Патент на изобретение №2396237
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) ИНКАПСУЛИРОВАННАЯ ЧАСТИЦА
(57) Реферат:
Изобретение относится к инкапсулированной частице, которая включает ядро. Ядро содержит удобрение, выбранное из группы азотных, фосфатных, калийных, серных удобрений и их комбинации, и может также включать гербициды, инсектициды и фунгициды. Инкапсулированная частица также содержит полиуретановый слой, расположенный вокруг ядра. Полиуретановый слой включает продукт реакции ароматического изоцианатного компонента и полиола, который является реакционноспособным по отношению к ароматическому изоцианатному компоненту. Ароматический изоцианатный компонент включает метилендифенилдиизоцианат, толуолдиизоцианат и их смеси. Полиол, который является реакционноспособным по отношению к ароматическому изоцианатному компоненту, образуется из инициатора на основе ароматического амина и включает толуолдиамин. Ароматический изоцианатный компонент и полиол полностью смешиваются, образуя, таким образом, полиуретановый слой без дефектов, который предотвращает проникновение воды через полиуретановый слой и растворение ядра, что предотвращает фитотоксичность. Кроме того, использование предложенной инкапсулированной частицы позволяет добиться медленного, контролированного растворения ядра в почве без использования дополнительных слоев поверх полиуретанового слоя. 14 з.п. ф-лы, 2 табл.
1. Область изобретения [0001] Объект изобретения в целом относится к инкапсулированной частице. Более конкретно, объект изобретения относится к инкапсулированной частице, которая включает полиуретановый слой, расположенный вокруг ядра, и которая используется в качестве удобрения с контролируемым высвобождением. 2. Описание предшествующего уровня техники [0002] Инкапсулированные частицы, которые используются в качестве удобрений с контролируемым высвобождением, известны в данной области. Конкретно, инкапсулированные частицы включают слои, расположенные вокруг ядер. Более конкретно, слои, которые расположены вокруг ядер, включают полиуретановые слои. Толщина и внешняя целостность полиуретановых слоев ограничивают скорость, с которой ядра растворяются в почве, содержащей воду и влагу. [0003] Более конкретно, инкапсулированные частицы, описанные в предшествующем уровне техники, включают ядро, выбранное из группы частиц удобрений. Недостаток использования инкапсулированных частиц предшествующего уровня техники заключается в несоответствующей внешней целостности и толщине полиуретановых слоев, приводящих к очень большой скорости, с которой ядра растворяются в почве. Как известно в данной области, очень большая скорость, с которой ядра растворяются в почве, приводит к фитотоксичности. Дополнительные недостатки использования инкапсулированных частиц в соответствии с предшествующим уровнем техники заключаются в невозможности эффективно изготавливать определенную толщину полиуретанового слоя, расположенного вокруг ядра, и в потребности в дорогих и скоропортящихся перерабатываемых компонентах, таких как касторовое масло. Касторовое масло используют для получения полиуретановых слоев в качестве полиола, который реагирует с изоцианатом с образованием полиуретановых слоев. [0004] В частности, касторовое масло подвергается непрогнозируемым колебаниям рыночных цен и непредсказуемому контролю за качеством. Кроме того, касторовое масло является скоропортящимся продуктом и, таким образом, является непригодным для длительного хранения и использования в серийном производстве инкапсулированных частиц. Более того, касторовое масло содержит двойные связи в своей липидной структуре и подвержено липидному окислению. Липидное окисление происходит, когда двойные связи в касторовом масле реагируют с кислородом с образованием пероксидов и изменяют химическую природу касторового масла. Наконец касторовое масло не является ароматическим. Когда оно служит в качестве полиола, который взаимодействует с ароматическим изоцианатом для образования полиуретановых слоев, касторовое масло не полностью смешивается с ароматическим изоцианатом вследствие отсутствия ароматичности и, таким образом, является непригодным для использования. [0005] Наиболее важно, что основной