Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von cellulosischen Formkörpern mit feinstverteilten stabilisierten Einschlüssen unpolarer organischer Verbindungen und Gemische nach dem Trocken-Nassextrusionsverfahren. Dieses Verfahren führt zu cellulosischen Formkörpern, die gegenüber unmodifizierten Cellulosefasern eine wesentlich gesteigerte Speicherkapazität für Wärme und/oder unpolare Wirksubstanzen aufweisen.

Die entsprechend des erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren hergestellten cellulosischen Funktionsformkörper eigenen sich speziell für den Einsatz in Textilien für Bekleidung, technische Textilien, Freizeit, Medizin und Kosmetik.

Die funktionale Wirkung kann sich dabei auf den physikalischen Effekt der Wärmespeicherung und/oder auf die gleichmäßige und feindosierbare Speicherung und Freisetzung von unpolaren Wirkstoffen und Pflanzenextrakten aus dem Faserinneren beziehen. Durch geeignete Wahl des unpolaren Anteils, können nach diesem Verfahren auch Fasern hergestellt werden, die als Absorbtionsmedium für flüssige oder gasförmige unpolare Substanzen dienen können.

Es ist bekannt, dass die Wärmespeicherkapazität von textilen Fasern und Formkörpern erhöht werden kann, indem das formgebende Polymer mit einem organischen Phasenwechselmaterial kombiniert wird, das durch Schmelz/Erstarrungsübergang, Konformationsübergang oder Entorientierung/Kristallisation Energie mit der Umgebung austauschen kann. Die Höhe des Energieaustauschs und der wirksame Temperaturbereich korrelieren mit der chemischen Struktur, der Änderung der physikalischen Enthalpie und der Konzentration des Phasenwechselmaterials. Entscheidend ist in erster Linie, dass der Energieaustauscheffekt in der Faser durch die molekulare Nahorientierung des Phasenwechselmaterials in oder auf dem Formkörper erhalten bleibt. Die Literatur weist folgende Lösungen auf: In erster Linie werden Phasenwechselmaterialien mit einer organischen Polymerschicht verkapselt und anschließend die Kapseln in eine Polymerfaser ein- oder auf ein Gewebe aufgebracht EP0306202 US4756958, WO03027365, EP1430169, WO03062513, WO02024992, US6689466, US6217993, EP1028846, US6077597, WO9925549, CN1317602, CN1264760, WO9324241, EP611330, US5366801, WO9941067, EP975462, US5804297, WO0212607, WO05017247, EP1658395.

Nachteilig erweist sich dabei, dass die Verkapselung des Phasenwechselmaterials von der Formgebung, bzw. von der Verarbeitung getrennt erfolgt. Zwangsläufig ist ein Kompromiss zwischen verfügbaren Kapselchargen hinsichtlich Material und Eignung für das Formgebungsverfahren erforderlich. Bei Trocken-Nassextrusionsverfahren werden unter anderem Anforderungen, wie Feinheit und Korngrößenverteilung, mechanische und chemische Stabilität, Eignung des Phasenwechselmaterials für das Einsatzgebiet, Verfügbarkeit und Preis, an Mikrokapseln gestellt.

Weiterhin können Phasenwechselmaterialien in eine Polyolefinmatrix US5885475, WO9812366, EP0747431, US5053446 oder eine Polymersuspension WO02095314, EP1387995, CH692574 eingearbeitet werden.

US5885475 beschreibt die Herstellung von schmelzegesponnenen Polyolefinfasern.

Ein direktes Einarbeiten eines Phasenwechselmaterials (z.B. Polyethylenglycol) in eine Hohlfaser wurde in EP0311642, WO8707854, US4908238 beschrieben. In dieser Beschreibungen wurde jedoch auf eine Stabilisierung des Phasenwechselmaterials im Formkörper verzichtet. Von der Struktur her ähnelt es einer Mikrosandwich Konstruktion. Weiterhin wurden einfache Sandwichstrukturen beschrieben US2003124278, WO03059614, US2003124318, WO03057474, CN1211605.

