CN106414332A - 用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法，以及通过该方法获得的包含表面反应的碳酸钙的颗粒，所述方法通过以下步骤来完成：a)提供表面反应的碳酸钙；b)用一种或更多种液体使表面反应的碳酸钙饱和；c)提供一种或更多种粘合剂；d)在搅拌装置中在搅拌下将经液体饱和的表面反应的碳酸钙与一种或更多种粘合剂合并；e)从步骤d)的混合物中除去液体。

Description

用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法
本发明涉及用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法，以及由此获得的颗粒。
在1998年，一种新型的表面反应的碳酸钙首先描述于FR 2787802 B1中，随后描述于WO 00/39222 A1和US 2004/0020410 A1中，并且其基于天然研磨碳酸钙与气态CO2和一种或更多种中强至强的H3O+离子提供者的反应。获得的产物为具有特殊的表面结构、孔隙度和比表面积的多孔碳酸钙，当其用作纸的颜料或涂层填料时，其对于恒定的表面积提供了该纸重量的减少而无物理特性损失。
在WO 2004/083316 A1中，描述了该表面反应的碳酸钙的制备中的另一有利改进，其中涉及硅酸铝、合成二氧化硅、硅酸钙、硅酸盐和/或酯和/或单价盐，并且其也可用于造纸应用。
此外，WO 2005/121257 A2提及在所述表面反应的碳酸钙的制造中添加有利的添加剂，其中添加一种或更多种式R-X的化合物，所述化合物例如选自脂肪酸、脂肪胺或脂肪醇。
WO 2009/074492 A1特别涉及关于沉淀碳酸钙的已知方法的优化，结果是由于碳酸钙的沉淀中的特殊条件，对天然研磨碳酸钙有用的方法不能为合成沉淀碳酸钙的表面反应提供相同的良好结果。
用于制备表面反应的碳酸钙的方法的数种进一步优化和改进遵循例如EP 2 264108 A1(WO 2010/146530 A1)和EP 2 264 109 A1(WO 2010/146531 A1)中描述的那些，其涉及在表面反应的碳酸钙的制备中使用弱酸。
然而，这些文献中没有一篇明确提到表面反应的碳酸钙的制粒。
然而，在许多应用中颗粒相当重要并且比粉末更优选。因此，产生尺寸范围通常为0.2mm至4.0mm(根据其后续使用)的颗粒的粉末团聚被广泛用于改善粉末的物理性能，如：润湿性、流动性、堆积密度和产品外观。
此外，进行制粒例如以防止粉末混合物的成分分离，以防止起尘或改善流动性。
制粒，即其中使初级粉末微粒粘附以形成更大的多微粒实体的方法，是一种通过在微粒间产生连接(例如，通过粘合剂)而将微粒收集在一起的方法。
制粒的最重要的类型之一是湿法制粒，其中通过向在叶轮作用下的粉末床上添加制粒液体而形成颗粒。产生体系以及制剂中的组分润湿的搅拌导致初级粉末微粒团聚以产生湿颗粒。制粒液体包含必须为挥发性使得其可通过干燥除去且为无毒的溶剂。混入粉末中的水可在粉末微粒之间形成足够强以将粉末微粒固定在一起的连接。然而，一旦水干燥，粉末就可能散开。因此，水可能不足够强以产生和保持连接。在这样的情况下，制粒液体包含粘合剂。
关于表面反应的碳酸钙，颗粒通常也是已知的。例如，在EP 2 264 108 A1(WO2010/146530 A1)中，提及通过其中所描述的方法获得的表面反应的碳酸钙可为饼状物、颗粒或粉末的形式，并且在描述表面反应的碳酸钙的不同用途(例如在水纯化中作为可控释放载体、在快速崩解剂型或胃滞留(gastroretentive)药物制剂和递送系统中)的多篇文献(EP 1 975 310 B1、EP 1 982 759 B1、EP 1 974 807 B1、EP 1 974 806 B1、EP 2 589 430A1、WO 2010/037753 A1、EP 2 719 373 A1或EP 2 719 376 A1)中，普遍提及颗粒。
