ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ УВЕЛИЧЕННОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ ГЕЛЯ
SIMPLE ETHERS OF CELLULOSE THAT HAVE INCREASED THERMAL STRENGTH OF GEL

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение (и предлагаемые в нем решения)
Настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения) в целом относится к образующей термогель композиции, характеризующейся прочностью геля при высокой температуре. Точнее, образующая термогель композиция содержит воду, растворимый в воде образующий термогель простой эфир целлюлозы и нанокристаллическую целлюлозу (НКЦ) и при диспергировании в воде обладает увеличенной прочностью геля при температурах выше 25°С.
2. Уровень техники
Водные растворы образующих термогель простых эфиров целлюлозы обладают повышенным модулем упругости или модулем накопления (G'), определяемым путем динамического измерения реологических характеристик при нагревании до температуры термического гелеобразования. Температура термического гелеобразования является температурой, при которой происходит резкое увеличение G'. Эти полимеры используют для множества различных целей, когда является полезной прочность их геля при высокой температуре. Их можно использовать в качестве связующих в пищевых продуктах для поддержания консистенции пищевых продуктов при нагревании. Их также можно использовать в качестве связующих агентов для неорганических продуктов, в частности, для необожженной керамики. Образующие термогель простые эфиры целлюлозы также можно использовать для изготовления капсул для фармацевтических препаратов.
Обычно водные растворы образующих термогель простых эфиров целлюлозы при нагревании сначала характеризуются уменьшением модуля упругости. После уменьшения модуля упругости при последующем повышении температуры происходит быстрое увеличение модуля упругости. Модуль упругости раствора образующего термогель простого эфира целлюлозы является наименьшим при значении температуры, сразу после повышения которой он начинает увеличиваться. При уменьшении модуля упругости эффективность образующего термогель простого эфира целлюлозы в качестве связующего также ухудшается.
Изменение прочности геля и температуры гелеобразования образующих термогель простых эфиров целлюлозы весьма затруднительно. Его можно провести в ограниченной степени путем регулирования химического состава и молекулярной массы, но оно возможно в очень ограниченной степени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен график, на котором приведена зависимость динамических реологических характеристик - модуля упругости (G') и модуля вязкости (G") - для 2 мас. % водных дисперсий МГПЦ (метилгидроксипропилцеллюлоза) и смесей МГПЦ-НКЦ от температуры.
На фиг. 2 представлен график, на котором приведена зависимость модуля упругости для 2 мас. % водных дисперсий смесей МГПЦ-НКЦ при 90°С от содержания НКЦ в мас. % в смеси.
На фиг. 3 представлен график, на котором приведена зависимость модуля упругости для 2 мас. % водных дисперсий МГЭЦ (метилгидроксиэтилцеллюлоза) - дисперсий НКЦ при 90°С от содержания НКЦ в мас. % в смеси.
На фиг. 4 представлен график, на котором приведена зависимость модуля упругости для 2 мас. % водных дисперсий смесей МЦ (метилцеллюлоза)-НКЦ при 50°С от содержания НКЦ в мас. % в смеси.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Прежде чем подробно разъяснять по меньшей мере один вариант осуществления настоящего изобретения (и предлагаемых в нем решений) с помощью типичных чертежей, экспериментов, результатов и лабораторных методик следует понять, что настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения) в своем применении не ограничиваются особенностями строения и расположения компонентов, указанными в последующем описании или проиллюстрированными с помощью чертежей, экспериментов и/или результатов. Для настоящего изобретения (и предлагаемых в нем решений) возможны другие варианты осуществления или его можно осуществить на практике или выполнить разными путями. Само по себе приведенное изложение предназначено для описания наибольшего возможного объема и содержания; и варианты осуществления являются типичными, а не ограничивающими. Также следует понимать, что использующиеся в настоящем изобретении фразеология и терминология предназначены для описания и их не следует рассматривать в качестве ограничивающих.
Если в настоящем изобретении не приведено другое определение, то научные и технические термины, использующиеся в настоящем изобретении (и предлагаемые в нем решения), обладают значениями, которые обычно понятны специалистам с общей подготовкой в данной области техники. Кроме того, если иное не следует из контекста, термины во множественном числе включают термины в единственном числе и термины в единственном числе включают термины во множественном числе. Обычно использующаяся номенклатура и химические методики хорошо известны и обычно используются в данной области техники. Реакции и методики очистки выполняются в соответствии со спецификациями изготовителя или так, как обычно принято в данной области техники или описано в настоящем изобретении. Обычно использующаяся номенклатура и лабораторные процедуры и методики аналитической химии, синтетической органической химии и медицинской и фармацевтической химии, описанные в настоящем изобретении, хорошо известны и обычно используются в данной области техники. Для химических синтезов, химического анализа, приготовления фармацевтических препаратов, составов и доставки и лечения пациентов используются стандартные методики.