недостаток инкапсулированных частиц согласно предыдущему уровню техники заключается в том, что они включают полиуретановые слои, которые содержат дефекты. Дефекты в полиуретановых слоях возникают в результате неполной смешиваемости между изоцианатом и полиолом, который взаимодействует с изоцианатом с образованием полиуретановых слоев. Например, когда органический неароматический полиол объединяют с ароматическим изоцианатом, смешиваемость может быть неполной. Точнее, органический неароматический полиол может реагировать с ароматическим изоцианатом только на поверхности. [0006] Недостаточная смешиваемость между ароматическим изоцианатом и неароматическим полиолом впоследствии приводит к получению полиуретановых слоев, которые содержат дефекты, такие как поверхностные раковины и выемки. Когда полиуретановый слой, который содержит дефекты, располагается вокруг ядра, раковины и выемки позволяют воде и другим жидкостям проникать сквозь полиуретановый слой и быстро растворять ядро. Для устранения дефектов вокруг ядра должны располагаться разнородные полиуретановые слои, вследствие чего способ получения таких частиц требует много времени и является дорогостоящим. [0007] Вокруг ядра может располагаться много различных слоев. В патенте США [0008] Подобным образом патент США [0009] Тем не менее удобрения контролируемого высвобождения, раскрытые в патенте ‘686 и опубликованных заявках ‘254 и ‘276, не являются единственными аналогами. Патент США [00010] Наконец патент США аминогруппу. Кроме того, полиол, образующийся из инициатора на основе ароматического амина, содержит функциональную аминогруппу в начале алкильной цепи. Поэтому полиол, образующийся из инициатора на основе ароматического амина, полностью смешивается с ароматическими изоцианатами и отличается от любого полиола, раскрытого как в патенте ‘089, так и в патенте ‘659. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВ [00011] Объектом изобретения является инкапсулированная частица. Инкапсулированная частица включает ядро и полиуретановый слой. Полиуретановый слой располагается вокруг ядра и включает продукт реакции изоцианатного компонента и полиола. Полиол получают из инициатора на основе ароматического амина. Инициатор на основе ароматического амина имеет формулу:
в которой R1 выбран из алкильной группы, аминогруппы и водорода, а каждый R2-R6 независимо выбран из аминогруппы и водорода, при условии, что, по меньшей, мере один из R1-R6 представляет собой аминогруппу. [00012] Инициатор на основе ароматического амина образует полиол, который полностью смешивается с изоцианатным компонентом. Полная смешиваемость изоцианатного компонента и полиола, образующегося из инициатора на основе ароматического амина, является результатом двух важнейших эффектов. Во-первых, полная смешиваемость достигается благодаря силам Лондона, которые порождают мгновенно возбуждаемые диполи между подобными ароматическим остатками полиола и изоционатного компонента. Мгновенно возбуждаемые диполи позволяют изоцианатному компоненту и полиолу эффективно смешиваться. Во-вторых, полная смешиваемость достигается благодаря планарной геометрии ароматических остатков полиола и изоционатного компонента, которая предусматривает дополнительное межплоскостное взаимодействие полиола и изоционатного компонента. Дополнительное межплоскостное взаимодействие ароматических остатков также позволяет изоцианатному компоненту и полиолу эффективно смешиваться. [00013] Полная смешиваемость изоционатного компонента и полиола, образующегося из инициатора на основе ароматического амина, обеспечивает много преимуществ. Полная смешиваемость приводит к возможности использовать различные способы нанесения полиола и изоционатного компонента на частицу ядра. Способы включают, но не ограничиваются ими, намазывание покрытия, покрытие в псевдоожиженном слое, соэкструзию, распыление и инкапсулирование с помощью завихрительного диска. В промышленном использовании практикующие специалисты, которые будут применять каждый из этих способов, увидят описанные преимущества настоящего изобретения. [00014] В особенности напыление полиола и изоционатного компонента на ядро приводит к получению однородного, целостного и бездефектного