基于理论上的考虑，孔径为几微米或显著低且具有至少70％的高孔隙率的多孔材料，例如聚合物泡沫是特别好的绝热体。
这种具有小的平均孔径的多孔材料可为例如有机气凝胶或干凝胶的形式，其使用溶胶-凝胶法制备并随后进行干燥。在溶胶-凝胶法中，首先制备基于反应性有机凝胶前体的溶胶，然后通过交联反应将溶胶凝胶化以形成凝胶。为由凝胶获得多孔材料例如气凝胶，必须除去液体。为简化起见，此步骤在下文中称为干燥。
本发明涉及一种用于制备含多糖的多孔材料的方法，以及该多孔材料本身及其用途。具体而言，本发明涉及制备含海藻酸盐的多孔材料的方法。例如，已知海藻酸碱金属盐如海藻酸钠是水溶性的，而海藻酸碱土金属盐如海藻酸钙是不溶于水的。因此，可由水溶性多糖，特别是天然多糖如海藻酸盐制备凝胶。然而，例如在海藻酸盐的情况下，如果想要制备较厚的层，其困难来自于：由于溶液粘度大幅增加，使得将游离的钙离子均匀地引入海藻酸钠溶液中变得困难，因此得到不连续的海藻酸钙团聚体，而不是均匀的产品。
为克服这种问题，例如US 5,718,916建议将水溶性络合剂如柠檬酸钠加入海藻酸盐成分的水溶液中。例如，如果随后加入易溶的钙盐如氯化钙，则由于络合剂的存在将阻止海藻酸钙的立即沉淀，其被认为是阻止了产物中不溶性海藻酸钙液滴的形成。然而，US 5,718,916的实例是基于几毫米的尺寸。
通过将可溶性钙盐(葡萄糖酸钙)加入海藻酸钠溶液中来制备用于口腔用途的小尺寸海藻酸盐海绵记载于WO 01/17377中。然而，由于上文提及的原因(钙离子的非均匀引入)，该方法也不适于制备大尺寸的海藻酸盐海绵。由于这种非均匀性的出现，还使得文中所建议的活性物质的应用变得困难。
一种制备多糖泡沫，特别是基于海藻酸盐的多糖泡沫的方法已知于WO 94/00512。根据一个实施方案，WO 94/00512还公开了一种变型，其中将不溶性碳酸盐或碳酸氢盐分散于通过多价金属阳离子发泡的多糖中，并随后用强酸处理泡沫以释放二氧化碳，通过形成的阳离子交联多糖，同时形成尺寸稳定的泡沫结构。根据该印刷出版物，可以以此方式稳定厚度最高达5mm的泡沫。然而，在制备过程中形成的气体使得难于控制孔径并导致泡沫非常不均匀。
制备海藻酸盐海绵的另一种方法已知于US 3,653,383。在文中，首先用海藻酸和碳酸钙制备海藻酸钙，然后将形成的海藻酸钙进行研磨，并将所得的凝胶进行冷冻干燥。以这种方式可制备相对大规格的海绵状材料，然而，所得的产物在水中迅速崩解。因此，海藻酸盐海绵——特别是当切割成薄层时——具有不足以用于化妆棉或医用棉的湿强度，特别是湿断裂强度。
在科学文献中还公开了在基于海藻酸盐的体系中通过加压的CO2来引起凝胶化的方法。Partap et al.(2006，“Supercritical Carbon Dioxide in Water”Emulsion-Templated Synthesis of Porous Calcium Alginate Hydrogels.Advanced Materials 18，501-504)表明，在100巴、50℃下，海藻酸钠/柠檬酸钙混合物(海藻酸盐的浓度为8％重量/体积)在表面活性剂的存在下分散于超临界CO2中进行凝胶化。由柠檬酸钠和CaCO3形成柠檬酸钙，然后在上述条件下与海藻酸钠反应以释放钙离子。在形成海藻酸钙的过程中，海藻酸钠作为副产物形成，其导致可逆的水凝胶(在48小时内不稳定)，这必须通过浸入具有游离钙离子的溶液中来额外地强化。
Draget et al.(1990，Homogeneous alginate gels：a technical approach.Carbohydrate Polymers 14，159-178)在1巴下使用二氧化碳凝胶化海藻酸钠/CaCO3混合物(1重量％的海藻酸盐)。他们发现凝胶化时间在很大程度上取决于凝胶深度。8mm厚的切片在48小时内还没有完全胶凝化。
然而，由于在海藻酸盐含量低的情况下会快速凝胶化，因此现有技术公开的方法无法制备稳定和均匀的水凝胶。由现有方法制备的水凝胶以及由此获得的气凝胶为致密的，并且未曾被考虑用于绝热目的。此外，使用pH降低剂(reducers)的凝胶化产生的有机副产物包埋于水凝胶以及由此获得的气凝胶中。
因此，本发明的一个目的是避免上述缺点。本发明的另一目的是使用简单方法来提供稳定的凝胶。具体而言，应提供一种不具有上述缺点，或将具有降低程度的上述缺点的、基于多糖，特别是基于海藻酸盐的多孔材料。本发明的另一目的是提供适于作为绝热材料或用于化妆或制药应用的多孔材料。所述多孔材料在通风的状态(即，在大气压下)下应具有低的热导率。此外，本发明的一个目的是提供一种由水溶性多糖，特别是天然的水溶性多糖如海藻酸盐来制备均匀的凝胶的方法。
根据本发明，所述目的通过一种制备多孔材料的方法来实现，所述方法至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性多糖，
(ii)至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；和
b2)将凝胶(A)减压，
c)将在步骤b)中获得的凝胶(A)暴露于水溶性溶剂(L)下以获得凝胶(B)，
d)干燥在步骤c)中获得的凝胶(B)。
根据本发明，使用水溶性多糖来形成凝胶。其中，特别吸引人的是使用天然多糖和/或它们的衍生物，原因在于它们的稳定性、可得性、可再生性和低毒性。
