СПОСОБ ИНКАПСУЛИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ ТВЕРДЫХ РЕАКЦИОННО-СПОСОБНЫХ ВЕЩЕСТВ
METHOD OF ENCAPSULATING PARTICLES OF SOLID REACTIVE SUBSTANCES

Изобретение относится к способу инкапсулирования частиц реакционно-способного вещества, например, таких как чистые металлы, металлоиды, щелочные металлы или их гидриды, которые реагируют с водяным паром в окружающей атмосфере, а также с различными растворителями, что затрудняет их использование в качестве энергетических добавок.
В современных отраслях промышленности используют высокоэффективные добавки, такие как цирконий, алюминий, бериллий, гидриды металлов. Однако недостаточно высокая термическая стабильность и сыпучесть производимых промышленностью вышеуказанных веществ, а также высокая гигроскопичность ограничивает их практическое использование.
Известны способы инкапсулирования различных окислителей в полимерные оболочки, которое приводит к улучшению их термостабильности и сыпучести (Патент США №3489593, 1970, Патент США №3520742, 1970, Патент США №3190776, 1965, С01В 11/18, С06В 45/00).
Известно изобретение, которое относится к способу инкапсуляции путем коацервации мелких частиц вещества, легко реагирующего с водой в нормальных атмосферных условиях. Частицы такого вещества (щелочного металла или очень мощного восстанавливающего агента) для снижения его гигроскопичности суспендируют (диспергируют) в раствор полиуретановой смолы в смеси двух растворителей, которые не реагируют с инкапсулируемым веществом (причем раствор готовят заранее), в полученную дисперсию добавляют дополнительно избыток одного из указанных растворителей, благодаря чему смола подвергается коацервации и осаждается на дисперсных частицах, полученную смесь диспергируют в несмешиваемую с ней слегка полярную жидкость, в которой растворен диизоцианат для сшивания полиуретановой смолы, инкапсулированное вещество отделяют от жидкости и сушат (патент США №3878121, МПК: B01J 13/08, B01J 3/10, C08G 18/00, 18/48, C09K 3/00, С22В 26/00, B01J 13/02, опуб. 15.04.1975). В преимущественном варианте исполнения изобретения используют растворители: метиленхлорид, и хлороформ для растворения полиуретановой смолы и избыток метиленхлорида для коацервации смолы. Смола содержит фенольные группы, а степень ее полимеризации равна 100. В качестве слабополярной жидкости используют трифтортрихлорэтан или дифтортетрахлорэтан, а для отверждения смолы - толуилендиизоцианат или гексаметилендиизоцианат. Полиуретановый раствор содержит следующие компоненты в массовых процентах: феноксиполиуретановая смола 3-25%, метиленхлорид 40-65%, хлороформ 25-50%.
Широкое распространение получила технология изготовления наночастиц с полимерным покрытием за счет использования сверхкритической текучей среды, например сверхкритической двуокиси углерода в качестве антирастворителя (Патент США №7537803, B05D 7/00, опубл. 26.05.2009). Технология предназначена как для инкапсуляции фармацевтических препаратов, косметических средств и пищевых продуктов, так и для химических веществ других отраслей промышленности, частности, для использования при получении покрытий, содержащих металлические наночастицы, где пассивируют полимерной пленкой наночастицы, при обработке энергетических материалов (топлив и взрывчатых веществ).
В одном из аспектов широко известного изобретения «Способ снижения чувствительности кристаллов взрывчатого энергетического вещества путем нанесения на него покрытия» (Патент РФ №2484887, B01J 2/00, опубл. 20.06.2013) применяют основной принцип указанной выше технологии по патенту США №7537803 для осаждения на кристаллах взрывчатого вещества полимерной пленки полибутадиена, в частности гидроксителехелатного, имеющего концевые гидроксильные группы, полибутадиена (НТРВ), полиуретана (PU), в частности адипата полидиэтиленгликоля (PDEGA), сополимера полиоксиэтилена и полиоксипропилена (РОЕ/POP), полиглицидилазида (PGA) или смеси указанных полимеров.
