專利名稱：顆粒材料的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及通過超臨界反溶劑(SAS)型方法來控制性地形成納米尺寸的顆粒和/或目的物質(zhì)分子簇的方法。
背景技術(shù)：
超臨界流體具有獨(dú)特的性質(zhì)，因?yàn)槠浣Y(jié)合了類似液體的溶解力和類似氣體的傳輸性質(zhì)。與理想氣體相比，它們的可壓縮性大。因而，在臨界值附近溫度或壓力的微小變化將導(dǎo)致流體密度的很大改變，由此造成其溶解力的很大改變。可以利用這些性質(zhì)來提供高度可控的溶劑特性。二氧化碳是最為廣泛使用的超臨界流體，因?yàn)槠渚哂羞m宜的臨界參數(shù)(Tc＝31.1℃，Pc＝73.8bar)、成本并且無毒性。
人們發(fā)展了用超臨界流體沉淀顆粒的兩個基本原理，超臨界溶液快速膨脹(RESS)和超臨界反溶劑(SAS)或氣體反溶劑(GAS)沉淀。在RESS型過程中，利用了超臨界流體對微小壓力變化的溶解力靈敏度來引發(fā)溶質(zhì)顆粒從超臨界流體中機(jī)械沉淀出來。然而，鑒于需要在超臨界流體中的溶解性，許多物質(zhì)不適用于RESS。另一方面，SAS或GAS過程可用于沉淀不溶于超臨界流體中的物質(zhì)顆粒，只要該超臨界流體與溶解所述物質(zhì)的液體可以混溶。盡管已知RESS型方法可在特定條件下制造非常小(例如，小于100納米)的分子簇、離子對、或分散的單個分子，但迄今為止還不知道SAS過程可以制造這種分子簇。
許多慣用的SAS型過程利用了物質(zhì)在適當(dāng)載體流體，通常為有機(jī)溶劑中的溶液或懸浮液，并在可控的壓力、溫度和通過毛細(xì)管噴嘴的加入速率下使其與超臨界流體，通常為二氧化碳相接觸。其應(yīng)用廣泛記載于文獻(xiàn)中，例如參見“Strategies for Partical Design usingSupercritical Fluid Technologies”，Pharmaceutical Science &Technology Today，2(11)，430-440(1999)；“Supercritical AntisolventPrecipitation of Micro- and Nano- Particles”，J.of SupercriticalFluids，15，1-21(1999)；以及“Particle Design Using SupercriticalFluidsLiterature and Patent Survey”，J.of Supercritical Fluids，20179-219(2001)。
WO-95/01221公開了一種利用SAS型顆粒成型系統(tǒng)以可控方式來制備顆粒產(chǎn)品的設(shè)備。該設(shè)備包括顆粒成型容器，該容器中有控制溫度的裝置，還有共同引入裝置，用于將超臨界流體和含有在溶液或懸液中的至少一種物質(zhì)的載體共同引入所述容器中，從而通過超臨界流體的作用使載體的分散和萃取基本上同時(shí)進(jìn)行。術(shù)語“分散”指載體液滴的形成。將超臨界流體和載體共同引入顆粒成型容器的裝置優(yōu)選包括2-通道噴嘴(其出口端連通著容器的內(nèi)部，該噴嘴具有同軸通道，其末端在出口端彼此相鄰)，至少一個用于運(yùn)送超臨界流體流的通道，以及至少一個用于運(yùn)送其中溶解或懸浮有物質(zhì)的載體流的通道。這種噴嘴通過共同引入流體流的射流邊界處的剪切作用力實(shí)現(xiàn)溶液分散成液滴的過程。因而射流分散和載體萃取效率受到剪切作用力大小的限制，該力如果不夠高則會引起顆粒大于預(yù)定顆粒尺寸并且顆粒具有寬的尺寸和形態(tài)學(xué)分布。在公開的實(shí)例中，所制成的顆粒尺寸典型地＞1微米。由于噴嘴易于堵塞，該過程還容易具有操作方面的問題。
WO-96/00610公開了一種用于SAS顆粒形成過程的3-通道同軸噴嘴，其可以共同引入兩種彼此基本混溶的載體，但其中只有一種基本上可溶于超臨界流體中。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于其允許通過SAS技術(shù)來制備物質(zhì)顆粒，所述物質(zhì)由于在必需溶劑中具有非常低的溶解度或者與其不相容，因而不能采用其它的方式。然而，該方法沒有改進(jìn)WO-95/01221中所認(rèn)為的在尺寸、形態(tài)和操作方面的局限性。在公開的實(shí)例中，噴嘴典型地能夠制成尺寸＞1微米的顆粒。
與教導(dǎo)流體流并流流動通過同軸通道的在先技術(shù)不同，US6440337公開了一種用于顆粒成型的SAS方法，其中對于兩股流體流采用沖擊射流裝置來分散溶液或懸液，并在將流體引入顆粒成型室時(shí)將載體從中萃取出來。提高的分散性有助于增加溶液和超臨界流體之間的接觸，該接觸由于較高水平的、由沖擊造成的動能耗散而得以促進(jìn)。聲明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于從溶液中形成的顆?？蓮某尚臀稽c(diǎn)迅速壓出，這可以使噴嘴阻塞減少。然而，動能耗散仍然受到噴嘴幾何形狀和流速的限制，并且沖擊物流之間的接觸時(shí)間可能不足以完成混合。部分混合的物流則可能僅在下流區(qū)域完全混合，此時(shí)質(zhì)量傳遞的動能可能已顯著降低。這樣仍會引起寬的尺寸分布和較大的平均顆粒尺寸。典型的顆粒平均尺寸為0.5微米。
WO-97/31691教導(dǎo)了一種對現(xiàn)有技術(shù)的2-通道SAS噴嘴的改良。用于激發(fā)氣體的次級收斂/發(fā)散通道圍繞著主噴嘴通道，使其能夠在噴嘴出口下游有意地生成高能超聲波以實(shí)現(xiàn)分散和萃取，其在現(xiàn)有技術(shù)噴嘴的典型作用力之外并基本上獨(dú)立于這些作用力。盡管提高了顆粒成型區(qū)域中的動能耗散速率，但由于超聲波的頻率不恒定并難以進(jìn)行推理性地說明，該方法本身較難控制。在公開的實(shí)例中，典型的顆粒尺寸為＞0.5微米。