对于本发明的目的而言，凝胶为基于聚合物的交联体系，所述聚合物以与液体(称为溶剂凝胶(Solvogel)或液凝胶(Lyogel))，或者以水接触作为液体(含水凝胶或水凝胶)的形式存在。此处，聚合物相形成了连续的三维网络。
在本发明的上下文中，水溶性是指在水中的溶解度足以形成可用于制备凝胶的溶液。
根据本发明，凝胶是由水溶性多糖和合适的交联剂形成的。用于本发明的方法的多糖必须适于与交联剂形成凝胶，特别是必须具有合适的官能团。
特别优选的是天然多糖，如琼脂、海藻酸盐、卡拉胶、纤维素、透明质酸、果胶、淀粉和黄原胶；以及半合成多糖，如改性纤维素、几丁质和壳聚糖。
出乎意料地发现，要求保护的方法可制备用于绝热缘体的具有低固含量的生物聚合物气凝胶(即，基于多糖的气凝胶)，所述绝热缘体具有10至30mW/m·K，优选15至25mW/m·K，特别是18至20mW/m·K的热导率。所述气凝胶的特性可通过在水凝胶(凝胶(A))的形成阶段，或在溶剂交换过程中以及在干燥步骤中调节反应条件来定制。根据本发明，可通过改变组分的比例，以及通过压力控制和通过在凝胶基质中引入各种各样的有机和无机材料来影响水凝胶和/或气凝胶的特性。中孔和大孔(泡沫状)气凝胶均可通过本发明的方法制备。
本发明方法步骤的结合使得过程简化，由此获得具有高质量的改进的材料。根据本发明，形成了水凝胶，特别地在压力下，随后将形成的水凝胶进行溶剂交换而得到液凝胶。将液凝胶进行另外的步骤。本发明方法的所有步骤均可在高压釜中进行，因此使得整个过程简单和有效。可避免涉及人工操作的步骤。
根据本发明的优选实施方案，步骤c)是在升高的压力下进行。在本发明的方法中，步骤c)可在与其他方法步骤相同的设备中在升高的压力下进行。
特别地，在压力下进行的溶剂交换产生进一步改进的方法。水和溶剂的交换更快。出乎意料地发现，这种效果对于较厚的样品更加显著，这使得本发明的方法适于制备较大的气凝胶块。
根据本发明，所述水溶性多糖优选选自琼脂、海藻酸盐、卡拉胶、纤维素、透明质酸、果胶、淀粉、黄原胶、改性纤维素、几丁质和壳聚糖。
根据本发明的另一实施方案，本发明还涉及一种上述方法，其中所述水溶性多糖为海藻酸盐。
因此，本发明还涉及一种制备多孔材料的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性海藻酸盐，
(ii)至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；和
b2)将凝胶(A)减压，
c)将在步骤b)中获得的凝胶(A)暴露于水溶性溶剂(L)下以获得凝胶(B)，
d)干燥在步骤c)中获得的凝胶(B)。
本发明的方法可在低的多糖浓度(例如低的海藻酸盐浓度)下制备均匀和稳定的水凝胶，由此获得的气凝胶适用于热导率在10至30mW/m·K，优选15至25mW/m·K，优选18至20mW/m·K范围的绝热体。
此外，可将各种各样的有机和无机材料包埋于(即，物理地或在多糖基质中共凝胶地)如海藻酸盐基质中以获得特殊的特性。此外，不存在与所述方法相关的有机副产物。
原则上，用于步骤a)的混合物(I)中的合适的水溶性多糖是本领域技术人员已知的。合适的盐为例如碱金属盐，如钠盐和钾盐。
当使用海藻酸盐时，在步骤a)中优选使用的水溶性海藻酸盐优选为海藻酸碱金属盐，如钠或钾的海藻酸盐。潜在的海藻酸为主要由所谓的褐藻(Phaecophyceae)提取的天然酸多糖，所述褐藻具有30,000至200,000的高分子量，其含有由D-甘露糖醛酸和L-古罗糖醛酸形成的链。聚合度根据萃取所用的海藻的种类、收集海藻期间的季节、海藻的地理来源以及植物的年龄而变化。获得海藻酸的褐藻的主要种类为例如巨藻(Macrocystis pyrifera)、克氏海带(Laminaria cloustoni)、极北海带(Laminaria hyperborea)、Laminaria flexicaulis、掌状海带(Laminaria digitata)、泡叶藻(Ascophyllumnodosum)和齿缘墨角藻(Fucus serratus)。然而，海藻酸或海藻酸碱金属盐还可通过微生物获得，例如通过使用铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)或恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)的突变体、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)发酵，参见，例如EP-A-251905和由Thieme Verlag于1997出版的《Rompp Chemie Lexikon″Naturstoffe″》(天然产物的百科全书)中的“alginic acid”。
原则上，所有适于与交联剂形成凝胶的可用水溶性多糖均可用于本发明。所述多糖的分子量和粒径可在宽的范围内变化。
在本发明的方法中，根据步骤a)提供混合物(I)。混合物(I)包含水溶性多糖、至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物(作为化合物(ii))和水。
根据本发明，当使用海藻酸盐时，优选平均粒径最高达约0.2mm且在水溶液中的粘度为300至800mPas(1％溶液，pH 7，20℃)的海藻酸盐。根据本发明，特别优选海藻酸钠。在步骤a)中使用的水溶性海藻酸盐的水溶液优选具有这样的浓度：在混合物(I)中，浓度由相对于水的用量，形成的海藻酸盐的浓度为0.2至3重量％，更优选0.3重量％至2.5重量％，且仍更优选0.4重量％至1.2重量％。所述溶液可通过将所需量的海藻酸盐悬浮于如蒸馏水中进行制备。
