsichtlich ihrer Morphologie und ihres physikalischen und chemischen Verhaltens zu
charakterisieren und die Beziehungen zwischen Partikelstruktur und
Partikeleigenschaften zu definieren.
Nanokapseln 7
2.1.2 Anwendungsgebiete der Nanokapseln
Die Fortschritte im Bereich der Nano-Technologie haben inzwischen ein solches
Innovationstempo herbeigeführt, dass die Forschung der physikalischen und
chemischen Grundlagen mit der nahezu zeitgleichen Einführung von Produkten
einhergehen, die auf diesen innovativen Technologien beruhen. Die Verkaufserfolge
dieser Produkte haben ihre Ursachen in der Realisation nanoskaliger Bautypen mit
neuen makroskopischen Funktionen.
In der Nanotechnologie werden neue materialspezifische Eigenschaften von
Nanostrukturen genutzt, die sich aus der Größe und den physikalischen
Eigenschaften ergeben.
Das sichere Beherrschen atomarer und molekularer Dimensionen ist Voraussetzung
für eine weitere Verbesserung der auf der Nanotechnologie beruhenden Produkte.
Von manchen Experten wird prognostiziert, dass der darauf basierende weltweite
industrielle Durchbruch der Nanotechnologie eine „neue industrielle Epoche“ eröffnet,
die nur vergleichbar ist mit der Entwicklung des Transistors und die Herstellung der
integrierten Schaltkreise im Bereich der Informationstechnik. Die technologischen
Entwicklungen werden unmittelbar volkswirtschaftliche Implikationen besitzen [7, 8]
Aufgrund des vielversprechenden Entwicklungspotenzials haben Länder wie die
USA, Australien und die Schweiz nationale Programme gestartet, um die
Entwicklung und den Einsatz dieser Technologie systematisch zu unterstützen [7, 9,
10]
Zwangsläufig wird das Fortschreiten des Wissens und die praktischen Erfahrungen
dazu führen, dass die Produkteigenschaften weiter verbessert werden und damit
neue Anwendungen ermöglichen. Dadurch wird es möglich sein eine langfristige
belastbare Optimierung der Produkteigenschaften z.B. im Bereich Energietechnik
(Brennstoffzellen, Batterien, Solarzellen, Gasspeicher, etc.) oder der
Informationstechnik (hochdichte Speicher, leistungsfähige Prozessoren, etc.), sowie
der Umwelttechnik (Materialkreisläufe, Entsorgung, Reinigung, etc.) aber auch im
gesundheitlichen Bereich und des Alterns zu erreichen.
Nanokapseln 8
Die folgenden Bereiche sind denkbare Anwendungsmöglichkeiten für
nanotechnologische Produkte, ohne dass das ganze Potenzial heute bereits
vollständig übersehen werden kann.
• Ultradünne Schichten
• Laterale Nanostrukturen
• Ultrapräzise Bearbeitung von Oberflächen
• Vermessung und Analyse von Nanostrukturen
• Nanomaterialien und molekulare Architekturen
Anwendungsgebiete der Nanokapseln bestehen im industriellen und biologisch-
medizinischen Bereich.
Die bereits gesicherten und denkbaren zukünftigen Einsatzgebiete von Nanopartikel
sehr breit, so dass es den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde alle Bereiche im
Detail darzustellen.
Pulverförmige Nanopartikel stellen eine neuartige Basis für keramische Werkstoffe
(nano-composites), Katalysatoren oder magnetische und elektrische Bauelemente
und Sensoren dar. Weiterhin finden die Nanopartikel als Wärmeleitsysteme Einsatz,
die Bestanteil von integrierten Kühlkonzepten in Elektronik, Elektrotechnik und
Energetik sind und in Form von Folien, Klebern, Vergussmassen, Pasten, Loten usw.
eine breite Anwendung finden können. Wesentlich ist dabei, dass bei höchster
Wärmeleitfähigkeit die Materialeigenschaften wie z.B. Härte, Verschleiss- und
Korrosionsfestigkeit verbessert werden.
Die Einsatzgebiete der Nanokapseln werden außer von ihren chemischen und
physikalischen Eigenschaften auch durch ihre Gestalt bestimmt.
Eine zusätzliche wesentliche Eigenschaft ist die Monodispersität dieser Kapseln.
Dies bedeutet, dass die dispergierten Teilchen alle die gleiche Größe haben [11].
Die Darstellung der Partikel in einer einheitlichen Größe ist in der Praxis schwer zu
realisieren.
Nanokapseln 9
Grundsätzlich ist die Kapselgröße für die Eignung eine entscheidende Determinante.
Insofern ist es erforderlich die Radien exakt zu bestimmen. Hinzu kommt die
Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit und die Trennungsmöglichkeit der
Partikel nach Größe und ihren chemischen Eigenschaften [12].
Weiterhin kommen Nanokapseln bei der Darstellung von Nanokristallen zum Einsatz.
Nanokristalle bestehen aus Teilchen mit eine Größe zwischen 5-100 nm und einer
sehr engen Größenverteilung [14 15]. Solche kolloidalen Kristalle weisen hohe
Periodizitäten im Bereich der optischen Wellenlänge auf. Wenn darüber hinaus eine
sprunghafte Änderung der optischen Dichte realisiert wird, erfüllen sie die
Bedingungen eines „Photonic band gap“-Materials. Daher können sie als solche
verwendet werden [16, 17].
Zudem werden diese als Trägermaterial bei der Absorption und gezielten
Freisetzung von Wirkstoffen in die Blutbahnen bzw. Zellen eingesetzt. Sie werden bei
diagnostischen Testmethoden, die auf der Grundlage der Dispersionskoagulation
basieren, angewandt [12].
Ein Beispiel dafür ist der Nachweis von Antikörpern. Diese Nachweismethode wird
sehr häufig im Rahmen der Virusdiagnostik und bei Schwangerschaftstests
angewandt.
Die monodispersen Partikel finden auch in der Zellbiologie, besonders bei der
Untersuchung der Phagocytose, Anwendung [12]. Die weißen Blutkörperchen (sog.
Makrophagen) sind durch die Bildung von Vakuolen in der Lage, Fremdmaterialien
aufzunehmen. Aufgrund ihrer kleinen Partikelgröße und der kugelförmigen Gestalt
können die monodispersen Partikel von Makrophagen in die Vakuolen
aufgenommen werden. Um die Teilchen verfolgen zu können, werden diese markiert
und werden zur Erkennung der phagocytosefähigen Zellen bei der Zellklassifizierung
und bei der Einführung bestimmter Biomoleküle in das Zellinnere eingesetzt.
Neben der grossen Oberfläche im Verhältnis zur Grösse spielen Eigenschaften wie
chemische Innertheit und Biokompatibilität bei Einsatz im biologisch-medizinischen
Bereich eine wichtige Rolle.
Eine der wichtigsten Eigenschaften der Nanokapseln ist, dass sie den Transport-
/Speicher von Wirkstoffen ermöglichen und somit als „Drug Targeting Systeme“
Nanokapseln 10
eingesetzt werden. Unter dem Begriff „Drug Targeting“ wird das Einbringen der
Wirkstoff enthaltenden Kapseln in den Blutkreislauf und die kontrollierte Freisetzung
dieser Wirkstoffe in vorgesehenen Organen und Geweben zusammengefasst.
Dabei wird der Wirkstoff durch Trägermaterialien gezielt in die Organe bzw. Gewebe
eingebracht und dort in einer effektiven Dosis freigesetzt, wobei die restlichen
Organe vor den möglichen Nebenwirkungen der Wirkstoffe geschützt werden [18, 19].
Alle Stoffe, die im menschlichen Organismus durch die Darmwand aufgenommen
werden, müssen die Leber passieren und dort werden sie, bevor sie mit dem
Blutstrom im Organismus verteilt werden, umgebaut Bei diesem sogenannten „first
pass“ kann der Wirkstoff, bevor ein wirksamer Plasmaspiegel erreicht wird, zu
unwirksamen Metaboliten umgebaut werden, wodurch deren Wirksamkeit
herabgesetzt wird bzw. unerwünschte Arzneimittelwirkungen auftreten Die
sogenannte Bioverfügbarkeit einiger Pharmaka liegen bei oraler Verabreichung nur
bei 4-5%. Insbesondere Peptide und Proteine zählen zu den problematischsten
Substanzen. Aufgrund ihrer im Minutenbereich liegenden Halbwertszeiten sind
mehrfache Injektionen am Tag erforderlich, um eine therapeutisch Wirksame
Konzentrationen dieser Stoffe im Körper aufrecht zu halten Daher ist das Einbringen
der Wirkstoffträger und die kontrollierte Freisetzung des Wirkstoffes in bestimmte
Organe bzw. Gewebe in wirksamer Dosis sehr wichtig. Bei der medizinischen
Applikation dieser kolloidalen Träger kommen diese mit Gewebe und Blut in direkte
Berührung. Partikel, die kleiner als zehn µm sind, verursachen keine bedeutsame
Beschädigung des Gewebes. Dagegen verursachen größere Partikel schwere
Entzündungsreaktionen und Nekrosen1 [23, 24]. Im Allgemeinen werden Partikel, die
größer als 5-7 µm sind, in der Lunge angereichert, kleinere Teilchen werden durch
Zellen des Retikulo-endothelialen Systems2 und durch Phagocytose in Leber, Milz
und Knochenmark angesammelt [25]. Diese Beobachtungen belegen die Bedeutung
der Größenverteilung der kolloidalen Wirkstoffträger bei medizinischen
Applikationen.
Damit der Transport durch die kleinsten Blutgefäße gewährleistet ist, darf die Größe
der kolloidalen Wirkstoffträger einen maximalen Wert von 4 µm nicht überschreiten.
1 Absterben des Körpergewebes.2 Retikulo-endotheliales System (RES): Äußerst stoffwechselaktive Zellen, die immunologische Fress- und
Speicherfunktionen im Organismus übernehmen. Sie kommen im Bindegewebe und in der Endothelschicht der Lymph-und Blutgefäße vor. Sie unterscheiden sich von anderen Zellen durch ihre Anfärbbarkeit mit Silber und die FähigkeitFremdkörper (Farbkörnchen im Blut, Fett, Bakterien usw.) aufzunehmen und zu speichern [2].
Nanokapseln 11
Diese Bedingung wird von den Trägermaterialien wie Liposomen und Nanopartikel
(Nanokapseln und Nanosphären) erfüllt, welche in der Größenordnung von 25 nm bis
1 µm dargestellt werden können. Nanopartikel, die aus biologisch abbaubaren
Polymeren mit einer Größe von 270 nm dargestellt werden können, sind 5-10 fach
kleiner als Blutkörperchen oder Bakterien [19, 26].
Der Nachteil bei der medizinischen Anwendung der Liposomen ist ihre geringe
Temperaturbeständigkeit und der relativ schnelle chemische Abbau. Ein weiterer
Nachteil ist die limitierte Wirkstoffaufnahmekapazität und Probleme, die eine
großtechnologische Produktion verhindern [27, 28].
Damit die Nanopartikel als Wirkstoffträger medizinisch genutzt werden können,
müssen sie je nach Einsatzbereich wichtige Anforderungen erfüllen, die im
Folgenden aufgeführt sind:
• Kolloidale Wirkstoffträger müssen sich am erwünschten Zielorgan anreichern und
dort bis zur vollständigen Freigabe des Wirkstoffes verbleiben.
• Die Freigabe des Wirkstoffes muss in einer definierten und kontrollierbaren (dem
Wirkstoff und dem Anwendungsgebiet angepassten) Geschwindigkeit erfolgen.
• Bei einer parenteralen3 Darreichung muss auch die Möglichkeit der Sterilisation
gewährleistet sein.
• Sie müssen leicht eingenommen und stabilisiert werden können.
• Der Träger muss bei physiologischen Bedingungen rückstandsfrei abgebaut
werden können, wobei der Träger und die Abbauprodukte nicht toxisch sein
dürfen.
Damit Nanopartikel medizinisch eingesetzt werden können, müssen in erster Linie
die Voraussetzung zur Degradation4 erfüllt sein. Damit sollen mögliche toxische
Wirkung vermieden werden, die durch eine Akkumulation der Abbauprodukte
hervorgerufen werden könnten. Diese Degradationsfähigkeit wird durch Herstellung
von bioerodierbaren Kapseln erreicht [29, 30]. Auf diesem Weg wird die Ansammlung
3 Die Einführung von Wirkstoffen in den Körper unter Umgehung des Magen-Darm Traktes.
Im engeren Sinne umfasst die Bezeichung Parenteral nur die Injektionen und Infusionen.4 Biologischer Abbau.
Nanokapseln 12
der Polymere in bestimmten Organen und Gewebe verhindert und die andernfalls
erforderliche operative Entfernung umgangen. Gleichzeitig wird auch eine
Reduzierung unerwünschter Nebenwirkungen erreicht.
Für die Verwendung als Wirkstoffträger, z. B. für die intrazelluläre Einbringung von
Wirkstoffen, werden Polymersysteme mit charakteristischen molekularen
Architekturen und Superstrukturen maßgeschneidert. Bioerodierbare und
biokompatible Polymere sind beispielsweise Polylysine, Polylactide, Polylactid-
Blockcopolymere, Polyurethane und Polyharnstoffe.
Biologisch abbaubare Kapseln können aus natürlichen und synthetischen Polymeren
hergestellt werden. Natürliche Polymere, die zur Kapselsynthese benutzt werden,
sind Albumin, Collagen, Gelatine, Chitin und Polymere der Milchsäure. Typische
Vertreter der synthetischen Polymere sind Polyester, Polyamide, Polyanhydride,
Polyalkylcyanacrylate und Polyalkylmethyl-acrylate [31, 5]. Aus Polymeren der
Milchsäure erhält man Kapseln (>10 µm) mit definierten Größenverteilungen, die eine
Degradationszeit von einer Woche bis zu einem Monat erfordern. Dagegen liefern
Polyalkylcyanacrylate monodisperse Nanokapseln mit einer Degradationszeit von
einer Stunde bis zu einem Tag [5, 32, 33].
Die Einsatzmöglichkeit der aus Polyalkylcyanacrylaten dargestellten Nanopartikel,
die auf ihrer Oberfläche Antikörper tragen oder magnetische Eigenschaften
aufweisen, wird in der Chemotherapie untersucht [33]. Auch in der Augenheilkunde
könnten Nanopartikel zum Einsatz kommen. Es sind teilweise inkorporierte
Zytostatika erfolgreich im Tierversuch eingesetzt worden. Der Einsatz als
Trägermaterial für Impfstoffe und Virostatika, besonders im Rahmen der HIV-
Therapie wird diskutiert [34]. Auch als künstlicher Blutersatzstoff wurden die
Nanokapseln als Träger von Hämoglobin, Enzymen und anderen Blutinhaltsstoffen
vorgeschlagen [35, 36]. Ein weiteres Forschungsgebiet ist die Anwendung bei der
Behandlung von Gehirntumoren.
Die Gehirngefäße sind mit einer besonders dichten Endothelzellschicht ausgekleidet,
die die sogenannte Blut-Hirn-Schranke bilden und von vielen Arzneistoffen nicht
penetriert werden kann. Es ist der Forschungsgruppe von J. Kreuter gelungen, das
an Nanopartikel gebundene Anti-Krebsmittel Doxorubicin im Gehirn der Ratten
Nanokapseln 13
nachzuweisen. Durch Nanopartikel wurde die Passage der Blut-Hirn-Schranke
erreicht [27].
Kürzlich ist den Bioingenieuren der University of Illinois gelungen, eine Nanokapsel zu
entwickeln, die in der Diabetes-Behandlung eingesetzt werden soll. Sie sind
ausreichend gross, um Insulin freizusetzen, ohne dass Antikörper induziert werden.
Der Forscherin Teja Desai ist es mit diesen Nanokapseln gelungen, zuckerkranke
Ratten mittels zu heilen.
Nanokapseln, die selektiv Stoffe aufnehmen oder abgeben und als Nanoreaktoren für
biologische und chemische Prozesse dienen können, finden weitere Einsatzgebiete
und eröffnen damit neue Wege für Diagnostik und Pharmazie.
Der Einsatz im Bereich der kosmetischen Industrie hat zahlreiche Untersuchungen
nach sich gezogen, in denen der Einsatz dieser Kapseln mit unterschiedlichsten
Produkten, welche sich von Präparaten gegen die Hautalterung bis zum
Sonnenschutz erstrecken, geprüft wird. Weiterhin können diese bei vielen
Testmethoden wie Schwangerschafts-, Nahrungsmittel- und Insektizidtests eingesetzt
werden, welche zeitkritisch durchgeführt werden müssen. Ferner finden Nano- oder
Mikrokapseln in der Tiermedizin, Nahrungsmittelindustrie und bei
selbstdurchschreibendem Papier Anwendung.
An dieser Stelle wird ein kurzer Überblick über die historische Entwicklung der
Nanokapselsynthese gegeben. 1957 berichtete T.H.S. Chang über die
Mikroverkapselung von biologisch aktivem Material [35]. Mikrokapseln besitzen wie
die Nanokapseln eine feste Polymerhülle und einen Hohlraum [37]. Wirkstoffe durch
Trägermaterialien in den Organismus zu bringen und dort gezielt freizusetzen,
veranlassten die Synthese der Nanopartikel. Die ersten biologisch nicht abbaubaren
Nanosphären wurden von G. Bierrenbach 1976 aus Polyacrylat synthetisiert [38. Drei
Jahre später wurden biologisch abbaubare Nanosphären aus Poly(alkyl-2-
cyanacrylat) (PACA) mit geringer Toxizität und relativ einfacher Synthese von
Couvreur et al. dargestellt [39. Die Synthese der Kapseln mit einer hohlen Struktur
gelang 1986 Al Khouri Fallouh et al. [40, 41]. Der Vorteil dieser von Al Khouri Fallouh
entwickelten Darstellungsmethode ist die Übertragbarkeit auf industriellen Maßstab.
Die Bedeutung von modifiziertem Hämoglobin als Blutersatzstoff bei der AIDS- und
Nanokapseln 14
Hepatitistherapie stieg angesichts des durch HIV und Hepatitis sensibilisierten
Bewusstsein für infektiologische Problematiken [42]. Seither laufen zahlreiche
Entwicklungsarbeiten Bereiche unter dem Oberbegriff der Nanotechnologie, der viele
Bereiche und Branchen betrifft.
Nanokapseln 15
2.1.3 Darstellung der Nanokapseln
2.1.3.1 Synthesevarianten
Die erste Synthesemethode von Polyalkylcyanoacrylat-Nanokapseln wurde von Al
Khouri Fallouh et al. im Jahre 1986 entwickelt. Diese Methode beruht auf einer
anionischen Grenzflächenpolymerisation zwischen der organischen und der
wässrigen Phase [5]. Die organische Phase besteht aus einer Lösung von 4 ml Öl
(Miglyol®), 50 ml wasserfreiem Ethanol und 0.5 ml amphiphilem Monomer
Isobutylcyanacrylat (IBCA). Die wässrige Phase mit einem pH-Wert von 6 wird aus
200 ml Wasser gebildet, in dem 1 g nichtionisches Netzmittel (Synperonic® PE/F68)
gelöst sind. Bei Raumtemperatur wird die organische Phase durch ein
Silikonröhrchen mit einer feinen Spitze in die wässrige Phase getropft. Mittels
Magnetrührer wird die Mischung ständig gerührt (Abbildung 2.1-1). Die
Polymerisation setzt nach dem Zutropfen der organischen Phase sofort ein. Dabei
wird die Suspension milchig. Anschließend wird die Suspension auf ein Fünftel des
Volumens eingeengt und über ein Glasfiltertiegel mit einer Porengröße von
9-15°µm filtriert.
-_
Abbildung 2.1-1: Versuchsaufbau nach Al Khouri Fallouh et al
Nach dieser Methode erhält man Kapseln mit Durchmessern von 200-300 nm und
einer Schichtdicke der Polymerhülle von ca. 3 nm [40, 5].
Organische Phase:
Miglyol, Ethanol,IBCA
Wässrige Phase:
Wasser, Synperonic
Nanokapseln 16
Bei der Synthese wurde häufig eine frühzeitige Polymerisation beobachtet. Um diese
vorzeitige Polymerisation des Monomers schon in der organischen Phase zu
verhindern, wurde von F. Chouinard 1991 erstmals die Synthese abgewandelt [43, 44].
Dabei wurde das Monomer mit SO2-Gas versetzt, bevor es in die flüssige Phase
zugegeben wurde. Bei dieser vorzeitigen Polymerisation bilden sich Oligomere.
Dieses Ergebnis wurde von M. Gallardo et al. durch GPC-Messungen bei den
Versuchen mit Isobutylcyanoacrylaten gefunden [45]. Zur Aufhebung dieses Problems
wurde später eine noch einfachere Methode entwickelt. Hierbei wird die organische
Phase mit 1,0 Vol-% verdünnter HCl-Lösung versetzt [46,47]. Polyalkylcanoacrylat ist
eine sehr reaktive Verbindung. Wirkstoffe, welche eingekapselt werden, können
ebenfalls reaktive Verbindungen sein und mit dem Polyalkylcyanoacrylat zu
unerwünschten Nebenprodukten reagieren. Damit diese unerwünschte Reaktion
unterbunden wird, wurden die Komponenten der organischen Phase über ein
Injektionssystem von einander getrennt, wobei sie unmittelbar vor der Injektion in die
wässrige Phase vereint werden. Nach Al Khouri wird die Kapselgröße von der
Tröpfchengröße stark beeinflusst (s. Kapitel 2.1.3.3). Um eine Vergrößerung der
Oberfläche und eine homogene Zerteilung der Tröpfchen zu erreichen, wurde ein
Rührer nach dem Stator-Rotor-Prinzip5 entwickelt [48]. Die Vergrößerung der
Tröpfchenoberfläche ist mit Energieeintrag verbunden.
2.1.3.2 Aufbau und Eigenschaften der Nanokapseln
Der Oberbegriff Nanopartikel umfasst Nanosphären und Nanokapseln. Sowohl die
Nanosphären als auch die Nanokapseln sind Kolloide aus einer Polymermatrix in der
Größenordnung von Nanometern.
Der Ausdruck Nanopartikel wird als Oberbegriff für die Bezeichnung von
Nanosphären und Nanokapseln benutzt [4]. Der Unterschied zwischen Nanosphären
und Nanokapseln besteht darin, dass im ersten Fall die Partikel aus einem massiven
Polymergerüst aufgebaut sind, wobei man nicht genau unterscheiden kann, ob das
biologisch aktive Material an der Oberfläche adsorbiert, gebunden oder
eingeschlossen ist. Im zweiten Fall umschließt die Polymermatrix einen
5 Bei solchen Rührern ist ein beweglicher Teil, der „Rotor“ , von einem starren „Stator“ umgeben. Dadurch werdenScherkräfte auf engstem Raum erzeugt.
Nanokapseln 17
kugelförmigen Hohlraum, der mit Öl aufgefüllt ist. Das aktive Material befindet sich
innerhalb dieses Ölkerns (Abbildung 2.1-2).
Abbildung. 2.1-2: Schematische Darstellung einer Nanokapsel
In der Literatur wird die Bezeichnung für Nanokapseln und Nanosphären oft
nicht klar differenziert. In dieser Arbeit wird die oben erläuterte, von J. Kreuter und P.
Couvreur beschriebene Definition der Begriffe übernommen [4, 30].
Eine Nanokapsel ist ein sphärischer Hohlkörper mit einem Durchmesser von
ca. 300 nm. Ein Öltropfen, in dem der lipophile Wirkstoff gelöst sein kann, bildet den
Kern der Kapsel. Sie wird von einer aus amphiphilen Monomereinheiten gebildeten
Polymerhülle umgeben, auf der eine Tensidschicht angelagert ist. Die
Tensidmoleküle, auch Surfactants genant, sind teilweise auf der Partikeloberfläche
adsorbiert. Diese Adsorption spielt bei dem Abbauprozess der Kapseln eine
entscheidende Rolle. Die Agglomeration der Kapseln zu Clustern wird auch durch
diese Tensidschicht verhindert [41]. Als Tenside werden häufig Block-Copolymere
verwendet, welche über einen zentralen hydrophoben Teil (z.B. Polypropylenoxid) und
zwei terminale, hydrophile Kettenteile (z.B. Polyethylenoxid) verfügen. Die in das
Dispersionsmedium hineinragenden hyrophilen Enden dieser Moleküle verhindern
die Annäherung der Kapseln und führen eine sterische Stabilisierung herbei. Die
Agglomeration der Kapseln wird zusätzlich durch Entropieeffekte verhindert. Die
Nanokapseln 18
Beweglichkeit der Tensidmoleküle wäre bei einer Agglomeration eingeschränkt,
wodurch die Entropie abnehmen würde. Die Tensidmoleküle sind durch ihre
hydrophoben Polypropylenoxidketten auf der Partikeloberfläche adsorbiert. Für diese
Adsorption ist die Triebskraft der Entropiegewinn, welcher durch die
Dehydratisierung bei der Fixierung der Polypropylenoxidketten auf die
Partikeloberfläche resultiert. Die Dicke dieser Polymerschicht ist von der Hydrophilie
der Partikeloberfläche und der Art des eingesetzten Tensids abhängig. Nach Müller
beträgt sie für Ethylenoxid-Propylenoxid-Block-Copolymere 7-15 nm [49]. Damit eine
effektive sterische Stabilisierung gewährleistet ist, sollte nach Tadros diese Schicht
größer als 10 nm sein [50]. Die Wanddicke ist vom eingesetzten Monomer abhängig
und beträgt bei Polyisobutylcyanoacrylat-Kapseln, wie die
transmissionselektronenmikroskopischen Messungen zeigen, 3-5 nm [40].
