BR102019008353A2

BR102019008353A2 - Equipamento e processo para deposição de materiais pulverizados em materiais particulados

Info

Publication number: BR102019008353A2
Application number: BR102019008353-0A
Authority: BR
Inventors: Adriano Friedrich Feil; Dario Eberhardt; Pedro Migowski Da Silva; Claudio Soave
Original assignee: União Brasileira De Educação E Assistência - Mantenedora Da Pucrs
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2020-11-03
Also published as: WO2020215139A1; EP3995602A4; EP3995602A1

Abstract

equipamento e processo para deposição de materiais pulverizados em materiais particulados a presente invenção descreve um equipamento e um processo capazes de realizar recobrimento de material metálico em materiais particulados, através da pulverização catódica (sputtering). tal invenção apresenta como principais vantagens, a produção estéril e semicontínua, precisão na espessura da camada recoberta e também a redução do ocupacional, visto que se trata de um processo semi-automatizado. a presente invenção é especialmente aplicada na fabricação de matérias primas a serem utilizadas na área médica.

Description

EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA DEPOSIÇÃO DE MATERIAIS PULVERIZADOS EM MATERIAIS PARTICULADOS

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção descreve um equipamento e um processo, capazes de realizar a deposição de materiais particulados, através de pulverização catódica (sputtering), de forma estéril e de produção semicontínua. Mais especificamente, tal invenção descreve um equipamento e processo de deposição (recobrimento) de materiais particulados, especialmente o polimetilmetacrilato (PMMA).

[0002] O equipamento e o processo objeto desta invenção tem aplicação direta na área médica, mas não se limita a essa, podendo também ser utilizados na indústria química, indústria aeroespacial, metal mecânica, alimentos, entre outras.

[0003] A presente invenção se situa nos campos da engenharia, física, química e medicina, especialmente na medicina estética e cirurgia plástica.

Antecedentes da Invenção

[0004] Alguns processos são utilizados pela indústria quando se deseja realizar a deposição de materiais, dentre os quais, destacamos banho eletrolítico, laser ablation, evaporação térmica, elétron beam, pulverização catódica sem se limitar.

[0005] O banho eletrolítico, também conhecido como galvanoplastia, refere-se a um processo de revestimento de materiais condutores, ou não condutores, por metais a partir de uma solução contendo íons destes metais.

[0006] O laser ablation, também conhecido como ablação por laser, caracteriza-se por um processo físico no qual um pulso de laser controlado é direcionado a um alvo removendo clusters desse alvo através da quebra de ligação via transferência de momento. Os clusters ejetados do alvo são depositados em um substrato.

[0007] A evaporação térmica, consiste no aquecimento via resistências elétricas de um material alvo até o seu ponto de sublimação. Neste ponto, o material começa a evaporar. O material evaporado se deposita em um substrato.

[0008] O elétron beam, muito similar ao processo de evaporação térmica, consiste no aquecimento via feixe de elétrons direcionados a um material alvo até o seu ponto de sublimação. O material evaporado se deposita em um substrato.

[0009] Na pulverização catódica, o substrato (material que se deseja depositar), é bombardeado com o alvo (material de deposição), através de canhões, dentro de uma câmara de vácuo.

[0010] A pulverização catódica é um processo que apresenta vantagens frente aos outros, como: menor impacto ambiental e ocupacional, menor espaço de operação e principalmente uma ligação mais duradoura entre os materiais, resultando em um produto com qualidade incomparável.

[0011] Em uma busca no estado da técnica, em bancos de dados nacionais e internacionais, foram localizados alguns documentos que versam sobre processos de deposição de materiais particulados, através de pulverização catódica.

[0012] O documento de número RU2477763-C1, intitulado “Method For Obtaining Polymer Nanocomposite Material “, aplicado na área de metalurgia, tal tecnologia descreve um processo de deposição de materiais poliméricos em pó, em uma câmara de vácuo. Entretanto, o referido processo possui parâmetros e etapas diferentes da matéria pleiteada, bem como não ensina um processo de fabricação inerte/asséptico.

[0013] O documento de número CN108219537-A, intitulada “Polyhedral Pigment And Preparation Method Thereof’, relata uma tecnologia no campo de pigmentos. Tal pigmento foi recoberto (depositado) com alumínio, através do processo de deposição catódica. O processo descreve controle da temperatura em função do tempo e também utiliza gases inertes, como nitrogênio e argônio. Entretanto, tal processo não relata fabricação asséptica em sua descrição.