然而，由生产表面反应的碳酸钙的基本方法或通过湿法制粒获得的这些颗粒具有几个缺点，例如，低稳定性和高脆性，或者需要大量粘合剂以增加颗粒的稳定性。
因此，表面反应的碳酸钙可使用多种方法制粒，但是由于其孔隙度，常规方法不提供期望的结果。已证实，制粒很难处理稳定的产物，需要大量的粘合剂并且仍未能显示出很大的强度。
在许多试验之后，已建立如下理论：制粒液体中所含的粘合剂的相当大一部分损失于表面反应的碳酸钙微粒的孔结构中，并且出人意料地发现，如果将微粒的孔首先用制粒液体饱和，而随后添加粘合剂，不仅可以提高所得颗粒的稳定性，而且可以减少粘合剂的量。
因此，本发明的目的在于提供用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法，该方法具有减少的粘合剂需求量，其中颗粒具有提高的稳定性。
该目的通过用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法实现，所述方法的特征在于以下步骤：
a)提供表面反应的碳酸钙，其中所述表面反应的碳酸钙是天然研磨碳酸钙或沉淀碳酸钙与二氧化碳和一种或更多种酸的反应产物，其中所述二氧化碳通过酸处理原位形成和/或由外部来源供应；
b)用一种或更多种液体使所述表面反应的碳酸钙饱和；
c)提供一种或更多种粘合剂；
d)在搅拌装置中在搅拌下将经液体饱和的表面反应碳酸钙与所述一种或更多种粘合剂合并；
e)从步骤d)的混合物中除去所述液体。
经受表面处理的碳酸钙可为天然研磨碳酸钙(GCC)或合成的，即沉淀碳酸钙(PCC)。
天然研磨碳酸钙优选地选自包含碳酸钙的矿物，所述矿物选自包括以下的组：大理石、白垩、白云石、石灰石及其混合物。沉淀碳酸钙优选地选自包括以下的组：具有文石、六方碳钙石或方解石矿物晶形的沉淀碳酸钙，或其混合物。
在一个优选的实施方案中，在用一种或更多种酸和二氧化碳处理之前，对天然碳酸钙或沉淀碳酸钙进行研磨。研磨步骤可用任何常规研磨装置(例如技术人员已知的研磨机)进行。
在一个优选的制备方法中，细碎的(例如通过研磨)或未细碎的天然碳酸钙和合成碳酸钙悬浮于水中。优选地，基于浆料的重量，浆料的天然碳酸钙或合成碳酸钙的含量在1重量％至80重量％，更优选3重量％至60重量％，甚至更优选5重量％至40重量％的范围内。
在下一步骤中，向包含天然碳酸钙或合成碳酸钙的水性悬浮液中添加酸，该酸在本发明的情况下为布朗斯特(Bronsted)酸，即H3O+离子供体。优选地，所述酸在25℃下的pKa为2.5或更小。如果在25℃下的pKa为0或更小，则所述酸优选地选自硫酸、盐酸或其混合物。如果在25℃下pKa为0至2.5，则所述酸优选地选自H2SO3、M+HSO4 -(M+为选自包括钠和钾的组的碱金属离子)、H3PO4、草酸或其混合物。
可以将一种或更多种酸作为浓溶液或较稀溶液添加至悬浮液中。优选地，酸与天然碳酸钙或合成碳酸钙的摩尔比为0.05至4，更优选0.1至2。
作为一种替换方案，还可以在天然碳酸钙或合成碳酸钙悬浮之前将酸添加至水中。
在下一步骤中，用二氧化碳处理天然碳酸钙或合成碳酸钙。如果强酸(例如硫酸或盐酸)被用于天然碳酸钙或合成碳酸钙的酸处理，自动形成二氧化碳。替代地或另外地，二氧化碳可由外部来源供应。
在使用强酸时的情况下，酸处理和用二氧化碳处理可同时进行。还可以首先例如用pKa为0至2.5的中强酸进行酸处理，然后用由外部来源供应的二氧化碳进行处理。
优选地，以体积计，悬浮液中气态二氧化碳的浓度为使得(悬浮液的体积)：(气态CO2的体积)比为1∶0.05至1∶20，甚至更优选1∶0.05至1∶5。
在一个优选的实施方案中，酸处理步骤和/或二氧化碳处理步骤重复至少一次，更优选数次。
在酸处理和二氧化碳处理之后，在20℃下测量的水性悬浮液的pH自然地达到大于6.0，优选地大于6.5，更优选地大于7.0，甚至更优选地大于7.5的值，从而制备了表面反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙作为pH大于6.0，优选地大于6.5，更优选地大于7.0，甚至更优选地大于7.5的水性悬浮液。如果使水性悬浮液达到平衡，则pH大于7。当水性悬浮液的搅拌持续足够的时间段，优选1小时至10小时，更优选1小时至5小时，可以在无需添加碱的情况下调节大于6.0的pH。