Все патенты, опубликованные заявки на патенты и непатентные публикации, указанные в описании, указывают на уровень подготовки специалистов в области техники, к которой относится настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения). Все патенты, опубликованные заявки на патенты и непатентные публикации, указанные в любой части настоящей заявки, явно включены в нее в качестве ссылки во всей своей полноте в такой степени, как если бы специально и по отдельности для каждого отдельного патента или публикации было указано о включении в качестве ссылки.
Все композиции и/или методики, раскрытые и заявленные в настоящем изобретении, с учетом настоящего раскрытия можно получить и выполнить без чрезмерного количества экспериментальных исследований. Хотя композиции и способы, предлагаемые в настоящем изобретении, описаны с помощью предпочтительных вариантов осуществления, для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что без отклонения от основных положений, сущности и объема настоящего изобретения могут быть внесены изменения в композиции и/или способы и в стадии, и в последовательность стадий способа, описанного в настоящем изобретении. Предполагается, что все такие аналогичные замены и модификации, очевидные для специалистов в данной области техники, входят в основные положения, сущность и объем настоящего изобретения (и предлагаемых в нем решений), определенные в прилагаемой формуле изобретения.
При использовании в настоящем раскрытии приведенные ниже термины, если не указано иное, обладают указанными ниже значениями:
Использование слова в единственном числе вместе с термином "включающий" в формуле изобретения и/или описании можно означать термин в единственном числе, а также "один или большее количество", "по меньшей мере один" и "один или больше, чем один". Термин "или" в формуле изобретения может означать "и/или", если явно не указаны альтернативы или альтернативы не являются взаимоисключающими, хотя раскрытие включает использование только альтернатив и "и/или." В настоящей заявке термин "примерно" используется для указания того, что значение включает характерную погрешность устройства, методики, использующейся для определения значения, и/или колебания, которые присущи исследуемым объектам. Термин "по меньшей мере один" следует понимать, как включающий один, а также любое количество, большее, чем один, включая, но не ограничиваясь только ими, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 и т.п. Термин "по меньшей мере один" может означать до 100 или 1000 или более в зависимости от термина, к которому он относится; кроме того, количества 100/1000 не следует считать предельными, поскольку более значительные предельные значения также могут приводить к удовлетворительным результатам. Кроме того, термин "по меньшей мере один из X, Y и Z" следует понимать, как включающий только X, только Y и только Z, а также любую комбинацию X, Y и Z.
При использовании в настоящем описании и в формуле изобретения слова "включающий" (и любой его формы, такой как "включает" и "включают"), "содержащий" (и любой его формы, такой как "содержит" и "содержат") или "состоящий из" (и любой его формы, такой как "состоит из" и "состоят из") являются охватывающими или допускающими изменения и не исключают дополнительные, не указанные элементы или стадии способа.
Термин "или их комбинации" при использовании в настоящем изобретении означает все перестановки и комбинации перечисленных элементов, указанные перед этим термином. Например, "А, В, С или их комбинации" включает по меньшей мере одно из следующих: А, В, С, АВ, АС, ВС или ABC, и, если в конкретном контексте важен порядок, также ВА, СА, СВ, СВА, ВСА, АСВ, ВАС или CAB. Продолжая этот пример, отметим, что явно включены комбинации, которые содержат повторы одного или большего количества элементов или терминов, такие как ВВ, AAA, MB, ВВС, АААВСССС, СВВААА, САВАВВ и т.п. Специалист в данной области техники должен понимать, что обычно не налагаются ограничения на количество элементов или терминов в любой комбинации, если иное не следует из контекста.
Настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения) основано на установлении того, что характеристики термического гелеобразования образующих термогель простых эфиров целлюлозы можно улучшить путем объединения нанокристаллической целлюлозы с образующими термогель простыми эфирами целлюлозы. Эта комбинация может обеспечить увеличение прочности геля смеси нанокристаллическая целлюлоза/образующий термогель простой эфир целлюлозы по сравнению с самим образующим термогель простым эфиром целлюлозы. Это увеличение прочности геля можно наблюдать в широком диапазоне температуры.
Эта комбинация является особенно подходящей для использования в качестве связующего, например, в пищевых продуктах и при изготовлении современной керамики, а также для использования в изготовлении капсул.
В настоящем изобретении (и предлагаемых в нем решениях) водные дисперсии простых эфиров целлюлозы, характеризующиеся увеличенной термической прочностью геля, включают образующий термогель простой эфир целлюлозы, нанокристаллическую целлюлозу и воду. Как показано в примерах, прочность геля или кажущаяся прочность геля измеряют, как модуль накопления водной дисперсии образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы. Термины используются в настоящем изобретении взаимозаменяемым образом.
Нанокристаллическая целлюлоза является кристаллической частью целлюлозы, которая может образоваться путем кислотного гидролиза целлюлозы вместе с механической обработкой. Эти частицы целлюлозы нанометрового размера по природе являются кристаллическими, нерастворимы в воде, стабильны, химически неактивны и физиологически инертны и обладают привлекательными характеристиками связывания.