根据本发明，至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物存在于混合物(I)中作为化合物(ii)。该化合物优选悬浮或分散于水溶液中。
所述至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物可为多价金属离子的盐。根据本发明，优选多价金属离子与多齿络合阴离子的一种或多种盐包含于混合物(I)中。
根据本发明，多价金属离子适于与所用的水溶性多糖，特别是海藻酸盐形成溶解性较差的化合物，即，所述多价金属离子作为交联金属离子。这类多价金属离子包括例如与多糖，特别是海藻酸盐形成溶解性较差的化合物的碱土金属离子和过渡金属离子。优选碱土金属离子，如镁离子或钙离子。特别优选钙离子。根据本发明，特别优选钙盐，因为与海藻酸盐相比，它们为生理上和特别是化妆品上可接受的并且具有强的交联和/或凝胶化作用。此外，还可使用如铍盐、钡盐、锶盐、锌盐、钴盐、镍盐、铜盐、锰盐、铁盐、铬盐、钒盐、钛盐、锆盐、镉盐、铝盐。
所述多价金属离子优选以其溶解性较差的盐的形式加入。原则上，可任意地选择相应的阴离子，然而，它们必须在水中与多价金属离子或阳离子形成溶解性较差的盐。优选地，可使用碳酸盐和碱式碳酸盐，如碳酸钴、碳酸镍、碳酸锌、碳酸铜等，优选可与碳酸钙一起或替代碳酸钙使用。
选择多价金属离子的溶解性较差的盐的量，以使该盐在所得溶液中的浓度优选为约0.1至500毫摩尔/升，因此在这种情况下表示该盐相对于溶液体积的总量，即使该盐没有全部溶解。
多价金属离子的溶解性较差的盐相对于水溶性多糖，特别是海藻酸盐的加入量优选以这样的方式选择：使得多糖，例如海藻酸盐与溶解性较差的多价金属离子的摩尔比为0.001至1。
根据本发明的另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中所述适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物选自碳酸盐和碱式碳酸盐。根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中所述适于用作海藻酸盐的交联剂或适于释放海藻酸盐的交联剂的化合物选自碳酸盐和碱式碳酸盐。
根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中混合物(I)包含作为化合物(ii)的碳酸钙。
根据本发明，混合物(I)还可包含其他化合物。
在步骤(a)中提供的混合物(I)还可包含其他盐，特别是不会形成凝胶的盐；以及本领域技术人员已知的作为其他成分的常规助剂。可提及的有例如表面活性物质、阻燃剂、成核剂、氧化稳定剂、润滑剂和脱模剂、染料和颜料、稳定剂(如抗水解、光、热或褪色)、无机和/或有机填料、增强材料和杀生物剂。
关于上述提及的助剂和添加剂的其他信息可见于文献如Plastics Additive Handbook，第5版，H.Zweifel编纂，Hanser Publishers，Munich，2001中。
此外，混合物(I)可包含化妆品用或医用的活性物质。
因此，根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中将水不溶性固体(S)加入混合物(I)中。
根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中在步骤a)中将适于形成凝胶的化合物(C)加入混合物(I)中。
例如，将适于制备混合凝胶的合适有机和/或无机前体作为化合物(C)分散于混合物(I)中。特别合适的为其他天然或合成的形成水解凝胶的聚合物。因此，根据另一实施方案，本发明因此还涉及一种如上所述的方法，其中化合物(C)选自天然和合成的形成水解凝胶的聚合物。
其他天然和合成的形成水解凝胶的聚合物包括，在水性体系中形成凝胶或粘性溶液的(部分)水溶性的、天然或合成的聚合物。它们有利地选自其他天然多糖、其合成改性的衍生物，或合成的聚合物。其他多糖包括例如同聚糖或杂聚糖，例如卡拉胶、果胶、黄蓍胶、瓜尔胶、角豆胶、琼脂、阿拉伯树胶、黄原胶、天然和改性淀粉、右旋糖苷、糊精、麦芽糖糊精、壳聚糖、葡聚糖(如β-1，3-葡聚糖、β-1，4-葡聚糖)、纤维素、粘多糖，如特别是透明质酸。合成的聚合物包括纤维素醚、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、合成的纤维素衍生物(如甲基纤维素、羧基纤维素、羧甲基纤维素，特别是羧甲基纤维素钠，纤维素酯、纤维素醚如羟丙基纤维素)、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚乙二醇等。也可使用这些聚合物的混合物。
此外，本发明的混合物(I)也可包含一种或多种辅助物质。辅助物质包括：填料、pH调节剂(如缓冲物质)、稳定剂、共溶剂、药学和化妆品上的常规或其他染料和颜料、防腐剂、增塑剂、润滑剂和增滑剂。
根据本发明的步骤b)制备凝胶(A)。步骤b)包含步骤b1)和b2)。根据步骤b1)，将混合物(I)在20至100巴的压力下暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；根据步骤b2)，将凝胶(A)减压。