或者，在达到平衡(其在pH大于7时出现)之前，可以通过在二氧化碳处理之后添加碱来使水性悬浮液的pH增加至大于6的值。可以使用任何常规的碱，例如氢氧化钠或氢氧化钾。
WO 00/39222 A1、WO 2004/083316 A1、WO 2005/121257 A2、WO 2009/074492 A1、EP 2 264 108 A1、EP 2 264 109 A1和US 2004/0020410 A1中公开了关于制备表面反应的天然碳酸钙的更多细节，这些参考文献的内容在此包含在本申请中。
可用于本发明的表面反应的碳酸钙还可以通过使研磨天然碳酸钙与至少一种水溶性酸及与气态CO2接触来制备，其中当在20℃下测量时，所述酸的pKa大于2.5且小于或等于7，这与它们的第一可用氢的电离，以及在失去该第一可用氢时形成的能够形成水溶性钙盐的相应阴离子有关。随后，另外提供至少一种水溶性盐，其在含氢盐的情况下当在20℃下测量时pKa大于7，这与第一可用氢的电离，以及能够形成水不溶性钙盐的盐阴离子有关。
在这方面，示例性的酸为乙酸、甲酸、丙酸及其混合物，所述水溶性盐的示例性阳离子选自：钾、钠、锂及其混合物，并且所述水溶性盐的示例性阴离子选自：磷酸根、磷酸二氢根、磷酸一氢根、草酸根、硅酸根、其混合物及其水合物。
EP 2 264 108 A1和EP 2 264 109 A1中公开了关于制备这些表面反应的天然碳酸钙的更多细节，其内容包含在本申请中。
相似地，获得了表面反应的沉淀碳酸钙。如可以从WO 2009/074492 A1中详细得知的，表面反应的沉淀碳酸钙是通过在水介质中使沉淀碳酸钙与H3O+离子以及与溶解于水性介质中且能够形成水不溶性钙盐的阴离子接触以形成表面反应的沉淀碳酸钙的浆料而获得，其中所述表面反应的沉淀碳酸钙包含形成于沉淀碳酸钙的至少一部分的表面上的所述阴离子的至少部分结晶的不溶性钙盐。
所述溶解钙离子对应于相对于沉淀碳酸钙被H3O+离子溶解时自然产生的溶解钙离子过量的溶解钙离子，其中所述H3O+离子仅以阴离子的平衡离子的形式提供，即，通过添加酸或非钙酸式盐形式的阴离子，并且在不存在任何其他钙离子或钙离子产生源的情况下提供。
所述过量溶解钙离子优选地通过添加可溶性中性或酸式钙盐，或者通过添加原位产生可溶性中性或酸式钙盐的中性或酸式非钙盐或者酸来提供。
所述H3O+离子可以通过添加酸或所述阴离子的酸式盐，或者添加同时用于提供全部或一部分所述过量溶解钙离子的酸或酸式盐来提供。
在制备表面反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙的一个优选的实施方案中，天然碳酸钙或合成碳酸钙与酸和/或二氧化碳在选自以下的至少一种化合物的存在下反应：硅酸盐、二氧化硅、氢氧化铝、碱土金属铝酸盐(例如铝酸钠或铝酸钾)、氧化镁或其混合物。优选地，至少一种硅酸盐选自硅酸铝、硅酸钙或碱土金属硅酸盐。在添加酸和/或二氧化碳之前，可以向包含天然碳酸钙或合成碳酸钙的水性悬浮液中添加这些组分。
或者，可以在天然碳酸钙或合成碳酸钙与酸和二氧化碳的反应已经开始时向天然碳酸钙或合成碳酸钙的水性悬浮液中添加硅酸盐和/或二氧化硅和/或氢氧化铝和/或碱土金属铝酸盐和/或氧化镁组分。WO 2004/083316 A1中公开了关于在至少一种硅酸盐和/或二氧化硅和/或氢氧化铝和/或碱土金属铝酸盐组分的存在下制备表面反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙的更多细节，此参考文献的内容在此包含在本申请中。
表面反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙可以保持在悬浮液中，任选地通过分散剂进一步稳定化。可以使用技术人员已知的常规分散剂。优选的分散剂为聚丙烯酸。