Целлюлоза является одним из наиболее распространенных на земле биополимеров, содержится в древесине хлопке, пеньке и других материалах растительного происхождения и выступает в качестве преобладающей упрочняющей фазы в растительных структурах. Целлюлозу также могут синтезировать водоросли, оболочники и некоторые бактерии. Она является гомополимером повторяющихся звеньев глюкозы, которые соединены 1-4 β-гликозидными связями. 1-4 β-Связи формируют целлюлозу в линейные цепи, которые сильно взаимодействуют друг с другом с помощью водородных связей. Вследствие своей регулярной структуры и наличия прочных водородных связей полимеры целлюлозы являются высококристаллическими и соединяются с образованием субструктур и микрофибрилл. В свою очередь, микрофибриллы соединяются с образованием целлюлозных волокон.
Очищенную целлюлозу из древесины или сельскохозяйственной биомассы можно тщательно расщепить или получить с помощью бактериального процесса. Если целлюлозный материал состоит из наноразмерных волокон и характеристики материала определяются его нановолокнистой структурой, эти полимеры описываются, как наноцеллюлозы или нанокристаллическая целлюлоза. Термины используются в настоящем изобретении взаимозаменяемым образом.
Обычно наноцеллюлозы являются стержнеобразными фибриллами, обладающими отношением длина/диаметр, равным примерно от 20 до 200. В одном неограничивающем варианте осуществления наноцеллюлозы обладают диаметром, равным менее примерно 60 нм. В другом неограничивающем варианте осуществления наноцеллюлозы обладают диаметром, равным от примерно 4 нм до примерно 15 нм, и длиной, равной от примерно 150 нм до примерно 350 нм. Размер и форма кристаллов зависят от их происхождения. Например, но не для наложения ограничений, нанокристаллическая целлюлоза из древесины может обладать толщиной, равной от примерно 3 до примерно 5 нм, и длиной, равной от примерно 20 до примерно 200 нм. Другая нанокристаллическая целлюлоза, полученная из других источников, таких как хлопок, может обладать немного другими размерами.
Нанокристаллическая целлюлоза обладает высокой жесткостью, большой удельной площадью поверхности, большим отношением длины к толщине, низкой плотностью и реакционноспособными поверхностями, которые могут облегчать химическую прививку и модификацию. В то же время материал инертен по отношению ко многим органическим и неорганическим веществам.
Для получения нанокристаллической целлюлозы путем фибриллирования целлюлозных волокон с образованием наноразмерных элементов необходима интенсивная механическая обработка. Однако в зависимости от сырья и степени обработки до механического фибриллирования можно провести химическую обработку. Обычно получение нанокристаллической целлюлозы можно провести с помощью двух методик, кислотного гидролиза и механического дефибриллирования. С помощью первой методики наноцеллюлозу можно получить из древесной целлюлозы или волокон из сельскохозяйственных культур преимущественно путем кислотного гидролиза для удаления аморфных участков, которые затем дают наноразмерные фибриллы. Известно, что условия проведения гидролиза влияют на характеристики полученных нанокристаллов. Тип кислоты также влияет на характеристики суспензии. Величина, размеры и форма нанокристалла в определенной степени также могут зависеть от природы источника целлюлозы.
Кислотный гидролиз можно проводить с использованием сильной кислоты при строго регулируемых температуре, перемешивании и продолжительности. Природа кислоты и отношение количества кислоты к количеству целлюлозы также являются важными параметрами, которые влияют на получение наноцеллюлозы. Примеры кислот могут включать, но не ограничиваются только ими, серную кислоту, хлористоводородную кислоту, фосфорную кислоту и бромистоводородную кислоту. Температура гидролиза может составлять от комнатной температуры до равной примерно 70°С, и соответствующая продолжительность гидролиза может составлять от примерно 30 мин до примерно 12 ч в зависимости от температуры. Сразу после гидролиза суспензию можно разбавить для остановки реакции.
В одном неограничивающем варианте осуществления для остановки реакции суспензию можно разбавить примерно в 5-10 раз. Затем суспензию можно центрифугировать, один раз промыть водой и повторно центрифугировать и повторно промыть. Для уменьшения содержания кислоты эту процедуру можно повторить примерно от 4 до 5 раз. Диализные трубки из регенерированной целлюлозы или диализная мембрана из регенерированной целлюлозы Spectrum Spectra/Pro, обладающей отсечением по молекулярной массе, составляющим примерно 12000-14000, можно использовать для диализа суспензии относительно дистиллированной воды в течение нескольких дней, пока значение рН воды не станет постоянным и, например, но не для наложения ограничений, равным примерно 7,0.