полиуретанового слоя, расположенного вокруг ядра. Напыление также приводит к получению более тонкого и менее дорогого полиуретанового слоя, расположенного вокруг ядра. Кроме того, полиол пригоден для длительного хранения, обеспечивая тем самым более эффективное хранение и последующее использование. [00015] Однородный, целостный и бездефектный полиуретановый слой, расположенный вокруг ядра, предусматривает медленное, контролированное растворение ядра в почве и уменьшает необходимость во втором слое, который должен располагаться поверх полиуретанового слоя для покрытия любых дефектов в полиуретановом слое. Поскольку полиуретановый слой, расположенный вокруг ядра, не имеет дефектов, вода и другие жидкости не могут проникать сквозь полиуретановый слой и быстро растворять ядро, предотвращая, таким образом, фитотоксичность. ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ [00016] Инкапсулированнная частица согласно настоящему изобретению содержит ядро. Ядро предпочтительно включает удобрение, выбранное из группы азотных, фосфатных, калийных, сульфатных удобрений и их комбинации. Более предпочтительным является удобрение на основе азота, серийно выпускаемое компанией Agrium® Inc. of Calgary, Alberta под торговым названием ESN® Controlled Release Nitrogen. В особенности удобрение на основе азота включает, но не ограничивается ими, безводный аммиак, мочевину, нитрат аммония, мочевину-нитрат аммония, нитрат кальция-аммония и их комбинацию. Удобрение на основе фосфата включает, но не ограничивается ими, фосфорную кислоту, фосфат моноаммония, полифосфат аммония, фосфат-сульфат аммония и их комбинацию. Удобрение на основе калия включает, но не ограничивается ими, нитрат калия-аммония и их комбинацию. Удобрение на основе серы включает, но не ограничивается ими, сульфат аммония и серную кислоту, и их комбинацию. [00017] Следует понимать, что могут также использоваться альтернативные формы ядра, т.е. ядра, которые не являются удобрениями. Примеры таких альтернативных форм ядра включают, но не ограничиваются ими, гербициды, инсектициды и фунгициды. [00018] Инкапсулированная частица дополнительно включает полиуретановый слой. Полиуретановый слой расположен вокруг ядра. Следует понимать, что термин “расположен вокруг” охватывает как частичное, так и полное покрытие ядра полиуретановым слоем. Полиуретановый слой включает продукт реакции изоцианатного компонента и полиола, который реагирует с изоцианатным компонентом. Изоцианатный компонент включает ароматический изоцианатный компонент. Предпочтительно ароматический изоцианатный компонент включает, но не ограничивается ими, мономерный и полимерный метилендифенилдиизоцианат, мономерный и полимерный толуолдиизоцианат, и их смеси. Наиболее предпочтительный изоцианатный компонент серийно выпускается BASF Corporation of Wyandotte, Michigan под торговым названием Lupranate® M20S. [00019] Полимерные метилендифенилдиизоцианаты, такие как Lupranate® M20S, обеспечивают высокую плотность сшивания и среднюю вязкость. Альтернативно, мономерные метилендифенилдиизоцианаты, такие как Lupranate® M Isocyanate, обеспечивают низкую вязкость и высокое содержание NCO при низкой номинальной функциональности. Аналогично толуолдиизоцианаты, такие как Lupranate® TDI, также обеспечивают низкую вязкость и высокое содержание NCO при низкой номинальной функциональности. Специалисты будут выбирать подходящий изоцианатный компонент, основываясь на экономической целесообразности и пригодности. [00020] Предпочтительно ароматический изоцианатный компонент имеет вязкость от 1 до 3000, более предпочтительно от 20 до 700 и наиболее предпочтительно от 50 до 300 сПз при 25°С. Предпочтительно ароматический изоцианатный компонент имеет номинальную функциональность от 1 до 5, более предпочтительно от 1,5 до 4 и наиболее предпочтительно от 2,0 до 2,7. Предпочтительно ароматический изоцианатный компонент имеет содержание NCO от 20% до 50%, более предпочтительно от 25% до 40% и наиболее предпочтительно от 30% до 33%. [00021] Вышеупомянутые вязкость, номинальная функциональность и содержание NCO ароматического изоцианатного компонента являются предпочтительными вследствие особых свойств, которые каждый из них придает