Die Präparation der Kapseln erfolgt nach der von Al Khouri [41] vorgeschlagenen
Synthese. Hierbei ist die Monomerkomponente in einer ethanolhaltigen Ölphase
gelöst, welche unter ständigem Rühren zu einer wässrigen Netzmittellösung gegeben
wird.
Für den Mechanismus der Kapselbildung werden unterschiedliche Modelle diskutiert
(Abschnitt 2.1.3.3). Die plausibelste Erklärung für die Kapselbildung ist, dass sich
die amphiphilen Monomere an der Oberfläche des Öltropfens anreichern und dort
nach Initiierung durch Hydroxidionen eine anionische Polymerisationsreaktion
eingehen.
Bei der Verwendung der Nanokapseln als potentielle Träger von pharma-zeutischen
Wirkstoffen prägen die Kapseleigenschaften die besonderen Vorzüge des
Präparats. Die wichtigsten Eigenschaften sind die Größe und die Beschaffenheit der
Oberfläche, die chemische Zusammensetzung der Polymerhülle, die Molmasse des
Polymeren und die Art der anhaftenden Tensidschicht. Die Veränderungen dieser
Kapseleigenschaften in Abhängigkeit von den vorgegebenen Bedingungen des
Anwendungsbereiches können dem Präparat besondere Eigenschaften bezüglich
seiner Gewebeselektivität, seiner Depotwirkung oder seiner Aufnahme durch
körpereigene Barrieren verleihen.
Die Schichtdicke der Polymerhülle und der anhaftenden Tensidmoleküle bestimmen
die Freisetzungsgeschwindigkeit des Wirkstoffes. Je größer die Schichtdicke ist, um
so langsamer ist die Freisetzungsgeschwindigkeit [50].
Nanokapseln 19
Die Variation der Kapseloberfläche, welche z.B. durch Anheften von monoklonalen
Antikörpern an die Kapselwand erreicht werden kann, führt in definierten
Zielgeweben und Zelltypen zur Anreicherung des Präparates aus dem Blutstrom.
Die Kapselgröße, welche durch die Größe der Öltröpfchen und die Dicke der
Polymerhülle bestimmt wird, entscheidet somit über die Kapazität der
Wirkstoffaufnahme und die Geschwindigkeit der Freisetzung.
2.1.3.3 Bildungs- und Reaktionsmechanismen
Für den Bildungsmechanismus der Nanokapseln nach dem Mechanismus der
Grenzflächenpolymerisation zwischen der organischen und der wässrigen Phase
wurden bisher zwei Theorien vorgeschlagen.
Die erste Theorie stammt von Al Khouri Fallouh. Sie besagt, dass bei der Injektion
der organischen Phase in die wässrige das Öl darin dispergiert wird, wodurch sich
eine „Öl in Wasser“- (O/W-) Emulsion bildet [41]. Die Monomer-Moleküle wandern
aufgrund ihrer amphiphilen Eigenschaft an die Grenzfläche und stabilisieren sie durch
die Verminderung der Grenzflächenspannung. Unter Einfluss von Hydroxidionen
gehen diese eine spontane Polymerisationsreaktion ein, wobei ein festes
Polymergerüst entsteht. An diesem Polymergerüst lagern sich die Tensidmoleküle
an, die ebenfalls amphiphil sind und verhindern die Agglomeration der Kapseln. Nach
dieser Theorie wird die Größe der Kapseln durch die Größe der dispergierten
Öltröpfchen bestimmt. Dieses Phänomen wird von Leanaerts et. al. bestätigt [43]. Die
Abbildung 2.1-3 soll den Bildungsmechanismus nach Al Khouri Fallouh verdeutlichen:
Nanokapseln 20
Abbildung 2.1-3: Bildungsmechanismus der Nanokapseln nach Al Khouri Fallouh et al. [41].
Der Mechanismus der anionischen Grenzflächenpolymerisation erfolgt in mehreren
Schritten. Als erster Schritt wird die Entstehung der Hydroxidionen bei der
Autoprotolyse des Wassers aufgefasst. Die Doppelbindung des Monomeren wird
von den Hydroxidionen oder Ethanol nucleophil angegriffen. Dabei bilden sich
Carbanionen, die für den Schritt des Kettenwachstums verantwortlich sind. Diesem
Schritt der Polymerisation folgt die Kettenübertragungsreaktion. Durch den
elektrophilen Angriff der Hydroniumionen wird die Polymerisationsreaktion
abgebrochen. Die einzelnen Schritte werden anhand von n-Butylcyanacrylat wie folgt
dargestellt:
1. Autoprotolyse von Wasser:
2 H2O H3O + OH
2. Kettenstart:
CH2 C
CO2R
CNHO
CN
CO2R
CCH2+OH
CH2 CH2 CH2 CH3R=
H2C = C
CN
R
__
H2C = C
CN
R
__
H 2C = C
CN
R
__
H2C C
CN
R_
_
H2C C
CN
R
__
H 2C
CCN
R
__
_ ____
_
_OR
wässrige Phase
CO2 CH2 CH2 CH2 CH3 R =
organische Phase organische Phase
R = CH3CH2 / H
Nanokapseln 21
3. Kettenwachstum:
HO
CN
CO2R
CCH2 +
CN
CO2R
CCH2 C
CN
CO2R
CCH2CH2HO
CN
CO2R
4. Übertragungsreaktion:
+ H2O
CN
CO2R
CCH2CCH2
CO2R
CN
HO
n
+
CN
CO2R
CCH2CCH2
CO2R
CN
HHO
n
OH
5. Kettenabbruch:
CN
CO2R
CCH2CCH2
CO2R
CN
HO
n
+ H3O +
CN
CO2R
CCH2CCH2
CO2R
CN
HHO
n
H2O
Die zweite Theorie wurde von M. Gallardo et. al. vorgeschlagen [45]. Demnach findet
eine Fragmentierung der Grenzfläche (Polymerfilm) statt (Abbildung 2.1-4). Diese
Grenzfläche wird aufgrund der Strömungen und Turbulenzen in der organischen
Phase aufgerissen. Dabei werden Nanokapseln und Nanosphären gebildet. Der
genaue Ablauf der Kapselbildung lässt sich nach M. Gallardo folgendermaßen
darstellen:
In der organischen Phase befinden sich neben Monomeren und Öl auch Oligomere.
Diese entstehen hier vor der Polymerisationsreaktion, die erst nach Vereinigung der
beiden Phasen stattfindet. Alle Bestandteile der organischen Phase strömen nach
der Injektion in Richtung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen. Hier wird
angenommen, dass Ethanolmoleküle aufgrund der besseren Löslichkeit in Wasser
eine Strömung bewirken (Primärkonvektion). Sowohl die Monomere als auch die
Oligomere sind in Ethanol sehr gut löslich, im Wasser dagegen schlecht. Sie werden
daher von Ethanol mitgerissen
und sammeln sich an der Grenzfläche. Dadurch steigt Ihre Konzentration an
Nanokapseln 22
der Grenzfläche, wodurch nach dem Marangoni-Effekt6 Turbulenzen entstehen.
Infolge dieser Turbulenzen findet die Fragmentierung des Polymerfilms
statt (Sekundärkonvektion), der zur Bildung der Nanokapseln und Nanosphären
führen soll.
Abbildung 2.1-4: Schematische Darstellung der Nanokapselbildung nach M. Gallardo et al. [45].
Nach dieser Theorie wird die Vergrößerung der Phasengrenzfläche durch Zufuhr von
mechanischer Energie und die damit verbundene Vergrößerung der Grenzfläche und
Verkleinerung der Grenzflächenspannung außer Acht gelassen. Demnach dürften die
mechanischen Effekte, wie das Rühren mit erhöhter Rührgeschwindigkeit oder
Formveränderungen des Rührwerkes, die zu hohen Scherungen und damit
verbundenen Oberflächenvergrößerungen führen, keinen Einfluss auf die
Kapselgröße haben. Dem widerspricht die Tatsache, dass durch hohe Energie
Einträge mittels Ultraschall oder durch Rührwerke welche hohe Scherkräfte erzeugen,
zur Verringerung der Kapselradien führen [48,52]. Nach Al Khouri Fallouh et al. wird
die Größe der Kapseln von der Größe der Öltröpfchen bestimmt.
6 Nach dem Marangoni - Effekt bewirken lokale Gradienten der Oberflächenspannung einen konvektiven
Flüssigkeitstransport in der Phasengrenze, wobei durch die entstehende hydrodynamische InstabilitätFlüssigkeitströpfchen in die benachbarte Phase transportiert werden [11, 51].
organische Phase wässrige Phase
Monomer
Fragmentierungdes Polymerfilms
Primärkonvektion
Sekundärkonvektion
zu Nanokapseln
zu Nanosphären
Oligomere
Nanokapseln 23
2.1.3.4 Die Abhängigkeit der Kapselgröße von chemischen undphysikalischen Parametern
Die Kapselgröße wird von Syntheseparametern wie Temperatur, pH-Wert, von der
Art und Menge des verwendeten Monomes, Tensids und des Öls beeinflusst. Das bei
der Synthese verwendete Rührwerk, die Rührgeschwindigkeit und die dabei
entstehenden Scherkräfte üben ebenfalls einen großen Einfluss auf die Kapselgröße
aus.
Einfluss der Temperatur und des pH-Wertes
Die Beobachtungen von Al Khouri Fallouh et al. weisen auf eine Abhängigkeit der
Kapselgröße von der Reaktionstemperatur hin. Die Ergebnisse der Versuche, die in
einem Temperaturbereich zwischen 0 und 90°C durchgeführt wurden, zeigen, dass
sich mit steigender Temperatur das Massenmittel der Kapseldurchmesser von 249
auf 334 nm erhöht, wobei eine gleichzeitige Zunahme der Polydispersität beobachtet
wird [41].
So wie die Temperatur hat auch der pH-Wert einen Einfluss auf die Kapselgröße und
die Polydispersität. Die Konzentration der Hydroxidionen beeinflusst die
Reaktionsgeschwindigkeit der Polymerisation. Mit steigendem pH-Wert nimmt die
Geschwindigkeit der Reaktion zu. Der Grund dafür liegt darin, dass mit abnehmender
Konzentration der Hydroniumionen die Konzentration an Hydroxidionen ansteigt, und
somit die Anzahl der nucleophilen Teilchen, die die Reaktion initiieren, erhöht wird.
Der Einfluss des pH-Wertes auf die Reaktionskinetik zeigt sich in der Zunahme der
Polydispersität und der Kapselgröße [4]. V. Lenearts et al. beobachteten ein
ähnliches Verhalten. Bei ihren Messungen stieg die Polydispersität bei Verwendung
von Medien mit pH-Werten unterhalb von 4 [43]. T. Optenhostert beobachtet in seiner
Arbeit, dass es bei pH-Werten 1 und 3 keine Abhängigkeit der Kapselgröße gibt und
bei pH ≥ 4 keine Kapseln, sondern Nanosphären entstehen [52]
Nanokapseln 24
Einfluss von Art und Menge des Tensids
Bei Versuchen mit Isohexylcyanoacrylaten (IHCA) und Isobutylcyanoacrylaten hat
Chouinard et al. keinen signifikanten Einfluss der Tensidkonzentration auf die
Kapselgröße festgestellt [43].
Die Affinität des Tensids zu den Öltröpfchen liegt scheinbar im Polymerisationsgrad
der Polymerschicht begründet. Wenn das Polymer eine größere Molmasse besitzt,
ist die Haftung des nichtionischen Tensids Synperonic F68 auf der Oberfläche der
Kapseln stärker [44]. Im Gegensatz hierzu hat die Tensidkonzentration einen
merklichen Einfluss auf die Größe der resultierenden Nanopartikel (Nanosphären)
aus IBCA und Isohexylcyanacrylat (IHCA). Der Grund liegt darin, dass die
Polymerisation hier innerhalb der Mizellen abläuft und sowohl die Größe als auch die
Anzahl der gebildeten Mizellen von der Tensidkonzentration abhängig sind. Bei einer
deutlichen Überschreitung der kritischen Mizell-Konzentration (KMK) beobachten
Couvreur et al. eine Abnahme der Größe [53].
Das Adsorbtionsverhalten des Tensids an der Kapseloberfläche ist von der Art des
verwendeten Tensids abhängig. Bei Variation der Art des Tensids zeigt sich, dass
sich der Stabilisierungseffekt in Abhängigkeit vom Polypropylenoxid-Anteil7 ändert.
Mit sinkendem Anteil an Polypropylenoxid nimmt die Affinität des Tensids zu den
Öltropfen ab [44].
Einfluss von Art und Menge des Monomeren
Für die Nanokapselsynthese wurden bisher IHCA und IBCA als Monomere
eingesetzt. Die mittels der Dynamischen Lichtstreuung ermittelten Werte zeigen,
dass bei dem Einsatz von IHCA als Monomerem Kapseln mit einem Durchmesser
von etwa 220 ± 65 nm, im Falle von IBCA von 154 ± 34 nm erhalten werden.
Scheinbar übt die Variation der Länge der Seitenketten, einen Einfluss auf die
Kapselgröße aus. Die Ketten der IBCA Moleküle sind kürzer als die von IHCA, daher
ordnen sich die IBCA Moleküle schneller an der Oberfläche und stabilisieren diese
auch stärker [40, 41, 43, 44, 45].
7 Das Netzmittel Synperonic PE/F68 gehört zu einer Reihe von Block-Polymeren und besteht aus
zwei terminalen Polyethylenoxid- und einer zentralen Polypropylenoxidkette. Der Anteil der zentralenPolyethylenoxidkette beträgt zwischen 80-89% (Strukturformel s. Anhang 6.9).
Nanokapseln 25
Über den Einfluss der Konzentration des Monomers auf die Kapselgröße werden in
der Literatur unterschiedliche Aussagen gemacht. Es wird in der Literatur berichtet,
dass mit zunehmender Monomermenge kleinere Kapseln entstehen. Der vermutliche
Grund dafür liegt darin, dass das Monomer die freie Energie der Grenzfläche
zwischen der organischen und der wässrigen Phase herabsetzt, wodurch eine
Vergrößerung der Grenzfläche erreicht wird. Als Folge davon bilden sich kleinere
Kapseln. Im Gegensatz hierzu bewirkt nach Beobachtungen von Chouinard et al. die
Variation der Menge des IHCA im Bereich von 0.3 - 2 Vol. % keine signifikante
Änderung der Kapselgröße [43].
Einfluss des Öl - Ethanol - Verhältnisses
Auf die Kapselgröße übt das Verhältnis Öl zu Ethanol den stärksten Einfluss aus [41,
47, 50]. Im Falle eines zu geringen Anteils an Ethanol (>10 %) bezogen auf das
Gesamtvolumen findet eine Flockenbildung anstelle der Kapselbildung statt. Mit
steigendem Anteil an Ethanol im Verhältnis zum Ölanteil bilden sich kleinere Kapseln.
Bei Ethanol oder Öl freie Synthese entstehen anstelle von Kapseln Sphären [41, 43,
54].
Zur Klärung der Einflüsse einstellbarer Parameter auf das Ergebnis der
Kapselsynthese wurde ein Syntheseplan (Faktorenversuchsplan) aufgestellt. Mit Hilfe
dieses Faktorenversuchsplans ist es möglich, die Einflüsse der verschiedenen
Parameter unabhängig von einander zu bestimmen. Im Abschnitt 3.1.3.1 werden die
Einzelheiten dieses Faktorenversuchsplans erläutert.
Charakterisierungsmethoden 26
2.2 Charakterisierungsmethoden
2.2.1 Die Thermogravimetrie (TGA)
Thermogravimetrie ist eine Messmethode, bei der die Massenänderung einer Probe
in Abhängigkeit von der Zeit oder der Temperatur gemessen wird [55]. Die
Registrierung von Gewichtsverlusten einer Probe wird unter einem kontrollierten
Temperatureinfluss durchgeführt [56]. Die Gewichtsänderungen können sowohl auf
physikalische als auch auf chemische Vorgänge zurückgeführt werden. Da die
Erfassung von Gewichtsänderungen mit einer hochempfindlichen Waage
durchgeführt wird, wird für das Messgerät mit allem zur Messung notwendigen
Zubehör auch der Begriff Thermowaage verwendet [57]. Die Messeinrichtung ist aus
den folgenden Einheiten modular aufgebaut:
*Thermogravimetrischer Analysator
*Elektronische Waage-Kontrolleinheit
*Temperaturprogrammer
*Heizregler
*Derivativ-Rechner für die erste Ableitung
Der Temperaturprogrammer ist die Einheit, an der die Heizrate und die
Endtemperatur eingestellt bzw. festgelegt wird. Die Stromversorgung der
Analysatoreinheit erfolgt über den Heizregler. Die Thermoelementspannung, durch
die die Temperatur der Probe aufgezeichnet wird, wird ebenfalls über den Heizregler
überprüft. Mit Hilfe des Derivat-Rechner für die erste Ableitung wird eine bessere
Signalauflösung erhalten. Dadurch wird die Trennung der sich überlappenden
Gewichtsänderungen ermöglicht. Somit sind die Einzelschritte komplexer Reaktionen
besser zu trennen und die Temperatur des maximalen Reaktionsumsatzes
(dm/dTmax) aus der Temperatur des DTG-Peakmaximums (DTG, Differenzierte
Thermogravimetrie) zu ermitteln. Über den Rechner erfolgt die Registrierung der
Gewichtsänderungen (TG-Signale) und gleichzeitige Bildung der ersten Ableitung
des TG-Signals dm(T)/dt.
dtdm
dtmmd
dtmd =
−=∆ )()( 0 Gl.2.2.1-1
Dabei ist m die Masse zum Zeitpunkt t und m0 ist die Ausgangsmasse.
Charakterisierungsmethoden 27
Die erste Ableitung des TG-Signals nach der Zeit gibt die Geschwindigkeiten der
Gewichtsänderung wieder und wird als DTG-Signal aufgenommen. Die zusätzliche
Aufzeichnung von DTG- zur TG-Kurve ist von großem Vorteil. Dadurch werden auch
die Einzelschritte komplexer Reaktionen besser getrennt [58, 59, 60] .
Abbildung 2.2-1: Thermogravimetrische Kurve TG und die erste Ableitung nach der Zeit DTG
Aus der Temperatur des DTG-Peakmaximums ist die Bestimmung der Temperatur
des maximalen Reaktionsumsatzes Tp (dm/dt)max möglich.
Abbildung 2.2-2 Ermittlung charakteristischerTemperaturen aus TG- und DTG-Kurven. DieTemperaturen Te / T‘e sowie Tf / T‘f sind nichtidentisch. Ti und Tc sind die Temperaturen derersten und letzten Masseänderung, Te und Tf sinddie Anfangs und Endpunkte der Extrapolation[61]. Tp ist die Temperatur des Peakmaximums
Masseänderung
Masse
Temperatur/Zeit
Ma
ss
e
dm
/dt
Charakterisierungsmethoden 28
Damit Gewichtsveränderungen gemessen werden können, muss die Voraussetzung,
dass ein Stoffaustausch zwischen der Probe und seiner Umgebung stattfindet, erfüllt
sein. Daher ist die Probenvorbereitung (homogene Verteilung der Probe im Tiegel),
die Ofenatmosphäre und die Wahl des Tiegelmaterials (es darf keine Reaktion
zwischen Tiegelmaterial und Probensubstanz auftreten) wichtig, weil sie einen
großen Einfluss auf den Verlauf der TG-Kurven haben [57]. Ein weiterer wichtiger
Punkt ist die Wahl der optimalen Heizrate. Bei zu hohen Heizraten können, wenn
Teilreaktionen auftreten, diese sich so überlagern, dass sie schlecht auflösbar sind
und somit ihre Anfangspunke nicht bestimmbar sind (Abbildung 2.2-3).
Abbildung 2.2-3: Die Auflösung der unterschiedlichen Teilreaktionen in Abhängigkeit der Heizrate ß.
Abnahme der Heizr
ate ß
Temperatur
Charakterisierungsmethoden 29
2.2.2 Analytische Ultrazentrifugation (AUZ)
Entsprechend der vielfältigen Einsätze der Ultrazentrifugation gibt es
unterschiedliche Varianten dieser Methode. Analytische Ultrazentrifugation (engl.
Analytical Ultracentrifugation, AUZ) ist eine Methode, die für die Charakterisierung
von Polymeren und Partikeln geeignet ist. Ein signifikanter Teil zum Verständnis von
Makromolekülen wurde durch die Pionierarbeiten von Svedberg auf diesem Gebiet
geleistet.
Der Vorteil dieser Methode liegt in der Zerlegung der Proben nach ihren Molmassen,
Partikelgrößen oder Dichten, ohne dass dabei eine stationäre Phase erforderlich ist,
wie es bei chromatographischen Methoden der Fall wäre. Die Fraktionierung
ermöglicht die Messung von Molmassenverteilung, Partikelgrößen und Dichten. Der
Anwendungsbereich ist sehr breit. Neben biologischen Materialien oder ungelösten
Substanzen, können auch Systeme, erstreckend von Gelen über Microgelen,
Dispersionen, Emulsionen bis zu Lösungen, vermessen werden.
In der Ultrazentrifugation, deren Prinzip in der Abbildung 2.2-4 dargestellt ist, wird
statt der Schwerkraft FSchw. die Zentrifugalkraft Fz wirksam, die bei einer Kreisbewe-
gung auftritt.
Abbildung 2.2-4: Schematische Darstellung einer Beckman Optima XL Ultrazentrifugation
drive
laser
signal to the A/D-converter
diode
cell of the 8-hole rotor(Heraeus Christ)
drive
cooling rib
laserSignal fromthe vacuumgauge
shutter
sapphire window
Charakterisierungsmethoden 30
In Abbildung 2.2-5 ist eine sektorförmige Ultrazentrifugationzelle dargestellt.
Detektor
Lösung
LaserGrenzfläche
Luft
Lösungsmittel
Meniskus
rrGr
r0
ω
Abbildung 2.2-5: Zentraler Schnitt durch die Ultrazentrifugationzelle mit einem sektorförmigen Ausschnitt, in dem sich die Lösung befindet. Die Zentrifugalkraft bewirkt die Sedimentation in radialer Richtung.
Wird ein Teilchen mit der Masse m und der Geschwindigkeit v im Abstand r um ein
Drehzentrum bewegt, so wirkt die Zentrifugalkraft Fz auf sie.
rmFz2ω= Gl.2.2.2-1
Mit der Winkelgeschwindigkeit ω
πγω 2v==
r Gl.2.2.2-2
γ ist die Umlauffrequenz des Rotors.
Für die Zentrifugalkraft auf das Teilchen i der Masse m gilt nach der Auftriebs-
korrektur:
( LL
z VrmrmF ρωρρ
ω −=
−= 11 22 ) Gl.2.2.2-3
Lρ ist die Dichte der Lösung, V/1=ρ die effektive Dichte des Teilchens, V das
partielle spezifische Volumen des Teilchens und
−
ρ
ρ L1 der Auftriebsfaktor.
Charakterisierungsmethoden 31
Die Teilchen werden in eine beschleunigte Bewegung versetzt, bis die auftretende
Reibungskraft größer oder gleich ist wie die Antriebskraft. Aus dem
Kräftegleichgewicht folgt für die zeitlich konstante Bewegung des Teilchens mit dem
Reibungskoeffizient f ( sRf πη6= für kugelförmige Teilchen):
( ) sL fvVrm =− ρω 12 Gl.2.2.2-4
und damit gilt für die Sedimentationsgeschwindigkeit v :
( )f
Vrmv L
s
ρω −= 12
Gl.2.2.2-5
Die Gleichung 2.2.2-5 zeigt, dass die Sedimentationsgeschwindigkeit v direkt
proportional zu der Stärke des Zentrifugalfeldes ist. Der Quotient aus der
Sedimentationsgeschwindigkeit sv und der Zentrifugalbeschleunigung r2ω ist der
von Svedberg eingeführte Sedimentationskoeffizient s.
( )fVm
rv
s Ls ρω
−== 12
Gl.2.2.2-6
Der Sedimentationskoeffizient s stellt somit die Sedimentationsgeschwindigkeit in
Abhängigkeit der wirksamen Zentrifugalbeschleunigung dar und ist somit ein Maß für
die Sedimentation, welcher nur noch von den Teilcheneigenschaften abhängig ist.
Aus der Gleichung 2.2.2-6 kann man ableiten:
• Die Sedimentationsgeschwindigkeit eines Teilchens ist seiner Masse proportional.