US-2002/0000681教導(dǎo)了進(jìn)一步的SAS型技術(shù)，其中要分散的射流通過一振動表面而發(fā)生轉(zhuǎn)向，所述表面將射流霧化成細(xì)小得多的液滴。根據(jù)公開內(nèi)容，該方法中不需要專用噴嘴。同樣，可以精確地控制振動頻率。振動表面還在超臨界相內(nèi)產(chǎn)生波動流場，其通過提高混合程度而增強(qiáng)了質(zhì)量傳遞。然而，該公開內(nèi)容表明在一定限制之外(圖7&13)，超聲波能量的增加不會明顯減小顆粒的尺寸。在公開的實(shí)例中，顆粒尺寸典型地＞0.1微米。該方法似乎還造成了較寬的顆粒尺寸和形態(tài)的分布。
WO 02/058674公開了一種SAS方法，其中當(dāng)?shù)谝灰后w(由水、目的物質(zhì)和調(diào)節(jié)劑組成)與第二液體(由超臨界反溶劑和有機(jī)溶劑組成)相接觸時(shí)，調(diào)節(jié)劑的存在提供了均勻尺寸的亞微米顆粒(＞0.1微米)。
W.J.Schmitt等，“Finely-divided powders by carrier solutioninjection into a near or supercritical fluid”，AIChEJ，41(11)，2476-2485(1995)公開了一種替代性的SAS型方法，其中將流體流引入顆粒成型室中并不需要特殊的噴嘴。公開的

圖1表示了包括常規(guī)攪拌器的設(shè)備，該攪拌器位于遠(yuǎn)離作為主混合裝置的引入?yún)^(qū)的部位。說明書指出該攪拌器的直徑為5.08cm，位于腔室頂部以下9cm處，而流體引入點(diǎn)在進(jìn)入腔室內(nèi)6mm處。這樣，所述攪拌器的位置離流體引入點(diǎn)的距離大于1個液輪直徑。這種遠(yuǎn)離位置的結(jié)果使得所公開的設(shè)備在流體流引入?yún)^(qū)內(nèi)不提供高動能耗散區(qū)。據(jù)報(bào)道，所得到的顆粒尺寸在1-10微米之間，一些大至20-30微米。類似地，Schmitt的U.S.5707634也描繪了一個草圖，包括混合腔高壓釜1和攪拌元件2，但沒有提供任何細(xì)節(jié)。
盡管在這些公開內(nèi)容中保證，SAS型技術(shù)僅在有限數(shù)量的情況下可以以工業(yè)規(guī)模采用。同時(shí)，一般說來，迄今為止公開的內(nèi)容表明，已知的SAS型方法不能夠制造平均尺寸小于0.1微米(100納米)的顆粒。據(jù)信這歸因于對控制因素的了解不足(參見，例如”Current issuesrelating to anti-solvent micronisation techniques and their extension toindustrial scales”，J.of Superritical Fluids，21，159-177(2001))。盡管現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)混合程度是一個因素，但其只部分解決了有關(guān)“快速動力學(xué)”過程如顆粒成型的問題。
混合過程在不同長度和時(shí)間尺度上發(fā)生。在噴射直徑長度尺度上的混合被稱為中量混合，在主要流場中的最小湍流渦旋長度尺度上的混合被稱為微量混合，在顆粒成型容器直徑長度尺度上的混合被稱為大量混合(參見，例如”Turbulent Mixing and Chemical Reactions”，J.Baldyga和J.R.Bourne，ISBN 0-471-98171-0 John Wiley & Sons，(1999))。先前的SAS型方法公開了處理中量和微量混合(例如WO-95/01221，WO-96/00610，U.S.6640337，WO-97/31691，U.S.2002/0000681)或者大量混合過程(例如U.S.5707634)，但沒有一篇同時(shí)處理所有的混合過程。前者的用處通常限于小型尺寸的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)尺寸增大時(shí)它們不能有效地工作。這是因?yàn)槠湓谧鳛閲娚淙芤后w積流速的函數(shù)的微量和中量混合效率方面具有有限的動態(tài)范圍，還因?yàn)榇罅炕旌系娜毕輹斐深w粒成型容器中濃度不均勻度的不斷增大。這種不均勻度一方面促成了寬的尺寸和形態(tài)分布，另一方面促成較大的顆粒尺寸。后者的用處受到了嚴(yán)格的限制，因?yàn)樗玫降念w粒尺寸顯著大于其他方法所得的顆粒，并且缺乏有效的微量和中量混合使得該方法本身不易控制。本發(fā)明解決了在工業(yè)規(guī)模上涉及“快速動力學(xué)”介導(dǎo)的SAS型方法的工藝過程問題，尤其是在尺寸＜100nm的顆粒的沉淀方面。
發(fā)明簡述根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，公開了一種預(yù)定物質(zhì)的顆粒材料的成型方法，該方法包括(i)將超臨界流體充入溫度和壓力被控制的顆粒成型容器中；(ii)用旋轉(zhuǎn)攪拌器攪拌所述顆粒成型容器的內(nèi)容物，所述攪拌器包括具有葉輪表面和葉輪直徑的葉輪，在離旋轉(zhuǎn)攪拌器葉輪表面一個葉輪直徑遠(yuǎn)的距離內(nèi)形成了相對高度攪拌的區(qū)域，并且形成了位于離所述葉輪表面大于一個葉輪直徑的距離處的主體混合區(qū)域；(iii)至少通過第一進(jìn)料流引入口將第一進(jìn)料流和通過第二進(jìn)料流引入口將第二進(jìn)料流引入攪拌的顆粒成型容器中，其中所述第一進(jìn)料流至少包括溶劑和溶解于其中的預(yù)定物質(zhì)，第二進(jìn)料流包括超臨界流體，其中所述預(yù)定物質(zhì)相對于其在所述溶劑中的溶解性來說較不溶于所述超臨界流體，并且所述溶劑可溶于所述超臨界流體中，其中第一和第二進(jìn)料流引入口位于離旋轉(zhuǎn)攪拌器葉輪表面一個葉輪直徑遠(yuǎn)的距離以內(nèi)，使得所述第一和第二進(jìn)料流被引入所述顆粒成型容器的高度攪拌區(qū)內(nèi)并且第一進(jìn)料流通過旋轉(zhuǎn)攪拌器的作用分散在超臨界流體中，使所述溶劑萃取到所述超臨界流體中，以及(iv)在顆粒成型容器中沉淀體積加權(quán)平均直徑小于100納米的預(yù)定物質(zhì)顆粒。
