СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЧАСТИЦАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF FORMING MULTILAYER COATING ON PARTICLES AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF (OPTIONS)

Группа изобретений относится к области химии, в частности, к оборудованию для химических или физических лабораторий и способу их применения и может быть использована для формирования многослойных композитных покрытий на субмикро- или микрочастицах методом послойной адсорбции.
Известен способ формирования многослойных покрытий на микрочастицах методом послойной адсорбции (cм. Патент DE19812083, МПК А61К9/50, опубл. 30.09.1999), который включает в себя последовательное нанесение противоположно заряженных полиэлектролитов. Данный способ также предусматривает использование частиц, которые могут быть впоследствии растворены, вследствие чего могут быть получены микрокапсулы.
Однако, недостатком данного способа является то, что он не предусматривает автоматизацию процесса и получаемые покрытия недостаточно однородны.
Известен также способ формирования многослойных покрытий на микрочастицах диаметром менее 15 микрометров и наночастицах диаметром от 1 до 100 нм (см. патент US6479146, МПК A61K9/50, опубл. 12.11.2002), заключающийся в последовательном нанесении противоположно заряженных полиэлектролитных слоёв и наночастиц за счёт электростатического взаимодействия.
Недостаток данного способа заключается в том, что способ, как и предыдущий аналог, не предусматривает автоматизацию процесса, что приводит к низкой воспроизводимости получаемых покрытий и их свойств.
Наиболее близким к заявляемому результату является устройство и способ формирования многослойных покрытий на частицах методом последовательной адсорбции с помощью тангенциальной фильтрации (см. заявку WO2015183716, МПК В05D5/00, опубл. 3.12.2015), заключающийся в поочерёдном нанесении слоёв наноматериала на субмикро- или микрочастицы, промывке частиц после каждого нанесения слоя в Рабочем модуле, имеющем два канала, разделённых фильтрационной мембраной, путём подачи в один из каналов потока частиц с нанесённым слоем наноматериала, а в другой - промывочной жидкости.
В известном способе-прототипе заявлено, что размер частиц может быть от 50 нм до 50 мкм, в экспериментах использовались частицы карбоната кальция диаметром от 1 до 4 мкм.
Основным недостатком способа и устройства является отсутствие возможности реализации проточной схемы формирования покрытий частиц, поскольку промывка осуществляется за счёт разницы давлений потоков суспензии частиц и заряженных полиэлектролитов.
Кроме этого, из-за воздействия давления на потоки суспензии и полиэлектролита частицы проходят не вдоль фильтрующей мембраны, а под углом к ней, что может привести к агрегации частиц.
Также, в патенте не указано, какая мембрана была использована в качестве фильтрующей. Если устройство и предполагает использование гидрофильной мембраны, то большая часть из них являются заряженными, что может привести к дополнительной сорбции частиц на поверхности мембраны за счет электростатического взаимодействия.
В тексте международной заявки не представлены данные о распределении частиц по размерам до и после нанесения, т.е. заявление об отсутствии агрегации не подтверждено. К тому же, в патенте на данные способ и устройство не указана возможность нанесения покрытий с включенными в оболочку слоями заряженных наночастиц, а также проверена работа только на одной паре полиэлектролитов (полипептиды поли-L-лизин и полигликолид).
Технической проблемой является повышение эффективности процесса формирования многослойного покрытия на частицах методом послойной адсорбции за счёт реализации проточного процесса нанесения при расширении спектра используемых наноматериалов и сохранении автоматизации
Технический результат заключается в улучшении качества сформированных многослойных покрытий на частицах методом послойной адсорбции за счёт снижения агрегации частиц при получении однородного покрытия из-за отсутствия локальных скоплений частиц и наноматериала.
Техническая проблема решается тем, что в способе формирования многослойного покрытия на частицах, заключающемся  в поочерёдном нанесении слоёв наноматериала на субмикро- или микрочастицы, промывке частиц после каждого нанесения слоя  в рабочем модуле, имеющем два канала, разделённых фильтрационной мембраной, путём подачи в один из каналов потока частиц с нанесённым слоем наноматериала, а в другой - промывочной жидкости, согласно изобретению, первое нанесение осуществляют путём подачи в один из каналов – наноматериала, а в другой – потока субмикро- или микрочастиц, а каждое последующее нанесение после промывки осуществляют путём подачи в один из каналов потока субмикро- или микрочастиц с нанесённым слоем наноматериала, а в другой – потока наноматериала, при этом нанесение и промывку осуществляют при одинаковом давлении и скорости, а потоки частиц и наноматериала подают параллельно поверхности фильтрационной мембраны, выполненной проницаемой для молекул наноматериала и непроницаемой для субмикро- или микрочастиц.