[0014] O documento de número número US8968699, intitulado, "Switchable Nano-Vehicle Delivery Systems And Methods For Making And Using Them” tal documento relata materiais poliméricos em pó, entre os materiais, o polimetilmetacrilato, recoberto (depositado) com materiais metálicos. Entretanto, não é descrito o processo de deposição de tais metais no material polimérico em pó, através do sputtering.

[0015] Portanto, nenhum documento localizado no estado da técnica, antecipou os ensinamentos descritos no presente documento.

Sumário da Invenção

[0016] Em um primeiro aspecto, a presente invenção proporciona um equipamento para pulverização catódica de metais em materiais particulados;

[0017] É outro objeto da presente invenção proporcionar um equipamento de pulverização catódica que compreende uma antecâmara de entrada, uma câmara de deposição e uma antecâmara de saída;

[0018] É objeto adicional da presente invenção, uma câmara de deposição compreendendo pelo menos um canhão de pulverização;

[0019] É também objeto adicional, uma câmara de deposição, compreendendo um agitador;

[0020] É ainda objeto da invenção, processo automatizado de abertura do recipiente hermético e passagem da antecâmara de entrada para a câmara de deposição, por meio do emprego de diferença de pressão entre as câmaras;

[0021] É objeto da presente invenção, processo automatizado de passagem do material particulado da câmara de deposição para a antecâmara de saída e fechamento hermético do recipiente;

[0022] É também objeto da presente invenção o processo de deposição de materiais particulados, de forma estéril e de produção semicontínua;

[0023] É um objeto da presente invenção, a deposição de materiais particulados, através de pulverização catódica;

[0024] É um objeto da presente invenção um processo compreendendo:

a) fracionar os materiais particulados;
b) esterilizar os materiais particulados;
c) secar os materiais particulados;
d) carregar os materiais particulados na antecâmara de deposição;
e) recobrir os materiais particulados na câmara de deposição;
f) armazenar, realizar o controle e esterilizar os materiais particulados.

[0025] É objeto especial da presente invenção, os materiais particulados compreenderem, o polimetilmetacrilato (PMMA), de tamanho preferencial micrométrico;

[0026] É ainda objeto dessa invenção, os materiais pulverizados compreenderem os metais Ti, Ag, Au e suas combinações não limitado a esses podendo também ser Al, Si, Ga, Ge, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi e suas combinações, podendo também serem usados os seus respectivos óxidos, nitretos, carbetos e suas combinações.

[0027] É um objeto adicional da presente invenção, um processo de produção semicontínuo.

[0028] É também objeto da presente invenção, controle dos parâmetros de deposição como, abertura e fechamento de válvulas, injeção do gás, posicionamento do copo hermético, controle e medição do vácuo, controle e medição da pressão via automação.

Breve Descrição das Figuras

[0029] A Figura 1 representa o fluxo do processo e o equipamento de pulverização catódica.

Descrição Detalhada da Invenção

[0030] As principais vantagens do equipamento e processo de pulverização catódica em materiais particulados, da presente invenção são:

• Fabricação de um produto estéril;
• Eficiência no processo, uma vez que um lote pode iniciar o processo antes do término do outro (produção semicontínua);
• Precisão na camada recoberta (depositada), através do controle da frequência de agitação, relação entre massa do pó, área de abertura do copo, frequência de oscilação e interação química entre o pó e o material que será depositado. A frequência de oscilação e a massa do pó são parâmetros que apresentam uma relação inversa, ou seja, quanto maior a massa de pó, menor deverá ser a frequência de oscilação para que a camada fique homogênea. Outra relação é a área de abertura do copo e o tempo de deposição; foi observado que quanto maior a área do copo, menor foi o tempo de deposição para a obtenção de uma camada compacta e homogênea. A interação química entre o pó e o material que será depositado também poderá influenciar na homogeneidade da camada. Neste caso, quanto maior for a interação química entre o pó e o material depositado, mais compacta e homogenia será a camada depositada.
• Redução de recurso humano, uma vez que se trata de um processo semi-automatizado;

[0031] O equipamento foi projetado para fabricar partículas recobertas (depositadas) estéreis, preferencialmente através de pulverização catódica, especialmente utilizadas na área médica, como, por exemplo, preenchedores intradérmicos.