Teilchen mit großer Masse sedimentieren schneller als die mit kleineren Massen.
• Da die Auftriebskraft für ein Teilchen mit höhere Dichte geringer ist als für eines
mit geringerer Dichte, bewegen sich die dichteren schneller.
• Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird auch von der Dichte der Lösung
beeinflusst. Für 1=LVρ bleiben die Teilchen in Ruhe, für 1<LVρ sinken sie ab
und für 1>LVρ schwimmen sie auf.
Zur Bestimmung der Sedimentationskoeffizienten s muss die Sedimentations-
geschwindigkeit sv , die Umlauffrequenz γ und der Abstand der Teilchen zur
Rotorachse gemessen werden.
Die Sedimentationsgeschwindigkeit sv :
Charakterisierungsmethoden 32
dtdrGr
s =ν Gl.2.2.2-7
wird als die Verschiebung der Grenzfläche Gr zwischen der Probenlösung und
überstehender Lösungsmittel gemessen. Durch Einsetzen der Gleichung 2.2.2-7 in
Gleichung 2.2.2-6 erhält man:
=
dt
dr
rs Gr
Gr2
1ω
Gl.2.2.2-8
Die Integration der obigen Gleichung ergibt die folgende Gleichung:
)()()(
ln 02
0
ttstrtr
Gr
Gr −=
ω Gl.2.2.2-9
Dabei ist )(trGr die Position der Teilchen zur Zeitpunkt t und )( 0trGr zur Zeitpunkt t0.
Die graphische Auftragung der Messdaten )(ln trGr gegen t liefert den Sedimen-
tationskoeffizienten s.
Die Bestimmung der Konzentration bzw. des Konzentrationsgradienten kann nach
drei verschiedenen Methoden erfolgen: Die Absorptionsmessung von Licht
(Absorptionsoptik), der Interferenzfähigkeit kohärenter Lichtbündel (Interferenzoptik)
und der Lichtbrechung (Schlierenoptik). Bei der Methode der Absorptionsoptik, die
auch in dieser Arbeit angewendet wurde, wird die Extinktion E des gelösten Stoffes
als Funktion des Abstandes r bestimmt. Für die Extinktion E gilt nach dem Lambert-
Beer’schen Gesetzt E(λ,r)= ε(λ)c(r)d, (λ) Wellenlänge des Lichtes, ε(λ)
Extinktionskoeffizient, d Schichtdicke, c(r) Konzentration am Ort r. Die Voraussetzung
bei dieser Methode ist, dass die Probe einen ausreichend hohen
Extinktionskoeffizienten im UV/VIS-Spektralbereich besitzt. In der Abbildung ist eine
Intensitäts-Zeitkurve für polydispersen und monodispersen Latex schematisch
dargestellt.
Abbildung 2.2-6: Intensitäts-Zeit-Kurve----- monodisperser Latex polydisperser Latex
I
t0
Charakterisierungsmethoden 33
Bei monodispersen Latexlösungen steigt die Intensität des vom Photodetektor
registrierten Lichtes sprunghaft auf den Wert des Lösungsmittels. Im Gegensatz
hierzu steigt die Intensität bei polydispersen Lösungen allmählich in Abhängigkeit der
Konzentration und der Radius der Teilchen an.
In vielen Fällen ist die Partikeldichte unbekannt oder die Dispersion besteht aus
unterschiedlichen Komponenten. Zur Bestimmung der Partikeldichte Pρ und der
Partikelgröße d wird die Probe in chemisch ähnlichen Medien mit unterschiedlichen
Dichten vermessen. Hierfür wird häufig H 2O und D2O verwendet. Die Berechnung
der Dichte und des Durchmessers erfolgt mit Hilfe der folgenden Gleichungen.
021011
0102102011
ηηρηρη
ρssss
p −−
= Gl.2.2.2-10
0201
011022 )(18ρρ
ηη−
−=
ssd Gl.2.2.2-11
Dabei ist d der Partikeldurchmesser, s1/s2 der Sedimentationskoeffizient, η01/η02 die
Viskosität, ρ01 /ρ02 die Dichte im ersten bzw. zweiten Dispersionsmedium [62, 63, 64,
65, 66].
Der Messungen des Dichtegradienten liefern wichtige Informationen. Sie ermöglichen
die Bestimmung der Polymer- bzw. Ölanteil der Kapseln. Die Berechnung erfolgt mit
den folgenden Gleichungen [46].
+
=
ölöl
polyPoly
tot
PPρρρ111
Gl.2.2.2-12
ölρ , polyρ und totρ sind dabei die Dichten des Öls, des Polymers und der Kapsel als
Ganzes. ölP und polyP sind die Massenanteile des Öls und des Polymers. Die
Berechnung dieser Größen erfolgt mit Hilfe der Gleichung 2.2.2-13.
−
−
=
Ölpoly
ÖltotPolyP
ρρ
ρρ
11
11
Gl.2.2.2-13
Diese Gleichungen wurden auch bei der Auswertung der Dichtegradienten–
Messungen in dieser Arbeit verwendet.
Charakterisierungsmethoden 34
Mit Hilfe dieser Gleichung, bei Kenntnis der Dichte und Durchmesser der Teilchen ist
die Berechnung der Wandstärke möglich. polyP ist mit Volumenanteil des Polymers
polyV , wie folgt verknüpft:
Poly
totPolyPoly
PV
ρρ
= Gl.2.2.2-14
ferner gilt :
RW
WR
RV st
stPoly.
.3
2 3
344 ==
π
πGl.2.2.2-15
wobei .stW die Wandstärke, R der Radius ist.
die Wandstärke lässt sich durch Umformung der Gleichung 2.2.2-15 wie folgt
berechnen:
3.
RVW poly
st = Gl.2.2.2-16
Die Bestimmung der Wandstärken bei der Auswertung erfolgen mit Hilfe dieser
Gleichung.
Charakterisierungsmethoden 35
2.2.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), deren Entwicklung durch die
Arbeiten von E. Ruska auf dem Gebiet Elektronenoptik in den 30er Jahren
begann, ermöglicht eine sehr hohe Auflösung.
Da die charakteristischen Strukturen Kolloidaler Systeme in mesoskopischer
Größenordnung liegen, ist für deren Untersuchungen eine hohe Auflösung
erforderlich. Eine Strukturaufklärung wäre mit einem klassischen Lichtmikroskop,
deren Auflösungsvermögen im Bereich von 500 nm liegt, nicht möglich. Da mit
TEM Auflösungen bis zu 0,2 nm erreicht werden kann, eignet sich diese Methode
besser. Mathematisch lässt sich das Auflösungsvermögen ∆x eines
Lichtmikroskops nach Abbè wie folgt formulieren:
αλsin∗
=∆n
x Gl.2.2.3-1
mit n : Brechungsindex
n*sin α : Numerische Apertur
λ : Wellenlänge des verwendeten Lichtes
Grundsätzlich ist der Aufbau eines Elektronenmikroskopes (EM) ähnlich wie der
vom Lichtmikroskop. Bei einem Elektronenmikroskop werden zur Erzeugung von
Bildern Elektronenstrahlen benötigt. Diese werden durch eine
Wolframdrahtschleife, welche als Elektronenquelle und Glühkathode dient,
erzeugt. Für die Abschirmung wird eine Metallkapsel, dem „Wehnelt-Zylinder“, die
den Faden umgibt, eingesetzt. Die Energie und damit die Wellenlänge der
Elektronen, welche sie beim Durchlaufen der Säule haben, wird durch die
Beschleunigungsspannung U bestimmt. Durch die sog. Kanonenkammer, die am
oberen Ende des Elektronenmikroskops angeordnet ist, wird der Elektronenstrahl
hinuntergeführt. Dort wird er durch elektromagnetische Linsen gebündelt und
durch die Variation des angelegten Stromes fokussiert. Die Abschirmung wird
durch ein zum Faden negatives Potenzial von mehreren hundert Volt konstant
gehalten. Der Ehnelt-Zylinder wirkt auf die Elektronen mit seiner negativen
Vorspannung abstoßend und fungiert als elektrostatische Linse. Dadurch werden
Charakterisierungsmethoden 36
Elektronen vor der Anode im Strahlenkreuzpunkt konzentriert. Zusätzlich werden
Aperturblenden eingesetzt, die aus Metallstücken mit einem kreisförmigen Loch
von 30-1000 µm Durchmesser bestehen. Damit eine große freie Wellenlänge der
Elektronen gewährleistet ist und um die Aufweitung des Elektronenstrahls
aufgrund der Wechselwirkungen mit den Gasteilchen zu verhindern, wird unter
Hochvakuum gearbeitet.
Der Welle-Teilchen-Dualismus, welcher die Grundlage der Funktionsweise von
TEM darstellt, wird nach De-Broglie mathematisch wie folgt definiert:
mvh=λ Gl.2.2.3-1
mit λ: Wellenlänge m: Masseν: Geschwindigkeith: Planksche Wirkungsquantum
Nach dieser Gleichung ist die Wellenlänge λ eines Teilchens seiner
Geschwindigkeit ν umgekehrt proportional. Durch die Erhöhung der
Geschwindigkeit eines Teilchens wird dessen Wellenlänge verkleinert, dadurch
resultiert ein besseres Auflösungsvermögen. Der Zusammenhang zwischen der
Beschleunigung eines Elektrons in einem elektrischen Feld mit einer angelegten
Spannung U, der kinetischen Energie Ekin und der Wellenlänge λ ist wie folgt
definiert:
eUmvEkin == 2
21
Gl.2.2.3-3
meU
h
2=λ Gl.2.2.3-4
Anhand dieser Gleichungen wird deutlich, dass das Auflösungsvermögen durch
die Wellenlänge festgelegt wird und gleichzeitig von der Geschwindigkeit des
Elektrons abhängig ist. Mit Hilfe der De Broglie Gleichung kann die Wellenlänge
eines Elektrons bei einer vorgegebener Beschleunigungsspannung berechnet
werden (z.B. für U≈100kV resultiert λ≈0.0037nm). Damit liegt das
Charakterisierungsmethoden 37
Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops um sechs Zehnerpotenzen
höher als das des Lichtmikroskops. Jedoch wird in der Regel eine ca. 100 fache
Verbesserung des Auflösungsvermögens in der Tat realisiert. Diese enorme
Verbesserung ermöglicht die Charakterisierung von sehr kleinen Medien wie z.B.
Viren, Makromolekülen oder von Atomabständen im Kristallgitter.
Daher hat sich die Elektronenmikroskopie für die Charakterisierung von Polymer-
dispersionen als Standardmethode etabliert.
Das Prinzip beruht auf der Erzeugung von einem elektronenoptischen Kontrast.
Der elektronenoptische Kontrast entsteht durch Ablenkung der Elektronen aus
ihrer Flugbahn an Stellen mit hoher Dichte. Diese Elektronen gelangen nicht durch
das Objekt, wodurch diese Stelle des Objektes relativ dunkel auf dem
Leuchtschirm erscheint. Je weniger Materie sich im Elektronenstrahl befindet, um
so heller erscheint das Bild am Leuchtschirm. Das TEM-Bild entsteht im
Wesentlichen durch Streuung und Absorption im Objekt. Der Kontrast ist in erster
Linie eine Funktion der Dichtedifferenz des Objektes. Mittels dieser Methode kann
eine heterogene Partikelstruktur (z.B. Kern-Schale-Struktur) nachgewiesen
werden. Die Voraussetzung dafür ist, dass eine ausreichend unterschiedliche
Dichtedifferenz innerhalb des untersuchten Objektes gegeben ist. Bei einem nicht
ausreichenden Kontrast kann dieser durch unterschiedliche Verfahren, wie z. B.
durch Zusatz von Schwermetallverbindungen (z.B. Osmiumtetraoxid OsO4)
künstlich erzeugt werden [67, 68, 69, 70, 71, 72].
Charakterisierungsmethoden 38
2.2.4 Atomkraftmikroskopie (AFM)
Die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (engl. Scanning Tunneling
Microscope, STM) durch G. Binning und H. Rohrer im Jahre 1981 brachte einen
großen Fortschritt beim Vordringen in die direkte Abbildung atomarer Dimensionen
[73, 66].
Atomkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy, AFM) deren Grundprinzip
auf STM beruht, wurde im Jahre 1986 von G. Binning et.al. gebaut [74]. Mit dieser
Methode ist es möglich, die Topographie einer festen Oberfläche abzubilden.
Strukturen im Bereich von einigen µm bis zu 0,1 nm lassen sich hierdurch
darstellen.
Der Kernstück von AFM ist eine sehr feine Spitze mit einem Öffnungswinkel
zwischen 5 und 45 Grad und einem Spitzenkrümmungsradius zwischen 1 und
50 nm, der als Sonde in einem geringen Abstand d der Probenoberfläche
gegenübersteht. Dieser Abstand d kann durch einen piezoelektrischen Antrieb auf
etwa 0,001 nm genau eingestellt werden. Die Spitze und die Probe können mit
Hilfe von zwei weiteren Piezokeramischen Steuerelementen in x- und y-Richtung
mit einer Stellengenauigkeit von 0,01 nm verschoben werden.
Die Spitze ist auf einem Hebel angebracht - auch Cantilever genannt- welche als
Blattfeder mit einer Federkonstante zwischen 1 und 100 N/m wirkt. Durch die
Bewegung der Spitze, die mit der Oberfläche der Probe in unmittelbarem Kontakt
steht, wird die Oberfläche Zeile für Zeile abgerastet, wodurch ein Oberflächenprofil
erhalten wird.
Dabei wird ein Laserlichtstrahl von der mikroskopischen Blattfeder reflektiert und
an der Photodiode detektiert. Durch die Bewegung der Spitze und damit der Feder
wird eine Veränderung des Reflexionswinkels α des Laserlichts erzeugt, welche
als Wanderung des Laserlichtes auf der Photodiode detektiert wird.
Die oberen Felder der Diode liefern andere Spannungswerte als die unteren. Das
Messsignal ergibt sich aus dem Differenzsignal und kann entweder direkt in eine
Charakterisierungsmethoden 39
Höheninformation umgerechnet werden.Alternativ kann der z-Piezo-Element über
einen Rückkopplungsmechanismus derart nachgeregelt werden, dass die
Anlagekraft und dadurch die Biegung der Feder konstant bleibt. Im zweiten Fall
erhält man aus dem Steuersignal für den z-Piezo die Information über die Ober-
flächentopographie.
2.2.5 Messung des Zetapotenzials
Mit Hilfe der Elektrophorese ist es bei Kenntnis der Partikelgeschwindigkeit
möglich, das Oberflächenpotenzial ψ0 der Teilchen relativ zur umgebenden Phase
zu bestimmen.
Durch Adsorbtion von Gegenionen aus der umgebenden Phase bildet sich an der
Oberfläche der geladenen Partikel eine elektrische Doppelschicht (Sternsche
Doppelschicht) , die relativ fest mit dem Teilchen verbunden ist. Diese wird von
einer diffusen, beweglichen Gouy-Chapman-Schicht umgeben, die wiederum von
dem elektrisch neutralen Lösungsmittelmedium umschlossen wird, wo das
Oberflächenpotenzial Null beträgt.
Aufgrund der Reibungskräfte wird bei der Diffusionsbewegung der Teilchen im
elektrischen Feld ein Teil der diffusen Doppelschicht abgestreift und es entsteht
eine hydrodynamische Gleitebene. Das Potenzial an dieser Stelle bezeichnet man
als Zetapotenzial ξ. Die Teilchengeschwindigkeit vT , welche mittels
Lichtstreuung gemessen wird, ist ein Maß für das zum Teilchen gehörende
Zetapotenzial [66, 75, 76, 77]. Der Zusammenhang zwischen der Teilchengesch-
windigkeit und dem Zetapotenzial, der sich wie folgt formulieren lässt, ist unter
Smoluchowski-Gleichung bekannt:
ηεξ3
2vT
E= Gl.2.2.5-1
Experimenteller Teil 40
3. Experimenteller Teil
3.1.1 Synthese der Nanokapseln
Alle Nanokapselpräparate werden nach dem durch die Arbeitsgruppe von Prof. C.
Mayer überarbeiteten Ansatz von Al Khouri Fallouh et al. hergestellt.
Die organische Phase besteht aus einer Lösung von 4 ml Öl (Miglyol®), 50 ml
wasserfreiem Ethanol und 0,5 ml des amphiphilen Monomers Butylcyanacrylat
(BCA). Die wässrige Phase (mit einem pH-Wert von ca. 6) wird aus 200 ml
Wasser gebildet, in dem 1 g nichtionisches Netzmittel (Synperonic® PE/F68) gelöst
ist. Bei Raumtemperatur wird die organische Phase durch ein Silikonröhrchen mit
einer feinen Spitze in die wässrige Phase getropft, welche mittels Magnetrührer
permanent gerührt wird. Die Polymerisation setzt nach dem Zutropfen der
organischen Phase sofort ein, wobei eine milchige Suspension erhalten wird.
Anschließend wird die Suspension auf ein Fünftel des Volumens eingeengt und
über einen Glasfiltertiegel mit einer Porengröße von 9-15 µm filtriert.
Die erste Modifikation dieser von Al Khouri Fallouh et al. vorgestellten
Sythesemethode wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. C. Mayer von M.
Wohlgemuth vorgenommen. Dabei wird einerseits die organische Phase mit
0,5 ml einer 0,1 m HCl Lösung versetzt, wodurch die frühzeitige Polymerisation
des Monomers verhindert wird. Desweiteren wird die wässrige Phase mit 10 ml
eines 0,025 m Phosphat-Puffers (pH 7) versetzt, um das Absinken des pH-Wertes
zu verhindern.
Die zweite Modifikation besteht darin, dass die Komponenten der organischen
Phase (Monomer, Öl) durch ein Injektionssystem bis unmittelbar vor der Injektion
in die wässrige Phase getrennt bleiben. Die Vermischung dieser Komponenten
erfolgt erst in einer Mischkammer, deren Volumen durch die Konstruktion sehr
klein gehalten wird. Durch dieses Injektionssystem wird eine mögliche Reaktion
zwischen dem reaktiven Monomer und der in Öl gelösten Komponente auf ein
Minimum reduziert. Dieses Injektionssystem wird mit einem Rotor-Stator-Rührer
kombiniert. Der Vorteil dieses Rührers liegt darin, dass sehr hohe Scherkräfte auf
engstem Raum erzeugt werden. Bei der Konstruktion wird der Auslass des
Injektionssystems genau an der Stelle mit der höchsten Scherung (zwischen
Experimenteller Teil 41
Rotorflügel und Statorwand) platziert. Durch die hohen Scherkräfte, die auf das
eintropfende Gemisch wirken, werden kleinere Tröpfchen mit einer homogeneren
Größenverteilung als bei einem herkömmlichen Rührstab erhalten. Durch die
reduzierte Tröpfchengröße wird bei gleichem Volumen des eingetropften
Gemisches eine größere Oberfläche erzielt. Die Kombination des Rotor-Stator-
Rührers mit diesem Injektionssystem ermöglicht die Bildung von kleineren und
einheitlicheren Kapseln [48].
3.1.2 Versuchsdurchführung und -aufbau
Die Synthese der Nanokapseln erfolgte nach der eben beschriebenen
modifizierten Variante.
Für die Herstellung der wässrigen Phase werden 5,05 g Netzmittel (Synperonic
PE/F68) in 950 ml destilliertem Wasser aufgelöst und mit 50 ml 0,025 m
Phosphat-Pufferlösung (pH 7) versetzt. Von dieser Lösung wurden für jeden
Ansatz 100 ml entnommen. Die organische Phase wurde durch Trennung des Öls
(Miglyol
) vom Monomer BCA (Sicomet
6000) aufgeteilt. Es wurde eine
Lösung von 1 l Ethanol und 10 ml 0,1 m HCl hergestellt. Das Monomer wurde mit
dieser Lösung und das Öl mit reinem Ethanol jeweils auf ein Gesamtvolumen von
12,5 ml aufgefüllt. Die Ansatzmengen der variierenden Inhaltsstoffe werden in den
jeweiligen Versuchsreihen angegeben.
Mit Hilfe der in Abbildung 3.1-1 dargestellten Apparatur wurde die organische
Phase mit einer Pumpgeschwindigkeit von 0,7 ml/min unter ständigem Rühren in
die wässrige Phase injiziert. Die Rührgeschwindigkeit wurde auf 6,83
Umdrehungen/sec (ermittelt mit Mowistrob MS 600 Stroboskop) eingestellt und bei
allen Versuchen konstant gehalten. Nach dem Zutropfen wurde die milchige
Suspension 1 h gerührt. Anschließend wurde die Lösung über einen
Glasfiltertiegel mit einer Porengröße von 10-16 µm (POR 4) filtriert.
Die weitere Aufbereitung der erhaltenen Suspension erfolgte entsprechend der
angewandten Messmethode. Bei den jeweiligen Messmethoden wird dies explizit
beschrieben.
Experimenteller Teil 42
Abbildung 3.1-1: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. 1: Behälter mit Ethanol, HClund Monomer, 2: Behälter mit Ethanol und Öl, 3: Peristaltische Pumpe (Alieta), 4: Reaktionsgefäß,5: Injektionssystem, 6: Rotor-Stator-Rührer, 7: Rührmotor (IK-Labortechnik), 8: Halterung.
3.1.3 Variation der Syntheseparameter
Der Einfluss der Komponenten auf die Kapselbildung, Größenverteilung,
Oberflächenbeschaffenheit, Einlagerungsvermögen der Inhaltsstoffe wurde
anhand von verschiedenen Versuchsreihen untersucht. Dafür wurden Synthese-
komponenten in ihrer Art und Menge variiert. Das Tensid und die Einschluss-
substanzen wurden bezüglich ihrer Art und ihrer Menge variiert. Bei allen
Versuchen wurde das Monomer nur bezüglich der Menge variiert.
Um die Einflüsse der Variationen der jeweiligen Komponenten bezüglich ihrer
Menge zu untersuchen wurde ein Faktorenversuchsplan entwickelt. Die
Einzelheiten dieses Versuchsplans wird im folgenden Abschnitt näher erläutert.
1 2
3
8
7
6
5
4
Experimenteller Teil 43
3.1.3.1 Faktorenversuchsplan
Ein Faktorenversuchsplan ergibt sich aus den gewählten Komponenten und den
Faktoren (Einflussparameter), mit welchen diese Komponenten verändert werden.
Dabei wird jeder Faktor auf zwei oder mehr Einstellniveaus variiert. Die Variation
erfolgt in der Weise, dass für jeden Faktor jeweils beide Einstellungen in dem
Versuchsplan gleich oft vorkommen. Dabei darf sich kein Einzelmuster mehrerer
Faktoren wiederholen. Der Vorteil eines Faktorenversuchsplans ist, dass die
verschiedenen Einflüsse unabhängig voneinander bestimmt werden können.
In Abbildung 3.1-2 wird ein reduzierter Faktorenversuchsplan schematisch
dargestellt.
Abbildung 3.1-2 : Reduzierter Faktorenversuchsplan
Der vollständige Faktorenversuchsplan besteht in diesem Fall aus genau 3n
Versuchen (wobei n der Anzahl der Faktoren entspricht). Der reduzierte
Faktorenversuchsplan besteht aus 3m
Versuchen wobei m kleiner ist als die
Anzahl der Faktoren (m<n) [86, 87].
Mon
omer
ante
il [%
]M
Ölanteil [%]Ö
Netzmittelanteil [%]N
M3
M2
M1
Ö2
N1
N3
N2
Ö1 Ö3
Experimenteller Teil 44
Hierbei wurde in einem 32-Versuchsplan der Monomeranteil (M1, M2, M3) und der
Ölanteil (Ö1, Ö2, Ö3 ) bei einem Netzmittelanteil von N 2 in drei Schritten variiert.
Somit ergaben sich neun Versuche. Weiterhin wurde dieser 32-Versuchsplan in
reduzierter Form hinsichtlich der Netzmittelanteile (N1, N3 ) variiert. Dabei wurden
die Variationen der Faktoren in den Kantenmitten weggelassen. Daraus
resultieren zusätzlich jeweils fünf Versuche. Als Ergebnis dieses reduzierten
Faktorenversuchsplans ergeben sich insgesamt 19 Versuche. Der Vorteil eines
reduzierten Faktorenplans ist, dass der Einfluss der Faktorenvariation unter
Verzicht auf einige Versuche erfasst werden kann.
Experimenteller Teil 45
4. Ergebnisse und Diskussion
4.1 Experimente zur Darstellung der Kapseln mit unterschied-lichen Komponenten
4.1.1 Experimenteller Verlauf und Ergebnisse
Entsprechend der modifizierten Synthesevorschrift (Kapitel 3.1.2) wurde die
Synthese mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen und Netzmitteln durchgeführt. Die
Suspensionen wurden mit unterschiedlichen Analysemethoden untersucht. Die
Ansatzmengen der Versuche befinden sich im Anhang 6.1, die Strukturformeln
und die chemischen Eigenschaften im Anhang 6.5.