В качестве субмикро- или микрочастиц преимущественно используют диоксид кремния или карбонат кальция, а в качестве промывочной жидкости – деионизованную воду.
В качестве наноматериала используют растворы положительно и отрицательно заряженных полиэлектролитов или наночастиц, при этом в качестве наночастиц –коллоидный раствор заряженных наночастиц магнетита или золота, или серебра, а в качестве положительно и отрицательно заряженных полиэлектролитов – полимеры для создания многослойных покрытий методом послойной адсорбции.
В качестве полимеров для создания многослойных покрытий методом послойной адсорбции используют биодеградируемые или небиодеградируемые, при этом в качестве биодеградируемых полимеров используют положительно заряженный полиаргинин и отрицательно заряженный декстран сульфат, а в качестве небиодеградируемых полимеров используют положительно заряженные полиэтиленимин и полиаллиламин гидрохлорид и отрицательно заряженный полистирол сульфонат натрия.
Техническая проблема решается также с помощью устройств для реализации способа формирования многослойного покрытия на частицы.
При этом, в первом варианте реализации способа в устройстве, содержащем блоки для подачи растворов наноматериала, субмикро- или микрочастиц и промывочной жидкости, соединённые с рабочим модулем, имеющим два канала, разделённых вдоль продольной оси фильтрационной мембраной, и выполненным с возможностью размещения в одном из каналов частиц с нанесённым на них наноматериалом, а в другом – промывочной жидкости, согласно изобретению, рабочий модуль выполнен с возможностью размещения в нём либо раствора наноматериала, а в другом – раствора субмикро- или микрочастиц, либо раствора наноматериала, а в другом – раствора частиц с нанесённым на них наноматериалом, при этом фильтрационная мембрана выполнена металлизированной с размером пор от 70 нм до 1 мкм и с возможностью пропускания через неё молекул раствора наноматериала.
Во втором варианте реализации способа устройство, содержащее блоки для подачи растворов наноматериала, субмикро- или микрочастиц и промывочной жидкости, соединённые с рабочим модулем, имеющим два канала, разделённых вдоль продольной оси фильтрационной мембраной, и выполненным с возможностью размещения в одном из каналов частиц с нанесённым на них наноматериалом, а в другом – промывочной жидкости, согласно изобретению, содержит, по крайней мере, один дополнительный рабочий модуль, выполненный аналогично первому и имеющий два канала, разделённые вдоль продольной оси фильтрационной мембраной, при этом один из каналов дополнительного модуля выполнен с возможностью размещения в нём либо раствора наноматериала, а в другом – раствора субмикро-или микрочастиц, либо раствора наноматериала, а в другом – раствора частиц с нанесённым на них наноматериалом, при этом фильтрационная мембрана выполнена металлизированной с размером пор от 70 нм до 1 мкм и с возможностью пропускания через неё молекул раствора наноматериала.
Фильтрационная мембрана в обоих вариантах выполнения устройства может быть выполнена методом электроформования, из полиакрилонитрила, покрытого проводящим слоем, при этом проводящий слой может быть выполнен из нержавеющей стали или золота.
В известных авторам источниках патентной и научно-технической информации не описано способа и устройств для формирования многослойного покрытия на частицы, позволяющих получить однородные покрытия с требуемым количеством слоёв с использованием проточного метода нанесения и промывки  за счёт наличия, либо, по крайней мере, двух рабочих модулей, в одном из которых осуществляется нанесение наноматериала на частицы, а в другом – промывка частиц от излишков наноматериала, оставшихся после процедуры формирования покрытия, либо одного модуля и нескольких резервуаров, в одном из которых находится промывочная жидкость, а в других, количество которых зависит от количества наносимых слоёв, находится наноматериал.
Кроме этого, во всех вариантах выполнения устройства однородность покрытия без скоплений частиц и наноматериала достигается осуществлением возможности фильтрации излишков наноматериала через мембрану из-за подобранного размера её пор, благодаря чему через мембрану проходят молекулы наноматериала, но не проходят сами частицы.
Известно, что формирование многослойных покрытий на частицах может проводиться с помощью диализа (см., например, US 2247143, МПК В01D61/24, опубл. 24.06.1941).
При этом, современные диализные мембраны изготавливают из полисульфона – половолоконные с внутренним диаметром волокон 185-200 мкм (AsahiKaseiMedicalCo. Ltd., Япония), целлюлозы – Cuprophan, Bemberg, полиакрилонитрила – AN-69 (GambroHospal, Швеция), полиметилметакрилата и этиленвинилового спирта.