Bekannt ist die Verdickung von Lösungen durch pyrogene Kieselsäure EP0745372, DE3221946. Auch die Stabilisierung von Wasser in Öl oder Öl in Wasser-Emulsionen gegen Separation der dispersen Phase durch Anlagerung der pyrogenen Kieselsäure an der Grenzfläche Öl/Wasser ist bekannt (DE102004014704A1) und kann für „controlled release"-Systeme verwendet werden.

Es besteht ein Interesse, Wirkstoffe aus einem Gewebe oder einer Cellulosefaser freizusetzen. Es ist auch bekannt, dass verkapselte, Wirkstoff enthaltende Materialien an der Oberfläche verankert werden (WO0173188), oder in die Faser eingebracht werden (WO2006066291, Lenzing). Die Möglichkeit Riechstoffe und Wirkstoffe als Mikrokapseln herzustellen wurde in EP1243326, WO9921532, EP1024785, DE10063428 beschrieben. Wiederum erweist sich die Mikrokapsel durch die begrenzte Verfügbarkeit als Nachteil für eine großtechnische Anwendung, da die Verkapselung von der Formgebung getrennt wurde. Aus der Literatur sind jedoch keine Ansätze bekannt, dass die Erzeugung von permanenten unpolaren organischen Mikroeinschlüssen in ein hydrophiles netzwerkbildendes Polymer, wie Cellulose, durch Zugabe der Rohstoffe (Lösungsmittel, Cellulose, unpolare organische Verbindungen und Gemische, Verdickungsmittel und Phasenvermittler) zur Spinnlösung und anschließender Formgebung in einem Verfahren realisiert wurde. Bisher wurde auch nicht beschrieben, dass organische Verbindungen, die in den unpolaren organischen Verbindungen und Gemischen gelöst oder suspendiert werden können, als Modifikatoren (Veränderung des Schmelzbereichs von Phasenwechselmaterialien durch z.B. Schmelzpunkterniedrigung) oder freisetzbare Wirkstoffe genutzt werden können, wenn sie über das erfindungsgemäße Verfahren als permanente unpolare organische Mikroeinschlüsse in ein hydrophiles netzwerkbildendes Polymer, wie Cellulose, eingebracht werden.