[0032] Para isso, foram desenvolvidos dispositivos, como as antecâmaras, que eliminam o contato do material particulado com o meio externo. Tais antecâmaras trabalham em sistema semi-automatizado.

[0033] Outro dispositivo que compreende o equipamento é o canhão de deposição, que tem a finalidade de pulverizar o material no alvo.

[0034] O equipamento também opera de forma semicontínua, ou seja, uma batelada de produção pode ser iniciada antes da finalização da anterior. Ou seja, quando a matéria recoberta passa para a antecâmara de saída, outra batelada pode ser inserida na antecâmara de entrada.

[0035] O equipamento de deposição catódica compreende:

a) Antecâmara de entrada;
b) Câmara de deposição;
c) Antecâmara de saída.

[0036] Na antecâmara de entrada ocorre o processo automatizado de abertura do frasco hermético e passagem da antecâmara de entrada para a câmara de deposição, por meio do emprego de diferença de pressão entre as câmaras, através de um tubo retrátil de material inerte, como por exemplo, o aço inoxidável 316L;

[0037] Em especial, a câmara de deposição compreende pelo menos um canhão de pulverização;

[0038] A câmara de deposição também compreende um agitador;

[0039] Na antecâmara de saída ocorre o processo automatizado de passagem da câmara de deposição para a antecâmara de saída e fechamento hermético do frasco, por meio do emprego de diferença de pressão entre as câmaras, através de um tubo retrátil de material inerte, como por exemplo, o aço inoxidável 316L.

[0040] A primeira etapa do processo inicia com o fracionamento do material nas porções desejadas.

[0041] Após essa etapa, o material particulado é esterilizado. Essa operação pode ser realizada tanto com calor úmido quanto por calor seco.

[0042] O próximo passo, é verificar se o material particulado está completamente seco (teor de umidade inferior à 0,1%), caso ainda esteja úmido, deve ser seco em forno à vácuo. O material particulado é fechado em recipiente hermético.

[0043] A etapa seguinte, compreende o carregamento do material particulado, dentro do recipiente hermético, na antecâmara de entrada.

[0044] Após carregar e fechar a antecâmara de entrada, é conectada a ela pelo menos uma bomba de vácuo que irá reduzir a pressão em até 10-8 mbar.

[0045] Depois, o frasco hermético é aberto, através de um mecanismo automatizado e a pressão se mantem em até 10-8 mbar. Imediatamente, na câmara de deposição, abre-se uma válvula gaveta, para liberar o acesso entre a antecâmara de entrada e a câmara de deposição. Através de um sistema automatizado, o material particulado é vertido do recipiente hermético, para o copo de agitação, através de um tubo retrátil, dentro da câmara de deposição.

[0046] Após a transferência, a válvula gaveta é fechada, bem como o acesso entre as câmaras.

[0047] Na sequência, há a possibilidade de se iniciar uma nova batelada, através da introdução de novo recipiente hermético, compreendendo material particulado estéril e seco, na antecâmara de entrada.

[0048] A pulverização do material particulado ocorre na câmara seguinte, a câmara de deposição. A pressão de base deve ser mantida entre 10-4 mbar e 10-9 mbar e a pressão de trabalho entre 10-1 e 10-3 mbar. Antes do processo de pulverização, os canhões de pulverização passam por um processo de limpeza (pre-sputtering), onde as superfícies dos alvos são limpas, para remover a camada de óxido e deixar o material a ser pulverizado com alto grau de pureza. Tal processo de limpeza ocorre com os canhões de pulverização protegidos por anteparos, para que não haja contaminação no material particulado.

[0049] Após o processo de limpeza, deve-se controlar os parâmetros de potência entre 5 e 1000 W e o tempo de processo entre 1 e 8 h, de acordo com a demanda desejada;

[0050] As condições finais desejadas de espessura, são controladas de acordo com a relação entre tempo e potência: Esta relação estabelecida como taxa de deposição pode variar de 0,015 nm.s-1 até 1,4 nm.s-1.

[0051] Assim que finalizar o tempo de deposição entre 1 e 8h, deve-se desligar a tensão, a agitação e a injeção de gás. Nesse momento, o material particulado já está recoberto.

[0052] Após a pulverização, o material particulado recoberto é transferido do copo de agitação (câmara de deposição) para um recipiente hermético (antecâmara de saída). Para tal, a antecâmara de saída deve estar com a pressão mantida entre 10-2 e 10-8 mbar. Na câmara de deposição, abre-se uma válvula gaveta, para liberar o acesso entre a câmara de saída e a câmara de deposição. Através de um sistema automatizado, o material particulado recoberto é vertido do copo de agitação, para o recipiente, através de um tubo retrátil, dentro da câmara de deposição.