Однако, коммерчески доступные диализные мембраны рассчитаны на пропускание молекул с молекулярной массой 2 - 25 кДа, т.е. меньшей, чем масса полиэлектролитов, обычно используемых для послойной адсорбции, вследствие чего прохождение полиэлектролитов сквозь них затруднено. Использование мембран, рассчитанных на пропускание высокомолекулярных соединений, позволит улучшить диффузию полиэлектролитов сквозь них.
Известны методы проточного нанесения покрытий в химической промышленности В частности, известен способ проведения реакций в потоке с помощью проточного реактора (см. заявку WO 2014/153266, МПК В22F9/16, опуб. 25.09.2014).
Однако для получения покрытий на субмикро- и микрочастицах такой метод не применялся.
Таким образом, неизвестность использования методов проточного нанесения покрытий для получения многослойных слоёв на субмикро- и микрочастицах при послойной адсорбции позволяет сделать вывод о наличии в заявляемой группе изобретений критерия «изобретательский уровень».
Группа изобретений поясняется иллюстрациями, где представлены:
- на фиг. 1 - общий вид устройства для формирования многослойного покрытия на частицах, имеющего один рабочий модуль, где проиллюстрировано подключение элементов при нанесении частиц;
- на фиг. 2 - общий вид устройства для формирования многослойного покрытия на частицах, имеющего один рабочий модуль, где проиллюстрировано подключение элементов при промывке;
- на фиг.3 - общий вид устройства для формирования многослойного покрытия на частицах, имеющего два модуля;
- на фиг. 4 – чертёж модуля (либо для промывки, либо для нанесения наноматериала);
- на фиг. 5 – вид модуля с каналами и фильтрационной мембраной;
- на фиг. 6 - вид модуля в сборке;
2
2
2
2
- на фиг. 7 – результаты конфокальной микроскопии частиц, полученных заявляемым способом, где представлены изображения микрочастиц диоксида кремния (SiO), покрытых полимерной оболочкой с помощью описываемого устройства: а –микрочастицы SiO, покрытые положительно заряженным полиэлектролитом полиаллиламин гидрохлоридом, помеченного красителем флуоресцеином (PAH-FITC); б – микрочастицы SiO, покрытые флуоресцеином и полистирол сульфонатом (PAH-FITC/PSS); в – микрочастицы SiO, покрытые затем слоем положительно заряженного полиэлектролита полиаллиламин гидрохлорид, помеченного красителем тетраметилродамин изотиоцианат (PAH-FITC/PSS/PAH-TRITC). Изображения получены с помощью многофункционального конфокального лазерного сканирующего микроскопа Leica TCS SP8 (Leica Microsystems, UK).
Позициями на фигурах обозначены:
1 – резервуар для суспензии частиц,
2 – резервуар для раствора наноматериала (например, полиэлектролита),
3 – резервуар для промывочной жидкости,
4 – резервуар для частиц с нанесённым наноматериалом,
5 – насос для перекачивания жидкости,
6 – рабочий модуль,
7 – дополнительный рабочий модуль,
8 – фильтрационная мембрана,
9 – стенка модуля в виде пластин,
10, 11 – каналы для потока суспензии частиц или наноматериала, или промывочной жидкости, или частиц с нанесённым слоем,
12 – ёмкость для отработанных либо суспензии наноматериала и промывочной жидкости,
13 - гидравлические магистрали для соединения,
14, 15 – входное и выходное отверстие канала 10,
16, 17 – входное и выходное отверстия канала 11,
18 – перемешивающее устройство,
Устройство (см. фиг. 1) состоит, по крайней мере, из одного рабочего модуля 6, соединённого через магистрали 13 с резервуарами 1 (с частицами) и 2 (с наноматериалом), насосом 5, при этом  выходное отверстие резервуара 1 соединено со входом первого канала насоса 5, выход которого соединён с входным отверстием 14 канала 10 модуля 6, выходное отверстие 15 которого соединено с резервуаром 1. Выход резервуара 2 соединен со входом второго канала насоса 5, выходное отверстие которого соединено со входным отверстием 16 второго канала 11 модуля 6, выход 17 которого соединён со входом третьего канала насоса 5, выход которого соединён с ёмкостью для отработанной суспензии наноматериала 12.
В случае промывки (см. фиг. 2) выход резервуара 3 будет соединён со входом второго канала насоса 5, выходное отверстие которого соединено со входным отверстием 16 второго канала 11 модуля 6, выход 17 которого соединён со входом третьего канала насоса 5, выход которого соединён с ёмкостью для отработанной промывочной жидкости 12.