根据本发明，步骤b1)在20至100巴，优选30至80巴，特别是40至60巴，更优选45至55巴的压力下进行。所述压力可施加于步骤b1)的过程中。所述压力也可在步骤b1)的整个过程中变化。
根据步骤b)，将混合物(I)在合适的温度下暴露于加压的二氧化碳下优选数小时，然后降压至环境压力。由于增压/减压过程而形成凝胶(A)。
根据步骤b1)，通过将混合物(I)暴露于二氧化碳下，可改变混合物(I)的pH值。溶于水性介质的二氧化碳起到弱酸的作用，因此可影响引发交联反应的来自不溶性碳酸盐的阳离子的形成。因此调节压力，特别是二氧化碳压力和温度可影响凝胶结构。
根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中降压以0.05巴/分钟至5巴/分钟，特别是0.1巴/分钟至1巴/分钟，更优选0.5巴/分钟至1巴/分钟的速率进行。
在本发明方法的步骤b)中，所述凝胶通常可通过静置而形成，如通过简单地将存在混合物的容器、反应容器或反应器(下文中称为凝胶设备)进行静置。混合物优选在凝胶(凝胶形成)的过程中不再进行搅拌或混合，原因是这可能阻碍凝胶的形成。
凝胶本身是本领域技术人员所已知的并记载于例如WO 2009/027310，第21页第19行至第23页第13行。
优选地，将步骤b)，特别是步骤b1)和b2)中的温度和压力调节至二氧化碳为气态的条件。合适的温度可为10至40℃，优选15至35℃。根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中步骤b)在10至40℃的范围内进行。
根据另一实施方案，本发明还涉及一种上述方法，其中二氧化碳在步骤b1)中的反应条件下为气态。
改变初始悬浮液的降压速率和厚度可制备均匀(视觉上通过扫描电子显微镜评估)的水凝胶或具有毫米级的壳状空隙的水凝胶。因此，在凝胶化步骤中可引入大孔隙度。
不溶性凝胶，特别是海藻酸盐的形成速率和因此海藻酸盐溶液或悬浮液的流动性或可浇铸性，可非常精确地并简单地通过选择合适的温度和/或压力来控制。此外，可采用温度梯度和/或压力梯度。
在步骤b)中获得的凝胶(A)为含水的凝胶，即，水凝胶。根据本发明，将在步骤b)中获得的凝胶(A)暴露于能与水混溶的溶剂(L)以在本发明方法的步骤c)中获得凝胶(B)。
然而，也可使用本身作为上述方法的中间体而获得的水凝胶(A)。水凝胶的许多应用是已知的。特别地，水凝胶(A)是均匀的，并可根据本发明制备厚的稳定层。
根据本发明，在步骤c)中使用能与水混溶的溶剂(L)。在本发明的上下文中，能与水混溶表示所述溶剂与水至少能够部分地混合以使得能够交换凝胶中的溶剂。
溶剂交换可通过在新溶剂中直接浸泡凝胶进行(一步)或通过在不同的水-新溶剂混合物中依次浸泡(多步)来进行，所述混合物在上一浸泡步骤中，在一定时间后(交换频率)具有增加的新溶剂含量(Robitzer等人，2008，Langmuir，24(21)，12547-12552)。用于水置换选择的溶剂必须满足以下要求：不能溶解凝胶结构、与它们之前的溶剂(水)可完全溶解且还优选对于制备药物是可接受的。
原则上，溶剂(L)可为任意合适的化合物或多种化合物的混合物，其满足溶剂(L)在步骤c)的温度和压力条件下为液体的上述要求。
根据本发明，步骤c)可在环境压力下进行。然而，步骤c)也可在升高的压力下进行。优选地，步骤c)在大于10巴，特别是在小于150巴的压力下进行。
例如，步骤c)可在10至150巴，优选10至100巴，更优选20至80巴，特别是30至70巴，更优选40至50巴的压力下进行。此外，步骤c)可在30至150巴，优选30至120巴，更优选40至90巴，特别是45至65巴的压力下进行。所述压力可在步骤c)的过程中使用或仅在短时间内使用。
因此，根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中步骤c)在10至100巴的压力下进行。
此外，步骤c)可在升高的温度例如10至80℃，优选15至70℃，更优选20至60℃的温度下进行。所述温度可在步骤c)的过程中使用或仅在短时间内使用。
根据本发明的另一实施方案，步骤c)在升高的压力和升高的温度例如在10至150巴的压力和10至80℃的温度下进行。
可用的溶剂(L)为例如酮类、醛类、链烷酸烷基酯、有机碳酸酯、酰胺类(如甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮)、亚砜类(如二甲亚砜)、脂族和脂环族的卤代烃、卤代的芳族化合物和含氟的醚。同样也可为上述两种以上的化合物的混合物。
其他可能的溶剂(L)为缩醛类，特别是二乙氧基甲烷、二甲氧基甲烷和1，3-二氧戊环。
二烷基醚和环醚也同样适于作为溶剂(L)。优选的二烷基醚特别地为具有2至6个碳原子的那些，特别是甲基乙基醚、乙醚、甲基丙基醚、甲基异丙基醚、丙基乙基醚、乙基异丙基醚、二丙基醚、丙基异丙基醚、二异丙基醚、甲基丁基醚、甲基异丁基醚、甲基叔丁基醚、乙基正丁基醚、乙基异丁基醚和乙基叔丁基醚。优选的环醚特别地为四氢呋喃、二氧六环和四氢吡喃。