或者，可对上述水性悬浮液进行干燥。
待用于本发明的表面反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙优选地以干燥的粉末形式提供。
此外，在一个优选的实施方案中，根据ISO 9277的BET法使用氮气测量，所述经反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙的比表面积为1m2/g至200m2/g，优选2m2/g至150m2/g，更优选20m2/g至80m2/g，最优选40m2/g至50m2/g。
优选地，用Malvern Mastersizer 2000激光衍射系统(Laser DiffractionSystem)测量的，所述表面反应的碳酸钙的体积中值粒径d50为0.5μm至50μm，优选0.7μm至25μm，更优选0.8μm至20μm，特别是1μm至10μm。方法和仪器是技术人员已知的，并且通常用于确定填料和颜料的粒径。
优选地，根据如实验部分中所述的水银测孔法计算，表面反应的天然碳酸钙或合成碳酸钙的微粒内(intra-particle)孔隙度在5体积％(v/v)至50体积％(v/v)，优选20体积％(v/v)至50体积％(v/v)，特别是30体积％(v/v)至50体积％(v/v)的范围内。
优选地，根据如实验部分中所述的水银测孔法计算，所述表面反应的碳酸钙的微粒内侵入(intruded)比孔隙体积在0.150cm3/g至1.300cm3/g，并且优选地0.178cm3/g至1.244cm3/g的范围内。在累积侵入数据中看到的总孔隙体积可被分成两个区域，其中从214μm直到约1至4μm的侵入数据示出了起重要作用的任何团聚结构之间的样品的粗填充。小于这些直径的是微粒自身的细微粒间填充。如果它们还具有微粒内孔，则该区域出现双峰。这三个区域的总和给出了粉末的总全部孔隙体积，但是强烈依赖于原始样品压实/在分布的粗糙孔端处的粉末沉降。
通过取累积侵入曲线的一阶导数，揭示了基于等效拉普拉斯(Laplace)直径的孔径分布(不可避免地包括孔屏蔽)。微分曲线清楚地示出了粗团聚物孔结构区域、微粒间孔区域和微粒内孔区域(如果存在的话)。知道微粒内孔隙直径范围，可以从总孔隙体积中减去剩余的微粒间孔隙体积和团聚物间孔隙体积，以单独作为每单位质量的比孔隙体积提供期望的内孔的比孔隙体积。当然，相同的减法原理适用于分离任何其他感兴趣的孔径区域。
因此，根据水银测孔法计算，确定为每单位微粒体积的孔隙体积的微粒内孔隙度在20体积％(v/v)至99体积％(v/v)，优选30体积％(v/v)至70体积％(v/v)，更优选40体积％(v/v)至60体积％(v/v)的范围内，例如50体积％(v/v)。
通过水银测孔法所确定的，所述表面反应的碳酸钙的孔径优选在10nm至100nm的范围内，更优选在20nm至80nm，特别是30nm至70nm的范围内，例如50nm。
如上所述，在使表面反应的碳酸钙微粒粒化之前，用制粒液体使其饱和。
该液体通常可以是常用于制粒领域中的任一种液体，并且优选地选自包括以下的组：水、甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇、正丙醇及其混合物。根据本发明的最优选的液体为水。
液体的选择还将取决于粘合剂的性质以确保其在制粒过程中均匀分布。
液体可以包含少量化合物如矿物和盐(例如自然存在于水中的那些)。其还可以包含痕量的通常发现于生产设备的水系统中的聚合物，例如表面活性剂、分散剂、浮选剂等。
然而，根据本发明，液体充当制粒液体，即，用于湿法制粒的溶剂或介质。其不应被理解为活性成分，即，在生物体中具有特定作用并引起特定反应的物质，例如用于人、动物或植物的药物、杀虫剂、除草剂、杀真菌剂、杀生物剂、驱虫剂、食品、化妆品、香料、甜味剂、芳香剂、阻燃剂等。