Способ включает: приготовление раствора по меньшей мере одного полимера в растворителе; суспендирование кристаллов покрываемого вещества в указанном растворителе и приведение в контакт полученной суспензии с жидкостным антирастворителем за пределами нормальных значений температуры и давления для инициирования осаждения указанного по меньшей мере одного полимера на поверхности указанных кристаллов. Желаемый результат был получен без применения повышенных температур, которые могли бы разрушить взрывчатое вещество. Также было показано, что такое тонкое, непрерывное и однородное покрытие может быть получено на всей поверхности кристаллов.
Недостаток способа: сложная технология, которая связана с необходимостью использования сверхкритической жидкости.
Известен способ покрытия частиц и полученные этим способом покрытые сферические частицы (Патент США №6087003, В32В 5/16, опубл. 11.07.2000), без использования трудноотделяемого органического растворителя, который заключается в суспендировании активного вещества, которое находится в твердом состоянии в сверхкритической жидкости, содержащей покрывающий материал, растворенный в ней, дальнейшем снижении температуры и/или давления указанной сверхкритической текучей среды в контролируемом состоянии, чтобы уменьшить растворимость материала покрытия и тем самым вызвать нанесение материала покрытия на вещество. Однако технология имеет ограничения при выборе природы полимера: низкая растворимость полимера в сверхкритической жидкости недопустима, поэтому типичные пленкообразующие материалы покрытия применяться не могут.
2
Известен, взятый за прототип, способ получения микрокапсул по патенту Франции №2753639, МПК: A61K 47/300, B01J 13/02, B01J 13/06, опубл. 27.03.1998 и патенту США №6183783, МПК: A61K 9/16, опубл. 6.02.2001. Способ заключается в покрытии полярным полимером частиц активного вещества и включает суспендирование активного вещества в раствор полярного полимера в органическом растворителе, создание контролируемым образом условий для десольватации полярного полимера и коацервации с последующим осаждением полимера на частицах суспензии, увеличение температуры и/или давления, чтобы экстрагировать растворитель с помощью СО в сверхкритическом состоянии, и извлечение микрокапсул.
Наряду с достоинствами, к которым относится возможность получения сухого порошка непосредственно из реактора-смесителя, исключая фазу сепарирования и сушки, серьезным недостатком способа является необходимость применения сложного оборудования.
Выбор в качестве прототипа изобретения Франции №2753639 обусловлен тем, что с патентуемым изобретением имеются общие признаки:
- суспендирование покрываемых веществ частиц твердого вещества в растворителе, в котором уже растворен материал покрытия;
- осаждение материала покрытия из раствора на поверхность покрываемых частиц, находящихся в суспензии;
- повышение температуры, затем охлаждение суспензии для создания условий, обеспечивающих осаждение.
2
Причина, по которой невозможно упростить технологию, является необходимость использования сверхкритической среды для извлечения растворителя из суспензии после коацервации полимера жидким CO.
Целью предполагаемого изобретения является разработка способа инкапсулирования частиц реакционно-способных твердых веществ, обеспечивающего получение частиц реакционно-способных твердых веществ с высокой термостабильностью, сыпучестью и низкой гигроскопичностью по упрощенной технологии.
Цель достигается способом инкапсулирования частиц твердых реакционно-способных веществ слоем конформационнораспределенного покрытия, основанным на осаждении пленкообразующего вещества с активной полярной группой из его раствора в органическом растворителе на инкапсулируемых частицах в условиях постоянного перемешивания в закрытом смесителе, в котором предварительно приготовленный раствор пленкообразующего вещества смешивают в смесителе с предварительно приготовленной суспензией инкапсулируемых частиц в растворителе, дозируя указанный раствор в смеситель с суспензией, нагретой до температуры, не превышающей температуру кипения растворителя, после перемешивания полученной смеси температуру снижают для выпадения осадка в виде микрокапсул, которые отправляют на сепарирование и сушку, при этом в качестве пленкообразующего вещества используют фторорганическое соединение, которое выбирают из числа олигомеров перфторкислоты или ее производных с молекулярной массой не более 5000, а для приготовления раствора и суспензии используют одинаковый фторорганический растворитель.
В преимущественном варианте исполнения способа, в качестве суспензию инкапсулируемых частиц в растворителе готовят в соответствии с объемным их соотношением: 1:(5-10).
В частном случае в качестве растворителя используют перфторгексан или 1,2 дифтортетрахлорэтан или трифтортрихлорэтан.