特别优选醛类和/或酮类作为溶剂(I)。适合作为溶剂(L)的醛类或酮类特别地为对应于通式R2-(CO)-R1的那些，其中R1和R2各自为氢或具有1、2、3、4、5、6或7个碳原子的烷基。合适的醛类或酮类特别地为乙醛、丙醛、正丁醛、异丁醛、2-乙基丁醛、戊醛、异戊醛、2-甲基戊醛、2-乙基己醛、丙烯醛、甲基丙烯醛、巴豆醛、糠醛、丙烯醛二聚体、甲基丙烯醛二聚体、1，2，3，6-四氢苯甲醛、6-甲基-3-环己烯醛、氰基乙醛、乙醛酸乙酯、苯甲醛、丙酮、二乙基酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、甲基正丁基酮、甲基戊基酮、二异丙基酮、乙基异丙基酮、乙基丁基酮、二异丁基酮、5-甲基-2-乙酰基呋喃、2-乙酰基呋喃、2-甲氧基-4-甲基戊-2-酮、5-甲基庚-3-酮、辛酮、环己酮、环戊酮和苯乙酮。上述醛类和酮类也可以以混合物的形式使用。具有每个取代基含有最高达3个碳原子的烷基的酮类和醛类优选作为溶剂(L)。
其他优选的溶剂为链烷酸烷基酯，特别是甲酸甲酯、乙酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、三乙酸甘油酯和乙酰乙酸乙酯。优选的卤代溶剂记载于WO 00/24799，第4页第12行至第5页第4行。
其他合适的溶剂(L)为有机碳酸酯，如碳酸二甲酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯或碳酸亚丁酯。
在多数情况下，特别合适的溶剂(L)通过使用选自上述溶剂的两种或更多种完全混溶的化合物而获得。
根据本发明，使用溶剂(L)。所述溶剂(L)也可为两种或更多种溶剂，例如三种或四种溶剂的混合物。合适的溶剂为例如两种或更多种酮类的混合物，例如丙酮和二乙基酮的混合物、丙酮和甲基乙基酮的混合物或二乙基酮和甲基乙基酮的混合物。
根据另一实施方案，本发明因此还涉及一种如上所述的方法，其中所述溶剂(L)选自醚类、酯类、醇类、酮类、醛类、链烷酸烷基酯、有机碳酸酯、酰胺类、亚砜类、脂族和脂环族的卤代烃、卤代的芳族化合物和含氟醚。
根据另一实施方案，本发明还涉及一种如上所述的方法，其中步骤c)中使用的溶剂选自C1至C6醇类和C1至C6酮类及其混合物。特别合适的为醇类，如甲醇、乙醇和异丙醇；和酮类，如丙酮和甲基乙基酮。
根据步骤b)，溶剂交换可在一个步骤中或在具有不同浓度的溶剂的多个步骤中进行。根据一个优选的实施方案，凝胶(A)依次浸入浓度为例如30、60、90和100重量％的乙醇/水的混合物中，每次持续2至12小时。
在步骤c)中，获得凝胶(B)。根据本发明方法的步骤d)，将在步骤c)中获得的凝胶(B)进行干燥。
在步骤(d)中的干燥以已知的方式进行。优选在超临界条件下进行干燥，优选通过CO2或其他适用于超临界干燥目的的溶剂替换溶剂后进行干燥。这种干燥本身是本领域技术人员已知的。超临界条件的特征在于，使CO2或任意用于除去凝胶化溶剂的溶剂以超临界状态存在的温度和压力。以这种方式，可降低在除去溶剂时凝胶体的收缩。
然而，鉴于该简单的工艺条件，在低于包含于凝胶中的液体的临界温度和临界压力的温度和压力下，优选干燥通过将包含于凝胶中的液体转化为气态而获得的凝胶。
根据一个实施方案，干燥获得的凝胶优选通过在低于溶剂(L)的超临界温度和超临界压力的温度和压力下，将溶剂(L)转化为气态而进行。因此，干燥优选通过除去反应中存在的而没有预先被其他溶剂替换的溶剂(L)来进行。
这类方法同样是本领域技术人员已知的并记载于WO 2009/027310第26页第22行至第28页第36行。
根据另一实施方案，本发明涉及制备上述多孔材料的方法，其中步骤d)的干燥是在低于包含于凝胶中的液体的临界温度和临界压力的温度和压力下将包含于凝胶中的液体转化为气态而进行的。
根据另一实施方案，本发明涉及制备上述多孔材料的方法，其中步骤d)的干燥是在超临界条件下进行的。
本发明的方法还可包含其他步骤，例如成型步骤。根据本发明，多孔材料可例如在本方法的步骤d)后被切割成型。根据本发明，还可以形成限定形状的凝胶。
根据本发明，也可将凝胶减小至直径为10至500μm的较小的凝胶颗粒，然后可按照上述方法对其进行干燥。根据本发明方法的该实施方案，获得小颗粒形式的多孔材料，特别是气凝胶。
根据本发明，可将(仍然)可流动的混合物(I)倾入至具有所需形状的模具中。在本文中，可流动的多糖组合物，例如海藻酸盐组合物的层厚度可为最高达50cm。优选的形状为具有长方形布局的箱体形状。倾倒可发生在本方法的任意合适阶段。
多孔材料的特性和用途
本发明还涉及一种多孔材料，其通过或可通过上述方法获得。本发明的多孔材料优选为气凝胶或干凝胶。
对于本发明的目的而言，干凝胶为已通过溶胶-凝胶方法制备的多孔材料，其中液相已通过在低于液相的临界压力和低于临界温度下(“亚临界条件”)进行干燥而从凝胶中除去。气凝胶为已通过溶胶-凝胶方法制备的多孔材料，其中液相已在超临界条件下从凝胶中除去。
上文公开的方法得到具有改善的特性，特别是改善的热导率的多孔材料。根据本发明方法制备的气凝胶优选具有低的密度和优选高的比表面积，例如200至800m2/g。此外，对于＜150nm的孔径，可获得2.1至9.5cm3/g的孔体积，和优选的低热导率，例如低至18±2mW/m·K。
此外，本发明因此涉及通过或可通过上述制备多孔材料的方法获得的多孔材料。具体而言，本发明涉及通过或可通过上述制备多孔材料的方法获得的多孔材料，其中步骤c)的干燥在超临界条件下进行。
本发明的多孔材料优选具有0.005至1g/cm3，优选0.01至0.5g/cm3的密度(根据DIN 53420测定)。
通过扫描电子显微镜测量平均孔径并随后使用具有统计意义数量的孔进行图像分析。相应的方法是本领域技术人员已知的。对于气凝胶的孔结构的表征，可使用购自Quantachrome Instruments的Nova 3000表面积分析仪。该分析仪在-196℃恒温下使用氮气进行吸附和脱附。