液体饱和可通过将液体添加至干燥或未完全饱和的表面反应的碳酸钙中来实现，或者如果表面反应的碳酸钙作为悬浮液或滤饼提供，则液体饱和还可以通过除去过量液体来实现。这可以通过本领域技术人员已知的技术热地或机械地进行。例如，可使用以下设备或装置除去过量液体：喷射干燥器、闪蒸干燥器、喷雾干燥器或流化床。
根据本发明，如果微粒的整个微粒内孔隙体积被液体填充，则将其限定为液体饱和的。过饱和可以通过微粒开始彼此粘附从而似乎尺寸变大来视觉可见。材料的饱和可以凭视觉和触觉确定。为了确定最佳点，以干粉末开始，可以通过喷雾瓶或者使水均匀分配到粉末中的一些其他方式缓慢地添加水。在添加水的同时或者在每次喷水之间，混合粉末是重要的。粉末的持续混合将确保水适当地遍及分布。当这在饱和以下发生时，材料将仍继续表现得像粉末，这意味着当摇动时材料不均匀、轻轻地流动并且继续起尘。当不均匀地增加水含量时，仍可形成偶尔小的团块，但是在饱和之前，当加工回粉末的其余部分中时这些小团块容易再次破裂。当手开始感觉粉末冷但粉末仍使手保持干燥时，可以看出接近饱和但未达到饱和。如果此时材料仍看起来为粉末状且不出现团聚，则可以添加更多水。当产物不再如粉末一样自由地流动，而是当在手指之间挤压时出现轻微团聚并粘在一起时，可以定义为饱和或接近饱和。然而，在过程的早期，当小团聚物可通过将其加工回粉末的其余部分中且因此水分布在整个材料中而破裂时，经达到饱和，这些团聚物不能容易地破裂，因为水在产物中是无处不在的并因此不能进一步分布。
材料不过饱和是重要的，其中材料看起来已形成颗粒，或者感觉、看起来或粘的像泥。因此，通过这些初始试验可以确定水的必需含量，并且随后，例如在更大规模下，可使用使材料达到该固体含量的其他方式，包括自动混合/添加水或者甚至干燥滤饼/浆料至期望含量。
可用于本发明的步骤c)的粘合剂通常是制粒领域中公知的那些粘合剂。在一个优选的实施方案中，一种或更多种粘合剂选自包括以下的组：合成聚合物，例如甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟丙基纤维素(HPC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸酯；和天然粘合剂如植物胶，例如阿拉伯树胶、黄蓍胶、桧树胶(sandarac)、茄替胶(ghatti)、梧桐胶(karaya)、刺槐豆胶(locust bean)和瓜尔豆胶(guar)；蛋白质，例如明胶、酪蛋白、胶原；糖类和多糖，例如淀粉及其衍生物、菊糖、纤维素、果胶、角叉菜胶(carrageenan)和糖；动物分泌液，例如虫胶；褐藻酸及其混合物。
在这方面，应注意，如果需要的话，粘合剂在某些条件下还可以具有崩解特性。本领域已知的这样的粘合剂(例如，物理改性淀粉)在制粒条件下具有粘合特性，但是如果需要的话能够通过例如水分吸附和溶胀来崩解颗粒。
通常，基于步骤a)的表面反应的碳酸钙的重量，向经液体饱和的表面反应的碳酸钙中添加0.5重量％至50重量％，优选1重量％至25重量％，更优选1.5重量％至20重量％，甚至更优选2.5重量％至15重量％，最优选5重量％至10重量％，例如9重量％的量的一种或更多种粘合剂。
粘合剂可以以干燥形式或者以乳液、分散体或溶液的形式添加。在粘合剂以干燥形式或以非常高的浓缩形式添加的情况下，在步骤e)之前的步骤d)期间可能需要额外的液体。
本发明的一个优选方面是，与如果在添加一种或更多种粘合剂之前表面反应的碳酸钙将不被液体饱和相比，根据本发明的方法需要较少的粘合剂。
关于添加顺序，优选的是将一种或更多种粘合剂与步骤b)的经液体饱和的表面反应的碳酸钙同时或者在步骤b)的经液体饱和的表面反应的碳酸钙之后添加至搅拌装置中。
然而，在步骤d)中将步骤b)的经液体饱和的表面反应的碳酸钙与步骤c)的一种或更多种粘合剂合并之后，可能需要调节粘合剂、表面反应的碳酸钙和/或经液体饱和的碳酸钙的量。
因此，可优选的是如果步骤d)的混合物看起来太像液体或像糊状，则添加另外的表面反应的碳酸钙或经液体饱和的表面反应的碳酸钙或其混合物。