Для дополнительного диспергирования и уменьшения размера кристаллов суспензии кристаллов целлюлозы модно обработать ультразвуком или пропустить через микрофлюидизатор, работающий с большим сдвиговым усилием. Этот тип полученного материала называют наноцеллюлозой, нанокристаллической целлюлозой (НКЦ), нанокристаллами целлюлозы, нановолокнами целлюлозы или нитевидными кристаллами целлюлозы.
Вторая методика в основном представляет собой механическую обработку. Пучки микрофибрилл, называющиеся микрофибриллой целлюлозы или микрофибриллированной целлюлозой диаметром от десятков нанометров (нм) до микрометров (мкм), получают с помощью гомогенизирующей и размалывающей обработки при высоком давлении. Для выделения фибрилл из волокон натуральной целлюлозы также используют новую методику, в которой применяется высокоинтенсивная обработка ультразвуком. Высокоинтенсивный ультразвук может создать очень большую механическую колебательную мощности, так что отделение фибрилл целлюлозы от биомассы возможно путем воздействия гидродинамических сил, созданных ультразвуком. Эта методика может дать микрофибриллированную целлюлозу диаметром, равным менее примерно 60 нм. В одном неограничивающем варианте осуществления получают микрофибриллированную целлюлозу диаметром, равным от примерно 4 нм до примерно 15 нм, и длиной, равной менее 1000 нм. Микрофибриллированную целлюлозу необязательно можно дополнительно подвергнуть химической, ферментативной и/или механической обработке. Обе методики получения нанокристаллической целлюлозы описаны в патенте US № 8105430, полное раскрытие которого включено в настоящее изобретение в качестве ссылки.
Имеется множество разных образующих термогель простых эфиров целлюлозы. Температура гелеобразования может меняться в зависимости от конкретной композиции. В настоящем изобретении (и предлагаемых в нем решениях) можно использовать любой образующий термогель растворимый в воде простой эфир целлюлозы. Примеры образующих термогель простых эфиров целлюлозы, обычно использующихся в качестве связующих, могут включать, но не ограничиваются только ими, метилцеллюлозу (МЦ), метилгидроксипропилцеллюлозу (МГПЦ), метилгидроксиэтилцеллюлозу (МГЭЦ) и их комбинации.
Отношение количества нанокристаллической целлюлозы к количеству образующего термогель простого эфира целлюлозы может меняться в зависимости от конкретного случая применения. Обычно композиция может включать от примерно до 70 мас. % нанокристаллической целлюлозы и всего лишь примерно до 10% или менее нанокристаллической целлюлозы. Значения отношений и их преимущества подробнее описаны в приведенных ниже примерах и сопутствующих данных. Обычно отношение массы образующего термогель простого эфира целлюлозы к массе нанокристаллической целлюлозы может меняться от примерно 10:1 до примерно 1:2. Композиция в основном не содержит алкиленгликоли или другие средства, снижающие температуру замерзания.
В зависимости от назначения нанокристаллическую целлюлозу можно смешать с образующей термогель целлюлозой в воде или можно смешать в сухом виде. Нанокристаллическая целлюлоза диспергируется в воде, и простой эфир целлюлозы можно растворить в воде при температурах ниже его температуры гелеобразования. Ниже в настоящем изобретении эта водная система называется водной дисперсией и это означает, что образующий термогель простой эфир целлюлозы в основном растворяется при температурах ниже его температуры гелеобразования и нанокристаллическая целлюлоза диспергируется в этой системе. В одном неограничивающем варианте осуществления водная дисперсия образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы может включать от примерно 0,1 до примерно 40 мас. % растворимого в воде образующего термогель простого эфира целлюлозы и от примерно 0,1 до примерно 10 мас. % нанокристаллической целлюлозы и остальное представляет собой воду. В другом неограничивающем варианте осуществления водная дисперсия образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы может включать от примерно 0,1 до примерно 10 мас. % растворимого в воде образующего термогель простого эфира целлюлозы и от примерно 0,1 до примерно 5 мас. % нанокристаллической целлюлозы и остальное представляет собой воду.
В одном неограничивающем варианте осуществления раствор может в сумме включать от примерно 0,1 мас. % до примерно 20 мас. % образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы. Эти концентрации могут меняться в зависимости от конкретного случая применения. При использовании в качестве связующего при изготовлении пищевых продуктов или керамики можно использовать растворы связующего, обладающие меньшими концентрациями смеси, образующий термогель простой эфир целлюлозы/НКЦ, обычно равной от примерно 0,4 мас. % до примерно 2 мас. %. В то же время для образования стенок капсул можно использовать более высокую концентрацию, обычно равную 20 мас. % или более. При добавлении к содержащим воду продуктам, таким как содержащие воду пищевые продукты, связующие можно добавлять в виде порошкообразного вещества.
