(57)【要約】  (i)容器に、超臨界流体を装入すること；  (ii)回転撹拌器を用いて、該容器の内容物を撹拌して、相対的高撹拌ゾーンとバルク混合ゾーンとを形成すること；  (iii)溶媒と所望の物質とを含む第1フィード流及び該超臨界流体を含む第2フィード流を、該撹拌された容器内に導入すること、  ここで該所望の物質とは、該溶媒中の溶解度に比べて該臨界流体中において相対的に低溶解性であり、該第1及び第2のフィード流は該容器の高撹拌ゾーン内に導入され、そして該第1フィード流は該回転撹拌器の作用によって該超臨界流体中に分散され、該超臨界流体中への該溶媒の抽出を可能にする、及び  (iv)100ナノメートル未満の容積加重平均直径を伴って、該所望の物質の粒子を該容器内で析出させること、を含んで成る、所望の物質の粒子状材料を形成する方法。
2007533433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(i)温度及び圧力が制御された粒子形成容器に、超臨界流体を装入すること；
(ii)インペラー表面及びインペラー直径を有するインペラーを含む回転撹拌器を用いて、該粒子形成容器の内容物を撹拌して、該回転撹拌器の該インペラーの表面から1インペラー直径分の距離以内に配置された相対的に強く撹拌される高撹拌ゾーンと、該インペラーの表面から1インペラー直径を超える距離に配置されたバルク混合ゾーンとを形成すること；
(iii)少なくとも、第1フィード流導入ポートを通る少なくとも溶媒と該溶媒中に溶解された所望の物質とを含む第1フィード流、及び第2フィード流導入ポートを通る該超臨界流体を含む第2フィード流を、該撹拌された粒子形成容器内に導入すること、
ここで該所望の物質とは、該溶媒中の溶解度に比べて該臨界流体中において相対的に不溶性であり、そして該溶媒は該超臨界流体中に可溶性であり、そして
該第1及び第2のフィード流が該粒子形成容器の高撹拌ゾーン内に導入され、そして該第1フィード流が該回転撹拌器の作用によって該超臨界流体中に分散され、該超臨界流体中への該溶媒の抽出を可能にするように、該第1及び第2のフィード流導入ポートは、該回転撹拌器の該インペラーの表面から1インペラー直径分の距離以内に配置されている、及び
(iv)100ナノメートル未満の容積加重平均直径を伴って、該所望の物質の粒子を該粒子形成容器内で析出させること、
を含んで成る、所望の物質の粒子状材料を形成する方法。
【請求項２】
(v)本質的に定常状態の連続条件下で粒子状材料形成が生じるように、所望の一定レベルに該容器内の温度及び圧力を維持しながら、該粒子形成容器から超臨界流体、溶媒及び該所望の物質を、工程(iii)で該成分を該容器へ添加する速度とほぼ等しい速度で排出することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
該超臨界流体、溶媒及び所望の物質が、膨張室に移動することにより、該粒子形成容器から排出される、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
該超臨界流体、溶媒及び所望の物質が、背圧調節器を通過することにより、該粒子形成容器から排出される、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
該超臨界流体、溶媒及び所望の物質が、毛管を通過することにより、該粒子形成容器から排出される、請求項3に記載の方法。
【請求項６】
該超臨界流体、溶媒及び所望の物質が、流れ分配器を通過することにより、該粒子形成容器から排出される、請求項3に記載の方法。
【請求項７】
該膨張室内で該所望の物質の粒子を捕集することをさらに含む、請求項3に記載の方法。
【請求項８】
該超臨界流体、溶媒及び所望の物質を、該粒子形成容器から直接的に溶液中に排出することにより、該所望の物質の形成された粒子の分散体を形成する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
該所望の物質の粒子を、50ナノメートル未満の容積加重平均直径を伴って、該粒子形成容器内に析出させる、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
該所望の物質の粒子を、10ナノメートル未満の容積加重平均直径を伴って、該粒子形成容器内に析出させる、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
該粒子形成容器内に析出された該所望の物質の粒子の粒子サイズ分布の変動率が50%未満である、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
該粒子形成容器内に析出された該所望の物質の粒子の粒子サイズ分布の変動率が20%未満である、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
該粒子形成容器内に析出された該所望の物質の粒子の粒子サイズ分布の変動率が50%未満である、請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
該粒子形成容器内に析出された該所望の物質の粒子の粒子サイズ分布の変動率が20%未満である、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
該所望の物質が着色剤を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
該所望の物質が染料を含む、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
該所望の物質が薬学的に有用な化合物を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
該所望の物質が、有機エレクトロルミネッセント・デバイスを製造するために使用される化合物を含む、請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね、超臨界貧溶媒(SAS)法によって、ナノメートル・サイズの粒子及び/又は当該物質の分子クラスターを、制御された状態で形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