Der Einbau von nanoskaligen Wirkstoffen in Pulverform bzw. von Carbon-Nanotubes wird auch in WO2004081267A1 beschrieben, eine Lehre in Bezug auf die Einarbeitung von lipophilen Substanzen in eine polare Celluloselösung kann daraus nicht abgeleitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein direktes Verfahren zur Herstellung von cellulosischen Formkörpern mit Einschlüssen unpolarer organischer Verbindungen und Gemische unter Nutzung der in-situ Kapselung dieser organischen unpolaren Verbindungen und Gemische zu entwickeln. Eine weitere Aufgabe war, den Wirkbereich von eingebrachten Phasenwechselmaterialien regelbar zu gestalten. Die erhaltenen cellulosischen Fasern sollten unter anderem eine deutlich erhöhte Wärmespeicherkapazität gegenüber unmodifizierten cellulosischen Fasern aufweisen, ohne nach dem Stand der Technik vorgefertigte Kapseln oder Phasenwechselmaterial in Schichtstrukturen zu verwenden. Eine weitere Aufgabe war, ein Verfahren zu entwickeln, nach dem auch unpolare Wirkstoffe in cellulosischen Formkörpern gelöst und/oder gespeichert werden können und kontrolliert, über einen längeren Zeitraum, an die Umgebung abgegeben werden können. Zusätzlich kann der Wirkbereich durch Erniedrigung des Schmelzpunktes der Phasenwechselmaterialien regelbar eingestellt werden. Ferner eignen sich die unpolaren organischen Verbindungen und Gemische als Lösungsmittel und/oder Speichermedium für unpolare organische Wirkstoffe, so dass die nach dem Verfahren hergestellten cellulosischen Formkörper eine Wirkstofffreisetzung aus den Einschlüssen unpolarer organischer Verbindungen aufweisen. Ferner kann dieser Effekt genutzt werden, um Fasern mit Einschlüssen unpolarer organischer Verbindungen als Absorptionsmedium für gasförmige und flüssige unpolare Verbindungen (Schadstoffe) zu nutzen. Die Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Erfindungsansprüchen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem man eine cellulosische Form- und Spinnlösung, die durch Lösen von Cellulose in tertiärem Aminoxid, vorzugsweise N-Methylmorpholin-N-oxid, und einem Nichtlösungsmittel, vorzugsweise Wasser, hergestellt werden kann, mit einem unpolaren organischen Material versetzt. Dabei sind Kohlenwasserstoffe, Wachse, Bienenwachs, Öle, Fettsäuren, Fettsäureester, Stearinanhydrid, und langkettige Alkohole und deren Mischungen zu bevorzugen. Eine nanoskalige pyrogene Kieselsäure wird genutzt, um die Viskosität der gelösten unpolaren Materialien so weit zu erhöhen, dass diese in der cellulosischen Form- und Spinnlösung emulgiert werden können. Überraschenderweise reicht das Verdickungsmittel in einer Konzentration von 1–50 % des Celluloseanteils in der Formlösung aus, die im Vergleich von Kohlenwasserstoff in Wasser-Emulsionen viel größeren Dichte- und Viskositätsunterschiede einer Emulsion von Kohlenwasserstoffen in einer cellulosischen Form- und Spinnlösung zu überbrücken.

Nach Zugabe von nanoskaligen, flächigen, hydrophobierten Partikeln, vorzugsweise modifizierten Schichtsilikaten, zum Beispiel hydrophobiertes Bentonit, in einer Konzentration von 1–50 % des Celluloseanteils werden die organischen Materialmikrophasen von einer Schicht nanodisperser Strukturen umgeben. Dieses Material hat die überraschende Eigenschaft, dass es die Emulsion während der Formgebung stabilisiert und anschließend als Phasenvermittler zwischen Cellulosematrix und eingeschlossenem unpolaren organischen Material fungiert. Die eingeschlossenen unpolaren organischen Materialien lassen sich auch mit Wirkstoffen beladen. Dabei handelt es sich um unpolare Wirkstoffe, die mit den unpolaren organischen Verbindungen Lösungen oder Suspensionen bilden. Bei den Wirkstoffen handelt es sich um unpolare Wirkstoffe, unter anderen um Pflanzenprodukte, wie Jojobaöl, Monoi-Öl, Nachtkerzen-Öl, Avocado-Öl Kakaobutter, ätherische Pflanzenextrakte oder unpolare Pflanzenauszüge, um fettlösliche Vitamine, wie Vitamine A, D und E, oder um Insektizide, wie Pyrethroide speziell Permethrin oder um Repellents. Die Wirkstoffkonzentrationen können bis zu 0,001 g Wirkstoff/kg Formkörper bis >500 g Wirkstoff/kg Formkörper betragen. Bei den unpolaren organischen Verbindungen, die mit den Wirkstoffen Lösungen oder Suspensionen bilden, handelt es sich um Alkane, oxidierte Alkane, wie z.B. Wachse, Bienenwachs, Öle, Ester und Gemische daraus, die einen Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C aufweisen. Die Wirkstoffe können über einen längeren Zeitraum kontrolliert an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Effekt lässt sich zum Beispiel mit der Waschpermanenz der Funktions- faser belegen. Durch die Zugabe von unpolaren organischen Verbindungen und Gemischen in einer Konzentration kleiner 200% w/w bezogen auf die gelöste Cellulose der Spinnlösung entstehen Formkörper mit weniger als 66 % w/w unpolaren organischen Substanzen oder Gemischen.