ароматическому изоцианату. В особенности наиболее предпочтительная вязкость ароматического изоцианатного компонента составляет от 50 до 300 сПз при 25°С, что позволяет напылять ароматический изоцианат на ядро. Наиболее предпочтительная номинальная функциональность ароматического изоцианатного компонента составляет от 2,0 до 2,7, что предусматривает эффективное взаимодействие ароматического изоцианата с полиолом и эффективность затрат. Наконец наиболее предпочтительное содержание NCO в ароматическом изоцианатном компоненте составляет от 30% до 33%. Содержание NCO обеспечивает высокую плотность молекулярных сшивок ароматического изоцианата, что способствует образованию полиуретанового слоя, свободного от дефектов. Содержание NCO также обеспечивает ароматический изоцианат с большим количеством химических связей на единицу массы, что повышает экономичность. [00022] Кроме ароматического изоцианатного компонента полиуретановый слой также представляет собой продукт реакции полиола, который образуется из инициатора на основе ароматического амина. Полиолы включают алкиленоксидные заместители. Примеры пригодных алкиленоксидных заместителей включают этиленоксид, пропиленоксид, бутиленоксид, амиленоксид, их смеси, смеси алкиленоксида и тетрагидрофурана, эпигалогидрины и аралкиленстирол. Наиболее предпочтительным является полиол, серийно выпускаемый компанией BASF Corporation of Wyandotte, Michigan под торговым названием Pluracol® Polyol 824. [00023] Предпочтительно полиол имеет вязкость от 4000 до 20000, более предпочтительно от 5000 до 17000, и наиболее предпочтительно от 10000 до 15000 сПз при 25°С. Для увеличения эффективности полиол можно хранить и нагревать в температурном интервале от 60 до 80°С. Предпочтительно полиол также имеет номинальную функциональность от 1 до 7, более предпочтительно от 2 до 6 и наиболее предпочтительно от 3 до 4. Предпочтительно полиол имеет ОН число от 300 до 600, более предпочтительно от 350 до 500 и наиболее предпочтительно от 380 до 450. Кроме того, полиол может быть также получен из дипропиленгликолевого инициатора. Иными словами, полиол может быть дополнительно инициирован дипропиленгли колем. [00024] Вышеупомянутые вязкость, номинальная функциональность и ОН число полиола являются предпочтительными вследствие особых свойств, которые каждый из них придает полиолу. В особенности наиболее предпочтительная вязкость полиола составляет от 10000 до 15000 сПз при 25°С, что позволяет напылять полиол на ядро. Наиболее предпочтительная номинальная функциональность полиола составляет от 3 до 4, что предусматривает эффективное взаимодействие полиола с ароматическим изоцианатом и уменьшает стоимость полиола. Наконец наиболее предпочтительное ОН число составляет от 380 до 450 для увеличения плотности сшивания полиуретанового слоя. [00025] Как описывалось выше, полиол образуется из инициатора на основе ароматического амина. Инициатор на основе ароматического амина имеет формулу:
в которой R1 выбран из алкильной группы, аминогруппы и водорода, а каждый из R2-R6 независимо выбран из аминогруппы и водорода при условии, что, по меньшей мере, один из R1-R6 представляет собой аминогруппу. Поэтому следует понимать, что R1 может принимать одно из следующих значений: алкильная группа, аминогруппа или водород, или любая структура, включающая их комбинации. Следует также понимать, что R2-R6 не должны быть идентичными, и каждый может быть аминогруппой или водородом. Также следует понимать, что термин “аминогруппа” везде относится к R-N-H и NH2. [00026] Инициатор на основе ароматического амина включает, но не ограничивается им, толуолдиамин. Толуолдиамин предпочтительно включает, но не ограничивается ими, следующие структуры:
где толуолдиамин включает, но не ограничивается ими, 2,3-толуолдиамин, 2,4-толуолдиамин, 2,5-толуолдиамин, 2,6-толуолдиамин, 3,4-толуолдиамин, 3,5-толуолдиамин и их смеси. [00027] Продукт реакции изоцианатного компонента и полиола, образующегося из инициатора на основе ароматического амина, может содержать пигмент для окрашивания продукта реакции. Пигмент позволяет визуально оценивать целостность полиуретанового слоя и может обеспечивать различные преимущества при внедрении продукта на рынок. [00028] Инициатор на основе ароматического амина образует полиол, который является полностью смешиваемым с изоцианатным компонентом. Полная смешиваемость изоцианатного компонента и полиола, полученного из инициатора на основе ароматического амина, является результатом двух важнейших эффектов. Во-первых, полная смешиваемость достигается благодаря силам Лондона, которые порождают мгновенно возбуждаемые диполи между подобными ароматическим остатками полиола и изоционатного компонента. Мгновенно возбуждаемые диполи позволяют изоцианатному компоненту и полиолу эффективно смешиваться. Во-вторых, полная смешиваемость достигается благодаря планарной геометрии ароматических остатков полиола и изоционатного компонента, которая предусматривает дополнительное межплоскостное взаимодействие полиола и изоционатного компонента. Дополнительное межплоскостное взаимодействие ароматических остатков также позволяет изоцианатному компоненту и полиолу эффективно смешиваться. [00029] Полная смешиваемость изоционатного компонента и полиола, получаемого из инициатора на основе ароматического амина, обеспечивает много преимуществ. Полная смешиваемость приводит к возможности использовать различные способы нанесения полиола и изоционатного компонента на ядро. Способы включают, но не ограничиваются ими, намазывание покрытия, покрытие в псевдоожиженном слое, соэкструзию, распыление и инкапсулирование с помощью завихрительного диска. В промышленном использовании практикующие специалисты, которые будут применять каждый из этих способов, увидят описанные преимущества настоящего изобретения. [00030] В особенности напыление полиола и изоционатного компонента на ядро приводит к получению однородного, целостного и бездефектного полиуретанового слоя, расположенного вокруг ядра. Напыление также приводит к получению более тонкого и менее дорогого полиуретанового слоя, расположенного вокруг ядра. Кроме того, полиол пригоден для длительного хранения, обеспечивая тем самым более эффективное хранение и последующее использование. [00031] Следующие примеры иллюстрируют сущность изобретения и не должны толковаться как ограничивающие изобретение. Если не указано иначе, все части даны как весовые части. ПРИМЕРЫ [00032] Инкапсулированные частицы согласно настоящему изобретению получали в лабораторных стаканах. В частности, 4 г полиола, полученного из инициатора на основе ароматического амина, нагревали до 90°С и прибавляли по каплям в стакан, содержащий 100 г серийно выпускаемой мочевины в виде гранул, с образованием полиол-мочевинной смеси. Полиол-мочевинную смесь осторожно завихряли при помощи мешалки для пены, чтобы обеспечить распределение полиола, образующегося из инициатора на основе ароматического амина, вокруг гранул мочевины. Прибавляли к полиол-мочевинной смеси 5 г ароматического изоцианата, предварительно нагретого до 90°С, и вручную завихряли, чтобы обеспечить полный контакт между гранулами серийно выпускаемой мочевины и продуктом реакции полиола, образующегося из инициатора на основе ароматического амина, и ароматического изоцианата. Полный контакт приводит в результате к тому, что полиуретановый слой располагается вокруг гранул серийно выпускаемой мочевины. Гранулы серийно выпускаемой мочевины затем перемешивали при помощи мешалки для пены с целью уменьшения агломерации, вследствие чего получали свободно текущую группу гранул серийно выпускаемой мочевины. [00033] Три примера полиуретановых слоев, расположенных вокруг гранул серийно выпускаемой мочевины, использованные для того, чтобы представить возможные удобрения контролированного высвобождения, приведены в Таблице 1 ниже. Пример 1 представляет предмет изобретения, который включает ароматический изоцианат и полиол, который образуется из инициатора на основе ароматического амина. Сравнительные примеры 1 и 2 иллюстрируют, в частности, попытки создать полиуретановые слои, располагающиеся вокруг ядра, описанные в предшествующем уровне техники. В сравнительном примере 1 используют ароматический изоцианат и неароматический полиол, который включает касторовое масло. Подобным образом в сравнительном примере 2 используют ароматический изоцианат и неароматический полиол, который включает глицерин.