超臨界流体は、これらが液体様溶解力と気体様輸送特性とが組み合わさっているので、独自の特性を有している。これらの流体は、理想気体と比較して大きい圧縮性を有する。従って臨界値近傍の温度又は圧力の小さな変化が、流体の密度、ひいてはその溶解力の大きな変化を招くことになる。これらの特性を利用して、高度に制御可能な溶解特性を提供することができる。好ましい臨界パラメーター(Tc＝31.1℃、Pc＝73.8 bar)、コスト及び非毒性により、二酸化炭素が最も広く使用される超臨界流体である。
【０００３】
超臨界流体で粒子を析出させるための2つの基本原理、つまり超臨界溶液急激膨張法(Rapid Expansion of Supercritical Solution (RESS))、及び超臨界貧溶媒(SAS)又は気体貧溶媒(GAS)析出法が開発されている。RESS法の場合、圧力の小さな変化に対する超臨界流体の溶解力の感度が、超臨界流体からの溶質粒子の機械的析出を引き起こすために用いられる。しかし、RESSは、臨界流体中の溶解性のための要件に照らして、多くの物質と一緒に使用するのには適していない。他方において、SAS又はGAS法を用いることにより、超臨界流体中に不溶性である物質の粒子を析出させることができる。但しこの場合、超臨界流体が、物質が溶解される液体と混和性であることを条件とする。RESS法は、或る特定の条件下で、極めて小さな(例えば100ナノメートル未満の)分子クラスター、イオン対、又は分散された個々の分子を生成することが知られているのに対して、SAS法が、このような分子クラスターを生成することは今までのところは知られていない。
【０００４】
最も一般的に実施されるSAS法は、好適なキャリヤ流体、通常は有機溶媒中の物質の溶液又は懸濁液を使用し、そしてこれを、圧力、温度、及び毛管ノズルを通る添加速度の制御された条件下で、超臨界流体、通常は二酸化炭素と接触させる。これらの方法の利用は幅広く記録されており、例えば「Strategies for Particle Design using Supercritical Fluid Technologies」、Pharmaceutical Science & Technology Today, 2(11), 430-440(1999)；「Supercritical Antisolvent Precipitation of Micro- and Nano- Particles」、J. of Supercritical Fluids, 15, 1-21 (1999)；及び「Particle Design Using Supercritical Fluids: Literature and Patent Survey」、J. of Supercritical Fluids, 20 179-219(2001)を参照されたい。
【０００５】
国際公開第95/01221号パンフレットには、SAS粒子形成システムを利用して、制御された状態で粒子生成物を形成するのに使用するための装置が開示されている。装置は、超臨界流体と、1種以上の物質を溶液中又は懸濁液中に含有するビヒクルとを容器内に同時導入する手段と一緒に、容器内に温度制御手段を有する粒子形成容器を含み、これにより、ビヒクルの分散及び抽出が、超臨界流体の作用によってほぼ同時に発生する。「分散」という用語は、ビヒクルの液滴形成を意味する。超臨界流体及びビヒクルの粒子形成容器内への同時導入手段は、2路ノズルを含み、このノズルの出口端部は容器内部と連通しており、ノズルは出口端部で互いに隣接して終わる同軸通路を有している。これらの通路の少なくとも一方は、超臨界流体の流れを担持するのに役立ち、そしてこれらの通路の少なくとも一方は、物質が溶解又は懸濁されたビヒクルの流れを担持するのに役立つ。このようなノズルは、同時導入された流体の流れの噴流境界における剪断力によって、溶液を分解して液滴にする。噴流分散及びビヒクル抽出の効率は、こうして剪断力の規模によって制限される。剪断力は、十分に高くない場合には、所望の粒子サイズよりも大きいサイズ、及び粒子の幅広いサイズ分布及び形態分布を生じさせるおそれがある。開示例では、生成された粒子のサイズは典型的には、＞1マイクロメートルであった。この方法はまた、ノズルの詰まり易さという点で作業上の問題を潜在的に有する傾向がある。
【０００６】
国際公開第96/00610号パンフレットに開示されたSAS粒子形成法のための3路同軸ノズルは、互いに実質的に混和性である2種のビヒクルの同時導入を可能にするが、しかしこれらのうちの1種だけが、超臨界流体中に実質的に可溶性である。この方法の利点は、この方法が、必要な溶媒中での極めて低い溶解度、又は必要な溶媒との不適合性により、さもなければ使用できないはずの物質の粒子をSAS技術により調製するのを可能にすることである。しかしこの方法は、国際公開第95/01221号パンフレットで特定されたサイズ、形態、及び作業に関連する制限を改善しない。開示例において、ノズルが生成可能にする粒子のサイズは、典型的には、＞1マイクロメートルであった。
【０００７】
同軸通路を通る流体流の並流が教示されている従来技術とは異なり、米国特許第6,440,337号明細書に開示されたSAS粒子形成法の場合、2つの流体流のために衝突噴流装置を使用することにより、溶液又は懸濁液を分散させ、そして粒子形成室内に流体を導入してこの溶液又は懸濁液からビヒクルを抽出する。分散は、溶液と超臨界流体との増強された接触によって改善される。このような増強された接触は、衝突によって可能になるより高レベルの運動エネルギー散逸によって促進される。主張されている更なる利点は、溶液から形成された粒子を形成ポイントから迅速に駆逐でき、これによりノズルの詰りが低減されることである。しかし、運動エネルギー散逸は、ノズル・ジオメトリー及び流量によってまだ制限されており、また衝突流間の接触時間が完全な混合には不十分であるおそれがある。部分的に混合された流れは次いで、物質移動のための運動エネルギーが有意に低い下流領域でのみ完全に混合されるようになることが可能である。このことは、やはり幅広いサイズ分布、及びより大きい平均粒子サイズをもたらすことになる。典型的な粒子の平均サイズは0.5マイクロメートルであった。
