PROCEDIMIENTO DE ENCAPSULACIÓN DE PCMs.

Procedimiento de encapsulación de PCMs.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de PCMs encapsulados que comprende las siguientes etapas:



a) preparar un fundido viscoso por calentamiento o una disolución de polímeros o biopolímeros formadores de encapsulados;

b) preparar una disolución o suspensión de PCM sin mezclar con la disolución o fundido del polímero o biopolímero de la etapa a) o adicionar el PCM al fundido o a la disolución de la etapa a):

i) directamente; o ii) en disolución; o iii) en suspensión;

c) encapsular el PCM directamente o preparado según la etapa b) en el polímero o biopolímero de la etapa a) mediante una cualquiera de las siguientes técnicas:

i) electroestirado; ii) electrosprayado; iii) estirado por soplado; iv) sprayado por soplado; o v) micro- y nanoatomizado.

En un paso posterior se formularán estructuras o recubrimientos que contienen dichos PCM para aplicaciones multisectoriales.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201131063.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: LAGARON CABELLO,JOSE MARIA, LOPEZ RUBIO,AMPARO, PÉREZ MASÍA,Rocío.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01J13/00 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01J PROCEDIMIENTOS QUIMICOS O FISICOS, p. ej. CATALISIS, QUIMICA DE LOS COLOIDES; APARATOS ADECUADOS (procedimientos o aparatos para usos específicos, ver las clases correspondientes a los procedimientos o al equipo, p. ej. F26B 3/08). › Química de los coloides, p. ej. producción de sustancias coloidales o de sus soluciones, no prevista en otro lugar; Fabricación de microcápsulas o de microbolas (empleo de sustancias como agentes emulsionantes, humectantes, dispersantes o generadores de espuma B01F 17/00).
  • C09K5/06 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C09 COLORANTES; PINTURAS; PULIMENTOS; RESINAS NATURALES; ADHESIVOS; COMPOSICIONES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR; APLICACIONES DE LOS MATERIALES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR.C09K SUSTANCIAS PARA APLICACIONES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR; APLICACIONES DE SUSTANCIAS NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR.C09K 5/00 Transferencia de calor, materiales intercambiadores de calor o para almacenar calor, p.ej. refrigerantes; materiales productores de calor o frío mediante reacciones químicas diferentes de la combustión. › siendo el cambio de estado de líquido a sólido o viceversa.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento de encapsulación de PCMs La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de obtención de PCMs (materiales con transiciones de fase) encapsulados. Dicha formulación lleva entre sus etapas la encapsulación de los PCMs en polímeros o biopolímeros y mediante técnicas de electroestirado, electrosprayado, estirado y sprayado por soplado o micro-y nanoatomizado seguida de un proceso de formulación de estructuras o recubrimentos que contienen dichos PCM para aplicaciones multisectoriales.

ESTADO DE LA TECNICA ANTERIOR

Los PCM son compuestos capaces de absorber o liberar una determinada cantidad de energía cuando cambian de estado. De esta forma, estos materiales pueden ser utilizados para amortiguar las variaciones de temperatura que suceden en el entorno y evitar así el deterioro de numerosos productos cuya conservación depende de este parámetro. No obstante, la aplicación directa de los PCM es complicada, ya que tienen una baja estabilidad y conductividad térmica, están en estado líquido habitualmente a temperatura ambiente y tienen problemas de subenfriamiento [Guiyin Fanga, Hui Li, Fan Yanga, Xu Liua, ShuangmaoWua. Chemical Engineering Journal, 2009, 153, 217-221]. Mediante la encapsulación, las partículas de PCM quedan encerradas en el interior de una matriz que protege al PCM, aumenta su capacidad de transferencia de calor y soporta sus variaciones de volumen cuando se produce el cambio de fase [Cemil Alkan, Ahmet Sarı, Ali Karaipekli. Energy Conversion and Management, 2010, 52, 687-692]. Es decir, la encapsulación amplía las posibilidades de aplicación de estos materiales. Además, con la micro-, submicro- y nanoencapsulación se aumenta la eficacia de esta técnica, ya que así se previenen pérdidas de compuestos volátiles, se incrementa su eficacia por alcanzar una mayor dispersión y se minimiza la cantidad de compuesto no encapsulado [Risch SJ, Reineccius GA. 1988. Flavor encapsulation. ACS Symposium Series, 370. Washington, D.C; Soottitantawat A, Yoshii H, Furuta T, Ohkawara M, Linko P. 2003. J Food Sci. 68:2256–62]. También, debido a su elevado ratio superficie-volumen, los submicro- y nano-encapsulados tienen un menor impacto en la textura, morfología, viscosidad y otras propiedades físicas del material donde se aplican [Shefer A, Shefer S. 2003. Food Technol 57:40–2].