附圖簡述在以下給出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說明中，參考了附圖，其中圖1實(shí)施例1中所獲得的顆粒的光學(xué)顯微圖像；圖2實(shí)施例2中所獲得的顆粒的光學(xué)顯微圖像；圖3實(shí)施例3中所獲得的顆粒的光學(xué)顯微圖像；圖4實(shí)施例4中所獲得的顆粒的尺寸分布圖；圖5實(shí)施例5中所獲得的顆粒的透射電子顯微圖；圖6實(shí)施例6中所獲得的顆粒的透射電子顯微圖；圖7A實(shí)施例7中所獲得的顆粒的透射電子顯微圖；圖7B實(shí)施例7中所獲得的顆粒的尺寸頻率圖；圖8實(shí)施例8中所獲得的顆粒的透射電子顯微圖。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)預(yù)定物質(zhì)的納米尺寸顆?？赏ㄟ^將該預(yù)定物質(zhì)從溶液中沉淀出來而制備成，所述沉淀過程通過在如本文所述的條件下與超臨界流體反溶劑相接觸而實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，進(jìn)料，即超臨界流體反溶劑和溶劑/溶質(zhì)溶液，在顆粒成型容器中的高度攪拌湍流區(qū)內(nèi)密切混合以沉淀溶質(zhì)顆粒。然后通過顆粒成型容器中的主體混合作用而將顆粒從高度攪拌區(qū)中排出。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，通常希望以相反的方向?qū)⑦M(jìn)料流引入高度攪拌混合區(qū)，盡管如果需要的話可以以相同的方向引入。本發(fā)明的顯著特征是可以制成沒有高度不均勻大顆粒的、尺寸小于100納米的沉淀顆粒。
本發(fā)明的方法可應(yīng)用于制備各種材料的沉淀顆粒，其可用于例如，制藥、農(nóng)業(yè)、食品、化學(xué)、成像(包括攝影和印刷，特別是噴墨印刷)、化妝品、電子(包括電子顯示器應(yīng)用，特別是濾色器陣列和有機(jī)發(fā)光二極管顯示器)、數(shù)據(jù)記錄、催化劑、聚合物(包括聚合物填料應(yīng)用)、殺蟲劑、炸藥、微結(jié)構(gòu)/納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建物、以及涂層應(yīng)用，所有這些應(yīng)用都受益于小顆粒材料的使用。根據(jù)本發(fā)明所沉淀的預(yù)定物質(zhì)材料的類型可以為，例如有機(jī)、無機(jī)、金屬-有機(jī)、聚合物、寡聚物、金屬、合金、陶瓷、合成和/或天然聚合物，以及上述這些材料的復(fù)合材料。沉淀材料可以是，例如著色劑(包括染料和色素)、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)、制藥用的化合物、商用化學(xué)物質(zhì)、精細(xì)化工品、食品產(chǎn)品、營養(yǎng)素、殺蟲劑、照相藥品、炸藥、化妝品、防護(hù)劑、金屬涂層前體、或其它工業(yè)物質(zhì)，其預(yù)期的形式為淀積薄膜、微粒分散物、或粉末。染料和色素是印刷應(yīng)用中使用的特別優(yōu)選的功能性材料。
要沉淀的預(yù)定材料首先溶解于適當(dāng)?shù)囊后w載體溶劑。如在已知的SAS型方法中，用于本發(fā)明的溶劑可以根據(jù)溶解預(yù)定物質(zhì)的能力、與超臨界流體反溶劑的混溶性、毒性、成本、以及其它因素來選擇。然后將溶劑/溶質(zhì)溶液在溫度和壓力可控的顆粒成型容器中與超臨界流體反溶劑相接觸，其中所述超臨界流體根據(jù)其對所述溶劑的溶解度以及對預(yù)定顆粒材料的相對不溶性(與其在溶劑中的溶解度相比)來進(jìn)行選擇，以在將所述溶劑迅速萃取到超臨界流體中時(shí)使所述溶質(zhì)從溶劑中開始沉淀出來?？梢圆捎肧AS型方法中用作反溶劑的已知的任何超臨界流體，通常優(yōu)選超臨界CO2。
根據(jù)本發(fā)明，溶劑/溶質(zhì)溶液和超臨界流體反溶劑通過將這些組分的進(jìn)料流引入顆粒成型容器的高度攪拌區(qū)中而在顆粒成型容器中相接觸，使得第一溶劑/溶質(zhì)進(jìn)料流由于旋轉(zhuǎn)攪拌器的作用而分散在超臨界流體中。驚人地發(fā)現(xiàn)，通過將進(jìn)料流引入位于離旋轉(zhuǎn)攪拌器葉輪表面一個葉輪直徑遠(yuǎn)的距離內(nèi)的容器中而實(shí)現(xiàn)的有效微量和中量混合，以及所得到的各進(jìn)料流成分的密切接觸能夠在顆粒成型容器中沉淀體積加權(quán)平均直徑小于100納米的預(yù)定物質(zhì)顆粒，優(yōu)選小于50納米，最優(yōu)選小于10納米。此外，顆?？梢垣@得狹窄的尺寸頻率分布。測量的體積加權(quán)尺寸頻率分布或變異系數(shù)(分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均分布直徑)為，例如一般為50％或以下，可行的變異系數(shù)甚至可以小于20％。因此尺寸頻率分布可以為單分散性的。顆粒成型容器中的工藝條件可以控制，并且當(dāng)需要時(shí)可以改變以根據(jù)需要改變顆粒尺寸。