Inhaltsstoff Dimerfettsäurediamin: Versuchsreihe A
In dieser Versuchsreihe werden Kapseln mit dem Inhaltstoff Dimerfettsäurediamin
(Versamin 551) hergestellt. Dabei wird das Amin mit dem Öl (Miglyol) in einem
Verhältnis von 1:3 vermischt. Aus dieser Mischung wurde mit variierenden
Netzmittel- und BCA-Anteilen Kapseln hergestellt. Der Versuch wurde in einem
Fall auch ohne Ölkomponente durchgeführt (siehe Tabelle 6.1-1 im Anhang 6.1).
Bei dem in dieser Versuchsreihe eingesetzten Dimerfettsäurediamin handelt es
sich um eine in Cyclohexan lösliche, gelbe Flüssigkeit, deren genaue
Zusammensetzung nicht ermittelt wurde.
Amin/ Miglyol Gemisch (1:3) bei geringer Netzmittel-Konzentration : A1
a.) 50 ml der Suspension wurden mit Cyclohexan extrahiert und die organische
Phasen abgetrennt. Dieser Vorgang wurde zweimal wiederholt.
Die organische Phase war im Vergleich zu der wässrigen sehr trüb. Zur
Klärung der Frage, in welcher Phase sich die Kapseln befanden, wurden beide
Phasen unter einem Lichtmikroskop untersucht.
Experimenteller Teil 46
Die Untersuchung zeigte, dass sich die Kapseln in der wässrigen Phase
befanden. In der organischen Phase befanden sich nur vereinzelt Kapseln und
Polymersphären.
b.) 50 ml der Suspension wurden auf 150°C erhitzt und anschließend mit 50 ml
Cyclohexan extrahiert.
Durch das Erhitzen sollte ein Aufbrechen der Kapseln und Freisetzen des
Inhaltes bezweckt werden.
Geringe Erhöhung der Netzmittelkonzentration : A2
a.) Es wurde der Einfluss der Lösungsmittel Isopropanol, Toluol und Cyclohexan
auf die Suspension untersucht. Dazu wurde jeweils ein Teil der Suspension mit
dem entsprechenden Lösungsmitteln versetzt und es wurden lichtmikros-
kopische Aufnahmen der erhaltenen Mischungen nach 41 Tagen erstellt.
Abbildung 4.1-1: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Kapseln in verschiedenen Lösemitteln. DieAufnahmen sind von der Fa. Henkel zur Verfügung gestellt worden
Wasser Isopropanol
Toluol Cyclohexan
Experimenteller Teil 47
Die lichtmikroskopischen Aufnahmen zeigen, dass in Isopropanol die
Konzentration der Kapseln deutlich geringer ist als in Wasser. Dies deutet darauf
hin, dass die Kapseln sich zum größten Teil aufgelöst haben. In Toluol und
Cyclohexan beobachtet man Agglomeration der Kapseln, welche bei Toluol
ausgeprägter ist.
b.) Die Suspension wurde mittels Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie bei
-190°C untersucht. Es wurden Aufnahmen bei unterschiedlichen Vergrößerungen
durchgeführt (s. Abb. 4.1-2).
Abbildung 4.1-2: Kryo- TEM-Aufnahme (44000 fache Vergrößerung) bei -190°C von Polycyan-acrylat-Kapseln mit Dimerfettsäurediamin. Die Aufnahme wurde von der Fa. Henkel zur Verfügunggestellt.
Anhand der Abbildung 4.1-2 erkennt man Partikel mit unterschiedlichen Größen,
welche einzeln und dicht aneinander liegen.
Experimenteller Teil 48
Starke Erhöhung der Netzmittelkonzentration : A3
Die Suspension wurde wie unter A1-a zweimal mit Cyclohexan extrahiert und die
Phasen abgetrennt.
Nachweismethode mit Ninhydrin:
Die Reaktion von Amin mit Ninhydrin zeigt eine charakteristische Violettfärbung.
Diese Farbreaktion wird als Nachweis für das Amin benutzt.
Dazu wurde die zu untersuchende Probe, auf eine Dünnschicht-Chromatographie-
(DC-) Platte aufgebracht. Anschließend wurde die Oberfläche der DC-Platte mit
einem Spatel zerrieben und mit Ninhydrin besprüht. Damit wurde bezweckt, dass
die an der Oberfläche der DC-Platte anhaftende Kapseln aufbrechen und ihren
Inhalt freigeben. Eine Violettfärbung wurde als Nachweis für das Vorhandensein
von Amin bewertet.
a.) Beide Phasen wurden mit der oben beschriebenen Methode untersucht.
Bei dieser Untersuchung zeigte die organische Phase eine intensivere
Violettfärbung als die wässrige Phase, welche durch das freie Amin hervorgerufen
wird. Dadurch wird auch gezeigt, dass das freie Amin sich bevorzugt in der
organischen Phase aufhält. Die intensivere Verfärbung der wässrigen Phase nach
dem Zerreiben deutet auf das eingekapselte Amin hin, welches durch Zerdrücken
der Kapseln freigesetzt wird.
b.) 100 ml der wässrigen Phase wurde gefriergetrocknet und mit der
Ninhydrinmethode untersucht.
Nach dem Zerreiben trat eine intensivere Violettfärbung auf.
c.) Die Probe wurde gefriergetrocknet und in 50 ml Isopropanol suspendiert und
anschließend filtriert. Der Rückstand wurde in Aceton gelöst.
Die Probe nach der Gefriertrocknung zeigte nach dem Zerreiben eine
Violettfärbung auf. Der in Aceton gelöster Rückstand wurde direkt (ohne
Zerreiben) mit Ninhydrin besprüht, sie zeigte ebenfalls eine Violettfärbung auf.
Experimenteller Teil 49
d.) Das Filtrat wurde über einen Glasfiltertiegel mit einer kleineren Porengröße
(1-1,6µm) filtriert und auf DC-Platte vor und nach der Zerreibung mit
Ninhydrin besprüht.
Die Violettfärbung war nach der Zerreibung intensiver.
e.) Die Probe wurde in einer Gefriertrocknungsanlage eine Woche lang
getrocknet.
Am Kolbenrand setzte sich das freie Amin ab.
f.) Die Probe wurde an der Hochvakuumanlage bei 10-3
mbar aufkonzentriert,
mit Ethanol versetzt und 24h stehengelassen.
Diese Probe wurde unter einem Lichtmikroskop (Dunkelfeld) untersucht. Die
Aufnahme dieser Untersuchung ist in Abbildung 4.1-3 dargestellt.
Abbildung 4.1-3: Lichtmikroskopische Aufnahme der Probe A3-f.
Experimenteller Teil 50
Der Aufnahme ist zu entnehmen, dass es neben einzelnen sichtbaren Kapseln
auch zur Ausbildung von Kapselagglomeraten kommt.
Verringerung der BCA-Konzentration : A4
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1-a. Die Suspension wurde an der Luft
getrocknet.
a.) Die luftgetrocknete Probe wurde anschließend für die Größenbestimmung
in dest. Wasser suspendiert.
Die Größenverteilung der Probe A4-a ist in der Abbildung 4.1-4 dargestellt.
Abbildung 4.1-4: Größenverteilung der Probe A4-a mit der Bestimmungsmethode der DynamicNanosizing Microscopy.
b.) Die luftgetrocknete Probe wurde mittels TGA vermessen.
In der Abbildung 4.1-5 ist das entsprechende Thermogramm im Bereich von
0-500°C dargestellt.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
204
246
289
304
318
332
347
375
389
403
418
431
445
459
473
487
501
515
529
Radius in nm
Häu
fig
keit
Ergebnisse und Diskussion 51
Dabei kann man weder das Miglyol, noch das Amin detektieren. (Ein
Vergleichsthermogramm der reinen Komponenten befinden sich im Anhang 6.2)
Hierbei wird ein Peak bei 52°C detektiert, der wahrscheinlich von Nebenprodukten
der vermuteten Reaktion zwischen Amin und Monomer stammt. Weiterhin ist der
überlagerte Peak vom Netzmittel und Polymer bei 395°C vorhanden.
Abbildung 4.1-5: Thermogramm der Probe A4-b.
Amin (ohne Miglyol) bei geringer BCA- und Netzmittelkonzentration : A5
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1-a. Die Suspension wurde an der Luft
getrocknet.
a.) Die luftgetrocknete Probe wurde für die Größenbestimmung in dest. Wasser
suspendiert.
In Abbildung 4.1-6 ist die Größenverteilung der Probe A5-a dargestellt.
52
39
5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 52
Abbildung 4.1-6: Größenverteilung der Probe A5-a mit der Bestimmungsmethode der DynamicNanosizing Microscopy.
Im Vergleich zu der Probe A4-a (Abb.4.1-4) erhält man hier kleinere Teilchen mit
einer schmaleren Größenverteilung.
b.) Die luftgetrocknete Probe wurde mittels TGA vermessen. Dieses ist in
Abbildung 4.1-7 dargestellt.
Abbildung 4.1-7: Thermogramm der Probe A5-b.
Bei einem Vergleich der Thermogramme der Proben A4-b und A5-b stellt man fest,
dass der Peak für das Netzmittel und das Polymer bei A5-b um ca. 30°C zu höheren
Temperaturbereichen verschoben ist und bei A4-b eine schmalere
0
1
2
3
4
5
40
46
51
57
63
69
74
80
86
92
97
10
6
11
1
11
4
12
0
12
9
13
4
14
0
14
6
15
1
Radius in nm
Häu
fig
keit
54
42
2
11
1
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
1,80
2,10
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 53
Peakbreite und einen symmetrischen Verlauf aufweist. Im Gegensatz hierzu wird bei
A5-b ein unsymmetrischer Peak, der sich von ca. 250-500°C erstreckt, detektiert. Der
Peak für das reine Amin erscheint mit einem ebenfalls unsymmetrischen Verlauf
auch in diesem Bereich (245-475°C).
Inhaltsstoff Parfümöl: Versuchsreihe P
In dieser Versuchsreihe werden Kapseln mit dem Inhaltsstoff Parfümöl (98-6021)
hergestellt. Es wurden Synthesen mit reinem Parfümöl und mit Parfümöl/
Miglyolgemisch durchgeführt (siehe Tabelle 6.1.-2 im Anhang).
Das in dieser Versuchsreihe eingesetzte Parfümöl ist eine in Cyclohexan, Aceton und
Ethanol lösliche gelbe Flüssigkeit.
Reines Parfümöl bei hoher BCA- und Netzmittelkonzenration: P1
Experimenteller Verlauf:
Entsprechend der modifizierten Synthesevorschrift wurde die Synthese durchgeführt.
Während der Synthese bildeten sich Agglomerate, die durch Filtration von der
Suspension abgetrennt werden mussten. Diese Suspension wurde wie unter A1-a
aufgearbeitet.
a.) Nach der Extraktion mit Cyclohexan wurde die Probe über einen Glasfiltertiegel
mit der Porengröße 10-16 µm erneut filtriert. Das Filtrat wurde mehrmals mit
Cyclohexan extrahiert bis der Geruch vom Parfümöl verschwand. Diese Probe
wurde auf 150°C erhitzt.
Der Geruch nach Parfümöl wurde nach dem Erhitzen intensiver.
Ergebnisse und Diskussion 54
b.) Ein Teil der Suspension wurde 3 Wochen stehen gelassen. Dabei bildete sich ein
Bodensatz. Dieser wurde abgetrennt, luftgetrocknet und anschließend gemörsert.
Dabei wurde die Probe öliger und roch intensiver nach Parfümöl.
c.)Die Suspension wurde über einen Glasfiltertiegel Por 4 (10-16 µm) und das
erhaltene Filtrat anschließend über einen Glasfiltertiegel Por 5 (1-1,6 µm) filtriert.
Diese Probe wurde unter einem Lichtmikroskop untersucht. Die Aufnahme ist im
Abbildung 4.1-8 dargestellt.
Abbildung 4.1-8: Lichtmikroskopische Aufnahme der Probe P1-c.
d.) Das Filtrat unter c.) wurde 5 mal mit Cyclohexan extrahiert. Die wässrige und
organische Phase wurden ebenfalls lichtmikroskopisch untersucht.
Die Untersuchungen zeigen wie bei der Probe A1-a, dass die Kapseln sich in der
wässrigen Phase befinden. Die Konzentration der Teilchen in der organischen
Phase ist im Vergleich der wässrigen sehr gering. In der organischen Phase sind
neben vereinzelten Kapseln Polymersphären vorhanden.
Ergebnisse und Diskussion 55
Abbildung 4.1-9: Lichtmikroskopische Aufnahme der wässrigen Phase der Probe P1-d.
Abbildung 4.1-10: Lichtmikroskopische Aufnahme der organischen Phase der Probe P1-d.
Ergebnisse und Diskussion 56
e.) Die wässrige Phase aus d.) wurde luftgetrocknet und mit H 2O verdünnt. Die
mikroskopische Aufnahme dieser Probe ist in Abbildung 4.1-11 dargestellt.
Abbildung 4.1-11: Lichtmikroskopische Aufnahme der wässrigen Phase der Probe P1-e.
Auch nach der Lufttrocknung beobachtet man zahlreiche Kapseln ohne
Agglomeration.
Parfümöl/Miglyol Gemisch (1:1) bei geringer Netzmittelkonzentration : P2
Experimenteller Verlauf: Wie unter P1.
Die Zusammensetzung dieser Ansatz unterscheidet sich vom P1 darin, dass hierbei
der Netzmittelanteil geringer ist und das Parfümöl mit dem Miglyol im Verhältnis 1:1
gemischt ist. Die Agglomeration während der Synthese war deutlich weniger
ausgeprägt, obwohl hierbei der Netzmittelanteil geringer war als bei P1. Der Zusatz
vom Miglyol kann die Agglomeration der Teilchen herabgesetzt haben. Daraufhin
wurde das Parfümöl
Ergebnisse und Diskussion 57
• in HCl und Ethanol gelöst und anschließend mit Monomer versetzt: → Keine
Polymerisation vom Monomer.
• in Ethanol gelöst und mit Monomer versetzt: → sofortige Polymerisation des
Monomers.
• mit Monomer versetzt: → sofortige Polymerisation des Monomers.
• mit Miglyol gemischt und anschließend mit Monomer versetzt: → keine sichtbare
Polymerisation.
a.) Die Suspension wurde nach der Filtration und anschließenden Extraktion mit
Cyclohexan an der Luft getrocknet. Diese Probe wurde gemörsert und auf
Geruchsintensität überprüft.
Die gemörserte Probe roch intensiver nach Parfümöl.
Ergebnisse und Diskussion 58
Inhaltsstoff Orangenöl: Versuchsreihe O
In dieser Versuchsreihe werden Kapseln mit dem Inhaltsstoff Orangenöl hergestellt.
Dabei wird die BCA Konzentration bei gleichbleibender Netzmittelkonzentration
erhöht. Bei dem Ansatz O3 wurde das Orangenöl mit Migylol in einem Verhältnis 1:1
gemischt (siehe Tabelle 6.1-3 im Anhang).
Das in dieser Versuchsreihe einsetzte Orangenöl ist eine in Cyclohexan, Aceton und
Ethanol lösliche Flüssigkeit.
Geringe BCA-Konzentration: O1
Experimenteller Verlauf: Die Synthese wurde entsprechend der modifizierten
Synthesevorschrift durchgeführt. Die dabei erhaltene Suspension wurde
luftgetrocknet.
a.) Die getrocknete Probe wurde in H2O suspendiert und mit einem
Lichtmikroskop die Größenverteilung ermittelt.
In Abbildung 4.1-12 ist die Größenverteilung dieser Probe dargestellt.
Abbildung 4.1-12: Größenverteilung der Probe O1-a.
Hierbei beobachtet man Teilchen zwischen ca. 70-330 nm. Dabei haben die
Teilchen von 200 nm Radius die maximale Häufigkeit.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
46 67 90 112
134
156
178
200
222
244
266
288
310
332
354
Radius in nm
Häu
figke
it
Ergebnisse und Diskussion 59
b.) Die getrocknete Probe wurde mittels TGA vermessen.
Ein Vergleichsthermogramm vom reinen Orangenöl befindet sich im Anhang in
der Abbildung 6.2-5. Der Vergleich zeigt, dass in dieser Probe reines Orangenöl
nicht detektiert wird. Im Bereich von 130-250°C wird ein Peak für die Lösung von
Monomer in Orangenöl beobachtet. Der Peak bei 402°C ist zum Netzmittel und
Polymer zuzuordnen.
In Abbildung 4.1-13 ist das Thermogramm dieser Probe dargestellt.
Abbildung 4.1-13: Thermogramm der Probe O1-b.
18
5
40
2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 60
Erhöhte BCA-Konzentration: O2
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1, wobei die Rührgeschwindigkeit auf die Hälfte
reduziert wurde.
a.) Die Suspension wurde luftgetrocknet und nach 48h und 72h mittels TGA
vermessen.
In Abbildung 4.1-14 sind die entsprechenden Thermogramme dargestellt.
Abbildung 4.1-14: Thermogramm der Probe O2 nach 48h und 72h.
Im Thermogramm für die Messung nach 48h wird ein symmetrischer Peak im
Bereich von ca. 130-250°C beobachtet, der zu der Lösung vom BCA in Orangenöl
zuzuordnen ist. Dieser Peak wird bei der Messung, die nach 72h erfolgt (O2 nach
72h) flacher und verschiebt sich zu höheren Temperaturen.
b.) Die Suspension wurde auf ein Uhrglas gegeben. Dieses wurde in einem
Exsikkator über Phosphorpentoxid getrocknet und mittels TGA vermessen. Um
ein Herausdiffundieren des Orangenöls aus den Kapseln während der Trocknung
zu verhindern, wurde die Luft im Exsikkator zuvor mit Orangenöl gesättigt.
19
6
40
1
O2 nach 48h
42
3
O2 nach 72h
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 61
In Abbildung 4.1-15 ist das entsprechende Thermogramm dargestellt.
Abbildung 4.1-15: Thermogramm der mit Orangenöl im Exsikkator gesättigten Probe.
Aus Abbildung 4.1-15 wird ersichtlich, dass das Verhältnis von dem Peak bei 202°C
(BCA, Orangenöl) zu dem Peak bei 400°C (Netzmittel, Polymer) im Vergleich zu
Luftgetrockneten Probe (Abb. 4.1-14) deutlich angestiegen ist.
Orangenöl/Miglyol Gemisch (1:1): O4
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1.
Die Suspension wurde wie unter O2 auf einem Uhrglas getrocknet. Es wurden
jeweils Proben vom inneren und vom äußeren Bereich des Uhrglases entnommen
und mittels TGA vermessen.
In Abbildung 4.1-16 sind die Thermogramme dargestellt.
20
2
40
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 62
Abbildung 4.1-16: Thermogramme der Probe O3. Probenentnahme aus dem äußeren und innerenBereich des Uhrglases.
Der Abbildung ist zu entnehmen, dass bei der Probe aus dem äußeren Bereich des
Uhrglases der Miglyol-Peak (250-350°C) im Verhältnis zu dem des Polymers und des
Netzmittels (350-450°C) deutlich niedriger ist. Dieses Verhältnis kehrt sich bei der
Probe aus dem inneren Bereich des Uhrglases um. Der Peak bei 195°C bleibt in
beiden Fällen unverändert.4
19
32
8
19
5
innerer Bereich
41
8
40
9
30
3
äußerer Bereich
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 63
Inhaltsstoff Diphenylether: Versuchsreihe D
In dieser Versuchsreihe werden Kapseln mit dem Inhaltsstoff Diphenylether
hergestellt. Der Diphenylether wurde mit Miglyol bei dem Ansatz D1 in einem
Verhältnis 3:1, bei D2 4:1 und bei D3 1:1 gemischt. Bei dem Ansatz D3 wurde im
Unterschied zu Ansatz D1 der BCA-Anteil variiert (siehe Tabelle 6.1-4 im Anhang).
Weiterhin wurde, um die Einflüsse der einzelnen Komponenten festzustellen, die
Synthese bei Ansatz D6 ohne BCA und Miglyol und bei der Ansatz D7 ohne
Diphenylether und Miglyol durchgeführt.
Der in dieser Versuchsreihe eingesetzte Inhaltsstoff Diphenylether ist eine in
Cyclohexan, Aceton und Ethanol lösliche Flüssigkeit mit einer Dichte von δ20=1,07.
Diphenylether/Miglyol Gemisch (3:1): D1
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1.
a.) Die Suspension wurde längere Zeit im Kolben stehengelassen, wobei sich ein
Bodensatz bildete. Dieser wurde von der überstehenden Suspension abgetrennt
und an beiden Proben die Größenbestimmung durchgeführt.
In Abbildung 4.1-17 sind die Größenverteilungen, die mittels dynamischer
Lichtstreuung (Malver Zetasizer 3) ermittelt wurden, graphisch dargestellt.
Abbildung 4.1-17: Die Größenverteilungen von Ansatz D1-a, von der Suspension und vomBodensatz. Die Messwerte wurden von der Fa. Henkel zur Verfügung gestellt.
2,8
18,179,1
28,6 36,8 15,0 19,40
20
40
60
80Vol. %
233 324 309 507 516 767 797
Teilchengröße in nm
Suspension Bodensatz
Ergebnisse und Diskussion 64
Dabei erkennt man, dass die Teilchengröße im Bodensatz im Vergleich zu der
Suspension größer ist. Die prozentualen Anteile der größeren Teilchen (797 nm) im
Bodensatz ist mit 79,1 % wesentlich höher als die prozentualen Anteile der größeren
Teilchen (767 nm) mit 19,4 % in der Suspension.
b.) Die Suspension und der Bodensatz wurden luftgetrocknet und mittels TGA
untersucht.
Die Thermogramme sind in Abbildung 4.1-18 dargestellt.
Abbildung 4.1-18: Thermogramm der Probe D1-b, von der überstehenden Suspension und vomBodensatz nach Lufttrocknung.
Der Vergleich dieser Thermogramme zeigt, dass sich im Bodensatz nur BCA und
Diphenylether befinden. Die anderen Komponenten (Miglyol und Netzmittel) sind
nicht nachzuweisen. Der Peak für das Netzmittel und Polymer hat einen Anteil von
ca. 44 % an der Gesamtmasse. Das ist ca. 10 % mehr als der für die Synthese
eingesetzten Anteile von Netzmittel und Polymer entspricht. Der Anteil von Miglyol
mit ca. 16 % spiegelt den eingesetzten Anteil von 16,55 % wider, wobei der
Diphenylether mit ca. 39 % eine Differenz zum eingesetzten Anteil von ca. 10 %
aufweist.
Suspension
183
296
392
Bodensatz
142
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 65
Diphenylether/Miglyol Gemisch (4:1): D2
Experimenteller Verlauf: Wie unter D1-a.
Die Ergebnisse der Teilchengrößenbestimmung sind in Abbildung 4.1-19 graphisch
dargestellt.
Abbildung 4.1-19: Die Größenverteilungen der Ansatz D2-a in nm und Vol. %. Die Messwertewurden von der Fa. Henkel zur Verfügung gestellt.
Den Hauptanteil mit 79,1% bilden Teilchen mit einer Größe von etwa 400 nm. Der
Anteil von Teilchen mit 820 nm beträgt 20.9 %. Im Gegensatz dazu bilden im
Bodensatz die größeren Teilchen mit 847-1346 nm mit 91,1 % den Hauptanteil.
b.) Bei dem Ansatz D2 wurde im Unterschied zum Ansatz D1 nur der Anteil an
Diphenylether erhöht. Die überstehende Suspension wurde luftgetrocknet
und mittels TGA vermessen. Die Thermogramme von D1-b und D2-b
wurden in Abbildung 4.1-20 verglichen.
2,7 6,2
65,6
25,5
79,1
20,9
0
20
40
60
80Vol. %
318 407 486 820 847 1346
Teilchengröße in nmSuspension Bodensatz
Ergebnisse und Diskussion 66
Abbildung 4.1-20: Thermogramme der von der überstehenden Suspension der Proben D2-b und D1-b, nach Lufttrocknung.
Der Verlauf dieser Kurven unterscheidet sich im Wesentlichen in dem Massenanteil
bei 191°C. Obwohl der eingesetzte Massenanteil vom Diphenylether bei dem Ansatz
D2 höher ist als bei D1, ist der Anteil von Diphenylether mit ca. 16 % an der
Gesamttrockenmasse relativ niedrig. Hierbei tritt ein Massenverlust von ca. 40 % an
Diphenylether auf. Der Vergleich mit D1 zeigt, dass der Massenverlust an
Diphenylether bei D2 etwa das Vierfache von D1 ist. Der Peak für das Miglyol bei
306°C hat einen Anteil von ca. 12 %. Die Differenz zum eingesetzten Miglyolanteil ist
mit ca. 2 % nicht bedeutend groß. Den größten Anteil haben Netzmittel und Polymer
bei 411°C mit etwa 72 %.
c.) Die Kapseln in der Suspension wurden auf ihre Stabilität untersucht. Dafür
wurden sie im Exsikkator (unter Wasserstrahl-Vakuum) und direkt an der
Vakuumpumpe bei 10-3 mbar getrocknet.
Von diesen Proben, die sich nur im Trocknungsvorgang unterscheiden, wurden
Thermogramme erstellt, die in Abbildung 4.1-21 dargestellt sind.