Водную дисперсию модно получить путем простого смешивания сухих компонентов образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы в воде при комнатной температуре. Альтернативно, образующий термогель простой эфир целлюлозы можно в сухом или мокром виде смешать с нанокристаллической целлюлозой в необходимом соотношении. Сухую смесь можно объединить с продуктом, который является достаточно влажным для растворения образующего термогель простого эфира целлюлозы и диспергирования нанокристаллической целлюлозы.
Смесь образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза, предлагаемую в настоящем изобретении (и предлагаемых в нем решениях), можно объединить с не образующими термогель растворимыми в воде полимерами, например, но без наложения ограничений, с гидроксиэтилцеллюлозой, карбоксиметилцеллюлозой, а также акрилатами и другими для влияния на их модуль и в некоторых случаях применения для снижения стоимости.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения), содержания в частях и процентах являются массовыми, если не указано иное. Каждый пример приведен для разъяснения настоящего изобретения (и предлагаемых в нем решений), а не для ограничения настоящего изобретения (и предлагаемых в нем решений). В действительности, для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что без отклонения от объема или сущности настоящего изобретения в настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения) можно внести различные модификации и изменения. Например, отличительные признаки, проиллюстрированные или описанные в качестве части одного варианта осуществления, можно использовать в другом варианте осуществления и получить еще один вариант осуществления. Таким образом, следует понимать, что настоящее изобретение (и предлагаемые в нем решения) включает такие модификации и изменения, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.
ПРИМЕРЫ
Материалы
Нанокристаллическую целлюлозу (НКЦ) получали по методике, аналогичной описанной в публикации D.G. Gray et al., Langmuir, V, 12, p. 2076-2082 (1996), которая во всей своей полноте включена в настоящее изобретение в качестве ссылки. Подробное описание методики приведено ниже.
До проведения кислотного гидролиза пульпу разрыхляли с помощью аппарата для измельчения. Разрыхленную пульпу гидролизовывали с помощью примерно 65% серной кислоты при температуре, равной примерно 45°С, в течение примерно 2 ч. Содержание твердых веществ в реакционной смеси составляло примерно 10%. Сначала разрыхленную пульпу добавляли в кислоту на водяной бане при механическом перемешивании и подвергали гидролизу. После гидролиза суспензию целлюлозы разбавляли деионизованной (ДИ) водой (~10 объемов раствора кислоты) и дважды центрифугировали для удаления кислоты. Для нейтрализации оставшейся кислоты после этого добавляли 2% раствор карбоната натрия. Суспензию подвергали диализу относительно ДИ воды для удаления соли. Очищенную суспензию сушили для определения выхода.
Использовали следующие образующие термогель простые эфиры целлюлозы, которые являются продуктами, продающимися фирмой Ashland, Inc. МГПЦ 1034R - Culminal МНРС 1034R
МГЭЦ 40000 - Culminal МНЕС 40000
МЦ А4М - Benecel А4М
МГПЦ 734R - Culminal МНРС 734R
МГЭЦ С4053 - Culminal МНЕС С4053
Этиленгликоль получали у фирмы Mallfnckrodt Chemical, чистота 99% и использовали в полученном виде.
Композиции
Все водные системы, указанные в приведенных ниже примерах, получали путем растворения образующего термогель простого эфира целлюлозы (ЭЦ) или путем растворения/диспергирования сухой смеси ЭЦ/НКЦ в воде по двум основным методикам:
1. Методика с использованием нагревания-охлаждения, описанная ниже.
Горячую ДИ воду (~90°С) добавляли к ЭЦ или ЭЦ/НКЦ (влажность скорректирована) при перемешивании со скоростью, равной примерно 1000 об/мин, в течение примерно 15 мин.
Вокруг емкости размещали баню со льдом для охлаждения раствора (~15 мин) - скорость уменьшали до равной примерно 700 об/мин.
Баню со льдом удаляли и перемешивание продолжали со скоростью, равной примерно 700 об/мин, в течение примерно 30 мин.
Раствор помещали в баню с постоянной температурой и охлаждали примерно до 25°С.
Это методику использовали для ЭЦ и смесей ЭЦ/НКЦ на основе метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ) и метилгидроксиэтилцеллюлозы (МГЭЦ).
2. "Обычная" методика, описанная ниже.
Сухую ЭЦ растворяли и/или сухую смесь ЭЦ/НКЦ диспергировали в воде с перемешиванием верхним смесителем в течение примерно 2-3 ч со скоростью, равной примерно 500 об/мин.
Это методику использовали для ЭЦ и смесей ЭЦ/НКЦ на основе метилцеллюлозы (МЦ).
Измерения
Исследование молекул образующих термогель простых эфиров целлюлозы, включая степень замещения, молярную степень замещения, проводили по установившимся в промышленности методикам:
Стандарт ASTM, D 4794, повторно утвержден в 2009.
Hodges et al., Anal. Chern., v. 51, N13, p. 2172 (1972).