可用于本發(fā)明方法的優(yōu)選混合設(shè)備包括旋轉(zhuǎn)攪拌器，其類型先前已經(jīng)公開用在照相鹵化銀乳液技術(shù)中、用于通過同時(shí)引入的銀和鹵化鹽溶液進(jìn)料流的反應(yīng)而沉淀出鹵化銀顆粒。這種旋轉(zhuǎn)攪拌器可包括，例如渦輪機(jī)、船用螺旋槳、圓盤、以及本領(lǐng)域已知的其它混合葉輪(參見例如，U.S.3415650；U.S.6513965；U.S.6422736；U.S.5690428，U.S.5334359，U.S.4289733；U.S.5096690；U.S.4666669，EP 1156875，WO-0160511)。
盡管本發(fā)明中可采用的旋轉(zhuǎn)攪拌器的具體構(gòu)造可以有明顯的不同，但其中每個都應(yīng)采用至少一個具有表面和直徑的葉輪，該葉輪可在攪拌器附近有效地形成高度攪拌區(qū)。術(shù)語“高度攪拌區(qū)”描述了一個在緊鄰旋轉(zhuǎn)攪拌器的區(qū)域，其中供給混合過程的功率的一大部分通過物料流而耗散了。通常其被包含在離旋轉(zhuǎn)葉輪表面一個葉輪直徑的距離以內(nèi)。將超臨界流體反溶劑進(jìn)料流和溶劑/溶質(zhì)進(jìn)料流引入顆粒成型容器中緊鄰旋轉(zhuǎn)混合器，使得進(jìn)料流被引入通過本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)攪拌器作用而形成的相對高度攪拌區(qū)中，這在實(shí)踐適用的程度上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)料流成分的中量、微量和大量混合。根據(jù)工藝流體的性質(zhì)以及和所采用的顆粒超臨界流體、溶劑和溶質(zhì)材料相關(guān)的移動或轉(zhuǎn)變過程的動態(tài)時(shí)間尺度，可以選擇采用的特定旋轉(zhuǎn)攪拌器，以在不同的實(shí)踐適用程度上優(yōu)化中量、微量和大量混合過程。
在本發(fā)明的一個特別實(shí)施方式中可采用的混合設(shè)備包括ResearchDisclosure，Vol.382，1996年2月，Item 38213中公開的混合裝置類型。在這種設(shè)備中，裝置用于從遠(yuǎn)離的源頭通過導(dǎo)管引入進(jìn)料流，所述導(dǎo)管的末端靠近混合裝置的入口區(qū)附近(離混合器葉輪的表面小于一個葉輪直徑)。為了幫助混合進(jìn)料流，將它們在混合裝置的入口區(qū)附近以相反的方向引入?；旌涎b置垂直設(shè)置在反應(yīng)容器中，并連接著被適當(dāng)裝置如發(fā)動機(jī)高速驅(qū)動的軸末端。旋轉(zhuǎn)混合裝置的下端與反應(yīng)容器的底部間隔開，但位于包含在所述容器內(nèi)的流體表面以下。數(shù)量足以防止容器內(nèi)容物水平旋轉(zhuǎn)的隔板可位于混合裝置周圍。這種混合裝置還示意性地描繪于美國專利No.5549879和6048683中。
本發(fā)明另一個實(shí)施方式中可采用的混合設(shè)備包括混合器，其有助于單獨(dú)控制進(jìn)料流分散(微量混合和中量混合)和沉淀反應(yīng)器中的主體循環(huán)(大量混合)，例如美國專利No.6422736中所述。這種設(shè)備包括豎直方向的導(dǎo)流管、設(shè)置在所述導(dǎo)流管中的底部葉輪、以及設(shè)置在所述導(dǎo)流管中位于第一葉輪上方的頂部葉輪，其距第一葉輪的間隔足夠大以便獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。底部葉輪優(yōu)選為平葉片渦輪(FBT)并用于有效地分散進(jìn)料流，進(jìn)料流在導(dǎo)流管的底部加入。頂部葉輪優(yōu)選為斜葉片渦輪(PBT)并用于使大量流體以向上的方向循環(huán)通過導(dǎo)流管，提供狹窄的通過反應(yīng)區(qū)的循環(huán)時(shí)間分布?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)母舭?。所述兩個葉輪設(shè)置的距離使得可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作。該獨(dú)立操作及其幾何結(jié)構(gòu)的簡潔性是使得所述混合器能良好地適合于所述沉淀方法放大的特征。這種設(shè)備提供了強(qiáng)烈的微量混合，即其在進(jìn)料流引入的區(qū)域中提供了非常高的功率耗散。
進(jìn)料流的迅速分散對于控制本發(fā)明中的一些關(guān)鍵因素來說很重要，例如通過混合溶劑/溶質(zhì)和超臨界流體反溶劑而造成的超飽和。進(jìn)料區(qū)中湍流混合越劇烈，進(jìn)料發(fā)生耗散并與主體的混合越迅速。這優(yōu)選利用平葉片葉輪并將進(jìn)料流直接引入葉輪的高能耗散區(qū)來實(shí)現(xiàn)。平葉片葉輪采用了可能的最簡單設(shè)計(jì)而擁有高度剪切和耗散特征。美國專利No.6422736所述的設(shè)備也提供了高級的主體循環(huán)，或大量混合過程。在實(shí)現(xiàn)過程均勻度的過程中，迅速的均勻化速度和狹窄的循環(huán)時(shí)間分布是所期望的。這可通過采用軸向朝上的流場來實(shí)現(xiàn)，其可通過使用導(dǎo)流管而得以進(jìn)一步提高。這種類型的流動提供了單一的無盲區(qū)的連續(xù)循環(huán)回路。除了在軸向上導(dǎo)流之外，導(dǎo)流管還提供了用以以非常高的rpm運(yùn)轉(zhuǎn)葉輪并在管道強(qiáng)烈混合的內(nèi)部限定沉淀區(qū)的裝置。為了進(jìn)一步穩(wěn)定流場，可將干擾器裝置連到導(dǎo)流管的排放物上以減少流動的旋轉(zhuǎn)成分。