En la literatura previa existen descritos algunos procedimientos que conducen a la encapsulación de PCMs. Así, en algunas publicaciones científicas se ha reportado la preparación de nanofibras que contienen PCMs mediante la técnica de electrospinning [McCann JT, Marquez M, Xia Y. 2006. Nanoletters 6:2868-2872. Chen CZ, Wang LG, Huang Y. 2009. Mater Lett. 63:569–71. Cai Y, Ke H, Dong J, Wei Q, Lin J, Zhao Y, Song L, Hu Y, Huang F, Gao W, Fong H. 2011. Applied Energy 88:2106-2112]. No obstante, en ninguna de ellas se utilizan PCMs líquidos a temperatura ambiente ni posteriormente se aplican las fibras obtenidas para formular materiales estructurales o de recubrimiento.

Las patentes CN 101298552, US 2008193653 y US 4708812 describen métodos de elaboración de nano-y microcápsulas compuestas por material polimérico y PCMs mediante reacciones de polimerización in situ. En las dos primeras, los PCMs son materiales orgánicos que quedan atrapados en el interior de una doble capa compuesta por resinas. Debido a esta doble encapsulación, estos materiales pueden presentar dificultades en la transferencia de calor desde el PCM hacia el exterior. Por su parte, en la patente US 4708812 se describe la encapsulación tanto de materiales orgánicos como inorgánicos en estado sólido. Estos materiales presentan importantes variaciones de volumen durante el cambio de fase, por lo que los compuestos que forman la capa externa de las microcápsulas deben tener muy buenas propiedades elásticas. Este método puede presentar problemas, ya que durante la polimerización, las propiedades elásticas se pueden ver afectadas por los entrecruzamientos propios de la polimerización, lo que da lugar a cápsulas poco resistentes a los cambios de fase del PCM. Las patentes CN 1908257 y KR 20090084208 describen un método de preparación de fibras poliméricas que contienen PCMs. En la primera, las fibras se forman por polimerización y posterior estirado. En el segundo caso, las fibras se forman por electroestirado coaxial de una disolución polimérica de compuestos derivados del petróleo junto con disolventes orgánicos y el PCM. En ningún caso se ha descrito con anterioridad un proceso en el cual se lleve a cabo el diseño de las micro-y nanocápsulas a partir de, preferentemente, disolventes polares por técnicas de electroestirado (electrospinning) , electrosprayado (electrospray) estirado o sprayado por soplado (solution blow spinning o spraying) a partir bien de una disolución polimérica o del polímero en estado fundido y atomizado (spray dr y ing) , ni haciendo uso de los materiales compuestos descritos en el presente documento como vectores de encapsulación, típicamente biopolímeros y refuerzos. Tampoco se han descrito los procesos para su incorporación en matrices plásticas con el objetivo de constituir materiales micro-y nanocompuestos y estructuras multicapas con capacidad de gestión del calor. La ventaja de esta nueva metodología de obtención es que las estructuras típicamente submicrométricas y nanométricas alcanzadas y que contienen PCM’s permiten una mejor dispersión, eficacia y versatilidad de preparación del producto en materiales de recubrimiento y de envase.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

A continuación se describe el método de obtención de PCMs encapsulados en polímeros o biopolímeros mediante técnicas de electroestirado, electrosprayado, estirado o sprayado por soplado o micro- y nanoatomizado.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de PCMs encapsulados que comprende las siguientes etapas:

a) preparar un fundido viscoso por calentamiento, típicamente por encima del punto de fusión del polímero o una disolución de polímeros o biopolímeros formadores de encapsulados;

b) preparar una disolución o suspensión del PCM sin mezclar con la disolución o fundido del polímero o biopolímero de la etapa a) o adicionar el PCM al fundido o a la disolución de la etapa a) :

i) directamente; o ii) en disolución; o iii) en suspensión c) encapsular el PCM directamente o preparado según se describe en la etapa b) en el polímero o biopolímero de la etapa a) mediante una cualquiera de las siguientes técnicas:

i) electroestirado;

ii) electrosprayado;

iii) estirado por soplado;

iv) sprayado por soplado; o v) micro- y nanoatomizado;

En la presente invención cuando se encapsula el PCM en modo coaxial es cuando se encapsula directamente o bien en disolución o en suspensión sin estar disuelto o disperso en la disolución de polímero o biopolímero En la presente invención, en el caso del electroestirado, electroesprayado, estirado por soplado o sprayado por soplado el proceso se podrá realizar de manera uniaxial o coaxial cuando se quiera obtener una estructura del tipo “core-shell” en la que el PCM constituye el interior (“core”) de la fibra o cápsula y el polímero forma las paredes (“shell”) .