Содержание в процентах незамещенных ангидроглюкозных звеньев (un-sub. AGUs) в простых эфирах целлюлозы определяли в соответствии с публикациями:
Richardson N.S. et al. Biomacromolecules, v 3, p. 1359-1363 (2002).
Richardson N.S. et al., Anal. Chern, v 75, p. 6077-6085 (2003).
Реологические измерения для анализа прочности геля проводили по методикам, аналогичным описанным в публикациях:
US 6235893 B1 by Reibert et al.
Dapcevic-Hadnadev Т. et al. in Food processing, Quality and safety, 3-4, p. 69-73 (2009).
В соответствии с указанными выше публикациями измеренный модуль упругости (G') также называли прочностью геля.
Подробное описание методики
Реометр с регулированием напряжения AR-G2 Геометрия Куэтта Зазор 5920 мкм.
Регулирование температуры на основе эффекта Пельтье.
Динамическое испытание при частоте 1 Гц с линейным изменением температуры, 0,5% напряжения и повышение температуры со скоростью, равной 1°С/мин, от примерно 25°С до примерно 92°С.
Явление термического гелеобразования хорошо известно для класса неионогенных полимеров простого эфира целлюлозы, таких как МЦ, МГПЦ, МГЭЦ, и обычно описывается, как увеличение G' или прочности геля полимера в водном растворе при повышении температуры (Т) в определенном диапазоне Т.
Некоторые типичные публикации по этому вопросу включают:
Desbrieres J. et al., Polymer, v. 41, p. 2451-2461 (2000).
Sarkar N., Carbohydrate polymers, v. 26, p. 195-203 (1995).
Sarkar N., Appl. J. Polym. Sci., v. 24, p. 1073-1087 (1979).
Вся эта указанная выше литература во всей своей полноте включена в настоящее изобретение в качестве ссылки.
Пример 1
Динамические реологические данные для продукта МГПЦ 1034R (2% в воде) и 3:1 смеси МГПЦ 1034R с НКЦ соответственно при равной 2% концентрации смеси в воде приведены на фиг. 1. Модуль упругости G’ и модуль вязкости (G") приведены для отдельных компонентов - ЭЦ, НКЦ и их смеси. В случае материала НКЦ значения G' и G" находятся на уровне фоновых шумов, т.е. близки к нулю. В случае полимера МГПЦ имеется эффект термического гелеобразования, проявляющийся в резком увеличении G' при температуре выше примерно 80°С.
Для смеси МГПЦ/НКЦ (3:1) наблюдается увеличение G' или прочности геля продукта МГПЦ, начиная от температуры, равной примерно 65°С, и выше. Этот тип неожиданного поведения по природе является синергическим, поскольку этот эффект не типичен для отдельных компонентов - МГПЦ и НКЦ, исследованных при такой же полной концентрации, как в смеси.
Пример 2
На фиг. 2 представлен эффект, наблюдавшийся на фиг. 1, но в зависимости от отношения ЭЦ/НКЦ в смеси при постоянной Т=90°С и постоянной концентрации смеси в воде, равной 2 мас. %. Синергический эффект еще более выражен (примерно 10-кратное увеличение G') при меньших концентрациях НКЦ в смеси, т.е. при отношении МГПЦ/НКЦ=3:1. Этот эффект зависит от отношения ЭЦ/НКЦ в смеси.
Пример 3
На фиг. 3 представлена взаимосвязь между G' и составом/отношением для смеси ЭЦ/НКЦ при постоянной Т=90°С и постоянной концентрации смеси в воде, равной 2 мас. %, для полимера МГЭЦ. Синергический эффект очень сильно выражен - более чем 30-кратное увеличение G' по сравнению с контролем, МГПЦ, при меньших концентрациях НКЦ в смеси, т.е. при отношении МГПЦ/НКЦ=3:1. Этот эффект зависит от отношения ЭЦ/НКЦ в смеси.
Аналогичная закономерность для данных для полимера МГПЦ, приведенных на фиг. 2.
Пример 4
На фиг. 4 представлена взаимосвязь между G' и составом/отношением для смеси ЭЦ/НКЦ при постоянной Т=50°С и постоянной концентрации смеси в воде, равной 2 мас. %, для полимера МЦ. Синергический эффект явно выражен - примерно 10-кратное увеличение G' по сравнению с контролем, МЦ, при меньших концентрациях НКЦ в смеси, т.е. при отношении МЦ/НКЦ=2:1. Этот эффект зависит от отношения ЭЦ/НКЦ в смеси.
Общая закономерность сходна с наблюдающейся для данных для полимеров МГПЦ и МГЭЦ, приведенных выше. Однако отличие заключается в том, что в этом случае синергизм наблюдается при более низкой Т, равной 50°С, а при более высокой Т, равной 90°С, синергизм не наблюдается.