使用美國專利No.6422736中所述的混合裝置類型還提供了獨(dú)立于主體循環(huán)的用于容易地改變功率耗散的裝置。這使得可以靈活地選擇針對使用的特定材料而優(yōu)化的混合條件。通過將斜葉片葉輪定位于導(dǎo)流管出口附近，可實(shí)現(xiàn)這種主體和熱區(qū)混合的分離。斜葉片葉輪提供了高流動/功率比，其容易改變，并且是一種簡單的設(shè)計(jì)。其控制著通過導(dǎo)流管的循環(huán)速度，該速度是葉片傾斜角度、葉片數(shù)量和尺寸等的函數(shù)。由于斜葉片葉輪比平葉片葉輪耗散的功率小得多，并位于離進(jìn)料點(diǎn)足夠遠(yuǎn)的部位，故斜葉片葉輪不會影響導(dǎo)流管中的熱區(qū)混合強(qiáng)度，僅影響通過其的循環(huán)速度。通過將葉輪以一定距離分離設(shè)置，使得這種獨(dú)立混合的效應(yīng)最大化。葉輪之間的距離還強(qiáng)烈地影響著熱區(qū)中反混的程度，因而還提供了可改變的另一個混合參數(shù)。為了能夠進(jìn)一步獨(dú)立控制各混合參數(shù)，上部和下部葉輪可具有不同的參數(shù)或者以不同的速度而非相同的速度運(yùn)行。同樣，各進(jìn)料流可通過位于導(dǎo)流管不同部位并具有各種開口設(shè)計(jì)的多個管道引入。
在SAS型過程的上下文中，本發(fā)明這樣首次充分地進(jìn)行了相關(guān)混合過程，驚人地發(fā)現(xiàn)這會產(chǎn)生極小的顆粒尺寸。事實(shí)上，可能更為合適的是稱僅由少量分子組成的這些顆粒為分子簇。盡管超臨界溶劑快速膨脹(RESS)方法已知可用于在特定條件下制造非常小的分子簇、離子對、或分散的單個分子，但以前并不知道SAS方法可制成這種分子簇。因而本發(fā)明首次提供了在顆粒尺寸、形態(tài)和所得性質(zhì)方面使SAS型方法的能力與RESS方法相匹配的可能性。所以，本發(fā)明通過使用常規(guī)有機(jī)溶劑而開發(fā)了一個大得多的加工材料種類，因?yàn)镽ESS方法通常受限于可溶于超臨界流體的材料。由于很好地管理了混合過程的相互作用，本發(fā)明還在較狹窄的顆粒尺寸和形態(tài)分布方面產(chǎn)生了其它的優(yōu)點(diǎn)。同樣地控制混合過程還使本發(fā)明方法更加耐用和可放大。
人們充分認(rèn)識到，完全連續(xù)顆粒成型過程的進(jìn)程對于SAS型技術(shù)來說由于預(yù)定物質(zhì)的粉末通常在壓力下在顆粒成型容器中聚集而受到限制，對于RESS型技術(shù)來說則受到待膨脹的原料溶液的損耗的限制。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過將超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)以基本上等于將這些成分同步加入容器中的速度從顆粒成型容器中排出，同時(shí)保持容器中的溫度和壓力在預(yù)期的恒定水平，使顆粒材料的形成在基本上穩(wěn)態(tài)的連續(xù)條件下發(fā)生，從而以基本上連續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)。據(jù)信這種連續(xù)操作受益于沉淀顆粒非常細(xì)小的性質(zhì)，其使得超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)僅僅從顆粒成型容器通過通道排到膨脹室中。在這種實(shí)施方式中，通向膨脹室的通道可以是通過例如，回壓調(diào)節(jié)器、毛細(xì)管、或流量分配器。一旦通到膨脹室中，就可以在不中斷攪拌顆粒成型容器中的沉淀過程的情況下收集預(yù)定物質(zhì)的顆粒。如果希望的話，超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)可以從顆粒成型容器中直接排到溶液中，形成預(yù)定物質(zhì)成型顆粒的分散物。
在類似于同時(shí)提交的未決共同轉(zhuǎn)讓申請USSN 10/815026和10/185010中所述的方法中，在超臨界流體混合物膨脹時(shí)，根據(jù)本發(fā)明獲得的非常細(xì)微的顆粒可以進(jìn)一步被印刷、涂覆或以其它方式沉積在基材上。由于本發(fā)明的方法制成的細(xì)微粉末比得上由RESS技術(shù)制成的那些，故基于RESS的薄膜沉積技術(shù)(包括方法和設(shè)備，其中有微小的改變以使得超臨界混合物中存在低水平的有機(jī)溶劑)也可用于通過本發(fā)明制成的顆粒。例如，通過根據(jù)本發(fā)明的SAS型方法在顆粒成型容器中形成顆粒以后，所得到的非常細(xì)的(小于100納米，優(yōu)選小于50納米，最優(yōu)選小于10納米)沉淀顆粒和壓縮的超臨界流體的混合物可以在可控條件下膨脹，并且顆粒薄膜可涂覆于基材上，類似于美國專利No.4582731，4734227，4734451，4970093，4737384，5106650，和Fulton等，Polymer，Vol.44，3627-3632(2003)中所述的RESS(以及其它類似的)類型涂覆方法。如果需要的話，通過選擇蒸汽壓足夠高的溶劑，和/或控制膨脹室的溫度和壓力，可以避免在混合物膨脹時(shí)從超臨界流體、溶劑和沉淀溶質(zhì)混合物中凝結(jié)出溶劑或使這種可能性最小化。