基于步骤a)中提供的表面反应的碳酸钙的重量，额外的表面反应的碳酸钙或经液体饱和的表面反应的碳酸钙或其混合物可以以1重量％至30重量％，优选5重量％至20重量％，更优选8重量％至15重量％，例如10重量％的量添加。
在另一方面，如果混合物太像粉末，则添加更多的液体可能是有利的。当液体添加接近足够时，小的团聚物将在初级团聚相中形成，其可能不具有期望的尺寸。经进一步添加液体，颗粒的尺寸将在可称作二次团聚相的相中变得更大，其中然后初级团聚物彼此团聚，并且可获得较大尺寸的颗粒(如果需要的话)。
如果以乳液、分散体或溶液的形式添加粘合剂，则可不需要添加入另外的液体。
一旦已经分别获得了期望的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布，混合物就具有适当的稠度，因此可继续搅拌。
制粒设备可以选自常规用于制粒目的的设备。因此，搅拌装置可以选自包括以下的组：爱立许(Eirich)混合器、流化床干燥器/制粒机/混合器、板式制粒机、台式制粒机、鼓式制粒机、圆盘制粒机、盘式制粒机、犁头式混合器、高速搅拌机和快速混合制粒机。
可以注意到，根据使用的方法或混合速度，关于待获得的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布可能存在差异。
例如，使用流化床混合器来制粒似乎提供比混合器更均匀的颗粒尺寸分布，而混合器提供更宽的尺寸分布。因此，可提供多种尺寸范围。
在制粒过程完成之后，通过使液体与所得颗粒分离来除去液体。这优选地通过干燥，例如通过选自包括以下的组中的方式来实现：在旋转烘箱中干燥、喷射干燥、流化床干燥、冷冻干燥和闪蒸干燥。
所得颗粒可以具有宽的尺寸范围，其中不同粒级可通过常规方法(例如筛分)分离。
通常，颗粒的体积中值粒径可为0.1mm至6mm，优选0.2mm至5mm，并且更优选0.3mm至4mm。根据颗粒的预期用途，可获得0.3mm至0.6mm、或1mm至4mm的粒级，以及0.6mm至1mm、或1mm至2mm的粒径(通过筛分粒级确定)。
根据ISO 9277的BET法使用氮气测量，在步骤e)之后获得的包含表面反应的碳酸钙的颗粒的比表面积可为1m2/g至150m2/g，优选2m2/g至100m2/g，更优选20m2/g至70m2/g，最优选30m2/g至40m2/g。
通过根据本发明的方法获得的颗粒已被证明与无粘合剂或根据无表面反应的碳酸钙的在前液体饱和的湿法制粒提供的那些颗粒相比更稳定。
因此，本发明的一个方面还在于通过根据本发明的方法获得的包含表面反应的碳酸钙的颗粒。
以下附图、实施例和测试将举例说明本发明，但并非旨在以任何方式限制本发明。
附图说明
图1示出了在100倍(图1a)和1000倍(图1b)放大倍率下根据比较例1获得的颗粒的SEM图像。
图2至图5是实施例9至12的不同筛分粒级的光学显微镜图像，即：左上角＝0mm至0.3mm，右上角＝0.3mm至0.6mm，左下角＝0.6mm至1mm，右下角＝1mm至2mm。
图6a和图6b示出了根据本发明的制造方法和常规制造方法在盘中制造的颗粒(图6a)，以及从盘中除去这些样品之后的剩余粉尘(图6b)。
图7示出了偏三角面体PCC及与柠檬酸三钠和阳离子粘合剂合并的另一些比较碳酸钙的粒径分布。
图8a和图8b示出了偏三角面体PCC(图8a)和与柠檬酸三钠合并的另一比较碳酸钙(图8b)的SEM图像。
图9示出了偏三角面体PCC(图9a)及与柠檬酸三钠和阳离子粘合剂合并的另一比较碳酸钙(图9b)。
图10示出了与柠檬酸三钠和阳离子粘合剂合并的比较碳酸钙。
实施例
1.测量方法
使用以下测量方法评价实施例和权利要求书中给出的参数。
材料的BET比表面积(SSA)
通过在250℃下加热30分钟的时间段来调节样品之后，通过根据ISO9277的BET法使用氮气测量BET比表面积。在这样的测量之前，将样品经过滤、冲洗并在烘箱中于110℃下干燥至少12小时。
微粒材料的粒径分布(直径＜X的微粒体积％)、d50值(体积中值粒径)和d98值：