多孔材料的体积平均孔径优选不大于4微米。多孔材料的体积平均孔径特别优选不大于3微米，非常特别优选不大于2微米且特别是不大于1微米。
虽然从低的热导率的角度来说，非常小的孔径与高的孔隙率结合是所期望的，但是从制备和为了获得在机械上足够稳定的多孔材料来说，实际上存在体积平均孔径的下限。通常，体积平均孔径为至少20nm，优选至少50nm。
可根据本发明获得的多孔材料优选具有的孔隙率为至少70体积％，特别为70至99体积％，特别优选至少80体积％，非常特别优选至少85体积％，特别是85至95体积％。以体积％计的孔隙率是指包含孔的多孔材料的总体积的特定比例。虽然从最小热导率的角度来说，通常期望非常高的孔隙率，但是由于多孔材料的机械特性和可加工性，使得孔隙率存在上限。
本发明的方法得到粘结的多孔材料而不仅仅是聚合物粉末或颗粒。在本文中，所得多孔材料的三维形状是由凝胶的形状决定的，凝胶的形状反过来又由凝胶设备的形状决定。因此，例如圆柱形凝胶容器通常得到近似圆柱形的凝胶，然后可将其干燥而得到圆柱形的多孔材料。然而，根据上述本发明的方法，也可以获得直径小于500μm的颗粒形式的多孔材料。
可根据本发明获得的多孔材料优选具有低的热导率、高的孔隙率和低的密度以及高的机械稳定性。此外，所述多孔材料优选具有小的平均孔径。上述特性的结合使得材料可在绝热领域用作绝热材料，特别是在通风状态下用作建筑材料。
根据本发明可获得的多孔材料具有有利地热特性且优选还具有其他有利的特性，例如简单地可加工性和高的机械稳定性，如低的脆性。
本发明还涉及上述多孔材料或根据或可根据上述方法获得的多孔材料作为绝热材料或用于真空绝热板的用途。所述绝热材料为例如用于建筑内部或外部隔绝的隔绝材料。根据本发明的多孔材料可有利地用于绝热体系例如复合材料中。
因此根据另一实施方案，本发明涉及上述多孔材料的用途，其中所述多孔材料用于内部或外部绝热系统。
此外，本发明涉及本发明的多孔材料用于化妆品应用、用于生物医学应用、用于制药应用以及用于制备医药产品的用途。这种医药产品包括例如创伤敷料、经皮给药的敷料(transdermal dressings)、创可贴、埋植剂、用于培养细胞的物质、用于受控(特别是延迟)给药以所述埋植剂的形式的活性物质的装置，但也可作为实现可以口服给药的这种延迟的制剂，或者作为所谓的饱食片(satiation comprimates)，其由于压缩的多孔成形制品在胃中的膨胀而具有饱腹效果。该饱食片还可以载入膳食补充剂、维生素、矿物质或其它活性物质。
根据另一方面，本发明涉及上述多孔材料或通过或可通过上述方法获得的多孔材料作为绝热材料用于化妆品应用、用于生物医学应用或用于制药应用的用途。
根据另一方面，本发明还涉及一种制备水凝胶的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性多糖，
(ii)至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；和
b2)将凝胶(A)减压。
特别地，本发明涉及一种制备水凝胶的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性海藻酸盐，
(ii)至少一种适于用作海藻酸盐的交联剂或适于释放海藻酸盐的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包含步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)在二氧化碳下暴露足够的时间以形成凝胶(A)；和
b2)将凝胶(A)减压。
关于所述方法的优选实施方案，参考上述关于制备本发明的多孔材料的方法的公开内容。
此外，本发明涉及一种水凝胶，其通过或可通过上文公开的方法获得。本发明还涉及上文公开的水凝胶用于化妆品应用、生物医学应用或制药应用的用途。
本发明的方法可制备具有低至0.05重量％的多糖浓度，例如海藻酸盐浓度的水凝胶，其在环境条件下是稳定的且可储存在纯水中数周而没有可见的降解。
本发明的方法制备的水凝胶具有稳定的结构且可制备成足以用于许多化妆品、生物医学或制药应用的厚度。此外，可以使用本发明的方法在凝胶结构中包埋活性组分或佐剂。可获得具有均匀孔隙度的凝胶。
优选的实施方案可见于权利要求书和说明书。优选实施方案的结合没有超出本发明的范围。所用组分的优选实施方案如下文所述。
本发明包括以下实施方案，其中它们包括由本文限定的由各自相互依存关系所示的实施方案的特定组合。
1.制备多孔材料的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性多糖，
(ii)至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；和
b2)将凝胶(A)减压，
c)将在步骤b)中获得的凝胶(A)暴露于能与水混溶的溶剂(L)下以获得凝胶(B)，
d)干燥在步骤c)中获得的凝胶(B)。
2.根据实施方案1所述的方法，其中水溶性多糖为海藻酸盐。
3.根据实施方案1或2中任一项所述的方法，其中步骤b)在10至40℃的温度下进行。
4.根据实施方案1至3中任一项所述的方法，其中二氧化碳在步骤b1)中的反应条件下为气态。
5.根据实施方案1至4中任一项所述的方法，其中适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物选自碳酸盐和碱式碳酸盐。