В случае выполнения устройства с двумя рабочими модулями схема соединения элементов будет следующей (см. фиг.3).
Один из модулей, например 6, в этом случае используется для нанесения, а второй (дополнительный и аналогичный первому) 7- для промывки.
Устройство (см. фиг.3.) состоит из, по крайней мере, двух модулей 6 и 7, один из которых (модуль 6) подключён к резервуарам 1 и 2 насосом 5, при этом выходное отверстие резервуара 1 соединено со входом первого канала насоса 5, выход которого соединён с входным отверстием 14 канала 10 модуля 6, выходное отверстие 15 которого соединено с входным отверстием первого канала дополнительного модуля 7 (для промывки), выходное отверстие которого через насос 5 соединено с резервуаром 4.
При этом, второй канал 11 модуля 6 соединён с резервуаром 2 через насос 5, а второй канал модуля 7 соединён с резервуаром для промывочной жидкости 3.
Рабочие модули 6 и 7 представляют собой пластины квадратной формы, выполненные из поликарбоната, на поверхности которых симметрично сформированы каналы 10 и 11 для потоков: либо суспензии частиц и раствора наноматериала, либо промывочной жидкости и суспензии частиц с нанесённым на них, по крайней мере, одним слоем наноматериала, либо раствора наноматериала для формирования очередного слоя и суспензии частиц с уже нанесёнными слоями наноматериала.
Каналы 10, 11 выполнены с поперечным сечением 1 мм, имеют волнообразную форму для предотвращения седиментации проходящих через них частиц. Кривизна канала подбирается таким образом, чтобы при скорости движения жидкости 870 мкл/мин время между изменениями направления движения частиц в жидкости было меньше, чем время седиментации частиц на расстоянии, равном диаметру канала.
Между пластинами модулей 6 и 7 расположена фильтрационная мембрана 8, при этом пластины закреплены между собой при помощи болтовых соединений.
Фильтрационная мембрана 8 представляет собой мембрану, полученную методом электроформования, поверхность которой металлизирована с целью нейтрализации заряда. В качестве полимера для формования мембраны может использоваться полиакрилонитрил, в качестве металлизирующего покрытия – золото, нержавеющая сталь или другие металлы. Заряд мембраны также может быть нейтрализован путём нанесения проводящего полимерного покрытия, например, из полианилина. После этапа электроформования мембрана подвергается холодной прокатке. Полученная таким методом мембрана, в отличие от диализных мембран, рассчитана на пропускание высокомолекулярных соединений, вследствие чего становится возможной интенсивная диффузия полиэлектролитов сквозь неё.
Гидравлические магистрали 13 представляют собой фторопластовые трубки сечением от 0,5 до 1 мм. Они соединяются с рабочими модулями 6 и 7 посредством соединительных зажимов (на чертежах не показаны).
В качестве насоса 5 может быть использована перистальтическая или шприцевая помпа.
Поток жидкости через мембрану в фильтрационных установках описывается уравнением Козени-Кармана (см., например, J.M. Coulson, J.F. Richardson “Chemical engineering”. 2002, vol.2, p.442):
[1]
где J – поток жидкости через мембрану;  – внешнее давление, приложенное к мембране;  – разность давлений, возникающая за счёт осмоса, то есть разности концентраций по обе стороны от мембраны;  – сопротивление мембраны;  – сопротивление мембраны, возникающее за счёт скопления на ней различных частиц в процессе фильтрации;  – вязкость жидкости.
Для случая тангенциальной фильтрации разницы давлений за счёт осмоса не возникает, поэтому формула [1] имеет следующий вид:
[2]
Для случая формирования многослойного покрытия на субмикро- или микрочастицах с применением предлагаемого устройства из формулы [1] исчезнет слагаемое  , так как при данном способе к мембране не прикладывают дополнительное внешнее давление. К тому же, для эффективного формирования полимерного покрытия на частицах необходимо, чтобы сопротивление мембраны  стремилось к нулю, т.е. в процессе нанесения субмикронные или микрочастицы и молекулы полиэлектролитов не оседали на волокна фильтрационной мембраны. Это достигается за счёт нейтрализации заряда поверхности мембраны, а также создания волнообразного канала, препятствующего дополнительной агрегации. Тогда формула [1] примет вид
[3]
Для эффективного процесса формирования полимерного покрытия также необходимо, чтобы поток жидкости через фильтрационную мембрану был пренебрежимо мал, обеспечивая при этом свободное прохождение через неё молекул полиэлектролитов. Т.е. нужно создать такие условия, при которых собственное сопротивление фильтрационной мембраны будет малым, а осмотическое давление будет стремиться к нулю. Тогда по формуле [3] получаем, что поток жидкости сквозь мембрану при таких условиях также стремится к нулю. В результате, с одной стороны, это обеспечит отсутствие сопротивления прохождению жидкости и, как следствие, молекул полиэлектролитов, растворенных в ней, сквозь фильтрационную мембрану, а с другой –минимизирует поток жидкости сквозь неё, что и обеспечивает требуемые условия протекания процесса формирования.