【０００８】
国際公開第97/31691号パンフレットには、従来の2路ノズルの改善策が教示されている。一次ノズル通路が、賦活ガスのための先細型又は末広型の二次通路によって取り囲まれていることにより、従来技術のノズルにとって典型的な力に加えて、そしてこの力とは実質的に無関係に、ノズル出口の下流に高エネルギー音波を意図的に発生させて、分散及び抽出を生じさせることが可能になる。この方法は、粒子形成領域における運動エネルギー散逸速度を改善するものの、本質的には、あまり制御されない。なぜならば、音波の周波数が一定ではなく、演繹的に特定するのが難しいからである。開示例において、典型的な粒子のサイズは＞0.5マイクロメートルであった。
【０００９】
米国特許出願公開第2002/0000681号明細書に開示された更なるSASタイプの技術の場合、分散されるべき噴流は、噴流を著しく微細な液滴に霧化する振動面によって変向される。この開示内容によれば、この方法において、特殊化されたノズルは必要でない。また振動周波数は正確に制御することができる。振動面はまた、超臨界相内に変動流れ場を発生させる。この流れ場は混合量を増大させることにより物質移動を増強する。しかしこの開示内容は、或る特定の限度を超えて(図7及び13)、超音波出力の増大が粒子サイズを著しく小さくすることはないことを示している。開示例において、粒子のサイズは典型的には＞0.1マイクロメートルであった。この方法はまた、粒子サイズ及び形態の比較的幅広い分布を招くように見える。
【００１０】
国際公開第02/058674号パンフレットに開示されたSAS法の場合、第1の液体(水、当該物質、及びモジュレーターから成る)が、第2の液体(超臨界貧溶媒、及び有機溶媒から成る)と接触させられ、モジュレーターの存在が、均一サイズのサブ・ミクロン粒子(＞0.1マイクロメートル)を提供する。
【００１１】
W.J. Schmitt他「Finely-divided powders by carrier solution injection into a near or supercritical fluid」(AIChEJ, 41(11), 2476-2485(1995)に開示された代わりのSAS法の場合、粒子形成室内への流体流の導入は、特別なノズルを必要としない。開示の図1は、一次混合器具として導入領域から隔たって配置されたコンベンショナルな撹拌器を含む装置を明らかにしている。この記述は、撹拌器直径が5.08 cmであり、室の頂部から9 cm下側に配置される一方、流体導入ポイントはチャンバ内へ6 mm入ったところにあることを示している。このように、撹拌器は、流体導入ポイントから1インペラー直径分を上回る距離だけ離れて配置されている。このような遠隔位置の結果、開示された装置は、流体流導入領域内に高運動エネルギー散逸ゾーンを提供しない。結果として得られる粒子のサイズは1〜10マイクロメートルであり、いくつかの粒子のサイズは20〜30マイクロメートルもの大きさであると報告されている。Schmittの米国特許第5,707,634号明細書にも、混合室オートクレーブ1及び撹拌部材2を含むスケッチプラン図が示されているが、その詳細は提供されていない。
【００１２】
これらの開示内容における裏付けにもかかわらず、SASタイプの技術は限られた数の事例にしか、工業規模で採用されていない。また概ね、これらの開示内容は今までのところ、既知のSAS法では平均サイズ0.1マイクロメートル(100ナノメートル)未満の粒子を製造できないことを明らかにしている。これは、制御ファクターの理解が不十分であることに起因すると考えられる(例えば、「Current issues relating to anti-solvent micronisation techniques and their extension to industrial scale」、J. of Supercritical Fluids, 21, 159-177 (2001))。従来技術は混合が1ファクターであることを教示しているが、これは、「速い動力学」的プロセス、例えば粒子形成に関連する問題に部分的にしか対処しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
異なる長さ及び時間のスケールで混合が行われる。噴流直径の長さスケールでの混合は、メソ混合と呼ばれ、優勢な流れ場における最小乱流渦の長さスケールでの混合は、ミクロ混合と呼ばれ、そして粒子形成容器直径の長さスケールにおける混合は、マクロ混合と呼ばれる(例えば、「Turbulent Mixing and Chemical Reactions」、J. Baldyga and J.R. Bourne, ISBN-0-471-98171-0 John Wiley & Sons, (1999))。従来のSAS法の開示内容は、メソ混合及びミクロ混合(例えば国際公開第95/01221号パンフレット、国際公開第96/00610号パンフレット、米国特許第6,440,337号明細書、国際公開第97/31691号パンフレット、米国特許出願公開第2002/0000681号明細書)、又はマクロ混合(例えば米国特許第5,707,634号明細書)を扱っているが、しかしこれらの全て一緒にして扱うものは一つもない。前者の有用性は通常、サイズが小さいシステムに限られる。これらのシステムは、サイズがスケールアップされると効率的には働かない。その理由は、噴流溶液の体積流量と関数関係にあるミクロ及びメソ混合効率に関する、システムのダイナミック・レンジが限られていること、及びマクロ混合の不完全さが、粒子形成容器内の濃度の不均一性をますます大きくすることにある。このような不均一性は、一方では幅広いサイズ分布及び形態分布にの原因となり、他方ではより大きい粒子サイズの原因となる。後者の有用性はひどく制限される。なぜならば、結果として得られる粒子サイズが、他の方法から得られる粒子サイズよりも著しく大きく、また、効率的なミクロ混合及びメソ混合が生じないことにより、この方法は本質的にあまり制御されないからである。本発明は、工業規模における「速い動力学」を介したSAS法に関する、特にサイズ＜100 nmの粒子の析出に関するプロセス技術上の問題を取り扱う。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の1実施態様によれば、所望の物質の粒子状材料を形成する方法が開示されており、この方法は：