Пример 5
В этом примере приведены значения G' для ЭЦ и смеси ЭЦ/НКЦ при постоянном отношении ЭЦ/НКЦ (2:1) и равной 2 мас. % полной концентрации продукта в водной фазе. Исследовали разные ЭЦ, включая два продукта МГПЦ, два продукта МГЭЦ и один продукт МЦ. Результаты приведены для разных температур для описания основных преимуществ смеси ЭЦ/НКЦ по сравнению с использованием только ЭЦ в зависимости от типа использованной ЭЦ.
Наблюдается корреляция между низкой степенью замещения метальных групп (Me-DS) для ЭЦ и синергическим эффектом для G' в определенной группе ЭЦ. Например, при 90°С полимер МГПЦ 1034R обладает явным синергизмом для G' при НКЦ в отношении 2:1, тогда как МГПЦ 734R им не обладает, что коррелирует с меньшими значениями Me-DS и более значительным выраженным в процентах содержанием незамещенных AGU в МГПЦ 734R. Аналогичная зависимость наблюдалась для полимеров МГЭЦ, где МГЭЦ 40000 приводил к большему синергизму для G', меньшему Me-DS и более значительным выраженным в процентах содержанием незамещенных AGU по сравнению с МГЭЦ С4053. Все эти результаты приведены в таблице 1.
HE-MS - молярная степень замещения гидроксиэтильных групп
HP - содержание гидроксипропильных групп
Me-DS - степень замещения метильных групп
% незамещенных AGU - выраженное в процентах содержание незамещенных звеньев ангидроглюкозы в простом эфире целлюлозы.
Смесь образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза можно использовать в самых различных случаях и некоторые из них обсуждены ниже. Смесь образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза можно использовать во множестве пищевых композиций в качестве связующего. Примеры пищевых композиций могут включать, но не ограничиваются только ими, овощи, мясо, соевые соусы, облагороженные морепродукты, облагороженный кусковой сыр, супы-пюре, подливки, соусы, заправки для салата, майонез, кольца лука, джемы, желе, сиропы, начинки для пирогов, продукты из картофеля, такие как экструдированные картофельные чипсы, тесто для кляра для жареных пищевых продуктов, блины/вафли и пирожные, корм для домашних животных, напитки, замороженные десерты, обработанные молочные продукты, такие как мороженое, домашний сыр, йогурт, сыр, сметана, глазированные пирожные и глазури, взбитый крем, хлебобулочные изделия из дрожжевого и недрожжевого теста.
Для приготовления пищевых композиций сухое связующее, представляющее собой смесь образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза, обычно смешивают с пищевыми веществами при приготовлении. Вода, содержащаяся в пищевом веществе, растворяет/диспергирует связующее. При желании связующее также можно добавить в виде водной дисперсии. В зависимости от продукта комбинацию связующее/пищевой продукт можно дополнительно обработать или не обрабатывать. Некоторые продукты можно просто смешать друг с другом. Для других необходима дополнительная обработка, такая как экструдирование, нагревание, охлаждение и т.п.
Образующими термогель простыми эфиры целлюлозы, особенно полезными для использования в связующем для пищевых композиций, являются обладающие более высокой молекулярной массой метилцеллюлоза и гидроксипропилметилцеллюлоза. Связующее обычно используют в пищевых композициях при содержании твердых веществ, составляющем от примерно 0,01 до примерно 5 мас. % в пересчете на полную массу пищевой композиции.
Смесь образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза является особенно подходящей для изготовления капсул для фармацевтических препаратов. Капсула для лекарственного средства состоит из первой части и второй части. Первая часть вставляется во вторую часть с образованием цельной капсулы. Обе части состоят из смеси образующей термогель целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы. Капсулы, изготовленные из смеси образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза, предлагаемой в настоящем изобретении (и предлагаемых в нем решениях), после сушки могут подвергаться намного меньшей деформации, чем капсулы, изготовленные из обычных простых эфиров целлюлозы. Особенно подходящими образующими термогель простыми эфирами целлюлозы, использующимися в этой смеси, являются метилцеллюлоза и гидроксипропилметилцеллюлоза, обладающие низкой молекулярной массой, т.е. обладающие вязкостью, равной от примерно 3 до примерно 100 сП. В одном неограничивающем варианте осуществления можно использовать простой эфир целлюлозы, обладающий вязкостью в 2% водном растворе, равной от примерно 3 до примерно 15 сП.
При использовании в настоящей заявке термин "капсула" означает оболочку для упаковки лекарственного средства, витамина, питательной добавки, косметического средства или смеси для использования во рту.
Пластификаторы, которые необязательно можно использовать при изготовлении, включают, но не ограничиваются только ими, глицерин, пропиленгликоль, полиэтиленгликоль (ПЭГ 200-6000), диэтилфталат, дибутилфталат, дибутилсебацинат, триэтилцитрат, ацетилтриэтилцитрат, ацетилтрибутилцитрат, трибутилцитрат, триацетилглицерин, касторовое масло, ацетилированный моноглицерид, кокосовое масло и т.п. При желании в капсулу можно включить необязательные добавки, такие как красители и пигменты.