D1 Suspension
19
1
30
6
41
1
D2 Suspension
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 100 200 300 400 500T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 67
Abbildung 4.1-21: Thermogramme der Probe D2-c. Die Trocknung erfolgte im Exsikkator (unterWasserstrahl-Vakuum), direkt an der Vakuumpumpe bei 10-3 mbar und an der Luft.
Der Vergleich dieser Thermogramme zeigt, dass die an der Vakuumpumpe
getrocknete Probe einen ungewöhnlich geringen Anteil von Netzmittel und polymer
mit ca. 17 % an der Gesamtmasse aufweist. Der Anteil von Diphenylether an der
Gesamtmasse beträgt ca. 38 %. Damit ergibt sich ein Differenz zum eingesetzten
Diphenyletheranteil von 17 %. Der Peak bei 328°C, der zu Miglyol zugeordnet wurde,
zeigt mit ca. 45 % einen relativ hohen Massenanteil mit einem unsymmetrischen
Kurvenverlauf. Bei der im Exsikkator getrockneten Probe hat das Netzmittel und das
Polymer mit ca. 49 % den höchsten Anteil an der Gesamtmasse. Der Anteil von
Diphenylether beträgt hierbei ca. 28 % und von Miglyol ca. 22 %.
Zwischen der luftgetrockneten und der im Exsikkator getrockneten Probe stellt man
keinen großen Unterschied fest, abgesehen von einer geringfügigen Verkleinerung
des Masseverlustes durch den Diphenylether. Die Verhältnisse bleiben hier gleich.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Luftgetrocknet
an der Vakuumpumpegetrocknet
im Exsikkator getrocknet
Ergebnisse und Diskussion 68
Diphenylether /Miglyol Gemisch (1:1) geringe BCA-Konzentration: D3
Experimenteller Verlauf: Wie unter D1-a.
Bei dem Ansatz D3 wurde im Unterschied zu D2 der Anteil an Monomer und
Diphenylether reduziert und von Miglyol erhöht. Die Suspension wurde vom
Bodensatz getrennt und wie D2-c im Exsikkator unter Wasserstrahl-Vakuum
getrocknet. Diese Probe wurde mittels TGA vermessen und mit D2-c verglichen.
Der Vergleich dieser Thermogramme wird in Abbildung 4.1-22 dargestellt.
Abbildung 4.1-22: Vergleich der Thermogramme von D2 und D3. Beide Proben wurden im Exsikkatorunter Wasserstrahl-Vakuum getrocknet.
Der Vergleich dieser Thermogramme zeigt, dass der Verlauf der beiden Kurven
relativ ähnlich ist. Der Anteil von Diphenylether ist bei D3 mit ca. 26 % ,vom Miglyol
mit 18 % und vom Netzmittel mit 56 %, sind relativ höher als bei D2. Obwohl der bei
der Synthese eingesetzte Massenanteil von Diphenylether bei D3 mit 34 % um ca.
20 % niedriger ist als bei D2, erhält man bei der getrockneten Masse bei D3 ca. 2 %
weniger Diphenylether als bei D2. Da der bei der Synthese eingesetzte Anteil von
Miglyol bei D2 um ca. 20% niedriger ist als bei D3, ist der Anteil von Miglyol an der
Gesamttrockenmasse bei D2 mit ca. 22% höher als bei D3 mit 18%.
189
308
406
D2 D3
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 69
Bei der Probe D3 wurde Diphenylether und Miglyol im gleichen Verhältnis eingesetzt.
Bei der getrockneten Probe findet man dieses Verhältnis nicht wieder. Der Anteil von
Netzmittel und Polymer ist bei D3 mit etwa 56 % höher als bei D2 mit 49%.
a.) Der Bodensatz wurde von der Suspension abgetrennt und nach Lufttrocknung
mittels TGA untersucht.
Das Thermogramm ist in Abbildung 4.1-23 dargestellt. Dabei beobachtet man einen
großen Peak für den Diphenylether bei 186°C und neben diesem einen flachen Peak
bei 234°C.
Abbildung 4.2-23: Thermogramm vom Bodensatz der Probe D3-a, nach Lufttrocknung.
Diphenylether hat eine höhere Dichte als Wasser. Aufgrund dieses Dichteunter-
schiedes setzt es sich am Boden ab. Im Bodensatz kann kein Polymer und kein
Netzmittel nachgewiesen werden. Dieses kann daran liegen, dass sich nur reiner
Diphenylether abgesetzt hat.
18
6
23
4
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 70
Ohne Miglyol bei geringer BCA-Konzentration: D4
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1.
a.) Es wurden TGA-Messsungen von der konzentrierten Suspension und von der
luftgetrockneten Probe durchgeführt. Die entsprechenden Thermogramme sind in
Abbildung 4.1-24 dargestellt. Ein Vergleichsthermogramm vom reinen Diphenyl-
ether befindet sich im Anhang in der Abbildung 6.2-6.
Abbildung 4.1-24: Thermogramme der Probe D4, von der konzentrierten Suspension und nach derLufttrocknung der Probe.
98
134
166
Konzentrierte Suspension
399
189 Luftgetrocknet
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 71
Ohne Miglyol hohe BCA-Konzentration: D5
Im Unterschied zu D4 wurde bei diesem Ansatz die Menge an Monomer erhöht.
Experimenteller Verlauf: Wie unter D1-a.
Die Ergebnisse der Teilchengrößenbestimmung sind in Abbildung 4.1-25 graphisch
dargestellt.
Abbildung 4.1-25: Die Größenverteilungen von Ansatz D5-a, von der Suspension und vomBodensatz. Die Messwerte wurden von der Fa. Henkel zur Verfügung gestellt.
Der Vergleich der Ergebnisse der Proben D1-a und D5-a zeigt, dass bei Ansatz D1-a
in der Suspension die maximale Teilchengröße mit 767 nm ca. halb so groß ist wie
bei dem Ansatz D5-a mit 1598 nm, wobei der prozentuale Anteil dieser Teilchen bei
Ansatz D1-a mit 19,1 % ca. 3 mal so groß ist wie bei D5-a mit 6,3 %. Wie bei dem
Ansatz D1-a beobachtet man auch hier, dass die größten Teilchen sich im Bodensatz
befinden. Im Gegensatz zu Ansatz D1-a sind hier die Anteile dieser Teilchen mit
4,1 % sehr gering. Die Größenverteilung ist bei D5-a ist schmaler als bei D2-a (s.
Abb. 4.1-19)
95,9 4,1
1,9 42,8 49,0 6,3
0
20
40
60
80
100
Vol. %
203 545 850 942 1598 2057
Teilchengröße in nmSuspension Bodensatz
Ergebnisse und Diskussion 72
b.) Die Suspension wurde luftgetrocknet und mittels TGA untersucht.
Das Thermogramm ist in Abbildung 4.1-26 dargestellt.
Abbildung 4.1-26: Thermogramm der Probe D5-b, von der überstehenden Suspensionnach Lufttrocknung.
In dem Thermogramm erkennt man zwei Peaks. Der erste ist für den Diphenylether,
das Monomer hat ein Maximum bei 168°C. Der Anteil dieser Peaks an der
Gesamtmasse ist ca. 22 %. Die für die Synthese eingesetzte Menge an
Diphenylether beträgt ca. 60 %. Damit ergibt sich unter der Annahme, dass dieser
Peak allein dem Diphenylether zuzuordnen ist, ein Differenz von ca. 38 %. Diese
Differenz entspricht der Menge an Diphenylether, welche nicht eingekapselt worden
ist. Der zweite Peak für das Netzmittel und Polymer ist sehr breit. Er beginnt bei ca.
225°C und besitzt ein Maximum bei 306°C und einen Schulter bei 358°C bis 400°C.
Dieser Peak hat einen Anteil von ca. 78 % an der Gesamttrockenmasse.
16
8
30
6
35
8
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 73
Ohne BCA und Miglyol: D6
Experimenteller Verlauf: Diphenylether wurde ohne Monomer und ohne Miglyol unter
den herkömmlichen Synthesebedingungen in der wässrigen Phase suspendiert.
Die Suspension wurde an der Luft getrocknet und in verschiedenen Zeitabschnitten
mittels TGA vermessen.
Die Thermogramme sind in der Abbildung 4.1-27 dargestellt. Dabei stellt die Kurve a
die Messung am ersten, Kurve b am zweiten und Kurve c am vierten Tag der
Trocknungsphase dar.
Abbildung 4.1-27: Thermogramme der Probe D6-a. Kurve a: Messung am ersten Tag. Kurve b:Messung am zweiten Tag. Kurve c: Messung am vierten Tag.
Der Vergleich dieser Thermogramme zeigt, dass der Anteil von Diphenylether bei
den Messungen, die am ersten und zweiten Tag nach der Trocknung durchgeführt
wurden, deutlich größer ist als bei der Messung am vierten Tag. Der freie
Diphenylether ist bei längerer Trocknungsdauer weitgehend verdampft. Der Vergleich
des Netzmittelpeaks zeigt eine Verlagerung der Peaktemperaturen.
ca
b
0,0
0,1
0,20,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,80,9
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm/d
T a.
u.
Ergebnisse und Diskussion 74
Ohne Diphenylether und Miglyol: D7
Experimenteller Verlauf: Das Monomer wurde ohne Diphenylether und ohne Miglyol
unter der herkömmlichen Synthesebedingungen in der wässrigen Phase
polymerisiert.
Die Suspension wurde an der Luft getrocknet. Diese Probe wurde nach 24h und
nach 48h mittels TGA vermessen.
Die Thermogramme sind in der Abbildung 4.1-28 dargestellt. Dabei stellt die Kurve a
die Messung nach 24h der Trocknung, Kurve b nach 48h der Trocknung dar.
Abbildung 4.1-28: Thermogramm der Probe D7. Polymerisation ohne Inhaltsstoff. Kurve a: Messungnach 24h, Kurve b: Messung nach 48h.
Der Peak der Kurve b, bei ca. 200°C, zeigt im Vergleich zu Kurve a einen
symmetrischen Verlauf. Dieser Peak ist den Monomer- und Oligomereinheiten
zuzuordnen. Wie bei der Probe D6 wird eine Verlagerung vom Netzmittelpeak (ca.
250-420°C) beobachtet. Hierbei hat der Netzmittelpeak eine Schulter bei 418°C, die
dem Polymer zuzuordnen ist.
19
5
41
8
38
3
bnach 48h
anach 24h
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in°C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 75
Versuchsreihe Netzmittelvariation
In dieser Versuchsreihe werden Kapseln mit dem Inhaltsstoff Geraniol hergestellt.
Dabei wird das Netzmittel variiert. In der Abbildung 6.1-6 im Anhang sind die
variierten Ansatzmengen der Versuchskomponenten dargestellt.
Das Netzmittel N1 ist das ursprüngliche Synperonic FE 68, N2 ist das Netzmittel ZL
Sa 73441, N3 ist das Netzmittel ZL Dö 6977-171 und Triton x-100 (N4).
Synperonic FE 68: N1
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1
a.) Die Suspension wurde mittels der Fraunhoferschen Beugungsmethode auf
Teilchengrößenverteilung untersucht und nach Trocknung mittels TGA
vermessen.
Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abbildungen 4.1-29 und 4.1-30 dargestellt.
Abbildung 4.1-29: Partikelgrößenverteilung der Probe N1, bestimmt mittels FraunhoferscherBeugungsmethode. Die Werte wurden von der Fa. Henkel zur Verfügung gestellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Synthese Teilchen zwischen 0 bis 45 µm
entstehen. Dabei bilden Teilchen mit einer Größe von ca. 0-5 µm 80°% des
Volumenanteils und die restlichen 20 % haben eine Größe von 5-45 µm.
0
1
2
3
4
5
6
-10 0 10 20 30 40 50 60
Partikelgröße in µm
Vo
l. %
0
20
40
60
80
100
Ergebnisse und Diskussion 76
Abbildung 4.1-30: Thermogramm der Probe N1 im Bereich 0-500°C. Die Probe wurde im Exsikkatorgetrocknet.
Im Thermogramm für die Probe N1 beobachtet man einen Peak für das BCA und
Geraniol, der bei 181°C das Maximum erreicht. Neben diesem erscheint ein breiterer
Peak, der sich von 233°C bis zu 400°C erstreckt und bei 376°C das Maximum
erreicht und etwa 75 % der Trockenmasse ausmacht. Damit enthält die Probe
maximal 25 % Geraniol in der Trockenmasse.
ZL Sa 7344-1: N2
Experimenteller Verlauf: Wie unter A.1
a.) Nach der Synthese wurden in der Suspension Agglomerate beobachtet. Diese
Agglomerate wurden durch Filtration von der Suspension abgetrennt und im
Exsikkator getrocknet. Es wurden TGA-Messungen von diesen Agglomeraten und
von der ebenfalls im Exsikkator getrockneten Suspension durchgeführt.
In der folgenden Abbildung sind die Thermogramme dieser Messungen dargestellt.
37
6
27
6
18
1-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
..
Ergebnisse und Diskussion 77
Abbildung 4.1-31: Vergleich der Themogramme von der getrockneten Suspension und von denAgglomeraten von Ansatz N2.
Hierbei wird beobachtet, dass in der Suspension der Anteil der Komponenten, die
höhere Zersetzungstemperaturen haben, größer ist als im Agglomerat. Dagegen ist
der Anteil der leichtflüchtigen Komponenten im Agglomerat größer.
ZL Dö 6977-171: N3
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1.
a.) Nach der Synthese wurde die Suspension stehengelassen, wobei eine
Rahmbildung beobachtet werden konnte. Daraufhin wurde die Rahmschicht von
der Suspension abgetrennt. Beide Phasen wurden jeweils auf eine DC-Platte
aufgebracht und luftgetrocknet. Anschließend wurde der Bereich, in dem die
Probe aufgebracht wurde, von der DC-Platte abgerieben. Dieser Abrieb wurde
mittels TGA vermessen.
In Abbildung 4.1-32 sind die Thermogramme dieser Messungen dargestellt.
62
20
5
16
7Agglomerat
21
9
Suspension
-0,1
0,4
0,9
1,4
1,9
0 100 200 300 400 500
Tin °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 78
Abbildung 4.1-32: Thermogramme von der Suspension und der Rahmschicht der Probe N3-a.
Der Vergleich dieser Thermogramme zeigt, dass in der Rahmschicht der Anteil der
leicht verdampfenden Komponente (Geraniol) größer ist als in der Suspension.
Neben diesem großen Peak wird ein flacher Peak beobachtet, der sich von ca.
225°C bis 375°C erstreckt. Dieser Peak ist dem Netzmittel und dem Polymer
zuzuordnen und ist bei der Suspension ebenfalls zu beobachten. Der flache Verlauf
des Geraniol- und BCA-Peaks im Thermogramm von der Suspension ist damit zu
begründen, dass sich freies Geraniol und Kapseln mit einem hohen Anteil des
Kapselinhalts im Verhältnis zur Polymerhülle in der Rahmschicht befinden können,
und somit in der Suspension fehlen. Es ist zu vermuten, dass in der Suspension
kleinere Kapseln vorhanden sind als in der Rahmschicht.
Triton x-100 : N4
Experimenteller Verlauf: Wie unter A1 ohne und mit Geraniol.
Zunächst wurde die übliche Synthese ohne Geraniol durchgeführt, um bei der
thermogravimetrischen Analyse das Netzmittel nachzuweisen. Anschließend wurde
die Synthese mit Geraniol durchgeführt.
In Abbildung 4.1-33 sind die Thermogramme dieser Synthesen dargestellt.
Suspension
18
9
17
2
33
1
Rahmschicht
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 79
Abbildung 4.1-33: Vergleich der Thermogramme der Synthesen mit dem Netzmittel Triton x-100 mitund ohne Geraniol.
Der Vergleich der Thermogramme zeigt, dass bei der Synthese mit Geraniol eine
klare Stufe zwischen BCA (209°C) und Geraniol (192°C) zu erkennen ist und der
Peak für das Netzmittel symmetrischer verläuft.
19
3
M i t Ge ran io lO h n e G e r a n i o l
20
90
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 80
4.1.2 Diskussion der Ergebnisse der Kapselbildung mit unterschied-lichen Komponenten
In dem vorigen Abschnitt wurden die Versuche, die zum Nachweis der Kapselbildung
durchgeführt wurden, und die Ergebnisse dieser Versuchsreihen vorgestellt. In
diesem Abschnitt werden die Ergebnisse zusammengefasst und diskutiert.
Bei der Herstellung der Kapseln war die Entfernung der überschüssigen Inhaltstoffe,
ohne dabei die Kapseln zu zerstören, ein Problem. Um das geeignete Lösungsmittel
zu finden, welches diese Kriterien erfüllt, wurden Vorversuche durchgeführt. Bei der
mikroskopischen Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Lösemitteln
erwies sich Cyclohexan als geeignet. In Toluol bildeten sich Agglomerate und in
Isopropanol wurde die Kapselwand aufgelöst. In Wasser waren sie stabil.
Weitere mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Kapseln sich bevorzugt in
der wässrigen Phase aufhalten. Dadurch war die Trennung der Kapseln von den
überschüssigen Inhaltsstoffen durch Extraktion mit Cyclohexan möglich.
Die Ninhydrin-Methode, die zum Nachweis von Amin herangezogen wurde,
bestätigte durch intensivere Färbung der organischen Phase, dass das freie Amin in
die organischen Phase übergegangen war.
Die intensivere Färbung nach der Zerreibung der Probe aus der wässrigen Phase
zeigt ebenfalls, dass das freie Amin weitgehend entfernt ist. Die Kapseln geben den
Inhalt durch Zerreiben oder bei einer thermischen Behandlung der Probe frei.
Die Kryo-TEM-Aufnahme und die Bestimmung der Größenverteilung mittels
Dynamic-Nanosizing-Mikroscopy zeigen, dass bei der Synthese unterschiedlich
große Teilchen entstehen, wobei die Größenverteilung bei dem Ansatz A5 breiter ist
als bei dem Ansatz A6. Die TGA-Messungen dieser Ansätze zeigen, dass bei dem
Ansatz A5 kein Amin vorhanden ist. Im Gegensatz hierzu findet man bei dem Ansatz
A6 einen unsymmetrischen Peak (245-475°C), der mit dem Tensid Peak überlappt
und welcher von Amin stammen kann. Neben diesem beobachtet man bei 111°C
einen Peak, der von Nebenprodukten einer vermutlichen Reaktion zwischen dem
reaktiven BCA und Amin stammen kann.
Ergebnisse und Diskussion 81
Bei den Versuchen mit dem Inhaltsstoff Parfümöl bildeten sich während der Synthese
Agglomerate. Die mikroskopischen Untersuchungen der vom Agglomerat getrennten
Suspension bestätigen die Aussage, dass die Kapseln sich bevorzugt in der
wässrigen Phase befinden.
Die Geruchsprobe an der getrockneten Probe zeigt, dass die Geruchsintensität nach
dem Zerreiben der Kapseln zunimmt. Durch das Zerreiben wird die Kapselwand
zerstört und der Inhalt freigegeben. Die Zunahme der Geruchsintensität nach dem
Zerreiben deutet auf das eingeschlossene Parfümöl hin.
Die Agglomeration in der Suspension deutet daraufhin, dass das Parfümöl vermutlich
hydrophile Anteile enthielt, welche die Polymerisation des Monomers herbeigeführt
haben. Diese Agglomeration wurde durch Zugabe von Miglyol herabgesetzt, bei
Zugabe von HCl und Ethanol zum Parfümöl blieb sie aus.
Bei der Versuchsreihe mit dem Inhaltsstoff Orangenöl wurde diese Agglomeration
nicht mehr beobachtet.
Hierbei wird bei dem Thermogramm der Probe mit geringem BCA-Anteil kein Peak
für das Orangenöl detektiert. Im Gegensatz hierzu wird im Bereich zwischen 130-
250°C ein Peak für die Lösung von BCA in Orangenöl beobachtet, deren Verhältnis
zum Netzmittelpeak, welcher bei 400°C erscheint, relativ klein ist.
Bei dem Ansatz, bei dem der Gehalt an BCA erhöht wurde (O2), wird der Peak im
Bereich 130-250°C im Verhältnis zum Tensidpeak größer als bei dem Ansatz mit
geringem BCA-Anteil (O1). Die Überprüfung des Einflusses der Trocknungsdauer auf
die Freisetzung des Orangenöls zeigt, dass bei längerer Trocknungsdauer der Peak
zwischen 130-250°C flacher und zu höheren Temperaturen hin verschoben wird. Der
Grund für die Abnahme der Fläche liegt darin, dass die leichter siedende
Komponente Orangenöl mit der Zeit verdunstet und damit die Gesamtmasse
(BCA+Orangenöl) kleiner wird. Da der Anteil der leichter siedenden Komponente
abnimmt, steigt der Siedepunkt, wodurch eine Verschiebung zu höheren
Temperaturen erfolgt.
Anhand das Thermogramm der Probe, welcher in einem mit Orangenöl gesättigten
Exsikkator getrocknet wurde, erkennt man, dass der Peak von BCA/Orangenöl im
Bereich 130-250°C im Verhältnis zum Tensidpeak deutlich größer wird (Abb. 4.1-15)
Ergebnisse und Diskussion 82
Durch die Sättigung der Luft im Exsikkator wird die Diffusion des Orangenöls aus den
Kapseln entgegengewirkt. Dies ist ebenfalls ein Indiz dafür, dass es ein Austausch
zwischen dem eingekapselten und dem freien Orangenöl stattfindet. Dass die leicht
flüchtige Komponente mit der Zeit aus den Kapseln diffundiert ist bei dem Einsatz
von Kapseln als Wirkstoffträger unter Umständen ein erwünschter Effekt.
Da das Orangenöl leicht flüchtig ist und dadurch das Erfassen der ursprünglich
eingekapselten Menge erschwert, wurde Diphenlyether als weiterer Inhaltsstoff
gewählt. Diphenylether hat einen Siedepunkt bei 253°C und eine Dichte von ρ20
=1.0748 g/ml.
Nach der Synthese bildete sich im Kolben nach relativ kurzer Zeit ein Bodensatz.
Dieser wurde von der überstehenden Lösung getrennt. Die TGA- und
Größenverteilungsmessungen der Suspension und Bodensatz zeigen, dass sich im
Bodensatz nur reiner Diphenlyether abgesetzt hat. Die Abwesenheit des Tensids
führt zur Agglomeration der Teilchen. Damit lässt sich das Vorkommen der sehr
großen Teilchen erklären (s. Abb. 4.1-18, -20, - 22)
Bei dieser Versuchsreihe kann man keine eindeutige Abhängigkeit der
Teilchengröße von der Mengenvariation der Komponenten feststellen. Die
Thermogramme zeigen ebenfalls keine Abhängigkeit.
Der Grund dafür liegt einerseits daran, dass der Diphenylether sich am Boden
absetzt und damit nicht mehr zur Kapselbildung beiträgt. Andererseits spielt die
Trocknungsdauer (s. Abb.4.1-27, -28) und die Art der Trocknung (Abb. 4.1-24) eine
große Rolle.
Der Vergleich der unterschiedlichen Trocknungsarten zeigt, dass zwischen an der
Luft und im Exsikkator getrockneten Proben keine große Unterschiede festzustellen
ist. Im Gegensatz hierzu kehrt sich das Verhältnis Netzmittel-/Diphenylether- Anteil
um. Die Diskrepanz, der bei der Synthese eingesetzten Anteil von 14,13% und bei
dem Thermogramm der in Vakuum getrokneten Probe erhaltene Anteil an Miglyol
von 45%, lässt diesen Peak nicht mehr allein dem Miglyol zu zuordnen. Scheinbar ist
der Anteil an Polymer, der bei niedrigeren Temperaturen zersetzt wird, gestiegen und
erscheint in diesem Bereich. Daher fehlt dieser Anteil bei höheren Temperaturen. Für
diese Begebenheit gibt es bei unserem derzeitigem Wissensstand keine sinnvolle
Erklärung.
Ergebnisse und Diskussion 83
Bei der Versuchsreihe zur Tensidvariation wurde untersucht, ob die Stabilisierung der
Dispersion mit anderen Tensiden möglich ist. Dabei wurde Geraniol als Inhaltsstoff
gewählt.
Die verwendeten Tenside sind nichtionisch (Niotenside). Im Falle von Synperonic
FE68 handelt es sich um ein Triblockcopoylmer aus hydrophobem Polypropylenoxid
(PPO) mit hydrophilen terminalen Polyethylenoxid-Blöcken mit einem Anteil zwischen
80-89°% (s. Anhang 6.5). Bei ZL-Sa-73441-1 handelt es sich um ein Niotensid mit
einem ungesättigten Alkyl-Rest, mit dem 7 EO-Gruppen verbunden sind. Bei ZL-
Dö6977-171 ist die Anzahl der EO Gruppen gleich, wobei sie an einen gesättigten
Alkyl-Rest gebunden sind. Die genauere Struktur dieser beiden Verbindungen ist
nicht bekannt. Triton X-100 ist ebenfalls ein Niotensid mit einem Alkylaryl-Rest an
den eine (EO)n-Gruppe mit n≈ 9,5 gebunden ist.