(i)温度及び圧力が制御された粒子形成容器に、超臨界流体を装入すること；
(ii)インペラー表面及びインペラー直径を有するインペラーを含む回転撹拌器を用いて、該粒子形成容器の内容物を撹拌して、該回転撹拌器の該インペラーの表面から1インペラー直径分の距離以内に配置された相対的に強く撹拌される高撹拌ゾーンと、該インペラーの表面から1インペラー直径を超える距離に配置されたバルク混合ゾーンとを形成すること；
(iii)少なくとも、第1フィード流導入ポートを通る少なくとも溶媒と該溶媒中に溶解された所望の物質とを含む第1フィード流、及び第2フィード流導入ポートを通る該超臨界流体を含む第2フィード流を、該撹拌された粒子形成容器内に導入すること、
ここで該所望の物質とは、該溶媒中の溶解度に比べて該臨界流体中において相対的に不溶性であり、そして該溶媒は該超臨界流体中に可溶性であり、そして
該第1及び第2のフィード流が該粒子形成容器の高撹拌ゾーン内に導入され、そして該第1フィード流が該回転撹拌器の作用によって該超臨界流体中に分散され、該超臨界流体中への該溶媒の抽出を可能にするように、該第1及び第2のフィード流導入ポートは、該回転撹拌器の該インペラーの表面から1インペラー直径分の距離以内に配置されている、及び
(iv)100ナノメートル未満の容積加重平均直径を伴って、該所望の物質の粒子を該粒子形成容器内で析出させること、
を含んで成る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明によれば、本明細書中に記載された条件下で超臨界流体貧溶媒と接触させて溶液から所望の物質を析出させることにより、所望の物質のナノメートル・サイズの粒子を調製できることが判った。本発明の実施において、フィード材料、すなわち、超臨界流体貧溶媒と溶媒/溶質溶液とを、粒子形成容器の高撹拌乱流ゾーン内で密に混合することにより、溶質の粒子を析出させる。次いで粒子形成容器内のバルク混合作用により、粒子は高撹拌ゾーンから駆逐される。本発明の実施において、フィード流を、高撹拌混合ゾーン内へ互いに対向する方向に導入することが一般に好ましいが、所望の場合には同じ方向にこれらを導入することもできる。本発明の有意な特徴は、100ナノメートル未満のサイズの析出された粒子を、高レベルの不均一な大型粒子なしに製造できることである。
【００１６】
本発明の方法は、例えば製薬、農業、食品、化学、画像形成(写真及び印刷、具体的にはインクジェット印刷を含む)、化粧品、エレクトロニクス(電子ディスプレイ・デバイス用途、具体的には色フィルター・アレイ及び有機発光ダイオード・ディスプレイ・デバイスを含む)、データ記録、触媒、ポリマー(ポリマー充填剤を含む)、殺虫剤、火薬、マイクロ構造/ナノ構造アーキテクチャ構築、及びコーティング用途において使用するための種々多様な材料から成る析出粒子の調製に適用することができる。これらの用途の全ては、小型粒子状材料の使用から利益を受けることができる。本発明に従って析出された所望の物質の材料は、有機、無機、金属有機、高分子、オリゴマー、金属、合金、セラミック、合成及び/又は天然ポリマー、及び前述のものから成る複合材料のようなタイプであってよい。析出される材料は、例えば着色剤(染料及び顔料を含む)、農薬、薬学的に有用な化合物、商業的な化学薬品、精製化学製品、食品、栄養物、殺虫剤、写真化学薬品、火薬、化粧品、保護剤、金属コーティング前駆体、又は、所望の形態が堆積フィルム、微粒子分散体又は粉末である他の工業的な物質である。染料及び顔料は、印刷用途において使用するための特に好ましい機能材料である。
【００１７】
析出されるべき所望の材料は、好適な液体キャリヤ溶媒中に先ず溶解される。既知のSAS法におけるように、本発明で使用するための溶媒は、所望の材料を溶解する能力、超臨界流体貧溶媒との混和性、毒性、コスト及びその他のファクターに基づいて選択することができる。次いで、温度及び圧力が制御された粒子形成容器内で、溶媒/溶質溶液を超臨界流体貧溶媒と接触させることにより、溶媒を超臨界流体中に急速抽出して溶媒からの溶質の析出を開始する。超臨界流体は、溶媒と可溶性であること、及び所望の粒子状材料と(溶媒中のその溶解度と比較して)相対的に不溶性であることに基づいて選択される。SAS法における貧溶媒として使用するために知られている任意の超臨界流体を採用することができ、この場合超臨界流体CO2が一般に好ましい。
【００１８】
本発明によれば、溶媒/溶質溶液及び超臨界流体貧溶媒は、これらの成分のフィード流を粒子形成容器の高撹拌ゾーン内に導入することによって、粒子形成容器内で接触させられるので、第1溶媒/溶質フィード流は、回転撹拌器の作用によって超臨界流体内に分散させられる。回転撹拌器のインペラー表面から1インペラー直径分の距離以内で容器内にフィード流を導入することにより可能になる、効果的なミクロ及びメソ混合、及び結果としてのフィード流成分の密な混合が、容積加重平均直径100ナノメートル未満、好ましくは50ナノメートル未満、最も好ましくは10ナノメートル未満で、粒子形成容器内に所望の物質の粒子を析出させるのを可能にすることが、驚くべきことに判った。加えて、粒子の狭いサイズ頻度分布を得ることができる。容積加重サイズ頻度分布、又は変動率(分布の標準偏差を分布の平均直径で割算した値)の尺度は、例えば典型的には50%以下であり、変動率は20%未満であることも可能である。従ってサイズ頻度分布は単分散であってよい。プロセス条件は粒子形成容器内で制御して、所望の場合に変化させることにより、粒子サイズを所望通りに変化させることができる。
【００１９】
本発明の方法において使用することができる好ましい混合装置には、同時に導入された銀フィード流とハロゲン化物塩溶液フィード流とが反応することによりハロゲン化銀粒子を析出させる目的で、写真ハロゲン化銀乳剤技術分野において使用するために以前に開示されたタイプの回転撹拌器を包含する。このような回転撹拌器は例えばタービン、船用プロペラ、ディスク、及び当業者に知られた他のインペラーを含んでよい(例えば米国特許第3,415,650号；同第6,513,965号；同第6,422,736号；同第5,690,428号；同第5,334,359号；同第4,289,733号；同第5,096,690号；同第4,666,669号の各明細書、欧州特許第1156875号明細書、国際公開第01/60511号パンフレットを参照されたい)。