在超臨界流體混合物膨脹時(shí)，根據(jù)本發(fā)明獲得的非常細(xì)的顆粒也可以被印刷、涂覆或以其它方式沉積，類似于WO 02/45868 A2，US6471327，US 6692906，US 20020118246 A1，US 20020118245 A1，和US 20030107614中所描述的沉積或印刷方法。以類似于如未決共同轉(zhuǎn)讓USSN和美國專利10/313549，10/460814和6790483(用于從壓縮流體制造圖案化沉積的系統(tǒng))；6843556(用于在雙重控制沉積室中從壓縮流體制造圖案化沉積的系統(tǒng))；6780249(用于在部分開放的沉積室中從壓縮流體制造圖案化沉積的系統(tǒng))；10/313591(用以制造有機(jī)小分子和聚合物發(fā)光二極管裝置的基于超臨界CO2的標(biāo)記系統(tǒng))；10/224783和10/300099(利用濃縮氣體涂層的固態(tài)發(fā)光)；10/602429和10/602134(彩色調(diào)諧發(fā)光顯示器的方法)；10/602430(通過超臨界流體印刷中的加工變量對顏色范圍的改進(jìn))；10/602840(利用工藝變化來改變所印刷的顏色的方法和設(shè)備)；以及10/625426(利用超臨界流體印刷的安全方法)中所述的方法，在超臨界流體混合物膨脹時(shí)，根據(jù)本發(fā)明獲得的非常細(xì)的顆粒還可以進(jìn)一步被印刷、涂覆或以其它方式沉積，這里引入所述文獻(xiàn)的公開內(nèi)容作為參考。
實(shí)施例實(shí)施例1(對照)一種標(biāo)稱1800ml的不銹鋼顆粒成型容器安裝有U.S.6422736中公開類型的4cm直徑的攪拌器，其包括導(dǎo)流管和底部與頂部葉輪。溶液(染料-1的丙酮溶液)進(jìn)料口位于導(dǎo)流管之外，底部葉輪平面的豎直上方，使該進(jìn)料口離底部葉輪的尖端至少有5cm遠(yuǎn)(即，在離葉輪表面一個葉輪直徑的距離之內(nèi)所形成的相對高度攪拌區(qū)之外)。其方向還正切于導(dǎo)流管的直徑。CO2的進(jìn)料口位置非常接近于(即，在一個葉輪直徑之內(nèi))混合葉輪，如U.S.6422736所公開的用于混合器的入口管那樣。顆粒成型容器的出口具有不銹鋼過濾器，其對于0.5微米顆粒的標(biāo)稱過濾效率為90％。表面高度拋光的不銹鋼取樣單元也安裝在顆粒成型容器內(nèi)，用以捕獲通過所述方法形成的顆粒。顆粒成型容器的出口通過25.4cm長、直徑0.0254cm的不銹鋼毛細(xì)管連接著溫度和壓力主要為環(huán)境條件的膨脹室。將CO2加入顆粒成型容器中，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度至90℃，壓力至280bar，同時(shí)以每分鐘2775轉(zhuǎn)的速度攪拌。然后開始通過尖端開口為200微米的進(jìn)料口以60g/min的速度加入CO2，通過100微米的尖端以2g/min的速度加入0.1wt％染料-1的丙酮溶液。染料-1的分子結(jié)構(gòu)如下
顆粒成型室的壓力開始升高并在29分鐘內(nèi)達(dá)到315bar。此時(shí)，認(rèn)為過濾器被阻塞并且停止了進(jìn)料的添加。然后在20min內(nèi)將容器小心減壓到大氣條件下并打開檢查。去掉取樣單元，然后通過光學(xué)顯微鏡檢查取樣單元上沉積的顆粒，如圖1中所示。很明顯＞1微米的顆粒占優(yōu)勢(單個或成團(tuán)的)。
實(shí)施例2(本發(fā)明)重復(fù)實(shí)施例1的步驟，只不過溶液進(jìn)料口的位置靠近于底部葉輪(類似于CO2進(jìn)料口)，如U.S.6422736所公開的用于混合器的入口管那樣，使得溶液和CO2進(jìn)料流都被引入離底部葉輪一個葉輪直徑距離之內(nèi)的高度攪拌區(qū)。顆粒成型室中的壓力在54分鐘內(nèi)從開始加入溶液時(shí)的280bar增加到溶液添加結(jié)束時(shí)的315bar。減壓之后，通過光學(xué)顯微鏡檢查取樣單元表面上沉積的顆粒，如圖2中所示。盡管與實(shí)施例1相比運(yùn)行時(shí)間長了幾乎2倍，但取樣單元表面顯示出明顯較少的＞1微米的單個或成團(tuán)的顆粒，主要是更細(xì)小的顆粒。
實(shí)施例3(本發(fā)明)重復(fù)實(shí)施例2的步驟，只不過攪拌速度保持在2078轉(zhuǎn)/分鐘。顆粒成型室中的壓力在60分鐘內(nèi)從開始加入溶液時(shí)的280bar增加到溶液添加結(jié)束時(shí)的320bar。減壓之后，通過光學(xué)顯微鏡檢查取樣單元表面上沉積的顆粒，如圖3中所示。盡管與實(shí)施例1相比運(yùn)行時(shí)間長了幾乎2倍并減少了大約25％的攪拌速度，但取樣單元表面顯示出明顯較少的＞1微米的顆粒沉積物，主要是更細(xì)小的顆粒。
實(shí)施例4(本發(fā)明)使用實(shí)施例2中所采用的顆粒成型容器和進(jìn)料口構(gòu)造，加入CO2，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度至90℃，壓力至300bar。攪拌速度保持在2775轉(zhuǎn)/分鐘。然后開始通過尖端開口為200微米的進(jìn)料口以60g/min的速度加入CO2，通過100微米的尖端以2g/min的速度加入0.5wt％染料-1(與實(shí)施例1-3中相同的染料，但5倍濃度)的丙酮溶液。通過自動回壓調(diào)節(jié)器將顆粒成型容器底部連接到溫度和壓力主要為環(huán)境條件的膨脹室。將顆粒成型室的溫度和壓力分別控制在90℃和300bar的恒定水平。連續(xù)工作一小時(shí)后，來自顆粒成型容器的流出物改變方向而遠(yuǎn)離膨脹室。刮下沉積在膨脹室壁上的顆粒并分散于水中。然后用MalvernHigh Performance Particle Sizer(Malvern Instruments Ltd.，U.K.)測量顆粒尺寸分布。如圖4中所示，體積加權(quán)平均顆粒尺寸為1.37nm，尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.237nm(變異系數(shù)為17％)。