[00034] Результаты определения смешиваемости, определения времени растворения и определения времени отверждения трех вышеупомянутых примеров полиуретановых слоев представлены в Таблице 2 ниже. Пример 1 представляет предмет изобретения, который включает ароматический изоцианат и полиол, который образуется из инициатора на основе ароматического амина. Сравнительные примеры 1 и 2 иллюстрируют, в частности, попытки создать полиуретановые слои, располагающиеся вокруг ядра, описанные в предшествующем уровне техники. В сравнительном примере 1 используют ароматический изоцианат и касторовое масло, которое является неароматическим и не смешивается с ароматическим изоцианатом. Следовательно, полиуретановый слой, который расположен вокруг ядра, содержит дефекты и позволяет воде и другим жидкостям проникать сквозь полиуретановый слой и быстро растворять ядро. Кроме того, несмешиваемость касторового масла и ароматического изоцианата значительно увеличивает время отверждения полиуретанового слоя. Подобным образом в сравнительном примере 2 используют ароматический изоцианат и неароматический полиол, который не полностью смешивается с ароматическим изоцианатом и приводит к получению полиуретанового слоя, который имеет дефекты. Кроме того, частичная смешиваемость ароматического изоцианата и неароматического полиола увеличивает время отверждения полиуретанового слоя. И наконец мочевина указывает на время растворения ядра, которое не содержит полиуретановый слой.
[00035] Полиол А представляет собой полиол, образующийся из инициатора на основе ароматического амина, включающий пропиленоксид и этиленоксид и имеющий гидроксильное число 390, номинальную функциональность 4 и вязкость 10,500 сПз при 25°С. Полиол А серийно выпускается BASF Corporation of Wyandotte, Michigan, под торговым названием Pluracol® Polyol 824. [00036] Полиол В представляет собой касторовое масло и имеет гидроксильное число 162 и номинальную функциональность 3. [00037] Полиол С представляет собой глицерин-инициированный пропоксилированный полиол и имеет гидроксильное число 399, номинальную функциональность 3 и вязкость 360 сПз при 25°С. Полиол С серийно выпускается BASF Corporation of Wyandotte, Michigan, под торговым названием Pluracol® Polyol GP430. [00038] Изоцианат представляет собой полимерный метилендифенилдиизоцианат с функциональностью примерно 2,7, содержанием NСО-групп 31,5 и вязкостью 200 сПз при 25°С. Изоцианат серийно выпускается BASF Corporation of Wyandotte, Michigan под торговым названием Lupranate® M20S.
Формула изобретения
1. Инкапсулированная частица, содержащая: 2. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый инициатор на основе ароматического амина имеет формулу: 3. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый инициатор на основе ароматического амина включает толуолдиамин. 4. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый изоцианатный компонент включает метилендифенилдиизоцианат. 5. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый изоцианатный компонент включает толуолдиизоцианат. 6. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый изоцианатный компонент имеет вязкость от 20 до 700 сПз при 25°С. 7. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый изоцианатный компонент имеет номинальную функциональность от 1,5 до 4. 8. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый изоцианатный компонент имеет содержание NCO от 25 до 40%. 9. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый полиол имеет вязкость от 5000 до 17000 сПз при 25°С. 10. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый полиол имеет номинальную функциональность от 2 до 6. 11. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый полиол имеет ОН число от 350 до 500. 12. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый полиол образуется из дипропиленгликолевого инициатора дополнительно к упомянутому инициатору на основе ароматического амина. 13. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый полиуретановый слой включает пигмент для окрашивания упомянутого полиуретанового слоя. 14. Инкапсулированная частица по п.1, в которой упомянутый изоцианатный компонент включает метилендифенилдиизоцианат, а упомянутый полиол образуется из толуолдиамина. 15. Инкапсулированная частица по п.14, в которой упомянутый толуолдиамин имеет формулу:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4