【００２０】
本発明において採用することができる回転撹拌器の具体的な構造は極めて多様となることできるが、これらはそれぞれ、表面及び直径を有する1つ以上のインペラーを用いることになり、このインペラーは撹拌器近傍に高撹拌ゾーンを形成する上で効果的である。「高撹拌ゾーン」という用語は、回転撹拌器に近接したゾーンであって、このゾーン内部では、混合のために提供された力のかなりの部分が材料流によって費やされるゾーンである。典型的には、高撹拌ゾーンは回転インペラー表面から1インペラー直径分の距離以内に含まれる。超臨界流体貧溶媒フィード流及び溶媒/溶質フィード流を、粒子形成容器内に回転ミキサーに近接して導入することにより、本発明に従って回転撹拌器の作用により形成された相対的に強く撹拌される高撹拌ゾーン内にこれらのフィード流が導入されるので、実際に有用な程度にフィード流成分のメソ、ミクロ及びマクロ混合が達成可能になる。採用された特定の超臨界流体、溶媒及び溶質材料に関連する移動プロセス又は変換プロセスのプロセシング流体特性及び動的時間スケールに応じて、採用される特定の回転撹拌器は、実際に有用な種々の程度にメソ、ミクロ及びマクロ混合を最適化するように選択することができる。
【００２１】
本発明の特定の1実施態様において採用することができる混合装置は、リサーチディスクロージャ（Research Disclosure）, 第382巻、1996年2月、Item 38213に開示されたタイプの混合器具を含む。このような装置には、離隔した源から導管によってフィード流を導入するための手段が設けられている。これらの導管は、混合器具の隣接入口ゾーンの近くで終わっている(ミキサー・インペラー表面からの距離は1インペラー直径未満である)。フィード流の混合を容易にするために、フィード流は混合器具の入口ゾーンの近傍で対向方向で導入される。混合器具は、反応容器内に鉛直方向に配置され、好適な手段、例えばモーターによって高速で駆動される軸の端部に取り付けられる。回転混合器具の下端部は、反応容器の底部から上方に、しかし容器内部に含まれる流体の表面よりも下方に、所定の間隔を置いて配置されている。容器の内容物の水平方向の回転を抑制するのに十分な数のバッフルを混合器具の周りに配置することができる。このような混合器具はまた、米国特許第5,549,879号明細書及び同第6,048,683号明細書に概略的に示されている。
【００２２】
本発明の別の実施態様で採用することができる混合装置は、米国特許第6,422,736号明細書に記載されているような、析出反応器内のフィード流分散(ミクロ混合及びメソ混合)及びバルク循環(マクロ混合)の別個の制御を容易にする。このような装置は、鉛直方向に配向されたドラフト管、ドラフト管内に位置決めされた下側インペラー、及び第1インペラーの上方でドラフト管内に位置決めされて、独立した作業に十分な距離を第1インペラーから置いて配置された上側インペラーを含む。下側インペラーは好ましくはフラットブレード・タービン(FBT)であり、ドラフト管の底部に添加されるフィード流を効率的に分散させるために使用される。上側インペラーは好ましくは勾配ブレード・タービン(PBT)であり、バルク流体をドラフト管を通して下向きに循環させて、反応ゾーンを通る狭い循環時間分布を提供するために使用される。適切なバッフルを使用することができる。2つのインペラーは、独立した作業が行われるような距離を置いて配置される。このような独立した作業、及びそのジオメトリーのシンプルさは、このミキサーを析出法のスケールアップに適したものにする特徴である。このような装置は、強力なミクロ混合を提供する。すなわち、このような装置は、フィード流導入領域において、極めて高い力散逸を提供する。
【００２３】
フィード流の急速な分散は、本発明のいくつかの主要ファクター、例えば溶媒/溶質と超臨界流体貧溶媒とを混合することにより引き起こされる過飽和を制御する上で重要である。乱流混合がフィード・ゾーン内で強力に行われれば行われるほど、より急速にフィード物が散逸され、そしてバルクと混合されることになる。このことは好ましくは、フラットブレード・インペラーを使用し、そしてインペラーの高エネルギー散逸ゾーン内に直接的にフィード流を導入することにより達成される。フラットブレード・インペラーは、できる限りシンプルな構成を使用して、高い剪断特性及び散逸特性を有する。米国特許第6,422,736号明細書に記載された装置はまた、優れたバルク循環、又はマクロ混合を可能にする。急速な均質化速度及び狭い循環時間分布が、プロセス均一性を達成する上で望ましい。このことは、軸方向上側に向けられた流れ場を採用することにより達成される。この流れ場はさらに、ドラフト管を使用することにより増強される。このタイプの流れは、デッドゾーンのない単一の連続循環ループを提供する。流体の動きを軸方向に向けることに加えて、ドラフト管は、著しくより高いrpmでインペラーを回転させる手段を提供し、そして析出ゾーンを、強力に混合された管内部に限定する。流れ場をさらに安定化させるために、ドラフト管の排出口にディスラプター装置を取り付けて、流れの回転成分を低減することができる。
【００２４】
米国特許第6,422,736号明細書に記載されたタイプの混合器具の使用はまた、バルク循環とは独立して力散逸を容易に変化させる手段を提供する。このことは、使用されている特定の材料にとって最適な混合条件を選択する上での柔軟性を提供する。バルク混合とホットゾーン混合とのこのような分離は、ドラフト管の出口の近くに勾配ブレード・インペラーを配置することにより達成される。勾配ブレード・インペラーは、力に対する流れの高い比を提供する。この比は容易に変えられる。勾配ブレード・インペラーはシンプルな構成である。勾配ブレード・インペラーは、ドラフト管を通る循環の速度を制御し、この速度は、ブレードのピッチ角、ブレードの数及びサイズなどの関数である。勾配ブレード・インペラーが散逸させる力は、フラットブレード・インペラーが散逸させる力よりも著しく小さく、しかも勾配ブレード・インペラーはフィード・ポイントから十分に隔たって配置されるので、勾配ブレード・インペラーは、ドラフト管内のホットゾーン混合の強度に干渉することはなく、ただドラフト管を通る循環速度に干渉するだけである。所定の間隔を置いてインペラーを配置することにより、独立した混合のこのような効果が最大化される。インペラー間の間隔はまた、ホットゾーン内の逆混合度に強い影響を与え、ひいては変化可能なさらに別の混合パラメーターを提供する。混合パラメーターの独立した制御をさらに可能にするために、上側インペラーと下側インペラーとが、異なる直径を有することができ、或いは、同じ速度ではなく異なる速度で作業することができる。またフィード流は、ドラフト管内の種々の位置において、種々のオリフィス構成を有する多数の管によって導入することができる。