實(shí)施例5(本發(fā)明)使用實(shí)施例2中所采用的顆粒成型容器和進(jìn)料口構(gòu)造，加入CO2，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度至63℃，壓力至180bar。攪拌速度保持在2775轉(zhuǎn)/分鐘。然后開始通過尖端開口為200微米的進(jìn)料口以40g/min的速度加入CO2，通過100微米的尖端以1g/min的速度加入0.75wt％染料-1(與實(shí)施例1-3中相同的染料，但7.5倍濃度)的丙酮溶液。通過自動回壓調(diào)節(jié)器將顆粒成型容器底部連接到壓力為環(huán)境壓力而溫度為55℃的膨脹室。將顆粒成型室的溫度和壓力分別控制在63℃和180bar的恒定水平。連續(xù)工作25分鐘后，停止添加丙酮溶液。再過15分鐘后，CO2的添加也停止。刮下沉積在膨脹室壁上的顆粒并分散于水中。然后在透射電子顯微鏡下觀察顆粒尺寸分布。如圖5中所示，平均顆粒尺寸＜5nm。
實(shí)施例6(本發(fā)明)向安裝有4cm直徑的攪拌器(RD 38213中所公開的類型)的標(biāo)稱1800ml的不銹鋼顆粒成型容器中加入1147gCO2，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度至45℃，壓力至150bar，同時(shí)以每分鐘2775轉(zhuǎn)的速度攪拌。然后開始以80g/min的速度加入CO2，以1g/min的速度加入染料-2[分散紅-60(C20H13NO4)] 分散紅60(1-氨基-4-羥基-2-苯氧基-9，10-蒽醌)的丙酮溶液中(濃度為2g染料/100g丙酮)。CO2和溶液進(jìn)料流通過進(jìn)料口引入，該進(jìn)料口末端靠近混合裝置的入口區(qū)附近(距離混合器葉輪表面小于一個葉輪直徑)，如RD 38213中所公開的。通過自動回壓調(diào)節(jié)器將顆粒成型容器底部連接到溫度和壓力主要是為環(huán)境條件的膨脹室。將顆粒成型室的溫度和壓力分別控制在45℃和150bar的恒定水平。連續(xù)工作30分鐘后，停止添加染料溶液并調(diào)節(jié)CO2流速至60g/min。25分鐘后，CO2流的添加也停止，并在21min內(nèi)使顆粒成型室逐漸減壓到環(huán)境壓力下。然后刮下沉積在膨脹室壁上的顆粒，分散于水中，并用透射電子顯微鏡觀察。如圖6中所示，發(fā)現(xiàn)平均顆粒尺寸＜20nm。
實(shí)施例7(本發(fā)明)向安裝有4cm直徑的攪拌器并具有進(jìn)料口構(gòu)造(二者都在U.S.6422736中公開)的標(biāo)稱1800ml的不銹鋼顆粒成型容器中加入1096gCO2，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度至70℃，壓力至300bar，同時(shí)以每分鐘2775轉(zhuǎn)的速度攪拌。然后開始通過尖端開口為200微米的進(jìn)料口以30g/min的速度加入CO2，通過100微米的尖端以5g/min的速度加入水楊酸的丙酮溶液，其濃度為2g水楊酸/100g丙酮。通過自動回壓調(diào)節(jié)器將顆粒成型容器底部連接到溫度和壓力主要為環(huán)境條件的膨脹室。將顆粒成型室的溫度和壓力分別控制在70℃和300bar的恒定水平。連續(xù)工作一小時(shí)后，將來自于顆粒成型容器的流出物改向成遠(yuǎn)離膨脹室。然后刮下沉積在膨脹室壁上的顆粒，分散于庚烷中，并用透射電子顯微鏡(圖7A)和圖像分析(圖7B)分析尺寸。平均顆粒尺寸＜5nm。
實(shí)施例8(本發(fā)明)使用實(shí)施例2中所采用的顆粒成型容器和進(jìn)料口構(gòu)造，加入CO2，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度至45℃，壓力至180bar。攪拌速度保持在2775轉(zhuǎn)/分鐘。然后開始通過尖端開口為200微米的進(jìn)料口以80g/min的速度加入CO2，通過100微米的尖端以1g/min的速度加入0.5wt％有機(jī)發(fā)光二極管摻雜劑化合物(C545-T，其結(jié)構(gòu)如下所示)的丙酮溶液。
C-545T通過自動回壓調(diào)節(jié)器將顆粒成型容器底部連接到壓力為環(huán)境壓力而溫度為55℃的膨脹室。將顆粒成型室的溫度和壓力分別控制在45℃和180bar的恒定水平。連續(xù)工作25分鐘后，停止添加丙酮溶液并將CO2流速減小到60g/min。再添加25分鐘的CO2后，也將其停止。刮下沉積在膨脹室壁上的顆粒并分散于庚烷中。然后在透射電子顯微鏡下觀察顆粒尺寸分布。如圖8中所示，平均顆粒尺寸＜10nm。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)定物質(zhì)的顆粒材料的成型方法，該方法包括(i)將超臨界流體充入溫度和壓力被控制的顆粒成型容器中；(ii)用旋轉(zhuǎn)攪拌器攪拌所述顆粒成型容器的內(nèi)容物，所述攪拌器包括具有葉輪表面和葉輪直徑的葉輪，在離旋轉(zhuǎn)攪拌器葉輪表面一個葉輪直徑遠(yuǎn)的距離內(nèi)形成了相對高度攪拌的區(qū)域，并且形成了位于離所述葉輪表面大于一個葉輪直徑的距離處的主體混合區(qū)域；(iii)至少通過第一進(jìn)料流引入口將第一進(jìn)料流和通過第二進(jìn)料流引入口將第二進(jìn)料流引入攪拌的顆粒成型容器中，其中所述第一進(jìn)料流至少包括溶劑和溶解于其中的預(yù)定物質(zhì)，第二進(jìn)料流包括超臨界流體，其中所述預(yù)定物質(zhì)相對于其在所述溶劑中的溶解性來說較不溶于所述超臨界流體中，并且所述溶劑可溶于所述超臨界流體中，其中所述第一和第二進(jìn)料