6.根据实施方案1至5中任一项所述的方法，其中混合物(I)包含作为化合物(ii)的碳酸钙。
7.根据实施方案1至6中任一项所述的方法，其中所述溶剂(L)选自醚类、酯类、醇类、酮类、醛类、链烷酸烷基酯、有机碳酸酯、酰胺类、亚砜类、脂族和脂环族的卤代烃、卤代的芳族化合物和含氟醚。
8.根据实施方案1至7中任一项所述的方法，其中在步骤c)中使用的溶剂(L)选自C1至C6醇类和C1至C6酮类及其混合物。
9.根据实施方案1至8中任一项所述的方法，其中将水不溶性固体(S)加入混合物(I)中。
10.根据实施方案1至9中任一项所述的方法，其中在步骤a)中将适于形成凝胶的化合物(C)加入混合物(I)中。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中步骤c)在10至100巴的压力下进行。
12.根据实施方案1至11中任一项所述的方法，其中步骤d)的干燥是通过在低于包含于凝胶中的液体的临界温度和临界压力的温度和压力下，将包含于凝胶中的液体转化为气态而进行的。
13.根据实施方案1至11中任一项所述的方法，其中步骤d)的干燥是在超临界条件下进行的。
14.一种多孔材料，其通过或可通过实施方案1至13中任一项所述的方法获得。
15.根据实施方案14的多孔材料或通过或可通过实施方案1至13中任一项所述的方法获得的多孔材料作为绝热材料用于化妆品应用、用于生物医学应用或用于制药应用的用途。
16.制备多孔材料的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性海藻酸盐，
(ii)至少一种适于用作海藻酸盐的交联剂或适于释放海藻酸盐的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；和
b2)将凝胶(A)减压，
c)将在步骤b)中获得的凝胶(A)暴露于能与水混溶的溶剂(L)下以获得凝胶(B)，
d)干燥在步骤c)中获得的凝胶(B)。
17.根据实施方案16所述的方法，其中步骤b)在10至40℃的温度下进行。
18.根据实施方案16或17中任一项所述的方法，其中二氧化碳在步骤b1)的反应条件下为气态。
19.根据实施方案16至18中任一项所述的方法，其中适于用作海藻酸盐的交联剂或释放海藻酸盐的交联剂的化合物选自碳酸盐和碱式碳酸盐。
20.根据实施方案16至19中任一项所述的方法，其中混合物(I)包含作为化合物(ii)的碳酸钙。
21.根据实施方案16至20中任一项所述的方法，其中所述溶剂(L)选自醚类、酯类、醇类、酮类、醛类、链烷酸烷基酯、有机碳酸酯、酰胺类、亚砜类、脂族和脂环族的卤代烃、卤代的芳族化合物和含氟醚。
22.根据实施方案16至21中任一项所述的方法，其中在步骤c)中使用的溶剂(L)选自C1至C6醇类和C1至C6酮类及其混合物。
23.根据实施方案16至22中任一项所述的方法，其中将水不溶性固体(S)加入混合物(I)中。
24.根据实施方案16至23中任一项所述的方法，其中在步骤a)中将适于形成凝胶的化合物(C)加入混合物(I)中。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的方法，其中步骤c)在10至100巴的压力下进行。
26.根据实施方案16至25中任一项所述的方法，其中步骤d)的干燥是通过在低于包含于凝胶中的液体的临界温度和临界压力的温度和压力下，将包含于凝胶中的液体转化为气态而进行的。
27.根据实施方案16至25中任一项所述的方法，其中步骤d)的干燥是在超临界条件下进行的。
28.一种多孔材料，其通过或可通过实施方案16至27中任一项所述的方法获得。
29.根据实施方案28的多孔材料或通过或可通过实施方案16至27中任一项所述的方法获得的多孔材料作为绝热材料用于化妆品应用、用于生物医学应用或用于制药应用的用途。
30.制备水凝胶的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性多糖，
(ii)至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；
b2)将凝胶(A)减压。
31.制备水凝胶的方法，其至少包括以下步骤：
a)提供混合物(I)，其包含：
(i)水溶性海藻酸盐，
(ii)至少一种适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物，
(iii)水，
b)制备凝胶(A)，其包括步骤b1)和b2)
b1)在20至100巴的压力下，将混合物(I)暴露于二氧化碳下足够的时间以形成凝胶(A)；
b2)将凝胶(A)减压。
32.根据实施方案30或31中任一项所述的方法，其中步骤b)在10至40℃的温度下进行。
33.根据实施方案30至32中任一项所述的方法，其中二氧化碳在步骤b1)的反应条件下为气态。
34.根据实施方案30至33中任一项所述的方法，其中适于用作多糖的交联剂或适于释放多糖的交联剂的化合物选自碳酸盐和碱式碳酸盐。
35.根据实施方案30至34中任一项所述的方法，其中混合物(I)包含作为化合物(ii)的碳酸钙。
36.根据实施方案30至35中任一项所述的方法，其中将水不溶性固体(S)加入混合物(I)中。
37.根据实施方案30至36中任一项所述的方法，其中在步骤a)中将适于形成凝胶的化合物(C)加入混合物(I)中。
38.一种水凝胶，其通过或可通过实施方案30至37中任一项所述的方法获得。