[0053] Após a transferência, a válvula gaveta é fechada, bem como o acesso entre as câmaras.

[0054] A câmara de saída é preenchida com gás inerte (que pode ser nitrogênio ou argônio), o gás evita a contaminação do material particulado recoberto, na sequência, o recipiente é fechado hermeticamente.

Exemplo 1. Realização Preferencial

[0055] Uma realização do processo de pulverização catódica de titânio em micropartículas de polimetilmetacrilato (PMMA), compreende as etapas de:
1. fracionamento das micropartículas de PMMA, em uma cabine de segurança classe II dentro de recipientes de 0,1kg a 2kg, de acordo com a demanda da batelada;
2. esterilização das micropartículas de PMMA (pode ser por calor úmido ou calor seco):

2.1. a esterilização por calor úmido ocorre com a inserção do recipiente com as micropartículas de PMMA em autoclave, mantendo-se os parâmetros de temperatura, pressão e tempo à 121°C, 1,5 atm e 15min;
2.2. a esterilização por calor seco ocorre com a inserção do recipiente com as micropartículas de PMMA em forno, sendo mantidos os parâmetros de temperatura de 160°, pressão atmosférica e tempo de 2hs,;
2.3. verificar o percentual de umidade das micropartículas de PMMA, caso esteja igual ou maior que 0,1%, o recipiente contendo as micropartículas de PMMA deverá ser seco em forno à vácuo, por um período de 4h à 12h, na temperatura entre 100°C e 150°C e uma pressão de 10-1 mbar, podendo ser, preferencialmente em 4h e 100°C, com pressão de 10-1 mbar;
2.4. em atmosfera de gás inerte (atmosfera de gás argônio ou nitrogênio), o recipiente contendo as microesferas de PMMA é fechado hermeticamente ;

3. carregar a antecâmara de entrada com o recipiente, contendo material particulado, fechado hermeticamente;

3.1. manter a pressão em 10-2 mbar;
3.2. através de automação, o frasco fechado hermeticamente é aberto;
3.3. a câmara de deposição é aberta e as micropartículas de PMMA, contidas no recipiente são transferidas para o copo de agitação, por automação;
3.4. a câmara de deposição é fechada;

4. recobrir (depositar) as micropartículas de PMMA;

4.1. manter a câmara de deposição a pressão de base preferencial de 10-4 mbar à 10-6 mbar;
4.2. limpar os canhões de deposição:
4.2.1 proteger os canhões com anteparos;
4.2.2 ligar o agitador a uma frequência entre preferencial de 10 à 60Hz;
4.2.3. introduzir o gás que será ionizado para realizar a pulverização do material do alvo, até atingir a pressão preferencial de 10-3 mbar à 10-1 mbar;
4.2.4. ligar as fontes de tensão em potência preferencial de 5-300W pelo tempo preferencial de até 15min;
4.2.5. após o processo de limpeza, os anteparos são deslocados dos canhões;
4.2.6. manter a tensão entre 5 e 1000W, preferencialmente entre 40 e 120W, durante um período de 0,5 à 6 horas, preferencialmente de 5 à 6 horas;
4.2.7. desligar a tensão, a agitação, e a injeção de gás. Nesse momento, as microesferas de PMMA estão recobertas (depositadas).

5. Armazenamento das microesferas de PMMA, recobertas (depositadas) com camadas nanométricas de metais:

5.1. Transferir as microesferas de PMMA recobertas (depositadas), do copo de agitação que está dentro da câmara de deposição, para a antecâmara de saída. Processo feito por automação, que compreende as etapas de:
5.1.1. Inserir o recipiente com fechamento hermético na antecâmara de saída;
5.1.2. Baixar e manter a pressão da antecâmara de saída em 10-2 mbar.
5.1.3. a câmara de deposição é aberta e as micropartículas de PMMA, contidas no copo de agitação são transferidas para o recipiente com fechamento hermético, por automação;
5.1.4. a câmara de deposição é fechada;
5.1.5. a antecâmara de saída é preenchida com gás inerte, podendo, preferencialmente ser argônio ou nitrogênio;
5.1.6. o recipiente, contendo as microesferas de PMMA, recobertas (depositadas) com camada nanométrica de metal, é fechado hermeticamente.