使用Malvern Mastersizer 2000激光衍射系统(Malvern仪器有限公司，英国)使用Fraunhofer光散射近似评价体积中值粒径d50。方法和仪器是本领域技术人员已知的并且通常用于确定填料和其他微粒材料的粒径。
使用Malvern Mastersizer 2000激光衍射系统测量的d50值或d98值表明了这样的直径值：其使得分别50体积％或98体积％的微粒的直径小于该值。使用米氏(Mie)理论分析通过测量获得的原始数据，其中微粒折射率为1.57且吸收指数为0.005。
重量中值粒径通过沉降法确定，所述沉降法是重力场中沉降行为的分析。使用Micromeritics仪器有限公司的SedigraphTM 5100进行测量。方法和仪器是本领域技术人员已知的并且通常用于确定填料和颜料的粒径。在0.1重量％Na4P2O7水溶液中进行测量。使用高速搅拌器分散样品并且对其进行超声处理。
方法和仪器是本领域技术人员已知的并且通常用于确定填料和颜料的粒径。
孔隙度/孔隙体积
使用最大水银施加压力为414MPa(60000psi)(相当于0.004μm(～nm)的Laplace喉径)的Micromeritics Autopore IV 9500水银孔隙度计测量孔隙度或孔隙体积。在每个压力步骤下使用的平衡时间为20秒。将样品材料密封在5cm3室粉末透度计中用于分析。使用软件Pore-Comp(Gane，P.A.C.，Kettle，J.P.，Matthews，G.P.和Ridgway，C.J.“Void SpaceStructure of Compressible Polymer Spheres and Consolidated Calcium CarbonatePaper-Coating Formulations”.Industrial and Engineering Chemistry Research，35(5)，1996，第1753-1764页)来校正数据的汞压缩、透度计膨胀和样品材料压缩。
扫描电子显微镜(SEM)图像
通过过滤悬浮液并使其在干燥箱中于110℃下干燥来制备用于SEM研究的样品。在获取图像之前，用20nm金溅射样品。
2.材料和设备
2.1设备
-流化床混合器(Aeromatic-Fielder的使用2l透明室的Strea-1实验室流化床混合器)。
-(型号L5，5l混合器)。
2.2材料
表面反应的碳酸钙
-表面反应的碳酸钙(SRCC)1(d50＝7.0μm，d98＝16.1μm，SSA＝55.4m2g-1)。微粒内侵入比孔隙体积为0.871cm3/g(对于0.004μm至0.4μm的孔隙直径范围)。
SRCC1通过如下获得：通过调节来自Omya SAS，Orgon的基于质量的中值粒径为1.3μm(如通过沉降确定)的研磨石灰石碳酸钙的固体含量，使得获得基于水性悬浮液总重量的10重量％的固体含量，而在混合容器中制备300升研磨碳酸钙的水性悬浮液。
当以12.7m/s的速度混合浆料时，在70℃的温度下在12分钟的时间内将9.6kg磷酸以含有30重量％磷酸的水溶液的形式添加至所述悬浮液中。添加酸之后，将浆料再搅拌5分钟，之后将其从容器中移出并干燥。
-表面反应的碳酸钙(SRCC)2(d50＝6.6μm，d98＝13.7μm，SSA＝59.9m2g-1)，微粒内侵入比孔隙体积为0.939cm3/g(对于0.004μm至0.51μm的孔隙直径范围)。
SRCC2通过如下获得：通过来自Omya SAS，Orgon的基于质量的中值粒径为1.3μm(如通过沉降确定)的研磨石灰石碳酸钙的固体含量，使得获得基于水性悬浮液总重量的10重量％的固体含量，而在混合容器中制备350升研磨碳酸钙的水性悬浮液。
当以6.2m/s的速度混合浆料时，在70℃的温度下在20分钟的时间内将11.2kg磷酸以含有30重量％磷酸的水溶液的形式添加至所述悬浮液中。添加酸之后，将浆料再搅拌5分钟，之后将其从容器中移出并使用喷射干燥器干燥。
粘合剂