【００２５】
SAS法との関連において、本発明はこのように、関連する混合プロセスに初めて十分に対処し、このことは驚くべきことに、劇的に小さな粒子サイズをもたらす。事実、これらの粒子を分子クラスターと呼ぶことがより適切な場合がある。これらの分子クラスターは、少数の分子だけから形成される。超臨界溶媒急激膨張(RESS)法は、或る特定の条件下で、極めて小さな分子クラスター、イオン対、又は分散された個々の分子を生成することが知られてはいるが、SAS法が、このような分子クラスターを生成することは以前は知られていなかった。このように本発明は初めて、粒子のサイズ、形態及び結果として生じる特性に関して、SAS法の能力をRESS法に適合させる可能性を提供する。本発明はこうして、コンベンショナルな有機溶媒の使用によって処理するための著しく広範囲の材料群を利用可能にする。それというのもRESS法は一般に、超臨界流体中に可溶性の材料に限られているからである。混合相互作用の優れた管理により、本発明はまた、より狭い粒子サイズ及び形態の分布という観点において付加的な利点をもたらす。混合プロセスの同様の制御はまた、本発明の方法をより堅牢且つ拡張可能にする。
【００２６】
よく認識されているように、完全に連続的な粒子形成法への発展は、SAS技術の場合、所望の物質の粉末が典型的には加圧下で粒子形成容器内に捕集されるので制限され、また、RESS技術の場合には、膨張されるべき原液の枯渇によって制限される。好ましい実施態様の場合、この方法は、所望の一定レベルに容器内の温度及び圧力を維持しながら、粒子形成容器から超臨界流体、溶媒及び所望の物質を、所定の工程で成分を容器へ添加する速度とほぼ等しい速度で排出して、事実上定常状態の連続条件下で粒子状材料形成が生じるようにすることによって、事実上連続的に実施することができる。このような連続的な作業は、析出された粒子の極めて微細な性質により容易にされ、この性質は、超臨界流体、溶媒、及び所望の物質が、膨張室に移動することにより、粒子形成容器から単純に排出されるのを可能にすると考えられる。このような実施態様の場合、膨張室への移動は、例えば背圧調節器、毛管、又は流れ分配器を通して行われてよい。膨張室へ移動されると、所望の物質の粒子は、撹拌された粒子形成容器内の析出を妨げることなしに捕集することができる。所望の場合には、超臨界流体、溶媒及び所望の物質を粒子形成容器から直接的に溶液中に排出することにより、所望の物質の形成済粒子の分散体を形成することができる。
【００２７】
本発明により得られた極めて微細な粒子は、同時出願された同時係属中の同一譲受人による米国特許出願第10/815,026号明細書及び同第10/185,010号明細書に記載されているのと同様に、プロセス中に超臨界流体混合物を膨張させて、支持体上に印刷、コート又はその他の形式で堆積することができる。本発明の方法がRESS技術によって製造されたものと比較して微細な粉末を製造するので、RESSに基づく薄膜堆積技術(超臨界混合物中に存在する低レベルの有機溶媒を占めるように僅かな変化を伴う方法及び装置を含む)を、本発明によって製造される粒子のために採用することもできる。例えば、本発明に従ってSAS法によって粒子形成容器内で粒子を形成した後、極めて微細な(100ナノメートル未満、好ましくは50ナノメートル未満、最も好ましくは10ナノメートル未満の)析出された粒子と、圧縮された超臨界流体との結果として生じた混合物を、制御された条件下で膨張させることができ、そして米国特許第4,582,731号、同第4,734,227号、同第4,734,451号、同第4,970,093号、同第4,737,384号、同第5,106,650号の各明細書、及びFulton他、Polymer、第44巻、3627-3632 (2003)に記載されたRESS(及びその他の類似の)タイプのコーティング法におけるのと同様に、粒子から成る薄膜を支持体上にコーティングすることができる。所望の場合には、十分に高い蒸気圧を有する溶媒を選択すること、及び/又は膨張室の温度及び圧力を制御することにより、超臨界流体、溶媒、及び析出された溶質の混合物から、混合物の膨張時に溶媒が凝縮するのを回避又は最小化することができる。
【００２８】
本発明により得られた極めて微細な粒子は、国際公開第02/45868号パンフレット、米国特許第6471327号明細書、同第6692906号明細書、米国特許出願公開第20020118246号明細書、同第20020118245号明細書、及び同第20030107614号明細書の堆積法又は印刷法に記載されているのと同様に、超臨界流体混合物を膨張させて、印刷、コート又はその他の形式で堆積することもできる。本発明により得られた極めて微細な粒子はさらに、同時係属中の同一譲受人による米国特許出願第10/313,549号明細書及び同第10/460,814号明細書及び米国特許第6,790,483号明細書(圧縮流体からパターン化堆積物を製造するシステム)；同第6,843,556号明細書(二重制御堆積室内で圧縮流体からパターン化堆積物を製造するシステム)；同第6,780,249号明細書(部分的に開いた堆積室内で圧縮流体からパターン化堆積物を製造するシステム)；米国特許出願第10/313,591号明細書(有機小分子及び高分子発光ダイオード・デバイスを形成するための超臨界CO2に基づくマーキング・システム)；同第10/224,783号明細書及び同第10/300,099号明細書(濃密ガス・コーティングを使用するソリッドステート照明)；同第10/602,429号明細書及び同第10/602,134号明細書(発光ディスプレイの色チューニング法)；同第10/602,430号明細書(超臨界流体印刷におけるプロセス変動による色域改善)；同第10/602,840号明細書(プロセス変化により印刷色を変える方法及び装置)；及び同第10/625,426号明細書(超臨界流体印刷によるセキュリティ法)(これらの開示内容を参考のため本明細書中に引用する)に記載されているのと同様に、プロセス中に超臨界流体混合物を膨張させて、印刷、コート又はその他の形式で堆積することもできる。