Además se entiende que en el modo “coaxial” el PCM y la disolución polimérica sólo se juntan en el momento del electroestirado/ electrosprayado/estirado por soplado/sprayado, para formar una estructura de al menos dos capas, donde el PCM se encuentra típicamente en la capa interna.

En una realización preferida, el disolvente usado en la etapa a) se selecciona del grupo formado por agua, alcoholes, disolventes orgánicos, ácidos y bases tales como, y sin sentido limitativo triclorometano, diclorometano, acetona, acido trifluoroacético, hexafluoruro de propanol, dimetilsulfóxido, dimetilformamida.

En otra realización preferida los polímeros o biopolímeros, se seleccionan del grupo formado por polímeros derivados del petróleo solubles en medios orgánicos o fundibles por calentamiento, así como biopolímeros como biopoliésteres (ácido poliláctico, policaprolactona o polihidroxialcanoatos) , proteínas, polisacáridos, lípidos o cualquier combinación de los mismos.

De manera preferida, los biopolímeros se seleccionan del grupo formado por zeina, gliadinas, gluten, polihidroxialcanoatos, PLA (ácido poliláctico) o PCL (policaprolactona) .

De manera opcional, los polímeros o biopolímeros pueden comprender aditivos típicamente utilizados, seleccionados del grupo formado por plastificantes, entrecruzantes, surfactantes, ácidos, bases, emulsionantes, antioxidantes, ayudantes...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de obtención de PCMs encapsulados que comprende las siguientes etapas:

a) preparar un fundido viscoso por calentamiento o una disolución de polímeros o biopolímeros formadores de encapsulados; b) preparar una disolución o suspensión de PCM sin mezclar con la disolución o fundido del polímero o biopolímero de la etapa a) o adicionar el PCM al fundido o a la disolución de la etapa a) : i) directamente; o ii) en disolución; o iii) en suspensión;

c) encapsular el PCM directamente o preparado según la etapa b) en el polímero o biopolímero de la etapa a) mediante una cualquiera de las siguientes técnicas: i) electroestirado; ii) electrosprayado; iii) estirado por soplado; iv) sprayado por soplado; o v) micro- y nanoatomizado.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, donde el disolvente usado en la etapa a) se selecciona del grupo formado por agua, alcoholes, disolventes orgánicos, ácidos y bases.

3. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde los polímeros son estructuras ultrafinas de polímeros derivados del petróleo solubles en medios orgánicos o fundibles por calentamiento.

4. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde los biopolímeros se seleccionan del grupo formado por biopoliésteres, proteínas, polisacáridos, lípidos o cualquier combinación de los mismos.

5. El procedimiento según la reivindicación 4, donde los biopolímeros se seleccionan del grupo formado por gliadinas, gluten, ácido poliláctico, policaprolactona, polihidroxialcanoatos o zeina.

6. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde los polímeros o biopolímeros comprenden adicionalmente aditivos seleccionados del grupo formado por plastificantes, entrecruzantes, surfactantes, ácidos, bases, emulsionantes, antioxidantes, ayudantes del procesado o cualquier combinación de los mismos.

7. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde los PCMs se seleccionan del grupo formado por oligómeros o polímeros o biopolímeros de bajo peso molecular, cristales líquidos, agua, alcoholes, óxidos y sales orgánicas o inorgánicas o mixtas con o sin hidratación.

8. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde los PCMs incorporan agentes nucleantes como parafinas, alcoholes alifáticos, talco, zeolitas, arcillas, nanosílice, nanoarcillas, nanoagujas minerales u orgánicas, nanotalco, nanomateriales carbonáceos, nanorefuerzos con modificación orgánica o inorgánica o sin refuerzo.

9. PCMs encapsulados en polímeros o biopolímeros, obtenidos mediante el procedimiento de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Materiales multicapa que comprenden los PCMs encapsulados de la reivindicación 9.

11. Materiales de recubrimiento que comprenden los PCMs encapsulados de la reivindicación 9.

12. Micro-, submicro- o nanocompuestos, que comprenden los PCMs encapsulados de la reivindicación 9.

13. Uso de los PCMs encapsulados de la reivindicación 9 para su incorporación en materiales de recubrimiento o en envases o en materiales para máquinas o sistemas de refrigeración.

14. Uso de los PCMs encapsulados de la reivindicación 9, para la elaboración de micro-, submicro- o nanocompuestos.

15. Uso de los micro-, submicro- o nanocompuestos según la reivindicación 14, en envases o contenedores para controlar las variaciones de temperatura durante almacenamiento o transporte de alimentos, productos cosméticos, productos de higiene personal, medicamentos, productos biomédicos, en la industria textil para trajes de inmersión o buceo o deportivos y para la protección de componentes electrónicos evitando su calentamiento excesivo.

16. Uso de los PCMs encapsulados de la reivindicación 9, para la elaboración de materiales multicapa.


 

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