Капсулы из образующего термогель простого эфира целлюлозы можно изготовить путем погружения горячих стержней в холодную водную дисперсию образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза для образования покрытия или путем погружения холодных стержней в горячую водную дисперсию образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза для образования покрытия. Дисперсии образуют на стержнях гель, и вода испаряется на стадии сушки с образованием вокруг стержней тонкого слоя высушенной смеси образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза. Тонкие пленки приобретают форму колпачков и корпусов, которые можно снять со стержней и соединить с образованием капсул. Дисперсия для образования покрытия может совместно включать от примерно 15 до примерно 30 мас. % образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы. Технологии изготовления капсул раскрыты в патентах US № 3617588; 4001211; 4917885; и 5756036, которые во всей своей полноте включены в настоящее изобретение в качестве ссылки.
Хотя выше приведено подробное описание изготовления частей капсул для лекарственного средства с использованием смеси образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы, эту технологию широко применяют в разных областях промышленности. Например, но без наложения ограничений, можно изготовить капсулы подходящего размера для регулируемого или замедленного высвобождения для применения в промышленности, сельском хозяйстве или в быту. Например, но без наложения ограничений, можно изготовить капсулы подходящего размера для использования в случаях, когда желательно замедленное высвобождение и они могут содержать любые соединения и композиции, которые химически совместимы с целлюлозой, такие как, например, отдушки, душистые вещества, удобрения, яды, гербициды, пестициды, фунгициды, антибактериальные средства, промышленные или бытовые очищающие агенты, чистящие агенты, композиции для ухода за шерстью животных и т.п.
Смесь простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы, предлагаемую в настоящем изобретении (и предлагаемых в нем решениях), также можно использовать в качестве связующего при формовании керамических изделий. Обычно в этом способе соединения или порошки - предшественники керамики можно смешать с сухим связующим образующий термогель простой эфир целлюлозы/нанокристаллическая целлюлоза с образованием сухой смеси предшественников. Затем эту сухую смесь предшественников смешивают с минимальным количеством жидкого разбавителя и получают порцию, которую подвергают процедуре формования для придания формы, которую сушат и получают необожженную керамику. Затем необожженную керамику спекают при высокой температуре и получают керамический продукт. Использующиеся жидкие разбавители могут включать, но не ограничиваются только ими, воду, спирты, глицерин, органические растворители или их смесь.
Соединения - предшественники керамики хорошо известны и могут включать такие соединения, как глина, тальк, диоксид кремния, оксид алюминия, оксид магния и диоксид циркония, и силикаты, такие как каолинит, силикат алюминия, карбид кремния, нитрид кремния, титанат алюминия и кордиерит и их комбинации. Другие соединения - предшественники дополнительно раскрыты в патенте US № 6207101, раскрытие которого во всей его полноте включено в настоящее изобретение в качестве ссылки.
Обычно связующее из образующего термогель простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы может составлять от примерно 2 до примерно 15 мас. % от массы смеси сухих предшественников. В некоторых случаях керамика может включать примерно до 30% связующего.
Количество воды, эффективное для диспергирования порции, предпочтительно всего связующего, можно смешать со смесью сухих предшественников. Обычно к порции можно добавить примерно от 10 до 35 мас. % воды и чаще примерно 30%.
Порция может включать дополнительные компоненты, такие как стеариновая кислота, масло, диспергирующие средства и флокулянты. Другие возможные добавки раскрыты в патенте US № 6207101, раскрытие которого во всей его полноте включено в настоящее изобретение в качестве ссылки.
Порцию загружают в экструдер и дегазируют с помощью вакуума. Пластифицированную массу с помощью шнека продавливают через головку экструдера для придания формы. При этом выделяется тепло. Экструдированную форму нарезают так, как это желательно, и сушат по обычным методикам, таким как использующие конвекцию, инфракрасное излучение, микроволновое излучение или высокую частоту. Таким образом формуют необожженную керамику. Необожженную керамику обычно нагревают при температуре, равной примерно от 200 до 450°С, в зависимости от порошка - предшественника в атмосфере азота или на воздухе. Тепло приводит к испарению связующего его удалению из необожженной керамики, которая затем спекается с образованием керамического продукта.
Комбинация простого эфира целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы, предлагаемая в настоящем изобретении (и предлагаемых в нем решениях), вследствие прочности ее геля может придать повышенную механическую прочность необожженной керамике до или во время сушки, что приводит к меньшему количеству дефектов.
Разумеется, для описания раскрытой информации невозможно описать каждую возможную комбинацию компонентов или методологий, однако специалист с общей подготовкой в данной области техники может понять, что возможны многочисленные дополнительные комбинации и перестановки раскрытой информации. Соответственно, предполагается, что раскрытая информация включает все такие изменения, модификации и вариации, которые входят в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.