39.根据实施方案38的水凝胶或通过或可通过实施方案30至37中任一项所述的方法获得的水凝胶用于化妆品应用、用于生物医学应用或用于制药应用的用途。
将使用以下实施例来阐述本发明。
实施例
1.实施例1
通过温和地搅拌海藻酸钠粉末(购自Sigma-Aldrich)与适量的水12小时来制备海藻酸钠溶液。将碳酸钙通过剧烈混合5分钟悬浮于水中。继续搅拌，排出一定部分的悬浮液并立即转移至海藻酸钠溶液(0.25；0.5；1.0重量％)中，以达到目标的海藻酸钠/CaCO3比(表1)。再次搅拌该混合物直至其均匀。将所有制备的悬浮液转移至高压釜中用于随后的凝胶化。海藻酸钠溶液的最终浓度列于表1中。将1∶0.1825的海藻酸钠/CaCO3比定义为因子F＝1.0。
在室温下(25℃)，使用气态二氧化碳将高压釜加压至最高达50巴。将该压力保持12小时，然后缓慢释放(0.2巴/分钟)。形成透明或半透明的水凝胶。使用水洗涤凝胶并依次浸入浓度为30、60、90和100重量％的乙醇/水混合物中，每次持续12小时。推荐递减浓度作为在溶剂交换过程中引起水凝胶不可逆的收缩的高浓度梯度。
将凝胶装入滤纸包中，置于预加热的高压釜(40℃)中并加入乙醇以防止溶剂过早的挥发。使用与凝胶化相同的高压釜进行超临界干燥。将高压釜密封并通过隔膜泵加入CO2。保持压力恒定在约120巴，使用6-7个CO2的停留体积(residence volumes)来干燥凝胶。然后将系统减压1小时，随后冷却至室温。所得气凝胶的特性总结于表1中。
使用高压溶剂交换的方案——在室温下，将凝胶在50巴的CO2的升高的压力下使用水洗涤并依次浸入浓度为30、60、90和100重量％的乙醇/水混合物中，每次持续12小时。推荐递减浓度(Step wise concentration)作为在溶剂交换过程中引起水凝胶不可逆的收缩的高浓度梯度。
表1.实施例1的气凝胶的特性
1)在环境压力和室温下，通过热线测量(hot-wire measurements)来测定热导率。步骤记载于Reichenauer等人(Reichenauer，G.，Heinemann，U.，和Ebert，H.-P.(2007)中。孔径和气压之间的关系取决于气态热导率。Colloids and Surfaces：Physicochemical and Engineering Aspects 300，204-210)。
对于气凝胶多孔结构的表征，使用购自Quantachrome Instruments的Nova 3000表面积分析仪。该分析仪在-196℃恒温下使用氮气进行吸附和脱附。
根据本发明，将CaCO3直接分散于水中，然后通过降低pH值缓慢将其溶解。二氧化碳的溶解度随着压力的升高而增加，同时伴随着pH降低至3。碳酸钙的溶解度也随着压力增加，导致钙离子的释放。在凝胶化研究中使用的条件下(50巴，25℃)，CaCO3的溶解度(2.9g/L)远高于在环境条件下的溶解度(≤0.01g/L)。在最终混合物中CaCO3的浓度介于0.23至4.4g/L之间。因此超过一半引入的碳酸钙在平衡条件下溶解并且可用于交联海藻酸盐链。使用公开的CO2诱导凝胶化而获得的水凝胶在环境条件下是稳定的，且可在纯水中储存数周而没有可见的降解(在防腐剂的存在下以避免细菌分解)。
通过文中公开的方法制备的样品分别显示出最高达5.68和6.98cm3/g的极高的BJH孔体积，显示值接近二氧化硅气凝胶(通常约为6cm3/g)。
2.实施例2
将3重量％的海藻酸钠与3重量％的第二聚合物(表2)的水溶液混合。在碱性溶解混合物如木质素(Lignin)和丙烯酸树脂(Eudragit)L100的情况下，使用1M的氢氧化钠代替水溶解丙烯酸树脂L100和木质素。为了引入不溶性凝胶/气凝胶基质，首先使用记载于(Rao et al.，2006，Synthesis of flexible silica aerogels using methyltrimethoxysilane(MTMS)precursor.Journal of Colloid and Interface Science 300，279 285)的方法，使用MTMS制备疏水性二氧化硅醇凝胶。然后用水洗涤醇凝胶以获得水凝胶。将水凝胶粉碎并分散于海藻酸钠溶液中。将混合物用水稀释至聚合物总浓度的1.5重量％。随后的步骤与实施例1所记载的相同，唯一的不同在于，将固体碳酸钙分散于混合物中，而不是使用悬浮的CaCO3。
表2.基于混合海藻酸盐的气凝胶的特性
1)使用5.0(g/g)的海藻酸盐/淀粉的比，2)使用4.0(g/g)的海藻酸盐/木质素比。
3)海藻酸盐(3重量％)和第二生物聚合物(3重量％)的混合物不用进一步稀释到1.5％。
对所选生物聚合物混合物(总组分：1.5重量％)的热导率进行分析并将其示于表3中。测量方法是记载于Reichenauer等人(Reichenauer，G.，Heinemann，U.，和Ebert，H.-P.(2007)中的热线测量。孔径和气压之间的关系取决于气态热导率。胶体与表面A：Physicochemical and Engineering Aspects 300，204-210)中。
表3.基于混合海藻酸盐的气凝胶的特性
1)在环境压力和室温下，通过热线测量测定热导率。
3.实施例3
将碱式碳酸锌、碱式碳酸镍或碳酸钴的粉末加入至3重量％的海藻酸钠溶液中。将混合物涡旋1分钟。随后的步骤与实施例1所描述的相同。质构特性列于表4中。
表4.具有各种阳离子的基于海藻酸盐的气凝胶的特性
1)阳离子的摩尔量与实施例1中的钙的摩尔量相同。