В частном случае в качестве для определения массового содержания закапсулированного продукта в смеситель-реактор добавляют краситель в количестве 1% к объему реактора после охлаждения реактора до комнатной температуры.
Указанная совокупность признаков изобретения, отраженная в независимом пункте формулы, позволяет инкапсулировать частицы реакционно-способных веществ слоем покрытия, обеспечивающего высокую термостойкость, сыпучесть и низкую гигроскопичность. Характерная особенность полученного покрытия - его конформационная распределенность, т.е. точное соответствие покрываемой поверхности, включая в порах и трещинах (как и в прототипе); в отличие от прототипа осаждение покрытия на частицах осуществляется без использования сверхкритической жидкости CO2, что упрощает процесс. Упрощение технологии обеспечивается выбором природы материала покрытия, который по существу является поверхностно-активным веществом (Фтор-ПАВ).
Создаются на поверхностях молекулярные хемосорбированные самоорганизующиеся слои.
Выпаривание растворителя при кипячении обеспечивает присоединение путем хемосорбции полярного конца молекулы перфторкислоты к контактирующему с молекулами поверхностного слоя инкапсулируемых частиц покрываемого материала.
Изобретение иллюстрируется чертежами и примерами конкретного исполнения.
Фиг. 1 - иллюстрирует схематическое изображение полного процесса согласно изобретению;
Фиг. 2 - схематическое изображение технологической линии инкапсулирования в соответствии с изобретением;
Фиг. 3 - схематическое изображение реактора (смесителя), который включает корпус 1 с обратным холодильником 2, снабженный рубашкой 3 для подачи горячей и холодной воды, плотно закрывающейся крышкой 4, узлом выгрузки 5, мешалкой 6 и электроприводом 7, термометром 8, связанным проводной линией с регулятором (без позиции) нагрева (охлаждения) водяной бани (рубашки);
Фиг. 4 - фотография общего вида реактора без измерительных приборов;
Фиг. 5 - фотография общего вида реакторов с измерительными приборами;
Фиг. 6 - микрофотография инкапсулированных частиц алюминия.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - корпус реактора (смесителя);
2 - обратный холодильник для улавливания и конденсации паров растворителя;
3 - водяная баня (рубашка для подачи воды нужной температуры);
4 - крышка;
5 - узел выгрузки;
6 - мешалка электрическая;
7 - электропривод;
8 - термометр;
9 - дозатор реакционно-способных твердых частиц;
10 - дозатор раствора перфторкислоты;
11 - ультразвуковой аппарат;
12 - сепаратор;
13 - осушитель.
Реализация изобретения
Способ включает смешивание в закрытом смесителе предварительно приготовленных суспензии твердых частиц в фторорганическом растворителе и раствора в таком же растворителе пленкообразующего вещества - перфторкислоты, путем дозирования указанного раствора в суспензию, нагретую до температуры, не превышающей температуру кипения растворителя, перемешивание полученной смеси, затем снижение температуры для выпадения осадка в виде микрокапсул, которые отправляют на сепарирование и сушку. Молекулярная масса перфторкислоты не превышает 5000. Суспензию инкапсулируемых частиц готовят в соответствии с объемным соотношением 1:(5-10), в качестве растворителя используют перфторметилциклогексан или 1,2 дифтортетрахлорэтан или трифтортрихлорэтан. В реактор добавляют краситель в количестве 1% к объему реактора.
Пример 1 для осуществления способа инкапсулирования химически активного (реакционно-способного) твердого вещества - мелкодисперсный алюминий с размерами частиц от 0,1 до 30 мкм.
2
Для подготовки суспензии исходной концентрации частиц алюминия 2% масс. в стеклянную емкость-смеситель 1 с круглым дном объемом 10 литров заливали дисперсионную среду (перфторметилциклогексан) в количестве 1 литра (оптимальный объем) и добавляли порошок алюминия марки АСД-1 ТУ 48-5-100-75 с размером частиц от 0,1 до 30 мкм и удельной поверхностью в пределах 0,15-0,17 м/г в количестве 40 г.
Полученную суспензию нагревали до температуры кипения перфторметилциклогексана (76,3°С) с помощью водяной бани 3 и термометра 8, соединенного с регулятором нагрева (не показан).