流引入口位于離旋轉(zhuǎn)攪拌器葉輪表面一個葉輪直徑遠(yuǎn)的距離以內(nèi)，使得所述第一和第二進(jìn)料流被引入所述顆粒成型容器的高度攪拌區(qū)并且所述第一進(jìn)料流通過旋轉(zhuǎn)攪拌器的作用分散在所述超臨界流體中，使所述溶劑萃取到所述超臨界流體中，以及(iv)在顆粒成型容器中沉淀體積加權(quán)的平均直徑小于100納米的預(yù)定物質(zhì)顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括(v)將超臨界流體、溶劑和所述預(yù)定物質(zhì)以基本上等于步驟(iii)中向容器中添加這些成分的速度從所述顆粒成型容器中排出，同時(shí)保持所述容器中的溫度和壓力在預(yù)期的恒定水平，使顆粒材料的形成過程在基本上恒態(tài)的連續(xù)條件下進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)通過通道從所述顆粒成型容器中排到膨脹室中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)由通道通過回壓調(diào)節(jié)器從所述顆粒成型容器中排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)由通道通過毛細(xì)管從所述顆粒成型容器中排出。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)由通道通過流量分配器從所述顆粒成型容器中排出。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括收集所述膨脹室中的預(yù)定物質(zhì)顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述超臨界流體、溶劑和預(yù)定物質(zhì)從所述顆粒成型容器中直接排到溶液中從而形成所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的分散物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在所述顆粒成型容器中沉淀的所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的體積加權(quán)量平均直徑小于50納米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在所述顆粒成型容器中沉淀的所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的體積加權(quán)平均直徑小于10納米。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在所述顆粒成型容器中沉淀的所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的顆粒尺寸分布的變異系數(shù)小于50％。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中在所述顆粒成型容器中沉淀的所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的顆粒尺寸分布的變異系數(shù)小于20％。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中其中在所述顆粒成型容器中沉淀的所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的顆粒尺寸分布的變異系數(shù)小于50％。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中其中在所述顆粒成型容器中沉淀的所述預(yù)定物質(zhì)顆粒的顆粒尺寸分布的變異系數(shù)小于20％。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定物質(zhì)包括著色劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述預(yù)定物質(zhì)包括染料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定物質(zhì)包括制藥用的化合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定物質(zhì)包括用于制備有機(jī)電致發(fā)光器件的化合物。
全文摘要
一種預(yù)定物質(zhì)顆粒材料的成型方法，包括(i)將超臨界流體充入容器中；(ii)用旋轉(zhuǎn)攪拌器攪拌容器的內(nèi)容物，形成了相對高度攪拌的區(qū)域和主體混合(bulk minxing)區(qū)域；(iii)將包括溶劑和預(yù)定物質(zhì)的第一進(jìn)料流和包括超臨界流體的第二進(jìn)料流引入攪拌后的容器中，其中所述預(yù)定物質(zhì)相對于其在溶劑中的溶解性來說較不溶于所述超臨界流體，將所述第一和第二進(jìn)料流引入所述容器的高度攪拌區(qū)并且第一進(jìn)料流通過旋轉(zhuǎn)攪拌器的作用分散在超臨界流體中，使所述溶劑萃取到所述超臨界流體中，以及(iv)在所述容器中沉淀體積－加權(quán)平均直徑小于100納米的預(yù)定物質(zhì)顆粒。
文檔編號B01F3/00GK1938078SQ200580009912
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者R·V·梅塔, R·賈甘納坦, S·賈甘納坦, R·A·扎貝爾尼, R·A·斯普羅特, C·R·博恩斯 申請人:伊斯曼柯達(dá)公司