【実施例】
【００２９】
例1(対照)
公称1800 mlのステンレス鋼粒子形成容器に、米国特許第6,422,736号明細書に開示されたタイプの4 cm直径撹拌器を設けた。この撹拌器は、ドラフト管と、下側及び上側のインペラーを含む。溶液(染料-1のアセトン溶液)のためのフィード・ポートを、鉛直方向で下側インペラーの平面の上方に、ドラフト管の外側に配置して、フィード・ポートが下側インペラーの先端から5 cm以上離れる(すなわち、インペラー表面から1インペラー直径分の距離以内に形成された相対的に強く撹拌される高撹拌ゾーンの外側に位置する)ようにする。また、ドラフト管の直径に対して接線方向にフィード・ポートを向けた。CO2のためのフィード・ポートを、米国特許第6,422,736号明細書中にミキサーのための入口管に関して開示されているように混合インペラーの極めて近くに(すなわち1インペラー直径以内に)配置した。粒子形成容器の出口ポートは、ステンレス鋼フィルターを有した。このフィルターの、0.5マイクロメートル粒子に対する公称濾過効率は90%であった。また、高表面研磨処理されたステンレス鋼サンプリング・セルを、このプロセスによって形成された粒子を捕捉するために、粒子形成容器内部に取り付けた。粒子形成容器の出口ポートを、直径0.0254 cmの25.4 cm長のステンレス鋼毛管を介して、膨張室に接続した。膨張室では、温度及び圧力の周囲条件が形成された。温度を90℃に、圧力を280 barに調節しながら、そして1分当たり2775回転で撹拌しながら、粒子形成容器にCO2を添加した。先端に200マイクロメートルのオリフィスを有するフィード・ポートを通して60g/分でCO2を、そして、100マイクロメートルの先端を通して2 g/分で染料-1の0.1 wt%アセトン溶液を、次いで添加し始めた。染料-1の分子構造は下記の通りであった：
【００３０】
【化１】
2007533433.tif 000003
【００３１】
粒子形成室の圧力は上がり始め、29分間で315 barに達した。この時点で、フィルターは詰まったと考えられ、フィード添加を停止した。次いで容器を20分間で大気条件まで注意深く減圧し、そして試験のために開放した。サンプリング・セルを取り外し、そしてサンプリング・セル上に堆積された粒子を、図1に示すように光学顕微鏡によって検査した。＞1マイクロメートル粒子(単一又は凝集体)の優勢が明らかである。
【００３２】
例2(本発明)
例1の手順を繰り返した。ただしここでは、溶液フィード・ポートを、米国特許第6,422,736号明細書中にミキサーのための入口管に関して開示されているように、(CO2フィード・ポートと同様に)下側インペラーの近くに配置して、溶液フィード流及びCO2フィード流の両方が、下側インペラーの1インペラー直径以内の高撹拌ゾーン内に導入されるようにした。粒子形成室の圧力は溶液添加開始時の280 barから、54分目の溶液添加終了時の315 barに上昇した。減圧後、サンプリング・セル表面上に堆積された粒子を、図2に示すように光学顕微鏡によって検査した。例1と比較して運転時間がほとんど2倍長いにもかかわらず、サンプリング・セル表面が明らかにする＞1マイクロメートルの単一又は凝集粒子は有意に少なく、より微細な粒子が優勢であった。
【００３３】
例3(本発明)
例2の手順を繰り返した。ただしここでは、撹拌速度は1分当たり2078回転に維持した。粒子形成室の圧力は溶液添加開始時の280 barから、60分目の溶液添加終了時の320 barに上昇した。減圧後、サンプリング・セル表面上に堆積された粒子を、図3に示すように光学顕微鏡法によって検査した。試験1と比較して運転時間がほとんど2倍長くなり、また撹拌速度が約25%低減するにもかかわらず、サンプリング・セル表面が示す＞1マイクロメートルの粒子の堆積物は有意に少なく、より微細な粒子が優勢であった。
【００３４】
例4(本発明)
例2において採用された粒子形成容器及びフィード・ポート構造を使用し、そして温度を90℃に、圧力を300 barに調節しながら、CO2を添加した。撹拌速度は1分当たり2775回転に維持した。先端に200マイクロメートルのオリフィスを有するフィード・ポートを通して60g/分でCO2を、そして、100マイクロメートルの先端を通して2 g/分で染料-1の0.5 wt%アセトン溶液(例1〜3と同じ染料であるが、しかし5倍の濃度)を、次いで添加し始めた。粒子形成容器の底部を、自動背圧調節器を介して、膨張室に接続した。膨張室では、温度及び圧力の周囲条件が形成された。粒子形成室の温度及び圧力を、それぞれ90℃及び300 barの一定レベルに制御した。1時間の連続作業後、粒子形成容器からの流出物を、膨張室から離れる方向に向け直した。次いで、膨張室の壁上に堆積された粒子をこすり取り、そして水中に分散させた。次いで、Malvern High Performance Particle Sizer(Malvern Instruments Ltd., 英国)で測定した。図4に示すように、容積加重平均粒子サイズは、1.37 nmであり、サイズ分布の標準偏差は0.237(変動率は17%)であった。
【００３５】
例5(本発明)