Механическое перемешивание осуществляли со скоростью 200 об/мин в течение 5 мин с помощью электрической мешалки 5. Затем вливали инкапсулирующий состав - технический продукт - эпилам марки «Автокон-0,5» по ТУ 2229-008-27991970-95, представляющий собой 1% раствор перфторполиэфирокислоты марки 6МФК-180 в перфторметилциклогексане отечественного производства с молекулярной массой до 5000 мол. ед., являющийся пленкообразующим веществом в количестве 5 литров и смесь перемешивали в течении 10 мин. Температуру суспензии поддерживали не более 76,3°С в течение всего процесса инкапсулирования. После завершения процесса суспензию остужали до температуры 20±5°С, в реактор добавляли краситель в количестве 1% к объему реактора для дальнейшего определения процентного содержания закапсулированного продукта, проводили перемешивание суспензии в течении 5 минут, содержимое реактора (смесь микрокапсул и раствора) выгружали через узел выгрузки 5 в сепаратор 12, полученный продукт переносили в сушильный шкаф 13 и сушили при температуре 60°С в течение 1,5-2 часов. Контроль качества полученного продукта определяли на электронном микроскопе. В связи с тем, что осажденная пленка на частицах не подвергается окрашиванию, то при анализе покрытия частиц на электронном микроскопе непокрытые частицы будут окрашены в цвет красителя. На фиг. 6 приведена микрофотография инкапсулированных частиц алюминия.
Влагопоглощение полученных инкапсулированных частиц оценивали по изменению веса осушенного продукта и пролежавшего в течении суток в окружающей атмосфере; сыпучесть частиц полученного вещества характеризовали углом естественного откоса; измеряли также сплошность микрооболочек (см. таблицу ниже).
Пример 2 отличается от примера 1 дисперсионной средой и растворителем олигомера - 1,2 дифтортетрахлорэтан, а также временем кипения суспензии - 10 минут, при температуре кипения 92,8°С.
2
Пример 3. Для подготовки суспензии исходной концентрации частиц алюминия 2% масс. в стеклянную емкость-смеситель 1 объемом 10 литров заливали дисперсионную среду (перфторметилциклогексан) в количестве 1 литра (оптимальный объем) и добавляли порошок алюминия марки АСД-4 ТУ 48-5-1-72 с размером частиц от 0,1 до 30 мкм и повышенной удельной поверхностью в пределах 0,33-0,42 м/г (за счет преобладания мелкой фракции) в количестве 40 г.
Полученную суспензию нагревали до температуры кипения перфторметилциклогексана (не более 76,3°С) с помощью водяной бани 3 и термометра 8, соединенного с регулятором нагрева (не показан).
Механическое перемешивание осуществляли со скоростью 200 об/мин в течение 5 мин с помощью электрической мешалки 5. Затем включали генератор акустических колебаний (ультразвуковой аппарат) и вливали инкапсулирующий состав - технический продукт - эпилам марки «Автокон-0,5» по ТУ 2229-008-27991970-95 с объемом, описанным в первом примере.
Мощность излучения аппарата составляла 100 Вт, частота колебаний ~25 кГц.
Дальнейшее проведение процесса инкапсулирования и получения микрокапсул осуществляли по примеру 1.
Пример 4. В качестве инкапсулированного вещества используется перфторкислота (ТУ 6-02-2-610-80) с мол. массой 2194, числом звеньев 12. Инкапсулирующий состав - раствор указанного олигомера в трифтортрихлорэтане с температурой кипения 47,3°С. Дальнейшее проведение процесса инкапсулирования и получения микрокапсул осуществляли по примеру 1.
Угол естественного откоса определялся по стандартным методике.
Из таблицы 1 видно, что влагопоглощение полученных по предлагаемому способу частиц инкапсулированного алюминия ниже влагопоглощения исходного продукта. Частицы обладают хорошей сыпучестью. В результате микрокапсулирования частицы покрыты тонкой пленкой толщина которой составляет ~2% от массы покрываемой частицы.
В промышленных условиях для осуществления способа после проведения технологического процесса в реакторе содержимое выгружается в сепаратор по герметичному путепроводу.
Метод простой, не сложный, и требует только лишь нескольких (двух) веществ, которые широко доступны.