Bei den Blockcopolymeren sind die jeweiligen Blocklängenverhältnisse für die
Amphiphilie des Tensids entscheidend. Verbindungen mit größerem Polyethylen-
oxidanteil sind eher hydrophil, wohingegen Polymere mit größerem Polypropylen-
oxidanteil eher hydrophob sind. Mit steigendem PPO- Anteil nimmt die Affinität zum
Öl zu, d.h. das Tensid wird lipophiler.
Die Wasserlöslichkeit der Niotenside rührt von der Hydratation der Sauerstoffatome
der Ethoxyeinheiten her. Die kritische Mizellbildungskonzentration (KMK) steigt mit
zunehmender Zahl der Ethoxyeinheiten an [78]. Die Verlängerung der Alkylketten
bewirkt einen größeren Effekt. Da bei Kohlenstofftensiden die Größe der
hydrophoben Gruppe im Wesentlichen durch die Zahl der Kohlenstoffatome gegeben
ist, sinkt die KMK eines n-Alkyltensids stetig mit der Zahl der Kohlenstoffatome des
Alkylrestes ab [79].
Während der Synthese tritt im Falle von ZL-Sa-73441-1 Agglomeration der Teilchen
ein, was bei dem Einsatz von anderen Tensiden nicht beobachtet wird. Der Grund für
die Agglomeration kann einerseits darin liegen, dass die Konzentration des Tensids
nicht ausreichend ist. Andererseits kann die Liphophilie der Alkylgruppe nicht
ausreichend sein, um die Kapseln vollständig zu benetzen.
Im Falle von ZL-Dö6977-171 findet eine Aufrahmung der Suspension statt. Bei den
Dichtegradientenmessungen mit dem Inhaltsstoff Miglyol (ρ20=0,942°g/ml) findet man
eine Dichte für die Nanopartikel in der Rahmphase von ρ20=0,958°g/ml, was etwas
Ergebnisse und Diskussion 84
über dem Wert für das reine Miglyol liegt [61]. Der Inhaltsstoff Geraniol hat eine
geringere Dichte (ρ20=0,877°g/ml) als das Miglyol. Demnach ist es zu erwarten, dass
die Nanopartikel mit Geraniol eine noch geringere Dichte haben als die mit Miglyol
hergestellten Nanopartikeln. Da die Dichte dieser Nanopartikel geringer ist als die
des Wassers, sind in dieser Rahmschicht Nanopartikel mit einem hohen Anteil an
Geraniol zu erwarten. Diese Annahme wird durch den Vergleich der Thermogramme
der Rahmschicht und der Suspension unterstützt. In der Probe aus dem
Rahmschicht findet man einen höheren Anteil an Geraniol als in der Suspension (s.
Abb. 4.1-32).
Bei dem Einsatz von Synperonic FE68 und Triton-X100 findet keine Agglomeration
statt. Eine Aufrahmung nach kurzer Zeit wird ebenfalls nicht beobachtet, was aber
nicht bedeutet, dass sich dabei keine Kapseln bilden. Bei Triton x-100 zeigt das
Thermogramm eine eindeutige Stufentrennung von BCA und Geraniol. Bei diesen
Untersuchungen ist es nicht geklärt, ob es sich dabei tatsächlich um Kapseln handelt.
Bei dem Einsatz dieser Tenside müssen die Partikel unter anderem auch hinsichtlich
der Morphologie untersucht werden.
Ergebnisse und Diskussion 85
4.2 Anwendung von statistischer Versuchsplanung
In dieser Versuchsreihe werden Kapseln mit dem Inhaltsstoff Geraniol entsprechend
der Versuchsvorschrift in Kapitel 3.1.2 hergestellt und mit Cyclohexan gereinigt. Die
Ansatzmengen der Synthesekomponenten werden unter Anwendung eines
Faktorenversuchsplans variiert. In den Abbildungen 6.3-1 und 6.1-5 im Anhang sind
die Ansatzmengen und die Versuchsplanung dargestellt.
4.2.1 Thermogravimetrische Messungen
Die Schwierigkeit, Geraniol in Nanokapseln nachzuweisen, besteht darin, dass die
TGA-Peaks beider Stoffe (BCA, Geraniol) annähernd gleich sind, was in Abbildung
4.2-1 dargestellt ist.
Abbildung 4.2-1: Thermogramm der rein Substanzen BCA und Geraniol im Bereich 0-300°C(Thermogramm im Bereich 0-500°C ist im Anhang 6.2)
Der Peak des BCA (207°C) liegt nur 26°C über dem des Geraniols (182°C). Der
Massenverlust des Geraniols setzt bei etwa 87°C an, erreicht bei 182 °C das
Maximum und geht bei etwa 215°C gegen Null. Der Verlauf der Massenverlustkurve
des BCA ist etwa um 20°C zu höheren Temperaturen verschoben. Beim Verlauf
dieser Kurve ist eine Schulter, die vom langkettigen Anteil des BCA stammt und etwa
bei 215°C erscheint, zu erkennen. Diese Schulter erscheint auch bei der TGA-
Messung von Kapselsynthesen. Durch Zentrifugation der Suspension wird dieser
BCA
21
520
7Geraniol
18
2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 100 200 300
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 86
Anteil scheinbar abgetrennt, denn bei der TGA der zuvor zentrifugierten Suspension
erscheint diese Schulter nicht mehr (s. Abb. 6.3-21 im Anhang).
In einem Temperaturintervall von etwa 100°C (117-215°C) wird der Massenverlust
für beide Substanzen gleichzeitig registriert, wodurch die Zuordnung der Peaks zu
den jeweiligen Substanzen erschwert wird. Das Netzmittel Synperonic stellt bei der
Betrachtung dieses Problems keine Schwierigkeit dar, da dessen Massenverlust erst
bei höheren Temperaturen (200-400°C) registriert wird (s. Abb. 6.2-3 im Anhang).
In der folgenden Abbildung ist das Thermogramm der Kapselsynthese 1G dargestellt.
Abbildung 4.2-2: Thermogramm der Synthese 1G mit 200 % BCA, 75 % Geraniol und 50 %Synperonic
Der Verlauf dieses Thermogrammes im Bereich 100-250°C ist ähnlich wie der des
reinen BCA. Der Schulter bei 215°C ist hierbei deutlicher zu erkennen als bei reinem
BCA. Eine Stufenbildung im unteren Temperaturbereich (100-200°C) welche zum
Geraniol zuzuordnen wäre, ist nicht zu erkennen. Diese erwartete Stufenbildung ist
bei den Versuchen 1G-5G, welche bei der Synperonic-Konzentration von 50%
durchgeführt wurden, nicht zu erkennen (s. Abb. 6.3-2 bis 6.3-6).
Im Gegensatz hierzu ist bei den Versuchen mit einer Synperonic-Konzentration von
75% eine deutliche Stufenbildung bei 6 von 9 Versuchen zu beobachten (s. Abb. 6.3-
7 bis 6.3.15 im Anhang). Bei den Versuchen, wo diese Stufenbildung nicht sehr
deutlich sind, beobachtet man einen flachen Anstieg der Kurve.
39
4
20
52
15
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 87
Zur Veranschaulichung der Zuordnung der Stufen ist in Abbildung 4.2-3 ein Vergleich
der Thermogramme der reinen Substanzen BCA, Geraniol und der Kapselsynthese
dargestellt.
Abbildung 4.2-3: Thermogramm der reinen Substanzen BCA, Geraniol und der Synthese mit 200 %BCA, 100 % Geraniol und 75 % Synperonic.
Das Thermogramm der Kapseln verläuft am Anfang identisch mit der Kurve von BCA
und erreicht das erste Maximum (189°C) genau an der Stelle, wo das Geraniol den
maximalen Gewichtsverlust hat. Nach einem kurzen Abfall steigt die Kurve wieder
an. Bei 209°C wird das zweite Maximum erreicht. Dieses fällt zusammen mit dem
Maximum des BCA. Das dritte Maximum, das dem Synperonic zuzuordnen ist, wird
bei 389°C erreicht.
Ein Vergleich der Synthesen 6G - 14G, wo die Stufenbildung zu erkennen ist zeigt,
dass für die Stufenbildung kein bestimmtes Konzentrationsverhältnis zwischen
Geraniol und BCA bevorzugt wird. Die Stufenbildung erscheint sowohl in allen BCA-
als auch bei allen Geraniol-Konzentrationen. Weiterhin lässt sich ein Einfluss der
Konzentrationen auf die Höhe der Peaks von Geraniol und des BCA erkennen.
Kapseln mit BCA und Geraniol
BCA
Geraniol
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Ergebnisse und Diskussion 88
In der folgenden Abbildung werden die Synthesen 6G, 7G und 11G im Bereich 0-
300°C zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Peakhöhe von der Geraniol- und
BCA-Konzentration miteinander verglichen.
Abbildung 4.2-4: Vergleich der Thermogramme der Synthesen 6G, 7G und 11G im Bereich 0-300°C.6G: 200 % BCA, 50 % Geraniol und 75 % Synperonic, 7G: 225 % BCA, 50 % Geraniol und 75 %Synperonic, 11G: 250 % BCA, 75 % Geraniol und 75 % Synperonic.
Bei allen Ansätzen spiegelt sich die hohe BCA-Konzentration in der Peakhöhe wider.
Der Anteil des Geraniol-Peaks steigt entsprechend der Geraniol-Konzentration in
dem Ansatz. Je höher der eingesetzte Gerniolanteil ist, um so höher ist auch der bei
der TGA-Messung nachgewiesene Geraniol-Anteil. Bei dem Vergleich der Proben 7G
und 11G, wo die Stufenbildung deutlicher ist, wird diese Tatsache anschaulich.
6G
7 G
11G
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 50 100 150 200 250 300
T in °C
dm/d
T a
.u.
Ergebnisse und Diskussion 89
Bei den Versuchen (15G-19G) mit dem Synperonicanteil 100 % sind, wie bei den
Versuchen (1G-5G) mit 50 % Synperonicanteil, keine Stufenbildungen zu
beobachten, was aber nicht bedeutet, dass bei diesen Versuchen kein Geraniol
eingeschlossen wird.
4.2.2 Bestimmung der Dichten und der Wandstärken der Kapseln
Mit Hilfe der AUZ- Messungen wurden die Dichten und der Durchmesser der Kapseln
ermittelt. Hierbei wurde der reduzierte Versuchsplan zu einem 33 Faktoren-
Versuchsplan vervollständigt, in dem die fehlenden Kantenmittelpunkte ergänzt
wurden. Dieser Versuchsplan und die dazugehörigen Ansatzmengen der jeweiligen
Komponenten sind im Anhang in Abbildung 6.1-1 und Tabelle 6.1.-7 dargestellt.
Die Dichten der Teilchen wurden mittels AUZ ermittelt. Im Abbildung 4.2-5 werden
die ermittelten Werte mit den mit Hilfe der Gleichung 2.2.2-12 berechneten Dichten
verglichen. Die dazugehörigen Werte befinden sich im Anhang im Tabelle 6.4.1.
Abbildung 4.2-5: Vergleich der berechneten mit den gemessenen Dichten.
Der Vergleich der berechneten Dichten mit den experimentell ermittelten zeigt, dass
bei allen Versuchen die synthetisierten Teichen höhere Dichten aufweisen als
erwartet. Bei den berechneten Werten beobachtet man eine Abhängigkeit der Dichte
von den jeweiligen Komponenten. Das Geraniol hat mit 0,877 g/ml die geringste und
0 , 8 5
0 , 9 0
0 , 9 5
1 , 0 0
1 , 0 5
1 , 1 0
Dic
hte
in
g/m
l
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7
V e r s u c h s n u m m e r
D i c h t e b e r e c h n e t D i c h t e e r m i t t e l t
Ergebnisse und Diskussion 90
das BCA mit 1,158 g/ml die höchste Dichte. Das Tensid hat eine Dichte von 1,16
g/ml. Bei den Versuchen mit maximalem Geraniolgehalt beobachtet man bei den
berechneten Werten auch die geringsten Dichten (Vers.Nr.: 7, 8, 9, 16, 17, 18, 25,
26, 27). Bei den Versuchen mit dem geringsten Geraniolanteil (Vers.Nr.: 1, 2, 3, 10,
11, 12, 19, 20, 21) erhält man die höchsten Dichten. Bei den ermittelten Dichten
beobachtet man darüber hinaus keine eindeutige Tendenzen.
Die Kenntnis der Dichte der erhaltenen Partikeln ermöglicht die Aussage, ob der
Inhaltstoff eingeschlossen ist oder nicht. Darüber hinaus ermöglicht sie über die
Bestimmung PolyP und PolyV die Ermittlung der Wandstärke der Kapseln bei Kenntnis
der Teilchenradien mit Hilfe der Gleichung 2.2.2-16. Die Ergebnisse dieser
Berechnungen sind in den Tabellen 6.6.1 und 6.4.2 im Anhang 6.4
zusammengefasst.
Nach diesen Berechnungen erhält man einen Polymer-Anteil zwischen 63-80%,
welcher 57-75 % des Volumenanteils entspricht.
Im Folgenden sind die Wandstärken im Verhältnis zu den Teilchendurchmessern
dargestellt.
Abbildung 4.2-6: Vergleich der Teilchendurchmesser mit den Wandstärken.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Versuchsnummern
Teilchen Durchmesser Wandstärke
µm
Ergebnisse und Diskussion 91
Bei einer Kern-Schalen-Struktur beträgt die Wandstärke im Durchschnitt etwa ein
Zehntel des Teilchendurchmessers. Im Folgenden ist die Abhängigkeit der
Wandstärke von den Versuchsparametern dargestellt. Dabei wurden die Mittelwerte
der Summen über alle Anteile der jeweiligen Komponenten gebildet.
In Abbildung 4.2-7 sind die Mittelwerte der Wandstärken über alle Netzmittelanteile
(50, 75, 100 %) zusammen mit den Standartabweichungen dargestellt.
250225
200
50
75
100
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
Wan
dstä
rke
in µ
m
Monomeranteil in %
Ölanteil in %
Standartabweichungen
in µm
250225
200
50
100
0,0
22
0,0
03
0,0
22
0,0
08
0,0
06
0,0
09
0,0
16
0,0
04 0
,02
5
Abbildung 4.2-7: Mittelwerte der Wandstärken über alle Netzmittelanteile (50, 75, 100 %) mit denStandardabweichungen in µm.
Dabei beobachtet man, dass die Wandstärke mit steigendem Monomer- und
Geraniolgehalt zunimmt. Den kleinsten Wert für die Wandstärke erhält man bei dem
geringsten Monomer- und Ölanteil.
Ergebnisse und Diskussion 92
Abbildung 4.2-8: Mittelwerte der Wandstärken über alle Ölanteile (50, 75, 100 %) mit denStandardabweichungen in µm.
Bei der Darstellung der Wandstärke in Abhängigkeit von Monomer- und
Netzmittelanteilen (Mittelwerte über alle Ölanteile: 50, 75, 100 %) (Abb. 4.2-8)
beobachtet man die Tendenz, dass mit abnehmendem Monomer- und
Netzmittelanteil die Wandstärke abnimmt.
Die Mittelwerte der Wandstärken über alle Monomeranteile (200, 225, 250 %) sind in
der folgenden Abbildung dargestellt. Hierbei beobachtet man die Tendenz, dass mit
abnehmendem Ölanteil auch die Wandstärken abnehmen. Bei 100 % Netzmittelanteil
nimmt die Wandstärke mit abnehmendem Ölanteil ab. Im Gegensatz hierzu
beobachtet man eine Zunahme der Wandstärke bei 50 % Ölanteil. Hierbei handelt es
sich wahrscheinlich um einen Ausreißer.
250225
200
50
75
100
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
Wan
dstä
rke
in µ
m
Momomeranteil in %
Netzmittelanteil
in %
250225
200
50
75
100
0,01
5
0,00
8
0,01
5
0,00
8
0,00
3 0,02
5
0,01
1
0,00
5
0,01
3
Standartabweichungen
in µm
Ergebnisse und Diskussion 93
Abbildung 4.2-9: Mittelwerte der Wandstärken über alle Monomeranteile (200, 225, 250 %) mit denStandardabweichungen in µm.
Der Mittelwert der Wandstärke über aller Versuche entspricht 11,38% der
Teilchengröße mit einer Standardabweichung von 0.95 %. Im Abbildung 4.2-10 ist
ein eine TEM - Aufnahme einer Kapsel aus Probe 18 dargestellt.
Abbildung 4.2-10: TEM-Aufnahme einer Kapsel der Probe18 der vollständigen Versuchs-planung.
10075
50
50
75
100
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
Wan
dstä
rke
in µ
m
Ölanteil in %
Netzmittelanteil in %
Standartabweichungen
in µm
100 75 50
50
100
0,00
4
0,00
8
0,02
0
0,02
1
0,00
7
0,01
2
0,02
2
0,00
3
0,02
3
200nm
Ergebnisse und Diskussion 94
Die TEM- Aufnahme zeigt eine Kapsel mit etwa 0,415 µm Durchmesser. Die hellen
Bereiche stammen vom eingeschlossenem Geraniol, das eine höhere Elektronen-
dichte aufweist als das BCA. Die dunklen äußeren Bereiche sind vom Polymer, das
die Wand der Kapseln bildet. Die Wanddicke dieser Kapsel beträgt mit etwa
0,047 µm etwa 10 % des Kapseldurchmessers.
Dies bestätigt das mittels AUZ ermittelte Ergebnis, dass die Dicke der Kapselwand
im Durchschnitt 11,38 % des Kapseldurchmessers entspricht.
4.2.3 Bestimmung der Kapselgröße
In diesem Kapitel wird die Kapselgröße, welche mittels verschiedener Methoden
ermittelt wurde, dargestellt. Die mittels der DLS- und AUZ-Messungen ermittelten
Kapselgrößen liegen zwischen ca. 200-800 nm. Die in Abbildung 4.2-10 und 4.2-11
dargestellten TEM- Aufnahmen von der gleichen Probe zeigen auch Kapseln
unterschiedlicher Größen zwischen 190-500 nm. Die Ergebnisse der DLS-
Messungen befinden sich im Anhang 6.5. Diese zeigen eine bi- und trimodale
Größenverteilungen. Die Kapseldurchmesser, welche im Folgenden dargestellt
werden, sind daher als Mittelwerte zu betrachten.
Abbildung 4.2-11: TEM-Aufnahmen der Probe 14.
Die mittels AUZ bestimmten Mittelwerte der Kapselgrößen werden im Folgenden in
Abhängigkeit von den jeweiligen Synthesekomponenten dargestellt.
500nm
200nm
Ergebnisse und Diskussion 95
Abbildung 4.2-12: Mittelwerte der Kapselduchmesser und deren Standardabweichungen über alleNetzmittelanteile.
Anhand der Abbildung 4.2-12 erkennt man, dass der mittlere Kapseldurchmesser mit
abnehmenden Monomer- und Ölanteilen abnimmt.
In dieser Versuchsreihe wird im Einklang mit literaturbekannten Ergebnissen keine
Abhängigkeit der Kapselgrößen von der Netzmittelkonzentration festgestellt. Dies
wird in der Abbildung 4.2-13 gezeigt.
Abbildung 4.2-13: Mittelwerte der Kapselgrößen und deren Standardabweichungen über alleÖlanteile.
5075
1 0 0
2 0 0
2 2 5
2 5 0
0,00
0 ,10
0 ,20
0 ,30
0 ,40
0 ,50
0 ,60
0 ,70
0 ,80
0 ,90
1 ,00
d in
µm
Monomerante i l in %Netzmit telantei l in %
2 5 0 2 2 5 2 0 0
50
1 0 0
0,1
36
0,1
04
0,1
19
0,0
43
0,0
55
0,1
64
0,0
74
0,0
5
0,1
48
S t a n d a r t a b w e i c h u n g e n
in µm
1 0 075
50
2 0 0
2 2 5
2 5 0
0,00
0 ,10
0 ,20
0 ,30
0 ,40
0 ,50
0 ,60
0 ,70
0 ,80
0 ,90
1 ,00D
urc
hm
ess
er
in µ
m
Ölanteil in %
Monomerante i l in %
1 0 0 75 50
2 0 0
2 5 0
0,1
40
0,0
60
0,0
16
0,0
30
0,0
70
0,0
70
0,1
50
0,0
80
0,0
30
S t a n t a d a r t a b w e i c h u n g e n
in µm
Ergebnisse und Diskussion 96
Bei den Versuchen, bei denen die Standardabweichungen nicht so groß sind (bei
Monomeranteil 250, 225 % und Netzmittelanteil 50, 75 %), ist die Veränderungen der
Kapselgrößen in Abhängigkeit der Netzmittelkonzentration unbedeutend, so dass
man von einer Abhängigkeit nicht sprechen kann.
4.2.4 Morphologie der Kapseln
Zur Untersuchung der Kapselmorphologie und zur Klärung der Oberflächen-
beschaffenheit wurden die Methoden AFM und TEM und die Zetapotenzial-
messungen herangezogen.
Mit Hilfe der AFM und TEM Messungen kann man nachweisen, dass bei der
Synthese runde Kapseln mit einer Kern-Schalen-Struktur entstehen. Neben diesen
existieren auch Strukturen, welche auf Multi-Compartment-Systeme hinweisen. Diese
Strukturen existieren nebeneinander.
Zur Klärung der Oberflächenbeschaffenheit und der Struktur der intakten Kapseln
wurde die Suspension für die AFM-Aufnahmen mit Wasser im Verhältnis 1:20
verdünnt, auf eine Mica-Oberfläche gebracht, fixiert und vermessen (v).
Die AFM-Aufnahmen und Profilschnitte durch die abgebildeten Bereiche liefern den
Nachweis, dass bei der Synthese runde Partikeln entstehen. Als Hilfe zur
Vorstellung, dass es sich um runde Teilchen handeln soll die Zeichnung im
Abbildung 4.2-12 herangezogen werden.
Im Folgenden werden einige AFM-Aufnahmen und deren Profilschnitte dargestellt.
Ergebnisse und Diskussion 97
Abbildung 4.2-12 : AFM-Aufnahme Abbildung 4.2-12-a: Bestimmung horizontalender Probe 14 und vertikalen Abstände
0
Abbildung 4.2-12-b: Profilsschnitt einer Kapsel aus Abbildung 14.2-12.
Zur Veranschaulichung, dass es sich in dieser Abbildungen dargestellten Teilchen
um runde Teilchen handelt, wurde der Profilschnitt von den in Abbildung 4.2-12-a
ausgewählten Teilchen zu Hilfe genommen. Der in diesem Profilschnitt
eingezeichnete Halbkreis verdeutlicht (Abb. 4.2-12-b), dass das Teilchen nahezu
rund sein muss. Das vorliegende Teilchen hat einen Durchmesser von etwa 280 nm.
µm
µm0.00 1.00 2.00
-0.5
0.0
0.5
Ergebnisse und Diskussion 98
Die Abbildung 4.2-13 veranschaulicht, dass es sich bei dem Objekt der AFM-
Aufnahme um ein Teilchen handelt, dessen horizontaler Abstand ca. 250-300 nm
beträgt. Der vertikale Abstand dieses ausgewählten Teilchens ist in der Abbildungen
4.2-14 dargestellt. Hierzu wurden die Sequanzanalysen der Aufnahmen zur Hilfe
genommen.
Abbildung 4.2-13: AFM-Aufnahme der Probe 14 mit der Sequenzanalyse zur Veranschaulichung derhorizontalen Abstände
Abbildung 4.2-14: AFM-Aufnahme der Probe 14 mit der Sequenzanalyse zur Veranschaulichung dervertikalen Abstände
Neben diesen großen Teilchen werden in derselben Probe ziemlich breite, flache
Objekte detektiert, die dem freien Öl in der Suspension zugeordnet werden. Die
Bilder dieser Bereiche sind mit den Sequenzanalysen in den folgenden Abbildungen
dargestellt.
nm
308.82nm 250,92nm
nmnm
139,73nm161,22nm
Ergebnisse und Diskussion 99
Abbildung 4.2-15: AFM-Aufnahme von freiem Öl in der Probe 14 mit Sequenzanalyse zurBestimmung der vertikalen Abstände
Abbildung 4.2-16: AFM-Aufnahme von freiem Öl in der Probe 14 mit Sequenzanalyse zurBestimmung der horizontalen Abstände
Die Unterschiede in den horizontalen und vertikalen Abstände der in den
Abbildungen 4.2-12-4.2-15 dargestellten Objekte, insbesondere die geringen Höhen
der Objekte im Verhältnis zu deren großen horizontalen Durchmessern machen es
deutlich, dass es sich zum einen um Kapseln und zum anderen um das freie Öl
handelt. Den Beweis, dass es sich nicht nur um freies Öl handelt, sondern auch um
Kapseln worin das Öl eingeschlossen ist, liefern auch die TEM-Aufnahmen (s. Abb.
4.2-16).