Способ реализуется с помощью устройства следующим образом.
Суспензию субмикро- или микрочастиц пропускают по одному из каналов, одна или все стенки которого образованы фильтрационной мембраной. По каналу, располагающемуся по другую сторону от фильтрационной мембраны, пропускают раствор полиэлектролита. Потоки суспензии частиц и раствора полиэлектролита проходят по каналу параллельно поверхности фильтрационной мембраны, скорость потоков и давление в них одинаковы. Размер пор фильтрационной мембраны должен быть равным или меньшим радиуса используемых субмикро- или микронных частиц и составляет от 70 нм до 1 мкм (пределы размеров пор представляют собой минимальный размер пор, используемый авторами при создании данного устройства). При этом мембрана остается проницаемой для молекул полиэлектролита, которые проходят сквозь неё вследствие разности концентраций по обе стороны от фильтрационной мембраны. Попадая затем в канал, по которому проходит суспензия частиц, молекулы полиэлектролита сорбируются на поверхность частиц вследствие действия сил электростатического притяжения.
После нанесения полиэлектролитного слоя остается избыток полиэлектролита в суспензии частиц, поэтому осуществляют промывку. По одному из каналов пропускают суспензию субмикро- или микрочастиц, а по второму каналу – промывочный раствор. При этом возникает градиент концентрации, обратный градиенту при нанесении. Вследствие этого избыток молекул полиэлектролита переходит из суспензии частиц в промывочный раствор сквозь фильтрационную мембрану.
Для формирования многослойного покрытия на частицах по одному из каналов затем последовательно пропускают растворы положительно и отрицательно заряженных полиэлектролитов или заряженных наночастиц. Между процессами сорбции полиэлектролитов по второму каналу пропускают промывочный раствор, в качестве которого может быть использована деионизованная вода. Цикл (положительно заряженный полиэлектролит (наночастицы) – промывочный раствор – отрицательно заряженный полиэлектролит (наночастицы) – промывочный раствор) повторяют до достижения необходимого количества слоёв покрытия.
На фиг.7 представлены изображения суспензии микрочастиц диоксида кремния размером 2±0,05 мкм, покрытых положительно заряженным полиэлектролитом полиаллиламин гидрохлорид, помеченным красителем флуоресцеином (РАН-FITC) (фиг. 7а). Далее на данные частицы с помощью описываемого устройства адсорбировали слой отрицательно заряженного полиэлектролита - полистирол сульфоната (РАН-FITC/PSS) (фиг.7,б), а затем – слой положительно заряженного полиэлектролита полиаллиламин гидрохлорида, помеченного красителем тетраметилродамин изотиоцианат (PAH-FITC/PSS/PAH-TRITC ) (фиг.7,в).
a
2
общ
В Таблице 1 представлены измеренные значения отношения количества агрегатов (n) к общему числу частиц SiO (n). Видно, что при нанесении покрытий данный параметр изменяется незначительно, что свидетельствует о низкой степени агрегации.
a
2
общ
Таблица 1. Отношение количества агрегатов (n) к общему числу частиц SiO(n) при нанесении на них покрытий с помощью описываемого способа и устройства.
Наименование слоёв
n<sub>a</sub>/n<sub>общ</sub>
Контроль, SiO<sub>2</sub>
0,29
Слой 1 SiO<sub>2</sub>@(PAH-FITC)
0,10
Слой 2 SiO<sub>2</sub>@ (PAH-FITC/PSS)
0,11
Слой 3 SiO<sub>2</sub>@ (PAH-FITC/PSS/PAH-TRITC)
0,14
На фиг. 7 видно, что сформированное на микрочастицах дикосида кремния покрытие однородно и не имеет локальных скоплений молекул полиэлектролитов.
Таким образом, заявляемая группа изобретений позволяет решить проблему формирования многослойного покрытия на субмикро- и микрочастицах методом послойной адсорбции путём проточного нанесения покрытий при расширении спектра используемых наноматериалов, обеспечивает получение однородных покрытий с низкой степенью агрегации.