6. controle de amostra:

6.1. em capela de fluxo laminar, retirar uma amostra de microesferas, do recipiente hermético, para realizar o controle físico-químico e microbiológico;
6.2. caso a amostra esteja contaminada, deve-se repetir a operação de esterilização, de acordo com a etapa 3, preferencialmente, 3.1;
6.3. após essa etapa, o recipiente é fechado hermeticamente.

Claims

Equipamento para deposição de materiais pulverizados em material particulado, caracterizado por compreender:
- a) antecâmara de entrada;
- b) câmara de deposição;
- c) antecâmara de saída.
Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender pelo menos um canhão de pulverização, na câmara de deposição.
Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um agitador na câmara de deposição.
Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um processo automatizado de abertura do recipiente hermético, na antecâmara de entrada.
Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um processo automatizado de passagem de material particulado da antecâmara de entrada para a câmara de deposição.
Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um processo automatizado de passagem de material particulado recoberto, da câmara de deposição, para a antecâmara de saída.
Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um processo automatizado de fechamento do recipiente hermético, na antecâmara de saída.
Equipamento, de acordo com as reivindicações 1, 5 e 6, caracterizado por compreender pelo menos um tubo retrátil para a passagem do material particulado, da antecâmara de entrada para a câmara de deposição e da câmara de deposição para a antecâmara de saída, preferencialmente construído de aço inoxidável.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, caracterizado por compreender:
- a) receber os materiais particulados;
- b) fracionar os materiais particulados;
- c) esterilizar os materiais particulados;
- d) secar os materiais particulados;
- e) carregar os materiais particulados na antecâmara de deposição;
- f) recobrir (depositar) os materiais particulados na câmara de deposição;
- g) armazenar, realizar o controle e esterilizar os materiais particulados.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela esterilização ser por calor úmido ou seco.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo carregamento na antecâmara de entrada, ser realizado de forma manual, onde o material particulado se encontra preferencialmente dentro de um recipiente fechado hermeticamente.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela abertura do recipiente hermético, na antecâmara de entrada, ser realizado preferencialmente por automação.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo transporte automatizado do material particulado, da antecâmara de entrada, para a câmara de deposição.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo transporte do material particulado, da antecâmara de entrada, para a câmara de deposição, ocorrer preferencialmente através de um tubo retrátil, do recipiente hermético, para o copo de agitação.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela etapa de recobrimento (deposição) dos materiais particulados compreender a etapa de limpeza dos canhões.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com as reivindicações 9 e 10, onde os canhões devem ser recobertos por um anteparo, para a limpeza.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com as reivindicações 9 e 10, onde a limpeza deve ocorrer em uma frequência preferencial de 10 à 60Hz, pressão preferencial de 10-2 à 10-1mbar, tempo preferencial até 15min e tensão preferencial de 5-300W.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicações 9, onde a etapa de recobrimento deve ocorrer em uma frequência preferencial de 5 à 35Hz, pressão preferencial de 10-3 à 10-1mbar, tempo de 0,5 à 6h e tensão de 5 à 1000W.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicações 9, onde a etapa de recobrimento (deposição) deve ocorrer preferencialmente, dentro do período de 5 à 6h e tensão de 40 à 120W.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela etapa de deposição finalizar com o transporte automatizado do material particulado recoberto (depositado), da câmara de deposição, para a antecâmara de saída.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo transporte do material particulado recoberto (depositado) ocorrer preferencialmente através de um tubo retrátil, do copo de agitação, para o recipiente com fechamento hermético.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fechamento do recipiente hermético, na antecâmara de saída, ser realizado preferencialmente por automação.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela abertura do recipiente hermético, na antecâmara de entrada, ser realizado preferencialmente por automação.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela retirada de uma amostra do material particulado recoberto (depositado), para realização de controle de qualidade.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela esterilização e secagem do material particulado recoberto (depositado).
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo material particulado ser preferencialmente o polimetilmetacrilato (PMMA), de tamanho preferencial micrométrico.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelos materiais pulverizados serem preferencialmente Ti, Ag ou Au.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por ser um processo semicontínuo.
Processo para deposição de materiais pulverizados em material particulado, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela automação ser controlada através dos parâmetros de deposição via automação das fontes de tensão, abertura e fechamento de válvulas, injeção do gás, posicionamento do copo hermético, controle e medição do vácuo, não limitados a esses.