例2において採用された粒子形成容器及びフィード・ポート構造を使用し、そして温度を63℃に、圧力を180 barに調節しながら、CO2を添加した。撹拌速度は1分当たり2775回転に維持した。先端に200マイクロメートルのオリフィスを有するフィード・ポートを通して40g/分でCO2を、そして、100マイクロメートルの先端を通して1 g/分で染料-1の0.75 wt%アセトン溶液(例1〜3と同じ染料であるが、しかし7.5倍の濃度)を、次いで添加し始めた。粒子形成容器の底部を、自動背圧調節器を介して、膨張室に接続した。膨張室では、圧力は周囲圧力であり、温度は55℃であった。粒子形成室の温度及び圧力を、それぞれ63℃及び180 barの一定レベルに制御した。25分間の連続作業後、アセトン溶液添加を停止した。さらに15分後、CO2の添加も停止した。膨張室の壁上に堆積された粒子をこすり取り、そして水中に分散させた。次いで粒子サイズ分布を透過電子顕微鏡下で検査した。図5に示すように、平均粒子サイズは＜5 nmであった。
【００３６】
例6(本発明)
RD 38213に開示されたタイプの4 cm直径撹拌器を備えた、公称1800 mlのステンレス鋼粒子形成容器に、温度を45℃に、圧力を150 barに調節しながら、そして1分当たり2775回転で撹拌しながら、1147 gのCO2を添加した。CO2を80 g/分で、そして、100 gのアセトン当たり2 gの染料の濃度を有する、染料-2[Disperse Red-60 (C20H13NO4)]
【００３７】
【化２】
2007533433.tif 000004
【００３８】
のアセトン溶液を1 g/分で、次いで添加し始めた。CO2フィード流及び溶液フィード流をフィード・ポートを通して導入した。これらのフィード・ポートは、RD 38213に開示されているように、混合器具の隣接入口ゾーンの近くで終わっている(ミキサー・インペラー表面からの距離が1インペラー直径未満)。粒子形成容器の底部を、自動背圧調節器を介して、膨張室に接続した。膨張室では、温度及び圧力の周囲条件が形成された。粒子形成室の温度及び圧力を、それぞれ45℃及び150 barの一定レベルに制御した。30分間の連続作業後、染料溶液の添加を停止し、そしてCO2流を60 g/分に調節した。25分後、CO2流を停止し、そして粒子形成室を21分間にわたって周囲圧力まで徐々に減圧した。膨張室の壁上に堆積された粒子をこすり取り、水中に分散させ、そして透過電子顕微鏡下で観察した。図6に示すように、平均粒子サイズは＜20 nmであることが判った。
【００３９】
例7(本発明)
両方とも米国特許第6,422,736号明細書に開示されている、4 cm直径撹拌器及びフィード・ポート構造を備えた、公称1800 mlのステンレス鋼粒子形成容器に、温度を70℃に、圧力を300 barに調節しながら、そして1分当たり2775回転で撹拌しながら、1096 gのCO2を添加した。先端に200マイクロメートルのオリフィスを有するフィード・ポートを通してCO2を30 g/分で、そして、100マイクロメートルの先端を通して、100 gのアセトン当たり2 gのサリチル酸の濃度を有する、サリチル酸のアセトン溶液を5 g/分で、次いで添加し始めた。粒子形成容器の底部を、自動背圧調節器を介して、膨張室に接続した。膨張室では、温度及び圧力の周囲条件が形成された。粒子形成容器の温度及び圧力を、それぞれ70℃及び300 barの一定レベルに制御した。1時間の連続作業後、粒子形成容器からの流出物を、膨張室から離れる方向に向け直した。次いで、膨張室の壁上に堆積された粒子をこすり取り、そしてヘプタン中に分散させ、そして透過電子顕微鏡法(図7A)及び画像分析(図7B)によってサイズに関して分析した。平均粒子サイズは＜5 nmである。
【００４０】
例8(本発明)
例2において採用された粒子形成容器及びフィード・ポート構造を使用し、そして温度を45℃に、圧力を180 barに調節しながら、CO2を添加した。撹拌速度は1分当たり2775回転に維持した。先端に200マイクロメートルのオリフィスを有するフィード・ポートを通して80 g/分でCO2を、そして、100マイクロメートルの先端を通して1 g/分で有機発光ダイオード・ドーパント化合物(C545-T、その構造を下に示す)の0.5 wt%アセトン溶液を、次いで添加し始めた。
【００４１】
【化３】
2007533433.tif 000005
【００４２】
粒子形成容器の底部を、自動背圧調節器を介して、膨張室に接続した。膨張室では、圧力は周囲圧力であり、温度は55℃であった。粒子形成室の温度及び圧力を、それぞれ45℃及び180 barの一定レベルに制御した。25分間の連続作業後、アセトン溶液添加を停止し、CO2流量を60 g/分に低減した。さらに25分間のCO2添加後に、これも停止した。膨張室の壁上に堆積された粒子をこすり取り、そしてヘプタン中に分散させた。次いで粒子サイズ分布を透過電子顕微鏡下で検査した。図8に示すように、平均粒子サイズは＜10 nmであった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図1は、例1で得られた粒子の光学顕微鏡画像である。
【図２】図2は、例2で得られた粒子の光学顕微鏡画像である。
【図３】図3は、例3で得られた粒子の光学顕微鏡画像である。
【図４】図4は、例4で得られた粒子の粒子サイズ分布を示すグラフである。
【図５】図5は、例5で得られた粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図６】図6は、例6で得られた粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図７Ａ】図7Aは、例7で得られた粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】図7Bは、例7で得られた粒子の粒子サイズ頻度を示すグラフである。
【図８】図8は、例8で得られた粒子の透過電子顕微鏡写真である。
【図１】
2007533433.tif 000006
【図２】
2007533433.tif 000007
【図３】
2007533433.tif 000008
【図４】
2007533433.tif 000009
【図５】
2007533433.tif 000010
【図６】
2007533433.tif 000011
【図７Ａ】
2007533433.tif 000012
【図７Ｂ】
2007533433.tif 000013
【図８】
2007533433.tif 000014
【国際調査報告】
2007533433.tif 000015
2007533433.tif 000016
2007533433.tif 000017