Mit diesem Verfahren lassen sich cellulosische Formkörper mit bereits beschriebenen Effekten, wie z.B. erhöhte Wärmespeicherkapazität und „controlled-release"-Funktionen viel effizienter und kostengünstiger, herstellen, da Bulkmaterialien verarbeit werden und die konventionelle Kapselung und die Einarbeitung dieser Mikrokapseln entfällt. Das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren ist variabel. So kann zum Beispiel die Schmelzpunkterniedrigung von Gemischen genutzt werden, um ein industrielles Standard-Phasenwechselmaterial exakt an eine Anwendungstemperatur anzupassen, bzw. den Schmelz/Erstarrungsbereich zu verbreitern.

15765 g einer 60%-igen Lösung von N-Methylmorpholin-N-oxid werden mit 1160 g Zellstoff von einem Durchschnittspolymerisationsgrad 500 unter Zusatz von 6,8 g Propylgallat in ein Lösegefäß mit Rührwerk von 37 l Volumen eingebracht. Das Lösegefäß wird bis auf 20 mbar evakuiert und im Verlauf von 6 Stunden von 2°C auf 94 °C bei einer Rührerdrehzahl von 18 min^–1 erwärmt und das verdampfende Wasser in einem angeschlossenen Kühler kondensiert. Kurz vor Abschluss des Lösevorgangs wird 350 g Paraffin RT 27 zugegeben. Anschließend werden 116 g nanoskalige pyrogene Kieselsäure eingearbeitet und eine Emulsion von Paraffin in der Spinnlösung gebildet. Nach Zugabe und Verteilung von 116 g hydrophobiertem Bentonit wird das Gemisch durch eine Spinndüse über einen Luftspalt in ein wässriges Fällbad gesponnen. Die Fasern weisen ein erhöhtes Wärmeaufnahmevermögen von ca. 80 J/g gegenüber 7 J/g bei unmodifizierten Fasern auf.

15759 g einer 60%-igen Lösung von N-Methylmorpholin-N-oxid werden mit 1160 g Zellstoff von einem Durchschnittspolymerisationsgrad 500 unter Zusatz von 6,8 g Propylgallat in ein Lösegefäß mit Rührwerk von 37 1 Volumen eingebracht. Das Lösegefäß wird bis auf 20 mbar evakuiert und im Verlauf von 6 Stunden von 2°C auf 94 °C bei einer Rührerdrehzahl von 18 min^–1 erwärmt und das verdampfende Wasser in einem angeschlossenen Kühler kondensiert. Kurz vor Abschluss des Lösevorgangs wird 350 g Paraffin RT 27 mit einem Modifiergehalt von 10 % w/w zugegeben. Anschließend werden 116 g nanoskalige pyrogene Kieselsäure eingearbeitet und eine Emulsion von Paraffin in der Spinnlösung gebildet. Nach-Zugabe und Verteilung von 116 g hydrophobiertem Bentonit wird das Gemisch, wie im Beispiel 1 beschrieben, ausgesponnen. Die Fasern weisen gegenüber dem in Beispiel 1 beschriebenen Wärmetauschverhalten ein um 4 °C abgesenktes Schmelzmaximum auf, dieses lässt sich mit einer Schmelzpunkterniedrigung erklären, die nachfolgend beispielhaft beschrieben ist.

• 1) Probe 10 % Cyclohexan in Paraffin; Einwaage von 9 g Paraffin RT 27. Danach Aufschmelzen des Paraffins und Dotierung mit 1. g Cyclohexan. Anschließend DSC-Messung (Zeichnung 2).
• 2) Probe 5 % Cyclohexan in Paraffin: Einwaage von 9,5 g Paraffin RT 27. Danach Aufschmelzen des Paraffins und Dotierung mit 0,5 g Cyclohexan. Anschließend DSC-Messung (Zeichnung 3).