Da die Helligkeitsdifferenzen bei TEM durch Massendickedifferenzen des Objektes
hervorgerufen werden und die Stellen mit der dichteren Masse im Bild dunkler
erscheinen, ist es ein Nachweis dafür, dass es sich hierbei um Kapseln mit einer
Kern-Schale-Struktur handelt. Hierbei werden die dunkleren Stellen der
100,12nm72,432nm
60,73nm
1,563µm
1,094µm937,5nm
Ergebnisse und Diskussion 100
Polymerwand und die helleren Stellen dem eingeschlossenen Öl zugeordnet. Diese
Kern-Schale-Struktur wird besonders in Abbildung 4.2-9 deutlich.
Abbildung 4.2-17: TEM-Aufnahmen der Probe 14. Rechts die vergrößerte Darstellung einer Kapsel.
Neben diesen intakten Kapseln und dem freien Öl in der Suspension existieren auch
leere Kapselhüllen. Bei der AFM-Aufnahme der Probe 8 ist eine solche Struktur
dargestellt (Abb. 4.2-19-4.2-22). Die Größe dieser Struktur liegt mit etwa 300 nm in
der Größenordnung der Kapseln, welche in dieser Arbeit vorgestellt wurden.
Abbildung 4.2-18: AFM-Aufnahme und Sequenzanalyse der Probe 8
Abbildung 4.2-19: AFM-Aufnahme und Sequenzanalyse der Probe 8 in einem anderen Querschnitt.
432,96nm178,68nm
412,34nm
309,26nm
Ergebnisse und Diskussion 101
Der flache, hierbei schwer erkennbare Bereich ist in den Abbildung 4.2-20 vergrößert
dargestellt.
Abbildung 4.2-20 : Vergrößerung des markiertenBereiches in Abbildung 4.2-19.
Abbildung 4.2-21: Horizontale Abstände.
Abbildung 4.2-22: Vertikale Abstände.
Die Sequenzanalysen dieses Objektes, vermutlich die Hülle einer aufgeplatzten
Kapsel, zeigen, dass es sich hierbei um ein Teilchen von ca. 300 nm Durchmesser
mit einer Höhe von ca. 30 nm handelt. Die Höhe beträgt etwa ein Zehntel des
45,28nm 40,43nm 64,68nm
21,02nm27,49nm 30,72nm
Ergebnisse und Diskussion 102
Teilchendurchmessers. Dieses Verhältnis entspricht in etwa den in Abschnitt 4.2.3
gefundenen Wandstärken.
Das Netzmittel bewirkt eine sterische Stabilisierung der Teilchen. Neben dieser
sterischen Stabilisierung werden die Teilchen durch elektrische Ladungen, die sie an
der Oberfläche tragen, elektrostatisch stabilisiert.
Das elektrische Potenzial an der Oberfläche eines Teilchens, bezogen auf das
Potenzial im Inneren des Lösungsmittels, heißt elektrokinetisches Potenzial oder ξ-
Potenzial.
Zur Klärung der Oberflächenbeschaffenheit wurden Zetapotenzialmessungen
durchgeführt.
Zetapotenziale einiger Kapselsuspensionen aus dieser Versuchsreihe sind unten
graphisch dargestellt. Das Zetapotenzial der Suspensionen aus dieser Versuchsreihe
liegt zwischen -22,8 und –28,5 mV. Dabei erkennt man keine signifikante
Veränderung bezüglich der Variationen der Konzentrationen der jeweiligen Synthese
komponenten.
Abbildung 4.2-24: Zetapotenziale der Nanokapsel-Suspensionen (Probenbezeichnungen beziehensich auf die Versuche der vollständigen Faktorenversuchsplanung s. Abb. 6.1-1 und Tabelle 6.1-7 imAnhang)
Zetapotenziale einiger Proben
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
2 4 6 8 12 14 15 17 18 20 22 23 24 25 26 27
Probenbezeichnung
Zeta
pote
nzia
l in
mV
Ergebnisse und Diskussion 103
4.2.5 Diskussion der Ergebnisse der Untersuchungen unterAnwendung der Faktorenversuchsplanung
Die Thermogramme der reinen Substanzen zeigen einen Massenverlust für das
Geraniol bei 182°C, für BCA bei 207°C und für das Synperonic zwischen 200 und
400°C auf. Hiernach ist ein Massenverslust bei den Kapseln beginnend bei den für
Geraniol charakteristischen Temperaturbereichen zu erwarten gewesen. Im
Gegensatz hierzu zeigt die Massenverlustkurve am Anfang einen identischen Verlauf
mit der Massenverlustkurve des reinen BCAs und eine Stufenbildung im weiteren
Verlauf im Bereich von 100-250°C. Dies zeigt, dass die Zersetzung des Geraniols mit
der Freisetzung desselben aus den Kapseln verbunden sein muss. Andererseits
muss die Menge an freiem Öl so gering sein, dass man es mit dieser Methode nicht
erfassen kann. Dies zeigt, dass durch die Reinigung mit Cyclohexan das freie Öl aus
der Suspension weitgehend entfernt wird und die Kapseln bei nicht zu hohen
Temperaturen beständig sind.
Die Verhältnisse der Ansatzmengen an Geraniol und BCA findet man bei TGA-
Messungen wieder. Die Tatsache, dass bei der Erhöhung des eingesetzten Geraniol-
Anteils auch der registrierte Anteil dieser Komponente höher ist, legt die Vermutung
nahe, dass bei Erhöhung des Geraniolanteils auch eine größere Menge
eingeschlossen wird.
Die mittels der AUZ-Messungen ermittelten Wandstärken, die etwa einem Zehntel
der Kapseldurchmesser entsprechen, zeigen, dass eine sehr dicke Wand um das Öl
herum existiert, die die Freisetzung des Öls erschweren kann. Dies kann ein Grund
dafür sein, dass bei Wärmeeinfluss zuerst BCA abgebaut wird.
Diese dicken Wände besitzen darüber hinaus den Nachteil, dass die Freisetzung von
Wirkstoffen erschwert ist. Weiterhin ist die Kapazität der Wirkstoffaufnahme geringer
als bei dünneren Wänden. Dieser scheinbare Nachteil kann sich jedoch bei einigen
Einsatzgebieten, wo die Freisetzung des Inhaltsstoffes über längere Zeit kontrolliert
erfolgen soll, als sehr nützlich erweisen, weil der Abbau der Polymerwand aufgrund
der Dicke längere Zeit in Anspruch nimmt. Bei Einsatzgebieten, wo der Inhaltsstoff
erst durch thermische und mechanische Zerstörung der Wand freigesetzt werden
soll, ist es ebenfalls vom Vorteil.
Ergebnisse und Diskussion 104
Bei der Betrachtung der Wandstärke wird offensichtlich, dass diese vom
Monomer/Öl–Verhältnis abhängig ist. Bei hohen Verhältnissen ist die Wandstärke
größer. Weiterhin besteht eine tendenzielle Abhängigkeit von der eingesetzten
Netzmittelkonzentration. Da das Polymer zusammen mit dem Netzmittel diejenigen
Komponenten sind, die die Wand bilden, ist es nachvollziehbar, dass die Wandstärke
mit steigender Konzentration dieser Komponenten zunimmt.
Die mittels AUZ bestimmten Teilchengrößen zeigen, dass mit steigendem Öl- und
Monomeranteil die Kapselgröße zunimmt (s. Abb. 4.2-10). Der Einfluss der Ölmenge
auf die Kapselgröße stimmt mit den in der Literatur gefundenen Tendenzen überein
[45, 47, 48]. Hinsichtlich der Abhängigkeit der Kapselgröße von der Monomer-
konzentration findet man in der Literatur unterschiedliche Aussagen. Eine Abnahme
der Kapselgröße mit abnehmender Monomerkonzentration, im Gegensatz zu den bei
dieser Arbeit ermittelten Tendenzen, wird von M. Wohlgemuth und J.M Rollot
beobachtet [46, 47]. Es wird vermutet, dass das Monomer die Freie Energie an der
Grenzfläche zwischen der organischen und der wässrigen Phase herabsetzt,
wodurch eine Vergrößerung der Grenzfläche und somit kleinere Kapseln resultieren.
Nach Beobachtungen von Chouinard et. al. bewirkt die Variation der Monomer-
konzentration im Bereich von 0,3 bis 2 Vol. % (bei IHCA Kapseln) keine signifikante
Änderung der Kapselgröße.
Dass die Kapselwand im Durchschnitt 11,38% der Kapselgröße entspricht und dieser
Wert mit 0.95% Standardabweichung nahezu konstant bleibt, zeigt, dass das
Verhältnis Öl/Monomer bei der Kapselbildung eine große Rolle spielt und dieser
Faktor damit über die Kapselgröße bestimmt.
Die Kapselgröße wird nach Al Khouri Fallouh von der Größe der dispergierten
Öltröpfchen bestimmt. Das Monomer bewirkt eine Vergrößerung der Oberfläche. Die
damit verbundene Verkleinerung der Öltröpfchen wird auch bis zu einem gewissen
Grad beobachtet. Der Monomergehalt der von M. Wohlgemuth untersuchten Kapseln
liegt zwischen 50-150%. In dieser Arbeit wurde der Bereich von 200% bis 250%
Monomergehalt untersucht. (Die prozentualen Angaben beziehen sich auf die von Al
Khouri Fallouh eingesetzten Mengen). Vermutlich wird bezüglich der Kapselgröße
eine Talsohle erreicht, wobei sich der Zusammenhang an der anderen Seite der
Talsohle umkehrt.
Ergebnisse und Diskussion 105
Die Variation der Netzmittelkonzentration hat auch bei den in dieser Arbeit
untersuchten Kapseln keinen großen Einfluss auf die Kapselgröße, was im Einklang
mit literaturbekannten Beobachtungen steht.
Die morphologischen Untersuchungen der Suspensionen aus dieser Versuchsreihe
mittels AFM und TEM zeigen, dass runde Kapseln mit Kern-Schalen-Struktur
entstehen. Neben diesen Kapseln sind in der Suspension vereinzelte freie
Öltröpfchen und andere sphärische Strukturen zu beobachten.
Zur Veranschaulichung, dass es sich bei diesen Teilchen nicht (wie bei den im TEM
und AFM beobachteten) um intakte Kapseln handelt, wird der Vergleich mit einem
geplatzten Ball zu Hilfe genommen. Die in Abbildung 4.2-23 dargestellte Zeichnung
soll dies veranschaulichen.
Abbildung 4.2-23: Schematische Darstellung eines gefüllte und eines flachgedrückten Fußballs alsModell für eine intakte und eine geplatzte Kapsel.
Eine intakte Kapsel wird durch einen gefüllten Ball symbolisiert. Wenn der Ball die
Luft verliert, so sackt dieser in sich zusammen. Zurück bleibt die Hülle mit
Ausbuchtungen im Randbereich.
Das hierbei beobachtete, kranzförmige, flache Teilchen mit einem charakteristischen
Höhenprofil erweckt den Anschein, dass es sich um eine leere Kapselhülle oder um
agglomerierte kleine Polymersphären handelt. Das Vorhandensein von Teilchen
dieser Art kann neben dem Gößenunterschied der Kapseln ein Grund für die bi- bzw.
trimodale Größenverteilungen sein.
Die AFM- und TEM-Aufnahmen bringen den Beweis, dass in der Probe neben
intakten, runden Kapseln mit Kern-Schalen-Struktur freies Öl und andere Objekte
existieren. Dies deutet darauf hin, dass neben der Kapselbildung mit Kern-Schalen-
Struktur andere Prozesse ablaufen.
Ergebnisse und Diskussion 106
Die Messungen des Zetapotenzials ergeben ein Zetapotenzial zwischen –22,8 und
28,5 mV. Dabei beobachtet man keine Abhängigkeit von der eingesetzten Menge der
jeweiligen Synthesekomponenten. Die Zetapotenziale der Nanokapseln, welche mit
Migylol unter den gleichen Bedingungen hergestellt wurden, liegen auch in der
gleichen Größenordnung [52, 82].
Nanopartikel aus Polybutylcyanoacrylaten weisen ein negatives Zetapotenzial auf, da
sie die Anionen der wässrigen Phase anziehen. Durch Zugabe von Polysobate,
Polaxamere oder Dextran kann das Zetapotenzial erhöht und die Kapseln stabilisiert
werden [84]. Bei Polyisobutylcyanoacrylat-Kapseln mit und ohne Insulin erhält man
ebenfalls negative Zetapotenziale von –20 m 3 mV [83].
Zusammenfassung 107
5. Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurden Nanokapseln aus n-Butylcyanoacrylat (BCA) bei Variation der
Synthesekomponenten bezüglich ihrer Art und Menge hergestellt und charakterisiert.
Zur Interpretation der Einflüsse der Mengenvariationen wurde ein reduzierter und ein
vollständiger Faktorenversuchsplan aufgestellt. Mit Hilfe dieser Faktorenversuchspläne
wurden Kapseleigenschaften wie Größe, Größenverteilung, Dichte, Wandstärke und
Kapselmorphologie aufgeklärt.
Für den Nachweis der Kapselbildung und die Charakterisierung dieser Kapseln
wurden unter anderem die Methoden TGA, TEM, AFM, AUZ, DLS gewählt und
Zetapotenziale bestimmt.
Das freie Öl, welches anfänglich bei der Charakterisierung der Kapseln ein großes
Problem darstellte, wurde mit Cyclohexan entfernt, ohne dass dabei die Kapseln
zerstört wurden.
Ein weiteres Problem bei der Darstellung der Kapseln war, dass mit Substanzen
unbekannter Zusammensetzung gearbeitet wurde. Bei der Auswahl der Substanzen ist
auf die Reaktivitiät von BCA, welches unter Umständen unerwünschte
Nebenreaktionen mit den Inhaltsstoffen eingeht, zu achten.
Die Ergebnisse zeigen, dass die von Prof. C. Mayer überarbeitete Synthesevorschrift
der Nanokapseln, wobei zur Darstellung Miglyol® und Synperonic® PE / F68 benutzt
wurde, auch auf andere eingeschlossene Medien und Netzmittel übertragbar ist.
Dabei erhält man Kapseln mit Kern-Schale-Struktur, welche bei nicht zu hohen
Temperaturen und gegen nicht zu große mechanische Belastungen stabil sind.
Diese Kapseln weisen in Abhängigkeit des Monomer/Öl-Verhältnisses variierende
Größen und Wandstärken auf.
Die Existenz anderer Objekte, die in geringem Maße neben diesen Kapseln mit Kern-
Schale-Struktur vorkommen, weist auf den Ablauf eines weiteren Prozesses neben
Kapselbildung hin. Die Klärung dieser Prozesse und die Trennung der Kapseln von
Zusammenfassung 108
den damit verbundenen Nebenprodukten ist in Hinsicht auf die Optimierung der
Monodispersität und die Erhöhung der Ausbeute an Kapseln sehr wichtig.
Anhang 109
6. Anhang
6.1 Mengenvariationen der Komponenten
Versuchsreihe A mit Dimerfettsäurediamin
Ansatz-Nr.
Netzmittel[ g ]
BCA[ g ]
Amin[ g ]
Miglyol[ g ]
A1 0,500 0,590 0,492 1,479
A2 0,629 0,591 0,495 1,471
A3 2,500 0,583 0,495 1,467
A4 0,503 0,300 0,496 1,473
A5 0,5 0,2983 1,8936
Tabelle 6.1-1: Massenanteile von Netzmittel, BCA, Amin und Miglyol.
Versuchsreihe P mit Parfümöl
Ansatz-Nr.
Netzmittel[ g ]
BCA[ g ]
Parfümöl[ g ]
Miglyol[ g ]
P1 1,250 0,593 1,409
P2 1,003 0,599 0,710 0,712
Tabelle 6.1-2: Massenanteile von Netzmittel, BCA, Parfümöl und Miglyol.
Versuchsreihe O mit Orangenöl
Ansatz-Nr.
Netzmittel[ g ]
BCA[ g ]
Orangenöl[ g ]
Miglyol[ g ]
O1 0,503 0,299 1,898
O2 0,506 0,508 1,893
O3 0,504 0,506 0,947 0,944
Tabelle 6.1-3: Massenanteile von Netzmittel, BCA, Orangenöl und Miglyol.
Anhang 110
Versuchsreihe D mit Diphenylether
Ansatz-Nr.
Netzmittel[ g ]
BCA[ g ]
Diphenylether[ g ]
Miglyol[ g ]
D1 0,500 0,502 1,423 0,481
D2 0,500 0,517 1,882 0,477
D3 0,500 0,377 0,943 0,940
D4 0,500 0,299 1,892
D5 0,500 0,760 1,882
D6 0,500 1,879
D7 0,500 0,380
Tabelle 6.1-4: Massenanteile von Netzmittel, BCA, Diphenylether und Miglyol.
Versuchsreihe G mit Geraniol
Ansatz-Nr.
Netzmittel N1[ g ]
BCA[ g ]
Geraniol[ g ]
1G 0,25 0,471 0,946
2G 0,25 0,587 0,946
3G 0,25 0,568 1,417
4G 0,25 0,469 1,892
5G 0,25 0,589 1,890
6G 0,375 0,472 0,946
7G 0,375 0,568 0,947
8G 0,375 0,586 0,945
9G 0,375 0,472 1,417
10G 0,375 0,584 1,418
11G 0,375 0,587 1,418
12G 0,375 0,471 1,891
13G 0,375 0,566 1,891
14G 0,375 0,586 1,892
15G 0,5 0,481 0,946
16G 0,5 0,588 0,945
17G 0,5 0,568 1,416
18G 0,5 0,481 1,890
19G 0,5 0,589 1,891
Tabelle 6.1-5: Massenanteile von Netzmittel (Synperonic F68), BCA und Geraniol der Versuche ausdem reduzierten Faktorenversuchsplan.
Anhang 111
Netzmittelvariation
Ansatz-Nr.
Netzmittel N1[ g ]
Netzmittel[ g ]
BCA[ g ]
Geraniol[ g ]
N1 SynperonicFE68
0,500 0,250 1,898
N2 ZL Sa 73441-1
0,500 0,257 1,893
N3 ZL Dö 6977-171
0,500 0,259 1,896
N4ohne Geraniol
TritonX-100
0,376 0,471
N4mit Geraniol
TritonX-100
0,378 0,471 1,890
Tabelle 6.1-6: Massenanteile von Netzmittel, BCA und Geraniol.
Vollständiger Faktorenversuchsplan
Abbildung 6.1-1:Vollständiger 3³ Faktorenversuchsplan. Monomer: BCA, Netzmittel: Synperonic undInhaltsstoff: Geraniol
Mo
no
me
ran
teil
[%]
Ölanteil [%]
Netzmittelanteil [%]
250
225
20075
50
100
75
50 100
1
25
4
3
21 27
23
24
19
8
1114
10
7
6 9
13
15
22
12
17
16
1820
25
26
Anhang 112
Ansatz-Nr.
Netzmittel N1[ g ]
BCA[ g ]
Geraniol[ g ]
1 0,25 0,471 0,946
2 0,25 0,565 0,946
3 0,25 0,587 0,946
4 0,25 0,476 1,408
5 0,25 0,568 1,417
6 0,25 0,587 1,405
7 0,25 0,469 1,892
8 0,25 0,569 1,893
9 0,25 0,589 1,890
10 0,375 0,472 0,946
11 0,375 0,568 0,947
12 0,375 0,588 0,941
13 0,375 0,472 1,417
14 0,375 0,565 1,421
15 0,375 0,583 1,412
16 0,375 0,471 1,891
17 0,375 0,569 1,890
18 0,375 0,583 1,897
19 0,5 0,481 0,946
20 0,5 0,568 0,939
21 0,5 0,588 0,945
22 0,5 0,473 1,404
23 0,5 0,567 1,416
24 0,5 0,587 1,417
25 0,5 0,477 1,885
26 0,5 0,564 1,891
27 0,5 0,585 1,889
Tabelle 6.1-7: Massenanteile von Netzmittel, BCA und Geraniol in der vollständigenVersuchsplanung.
Anhang 113
6.2 Thermogramme der reinen Komponenten
Thermogramme der Reinsubstanzen. Die Messungen sind mit einer Thermowaage
vom Typ TGS-2 durchgeführt worden.
Abbildung 6.2-1: Monomer im Bereich von 0-300°C.
Abbildung 6.2-2: Miglyol im Bereich von 0-450°C.
Miglyol
32
7
-5,0
-4,9
-4,8
-4,7
-4,6
-4,5
-4,4
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
T in°C
dm
/dT
a.u
.
Monomer
20
9
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 114
Abbildung 6.2-3: Netzmittel Synperonic im Bereich von 0-500°C.
Abbildung 6.2-4: Amin, im Bereich von 0-500°C.
Synperonic FE 68
29
9
35
9
0
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Amin
378
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm/d
T a.
u.
Anhang 115
Abbildung 6.2-5: Orangenöl, im Bereich von 0-300°C.
Abbildung 6.2-6: Diphenylether, im Bereich von 0-300°C
Orangenöl
122
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 50 100 150 200 250 300
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Diphenylether
180
183
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 50 100 150 200 250 300
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 116
Abbildung 6.2-7: Geraniol, im Bereich von 0-250°C
Abbildung 6.2-8: Netzmittel Triton-X 100, im Bereich von 0-250°C
Geraniol
17
5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 50 100 150 200 250
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Tr i ton-X 100
19
5
35
7
40
2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm/d
T a.
u.
Anhang 117
Abbildung 6.2-9: Netzmittel Zl-Dö 6977-171, im Bereich von 0-500°C.
Abbildung 6.2-10: Netzmittel ZL-Sa-73441-1, im Bereich von 0-500°C.
Zl-Dö 6977-171
23
9
29
7
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
ZL-Sa-73441-1
36
6
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 118
6.3 Thermogramme der im Verlauf des reduziertenFaktorenversuchsplans dargestellten Kapseln
Ansatzmengen der Komponenten für die Versuchsreihe mit Geraniol im Verlauf des
statistischen Versuchsplans.
Abbildung 6.3-1:Reduzierter 3³ Versuchsplan. Die prozentualen Anteile beziehen sich auf denNormansatz von Al Khouri Fallouh et al.. Monomer: BCA, Netzmittel: Synperonic und Inhaltsstoff:Geraniol
Abbildung 6.3-2: Thermogramm des Ansatzes 1G mit 200 % Monomer, 50 % Synperonic und 50 %Geraniol.
Mo
no
me
ran
teil
[%]
Ölanteil [%]
Netzmittelanteil [%]
250
225
20075
50
100
75
50 100
1G
2G5G
4G
3G
16G 19G
17G
18G15G
8G 11G 14G
10G7G
6G 9G
13G
12G
1G
39
4
20
5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 100 200 300 400 500
T in °C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 119
Abbildung 6.3-3: Thermogramm des Ansatzes 2G mit 250 % Monomer, 50 % Synperonic und 50 %Geraniol.
Abbildung 6.3-4: Thermogramm des Ansatzes 3G mit 225 % Monomer, 50 % Synperonic und 75 %Geraniol.
Abbildung 6.3-5: Thermogramm des Ansatzes 4G mit 200 % Monomer, 50 % Synperonic und100 % Geraniol.
2G
21
0
40
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T in °C
dm
/dT
a.u
.
3G
405
201
0
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 ,8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
4 G
400
203
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 120
Abbildung 6.3-6: Thermogramm des Ansatzes 5G mit 250 % Monomer, 50 % Synperonic und100 % Geraniol.
Abbildung 6.3-7: Thermogramm des Ansatzes 6G mit 200 % Monomer, 75 % Synperonic und 50 %Geraniol.
Abbildung 6.3-8: Thermogramm des Ansatzes 7G mit 225 % Monomer, 75 % Synperonic und 50 %Geraniol.
7 G
394
209
193
0 , 0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
6G
394
206
191
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
1 , 2
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
5G
208
399
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 121
Abbildung 6.3-9: Thermogramm des Ansatzes 8G mit 250 % Monomer, 75 % Synperonic und 50 %Geraniol.
Abbildung 6.3-10: Thermogramm des Ansatzes 9G mit 200 % Monomer, 75 % Synperonic und 75 %Geraniol.
Abbildung 6.3-11: Thermogramm des Ansatzes 10G mit 225 % Monomer, 75 % Synperonic und75 % Geraniol.
8G
51
393
204
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
1 0 G
20
5
38
9
19
2
53
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
9 G
55
397
202
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 122
Abbildung 6.3-12: Thermogramm des Ansatzes 11G mit 250 % Monomer, 75 % Synperonic und75 % Geraniol.
Abbildung 6.3-13: Thermogramm des Ansatzes 12 mit 200 % Monomer, 75 % Synperonic und 100 %Geraniol.
Abbildung 6.3-14: Thermogramm des Ansatzes 13G mit 225 % Monomer, 75 % Synperonic und100 % Geraniol.
1 3 G
192
381
206
0
0 , 1
0 , 2
0 , 3
0 , 4
0 , 5
0 , 6
0 , 7
0 , 8
0 , 9
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
1 2 G
388
208
191
0
0 , 1
0 , 2
0 , 3
0 , 4
0 , 5
0 , 6
0 , 7
0 , 8
0 , 9
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
1 1 G
389
209
189
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
1 , 2
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 123
Abbildung 6.3-15: Thermogramm des Ansatzes 14G mit 250 % Monomer, 75 % Synperonic und100 % Geraniol.