3) DSC-Messung an reinem RT 27 als Vergleich (Zeichnung 1).

15759 g einer 60%-igen Lösung von N-Methylmorpholin-N-oxid werden mit 1160 g Zellstoff von einem Durchschnittspolymerisationsgrad 500 unter Zusatz von 6,8 g Propylgallat in ein Lösegefäß mit Rührwerk von 37 1 Volumen eingebracht. Das Lösegefäß wird bis auf 20 mbar evakuiert und im Verlauf von 6 Stunden von 2°C auf 94 °C bei einer Rührerdrehzahl von 18 min^–1 erwärmt und das verdampfende Wasser in einem angeschlossenen Kühler kondensiert. Kurz vor Abschluss des Lösevorgangs wird 350 g Paraffin RT 27 mit einem Permethringehalt von 10 % w/w zugegeben. Anschließend werden 116 g nanoskalige pyrogene Kieselsäure eingearbeitet und eine Emulsion von Paraffin in der Spinnlösung gebildet. Nach Zugabe und Verteilung von 116 g hydrophobiertem Bentonit wird das Gemisch, wie im Beispiel 1 beschrieben, ausgesponnen. Die erhaltene Faser wirkt permanent Insektizid und ist waschbar.

15759 g einer 60%-igen Lösung von N-Methylmorpholin-N-oxid werden mit 1160 g Zellstoff von einem Durchschnittspolymerisationsgrad 500 unter Zusatz von 6,8 g Propylgallat in ein Lösegefäß mit Rührwerk von 37 1 Volumen eingebracht. Das Lösegefäß wird bis auf 20 mbar evakuiert und im Verlauf von 6 Stunden von 2°C auf 94 °C bei einer Rührerdrehzahl von 18 min^–1 erwärmt und das verdampfende Wasser in einem angeschlossenen Kühler kondensiert. Kurz vor Abschluss des Lösevorgangs wird 175 g Paraffin RT 27 und 175 g Jojobaöl (natürliches Wachs) zugegeben. Anschließend werden 116 g nanoskalige pyrogene Kieselsäure eingearbeitet und eine Emulsion von Paraffin/Jojobaöl in der Spinnlösung gebildet. Nach Zugabe und Verteilung von 116 g hydrophobiertem Bentonit wird das Gemisch, wie im Beispiel 1 beschrieben, ausgesponnen. Die erhaltene Faser weist ein waschpermanentes Depot an Jojobaöl auf und kann in kosmetischen Produkten verarbeitet werden.

15759 g einer 60%-igen Lösung von N-Methylmorpholin-N-oxid werden mit 1160 g Zellstoff von einem Durchschnittspolymerisationsgrad 500 unter Zusatz von 6,8 g Propylgallat in ein Lösegefäß mit Rührwerk von 37 1 Volumen eingebracht. Das Lösegefäß wird bis auf 20 mbar evakuiert und im Verlauf von 6 Stunden von 2°C auf 94 °C bei einer Rührerdrehzahl von 18 min^–1 erwärmt und das verdampfende Wasser in einem angeschlossenen Kühler kondensiert. Kurz vor Abschluss des Lösevorgangs wird 350 g Alkangemisch mit einem Schmelzmaximum von 18 °C zugegeben. Anschließend werden 116 g nanoskalige pyrogene Kieselsäure eingearbeitet und eine Emulsion von Paraffin in der Spinnlösung gebildet. Nach Zugabe und Verteilung von 116 g hydrophobiertem Bentonit wird das Gemisch, wie im Beispiel 1 beschrieben, ausgesponnen. Das Material weist ein Depot eines unpolaren Lösungsmittels auf, dass unter Tragebedingungen flüssig ist und in der Lage ist, migrationsfähige unpolare organische Verbindungen aufzunehmen.