Abbildung 6.3-16: Thermogramm des Ansatzes 15G mit 200 % Monomer, 100 % Synperonic und50 % Geraniol.
Abbildung 6.3-17: Thermogramm des Ansatzes 16G mit 250 % Monomer, 100 % Synperonic und50 % Geraniol.
1 5 G
207
389
0
0 , 1
0 , 2
0 , 3
0 , 4
0 , 5
0 , 6
0 , 7
0 , 8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
1 4 G
385
209
191
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
1 6 G
204
391
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 124
Abbildung 6.3-18: Thermogramm des Ansatzes 17G mit 225 % Monomer, 100 % Synperonic und75 % Geraniol.
Abbildung 6.3-19: Thermogramm des Ansatzes 18G mit 200 % Monomer, 100 % Synperonic und100 % Geraniol.
Abbildung 6.3-20: Thermogramm des Ansatzes 19G mit 250 % Monomer, 100 % Synperonic und100 % Geraniol.
1 7 G
402
206
0
0 , 1
0 , 2
0 , 3
0 , 4
0 , 5
0 , 6
0 , 7
0 , 8
0 , 9
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
1 8 G
196
400
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T in °C
dm
/dT
a.u
.
1 9 G
204
397
0
0 , 1
0 , 2
0 , 3
0 , 4
0 , 5
0 , 6
0 , 7
0 , 8
0 , 9
1
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
T i n ° C
dm
/dT
a.u
.
Anhang 125
6.4 Tabellen zu den Berechnungen der Dichten und Wandstärken
Ansatz-Nr.
Netzmittelanteil%
BCA-Anteil % Ölanteil %ρ1 ρ Berechnet ρ
Ermittelt1 0,150 0,283 0,567 1,020 0,980 1,087
2 0,142 0,321 0,537 1,012 0,988 1,050
3 0,140 0,329 0,531 1,010 0,990 1,088
4 0,117 0,223 0,660 1,046 0,956 1,056
5 0,112 0,254 0,634 1,039 0,963 1,089
6 0,112 0,262 0,627 1,037 0,965 1,069
7 0,096 0,180 0,725 1,064 0,940 1,082
8 0,092 0,210 0,698 1,056 0,947 1,074
9 0,092 0,216 0,693 1,055 0,948 1,079
10 0,209 0,263 0,528 1,009 0,991 1,082
11 0,198 0,301 0,501 1,002 0,998 1,089
12 0,197 0,309 0,494 1,000 1,000 1,063
13 0,166 0,208 0,626 1,036 0,965 1,074
14c 0,159 0,239 0,602 1,030 0,971 1,061
15c 0,158 0,246 0,596 1,028 0,973 1,055
16 0,137 0,172 0,691 1,054 0,948 1,086
17 0,132 0,201 0,667 1,048 0,954 1,070
18 0,131 0,204 0,664 1,047 0,955 1,045
19 0,259 0,250 0,491 0,999 1,001 1,088
20 0,249 0,283 0,468 0,993 1,007 1,054
21 0,246 0,289 0,465 0,992 1,008 1,077
22 0,210 0,199 0,591 1,027 0,974 1,069
23 0,201 0,228 0,570 1,021 0,979 1,083
24 0,200 0,234 0,566 1,020 0,981 1,060
25 0,175 0,167 0,659 1,045 0,957 1,037
26 0,169 0,191 0,640 1,040 0,961 1,060
27 0,168 0,197 0,635 1,039 0,963 1,066
Tabelle 6.4-1: Die prozentualen Massenanteile von Netzmittel, BCA und Geraniol. 1/ρ ist der mit Hilfe
der Gleichung 2.2.2.-12 berechnete Kehrwert der Kapseldichte, ρ ist die berechnete Dichte, ρ die
ermittelte mittlere Dichte.
Anhang 126
Ansatz-Nr.
Durchmesser[µm]
PPoly V Poly Wandstärke[µm]
1 0,300 0,80 0,75 0,037
2 0,640 0,67 0,61 0,065
3 0,751 0,80 0,75 0,094
4 0,643 0,69 0,63 0,068
5 0,549 0,80 0,76 0,069
6 0,645 0,74 0,68 0,074
7 0,367 0,78 0,73 0,045
8 0,666 0,76 0,70 0,078
9 0,826 0,77 0,72 0,099
10 0,313 0,78 0,73 0,038
11 0,502 0,80 0,75 0,063
12 0,593 0,72 0,66 0,065
13 0,458 0,76 0,70 0,054
14c 0,623 0,71 0,65 0,068
15c 0,533 0,67 0,61 0,054
16 0,782 0,79 0,74 0,097
17 0,612 0,74 0,69 0,070
18 0,489 0,63 0,57 0,046
19 0,726 0,80 0,75 0,091
20 0,537 0,69 0,63 0,056
21 0,869 0,76 0,70 0,102
22 0,490 0,74 0,68 0,056
23 0,459 0,78 0,73 0,056
24 0,687 0,69 0,63 0,072
25 0,664 0,64 0,57 0,063
26 0,692 0,69 0,63 0,073
27 0,625 0,73 0,67 0,070
Tabelle 6.4-2: Tabellarische Übersicht der Teilchendurchmesser, der Massenanteile des Polymers
(PPoly ), des Volumenanteils des Polymers (VPoly) und der Wandstärke.
Anhang 127
6.5 Tabellen der Ergebnisse aus DLS-Messungen
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 229 nm ; Volume:100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 233 nm ; Intens: 100%
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 213,8 nm ; Number:100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 129,76 nm50 % of distribution < 177,72 nm75 % of distribution < 243,23 nm99 % of distribution < 520,70 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 156,41 nm50 % of distribution < 211,97 nm75 % of distribution < 286,77 nm99 % of distribution < 598,65 nm
1
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 40,28 nm50 % of distribution < 55,26 nm75 % of distribution < 76,50 nm99 % of distribution < 171,73 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 347,8 nm ; Volume:100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 331,1 nm ; Intens:100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
nA
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 321,7 nm ; Number:100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 260,07 nm50 % of distribution < 340,38 nm75 % of distribution < 446,22 nm99 % of distribution < 853,94 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 233,88 nm50 % of distribution < 307,09 nm75 % of distribution < 404,04 nm99 % of distribution < 796,50 nm
3
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 105,63 nm50 % of distribution < 140,58 nm75 % of distribution < 187,12 nm99 % of distribution < 375,81 nm
Anhang 128
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 315,8 nm ; Volume:100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 304,7 nm ; Intens:100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 297,7 nm ; Number:100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 200,27 nm50 % of distribution < 291,50 nm75 % of distribution < 425,18 nm99 % of distribution < 1070,02 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 192,63 nm50 % of distribution < 280,13 nm75 % of distribution < 406,73 nm99 % of distribution < 1023,27 nm
5
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 46,71 nm50 % of distribution < 63,89 nm75 % of distribution < 90,31 nm99 % of distribution < 219,41 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 461,3 nm ; Volume:100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 458,9 nm ; Intens:100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 454,1 nm ; Number:100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 480,37 nm50 % of distribution < 697,77 nm75 % of distribution < 1012,48 nm99 % of distribution < 2540,16 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 359,21 nm50 % of distribution < 521,88 nm75 % of distribution < 757,07 nm99 % of distribution < 1900,38 nm
7
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 124,94 nm50 % of distribution < 179,68 nm75 % of distribution < 260,06 nm99 % of distribution < 644,15 nm
Anhang 129
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 461,2 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 458,8 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 454 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 695,56 nm50 % of distribution < 943,27 nm75 % of distribution < 1281,64 nm99 % of distribution < 2719,40 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 565,98 nm50 % of distribution < 769,01 nm75 % of distribution < 1042,88 nm99 % of distribution < 2196,24 nm
9
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 367,55 nm50 % of distribution < 500,04 nm75 % of distribution < 678,81 nm99 % of distribution < 1438,28 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 298,5 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 296,8 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 288,4 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 231,56 nm50 % of distribution < 290,28 nm75 % of distribution < 363,51 nm99 % of distribution < 633,69 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 219,10 nm50 % of distribution < 275,58 nm75 % of distribution < 346,00 nm99 % of distribution < 606,59 nm
10
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 140,77 nm50 % of distribution < 177,00 nm75 % of distribution < 222,40 nm99 % of distribution < 389,65 nm
Anhang 130
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 209 nm ;Volume: 19,19 %Peak 2: Mean Diameter= 458,8 nm ;Volume: 80,81 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 210,7 nm ; Intens: 23,21 %Peak 2: Mean Diameter= 456,4 nm ;Intens: 76,79 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 154,8 nm ;Number: 45,15 %Peak 2: Mean Diameter= 199,1 nm ;Number: 34,94 %Peak 3: Mean Diameter= 451,7 nm ;Number: 19,90 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 260,91 nm50 % of distribution < 344,59 nm75 % of distribution < 455,52 nm99 % of distribution < 899,52 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 235,42 nm50 % of distribution < 310,17 nm75 % of distribution < 409,62 nm99 % of distribution < 814,90 nm
11
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 113,21 nm50 % of distribution < 149,53 nm75 % of distribution < 197,86 nm99 % of distribution < 394,69 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter = 276,5 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter = 277,1 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
nA
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter = 267,5 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 179,67 nm50 % of distribution < 254,62 nm75 % of distribution < 361,05 nm99 % of distribution < 851,35 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 183,86 nm50 % of distribution < 295,25 nm75 % of distribution < 364,91 nm99 % of distribution < 848,05 nm
12
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 48,89 nm50 % of distribution < 67,29 nm75 % of distribution < 94,04 nm99 % of distribution < 216,52 nm
Anhang 131
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 461,5 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 459,1 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 454,3 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 625,58 nm50 % of distribution < 781,11 nm75 % of distribution < 976,92 nm99 % of distribution < 1669,05 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 551,86 nm50 % of distribution < 699,12 nm75 % of distribution < 884,21 nm99 % of distribution < 1575,52 nm
13
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 457,91 nm50 % of distribution < 570,14 nm75 % of distribution < 711,34 nm99 % of distribution < 1214,18 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 461,5 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 459,1 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 454,3 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 413,34 nm50 % of distribution < 610,23 nm75 % of distribution < 899,17 nm99 % of distribution < 2335,57 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 308,39 nm50 % of distribution < 455,26 nm75 % of distribution < 670,41 nm99 % of distribution < 1743,52 nm
14
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 86,66 nm50 % of distribution < 122,93 nm75 % of distribution < 178,10 nm99 % of distribution < 455,76 nm
Anhang 132
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 355,9 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 349,7 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 340,7 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 278,49 nm50 % of distribution < 360,88 nm75 % of distribution < 469,55 nm99 % of distribution < 882,87 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 249,07 nm50 % of distribution < 323,28 nm75 % of distribution < 419,80 nm99 % of distribution < 796,60 nm
15
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 142,00 nm50 % of distribution < 184,57 nm75 % of distribution < 239,36 nm99 % of distribution < 456,42 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 355,6 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 349,1 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 340,3 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 271,69 nm50 % of distribution < 358,71 nm75 % of distribution < 474,20 nm99 % of distribution < 939,19 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 240,56 nm50 % of distribution < 318,69 nm75 % of distribution < 422,75 nm99 % of distribution < 849,51 nm
16
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 115,19 nm50 % of distribution < 152,83 nm75 % of distribution < 202,95 nm99 % of distribution < 407,91 nm
Anhang 133
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 286,8 nm ;Volume: 17,10%Peak 2: Mean Diameter= 908,8 nm ;Volume: 82,90%
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 286 nm ;Intens: 41,52 %Peak 2: Mean Diameter= 902,1 nm ;Intens: 58,48 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 272,6 nm ;Number: 84,72%Peak 2: Mean Diameter= 889 nm ;Number: 15,28 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 426,90 nm50 % of distribution < 646,18 nm75 % of distribution < 977,97 nm99 % of distribution < 2691,04 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 307,35 nm50 % of distribution < 465,10 nm75 % of distribution < 702,46 nm99 % of distribution < 1929,00 nm
17
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 81,21 nm50 % of distribution < 113,98 nm75 % of distribution < 165,93 nm99 % of distribution < 441,65 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 263,3 nm ;Volume: 3,98 %Peak 2: Mean Diameter= 909,7 nm ;Volume: 96,02%
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 263,2 nm ;Intens: 14,60 %Peak 2: Mean Diameter= 903 nm ;Intens: 85,40 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 182,9 nm ;Number: 80,62%Peak 2: Mean Diameter= 890 nm ;Number: 19,38 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 571,17 nm50 % of distribution < 870,07 nm75 % of distribution < 1326,52 nm99 % of distribution < 3703,37 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 393,32 nm50 % of distribution < 599,34 nm75 % of distribution < 912,11 nm99 % of distribution < 2561,04 nm
18
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 121,38 nm50 % of distribution < 176,41 nm75 % of distribution < 263,39 nm99 % of distribution < 725,73 nm
Anhang 134
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 227,5 nm ;Volume:17,49%Peak 2: Mean Diameter= 749,8 nm ;Volume:82,51%
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 231,5 nm ;Intens: 29,99 %Peak 2: Mean Diameter= 730,3 nm ;Intens: 70,01%
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 208,3 nm ;Number: 88,9 %Peak 2: Mean Diameter= 708,6 nm ;Number: 11,1%
Volume-Weighted 25 % of distribution < 297,19 nm50 % of distribution < 420,21 nm75 % of distribution < 593,95 nm99 % of distribution < 1378,02 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 248,15 nm50 % of distribution < 350,43 nm75 % of distribution < 494,05 nm99 % of distribution < 1151,85 nm
19
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 75,07 nm50 % of distribution < 104,70 nm75 % of distribution < 147,25 nm99 % of distribution < 342,30 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 229,4 nm ;Volume:14,94%Peak 2: Mean Diameter= 819,5 nm ;Volume:85,06%
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 233,6 nm ;Intens: 30,44 %Peak 2: Mean Diameter= 808,2 nm ;Intens: 69,56 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 213,1 nm ;Number:89,48%Peak 2: Mean Diameter= 784,4 nm ;Number:10,53%
Volume-Weighted 25 % of distribution < 325,23 nm50 % of distribution < 469,00 nm75 % of distribution < 676,20 nm99 % of distribution < 1652,47 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 261,39 nm50 % of distribution < 375,88 nm75 % of distribution < 540,33 nm99 % of distribution < 1323,11 nm
21
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 72,80 nm50 % of distribution < 101,97 nm75 % of distribution < 144,99 nm99 % of distribution < 348,76 nm
Anhang 135
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 355,5 nm ;Volume:89,94%Peak 2: Mean Diameter= 859,3 nm ;Volume:10,06%
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 348,4 nm ;Intens: 94,40 %Peak 2: Mean Diameter= 853,1 nm ;Intens: 5,60 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 327,2 nm ;Number:98,26%Peak 2: Mean Diameter= 857,1 nm ;Number: 1,74%
Volume-Weighted 25 % of distribution < 285,13 nm50 % of distribution < 367,41 nm75 % of distribution < 475,79 nm99 % of distribution < 887,54 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 254,03 nm50 % of distribution < 328,53 nm75 % of distribution < 424,88 nm99 % of distribution < 794,72 nm
23
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 151,47 nm50 % of distribution < 196,12 nm75 % of distribution < 253,49 nm99 % of distribution < 477,83 nm
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 366,3 nm ;Volume: 100 %
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 360 nm ;Intens: 100 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 350,5 nm ;Number: 100 %
Volume-Weighted 25 % of distribution < 286,17 nm50 % of distribution < 450,70 nm75 % of distribution < 709,36 nm99 % of distribution < 2149,62 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 225,30 nm50 % of distribution < 353,96 nm75 % of distribution < 555,80 nm99 % of distribution < 1683,17 nm
25
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 55,25 nm50 % of distribution < 74,03 nm75 % of distribution < 106,59 nm99 % of distribution < 294,17 nm
Anhang 136
ProbenNr.
Volume-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 228,4 nm ;Volume:16,53%Peak 2: Mean Diameter= 774,2 nm ;Volume:83,47%
Intensity-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 232,7 nm ;Intens: 30,90 %Peak 2: Mean Diameter= 762,9 nm ;Intens: 69,10 %
Nic
omp
Dis
trib
utio
n A
naly
sis
Number-Weighted Peak 1: Mean Diameter= 210,6 nm ;Number:88,75%Peak 2: Mean Diameter= 739,9 nm ;Number:11,25%
Volume-Weighted 25 % of distribution < 343,60 nm50 % of distribution < 511,89 nm75 % of distribution < 761,23 nm99 % of distribution < 2021,64 nm
Intensity-Weighted 25 % of distribution < 264,20 nm50 % of distribution < 393,60 nm75 % of distribution < 584,86 nm99 % of distribution < 1549,86 nm
27
Gau
ssia
n A
naly
sis
Number-Weighted 25 % of distribution < 66,83 nm50 % of distribution < 92,62 nm75 % of distribution < 133,21 nm99 % of distribution < 342,21 nm
Anhang 137
6.6 Verwendete Chemikalien
Öle:
Orangenöl: ρ :0,848-0,853 g/ml [70]
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf, genaue
Zusammensetzung nicht bekannt.
Geraniol:ρ20 : 0,877g/mlSdp: 229-230 °C [81]
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf, genaue
Zusammensetzung nicht bekannt.
Bezugsquelle: Hüls AG, Witten Deutschland
Diphenylether: ρ20 : 1,0748 g/mlSdp: 257,93 °C [80]
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf, genaue
Zusammensetzung nicht bekannt.
Parfümöl 98-6021:
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf, genaue
Zusammensetzung nicht bekannt.
Versamin 551:
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf, genaue
Zusammensetzung nicht bekannt.
OH
O
Anhang 138
Miglyol ® 812 N: Caprylsäure:n=6: 50 - 65 %
Caprinsäure:n=8: 30 – 40 % [87]
ρ :0,940-0,950 g/ml
Bezugsquelle: Hüls AG, Witten Deutschland
Monomer:
Sicomet ® 6000 :
Bezugsquelle: Sichel-Werke GmbH, Hannover, Deutschland
Netzmittel:
Synperonic FE 68:
ρ :1,16 g/ml
Bezugsquelle: Fluka Chemie AG, Neu-Ulm, Deutschland
Triton X-100:
Bezugsquelle: Merck AG, Darmstadt, Deutschland
ZL-Sa 73441-1:
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf
ZL-Dö6977-171:
Bezugsquelle: Zur Verfügung gestellt von KGaA- Henkel Düsseldorf
CN CH2=C COO(CH2)3CH3
O-(CH2-CH2)n-HCH3-C-CH2-C
CH3
CH3 CH3
CH3
H[OH (CH2)2]n [OCHCH2]m [O (CH2)2]nOH CH3
CH2OCO(CH2)nCH3
CHOCO(CH2)nCH3
CH2OCO(CH2)n
Anhang 139
Sonstige Chemikalien:
Ethanol:
Bezugsquelle: Riedel- de Haën AG, Seelze, Deutschland
Cyclohexan:
Bezugsquelle: Riedel- de Haën AG, Seelze, Deutschland
HCl-Lösung (0,1mol/l):
Bezugsquelle: Riedel- de Haën AG, Seelze, Deutschland
Phosphatpuffer-Lösung (pH 7):
Bezugsquelle: Merck AG, Darmstadt, Deutschland
H2O deionisiert: über 0,2µm Membranfilter filtriert
Anhang 140
6.7 Messmethoden
• Analytische Ultrazentrifugation (AUZ)
Für Ultrazentrifugationsexperimente wurde ein Gerät der Firma BECKMANN (Modell
Optima XL-I) mit integrierter UV-Adsorptions- und RAYLEIGH-Interferenzoptik
verwendet. Die Sedimentationsexperimente wurden bei einer konstanten Temperatur
von 25°C und bei einer Rotordrehzahl 40.000 1/min durchgeführt.
• Dynamische Lichtstreuung (DLS)
Die Partikelgrößen wurden mittels dynamischer Lichtstreuung mit dem Particle Sizer
der Firma NICOMP (Modell 370, Santa Barbara CA 93117) bestimmt. In der
Apparatur wurde der Strahl eines He-Ne Lasers (λ=632.8 nm) unter einem
Messwinkel von 90° gestreut. Die Messdauer bis zu einer konstanten Streuintensität
für eine Messung betrug ca. 15 min.
• Atomkraftmikroskopie (AFM)
Zur Untersuchungen der Kapselmorphologie wurde ein Rasterelektronen-mikroskop
des Typs NanoScope IIIa (DIGITAL INSTRUMENTS GmBH, Santa Barbara)
verwendet. Die Polymerdispersionen wurden, nachdem sie mit Ethanol im Verhältnis
1:20 verdünnt worden waren, auf eine frisch gespaltene Mica-Oberfläche aufgebracht
und bei Raumtemperatur getrocknet. Das Instrument ist mit einem 10x10 µm E-
Scanner und einer Silicium-Spitze (Model TSEP, NANOSENSORS) ausgerüstet
gewesen. Die Proben wurden im Tapping-mode bei 270-310 kHz Resonanzfrequenz
vermessen. Die Federkonstante des Cantilevers lag zwischen 30 und 50 Nm-1.
• Thermogravimetrische Analyse (TGA)
Die Thermogravimetrischen Analysen wurden mit dem Gerät von der Firma Perkin
Elmer TGS-2 durchgeführt. Die Messungen wurden bei einem Temperaturprogramm
beginnend bei 20°C mit einer Heizrate von 10 K min-1 bis 600°C durchgeführt. Dabei
wurde N2 als Spülgas verwendet.
Anhang 141
• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Die transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen wurden an einem
Gerät des Typs Zeiss Omega 9112 (100kV, CARL ZEISS, Oberkochen)
durchgeführt. Für die Messungen wurde ein Tropfen der Probe mit 2 ml dest. Wasser
verdünnt und auf ein mit einem Kohlenstoff-Film bedampftes 400 Mesh-Kupfergrid
aufgebracht und unter Normaldruck getrocknet.
• Zetapotenzial
Die Zetapotenziale wurden an einem Zetasizer 4 der Firma MALVERN bestimmt.
Das Zeta-Potenzial wurde mittels Elektrophorese bei einer Temperatur von 25°C und
in einem pH Bereich zwischen 2-11 ermittelt. Die optische Detektion erfolgte mit
einem 5mV He-Ne-Laser.
Anhang 142
6.8 Abkürzungsverzeichnis
UV Ultraviolett
BCA n-Butylcyanoacrylat
MESM Mikroelektromechanische Systeme
PACA Poly(alkyl-2-cyanoacrylat)
IBCA Isobutylcyanoacrylat
GPC Gel-Permeations-Chromatographie
IHCA Isohexylcyanoacrylat
TG Thermogravimetrie
TGA Thermogravimetrische Analyse
DTG Differenzielle Thermogravimetrie
AUZ Analytische Ultrazentrifugation
TEM Transmissionselektronenmikroskopie
EM Elektronenmikroskop
AFM Atomkraftmikroskopie
KMK Kritische Mizellbildungs-Konzentration
6.9 Symbolenverzeichnis
m Masse
m0 Ausgangsmasse
t Zeit
T Temperatur
Tp Temperatur des Peakmaximums
FSchw . Schwerkraft
Fz Zentrifugalkraft
v Geschwindigkeit
r Abstand der Teilchen zum Drehzentrum
ω Winkelgeschwindigkeit
γ Umlauffrequenz
ρ Dichte
ρL Dichte der Lösung
Anhang 143
V partielles spezifisches Volumen
ƒ Reibungskoeffizient
νs Sedimentationsgeschwindigkeit
Gr Grenzfläche
E Extinktion
λ Wellenlänge
ε(λ) Extinktionskoeffizient
L Schichtdicke
c Konzentration
I Intensität
ρtot Dichte der Kapsel
ρÖl Dichte des Öls
ρPoly Dichte des Polymers
d Partikeldurchmesser
η Viskosität
PÖl Massenanteil des Öls
PPoly Massenanteil des Polymers
VPoly Volumenanteil des Polymers
R Radius der Kapsel
Wst. Wandstärke der Kapsel
∆x Auflösungsvermögen
n Brechungsindex
U Beschleunigungsspannung
h Plancksches Wirkungsquantum
Ekin Kinetische Energie
e Elementarladung
ψ0 Oberflächenpotenzial
ξ Zetapotenzial
νT Teilchengeschwindigkeit
Literaturverzeichnis 144
7. Literaturverzeichnis
1. H.D.Dörfler; „Grenzflächen-und Kolloidchemie“
VCH Weinheim, 1994
2. Roemp Chemie Lexikon;
Thieme Verlag, Stuttgart, 9. Auflage, 1995
3. A. Rössler, G. Skillas, S.E. Pratisinis,
Chemie in unserer Zeit 2001,35,32.
4. J. Kreuter; Nanoparticles in Colloidal Drug Delivery Systems
edited by J.Kreuter Dekker, New York. 1994
5. H. Cicek; „Biodegrasyon özelligine sahip es-boyutlu polimerik mikrokürelerin
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