-来自Sigma Aldrich的羧甲基纤维素钠(平均摩尔质量90000g/mol，
CAS号：9004-32-4)
-羟丙基甲基纤维素(HPMC)：Pharmacoat 603(Harke Group，Mülheim an derRuhr，德国)
-聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)：Kollidon K30(BASF)。
-柑橘果胶，粉末，来自Alfa Aesar(聚D-半乳糖醛酸甲酯；J61021；CAS号：9000-69-5；EC号：232-553-0)。
-来自长角豆(Ceratorin siliqua)种子的刺槐豆胶，来自Sigma-Aldrich(半乳甘露聚糖多糖；G0753；CAS号：9000-40-2；EC号：232-541-5)。
3.制粒实验
3.1流化床混合器制粒
实施例1(比较)
向流化床混合器中添加200g表面反应的碳酸钙SRCC1。另外，制备10％(w/w)Kollidon K30(聚乙烯基吡咯烷酮，PVP)的水溶液。在0.5m3分钟-1至2m3分钟-1范围内的不同空气流量下运行流化床系统时，以约30g/分钟的速率向系统中添加PVP溶液。在添加总计500g PVP溶液之后，获得了颗粒。此时关闭液体喷雾，而使空气继续直到获得干燥的产物。然后，通过将样品从2l容器的顶部倒出来取得样品。
将所得颗粒在Retsch筛上筛分并且其粒径小于600μm，主要在0.2-0.4mm之间。
所得颗粒示于图1中。
在实施例1中，为了获得粒径小于600μm的表面反应的碳酸钙的颗粒，必须添加25重量％粘合剂(50g)，其中所得颗粒不合期望地脆且起尘。
3.2 混合器制粒
实施例2(比较)
使用自来水制备7.5重量％羧甲基纤维素钠溶液。然后用300g包含该粘合剂的溶液使600g SRCC2饱和，使得添加22.5g羧甲基纤维素钠。然后，将该产物添加至混合器中，并使用喷雾瓶随时间添加100g该溶液，同时用混合元件(速度在500rpm与最大速度(999rpm)之间，主要在700rpm至999rpm之间变化)和切割机两者混合粉末。在完成此并向SRCC2中添加基于表面反应的碳酸钙重量的总计5重量％羧甲基纤维素钠之后，喷入自来水直到材料经过块状预颗粒状态并且样品变成糊料。这通过添加150g干燥的表面反应的碳酸钙SRCC2来再次调整。将样品再混合几分钟直到形成单独的颗粒。该样品的最终固体为60重量％。随后，移出样品并将其在90℃下干燥12小时。
将干燥的样品在Retsch筛上筛分成单独的粒级，即＜0.3mm、在0.3mm与0.6mm之间、在0.6mm与1mm之间、以及在1mm与2mm之间。
实施例3(本发明)
用水使530g表面反应的碳酸钙SRCC2饱和以提供61重量％的固体含量并将其添加至混合器中。随后，添加51g羧甲基纤维素钠，干燥，并使组合物混合几分钟以确保适当混合。随后，使用喷雾瓶随着时间添加自来水，同时用混合元件(速度在500rpm与最大速度(999rpm)之间，主要在700rpm至999rpm之间变化)和切割机两者混合粉末直到材料开始看起来有点成块。此时，然后再添加一点水，样品变成糊状物。这通过添加100g干燥的表面反应的碳酸钙SRCC2来再次调整。将样品再混合几分钟直到形成单独的颗粒。该样品的最终固体为61重量％。随后，移出样品并将其在90℃下干燥12小时。
将干燥的样品在Retsch筛上筛分成单独的粒级，即＜0.3mm、在0.3mm与0.6mm之间、在0.6mm与1mm之间、以及在1mm与2mm之间。结果可从表3中得到。
实施例4-12(本发明)
使用实施例3中制定的方法，实施例4至12用不同量的表面反应的碳酸钙SRCC2、羧甲基纤维素钠粘合剂和水以及不同的混合速度进行。
各个变量和值可从表2中得到。各个颗粒尺寸分布可从表3中得到。
图2至图5为实施例9至12的不同筛分尺寸的光学显微镜图像，即：左上角＝0mm至0.3mm，右上角＝0.3mm至0.6mm，左下角＝0.6mm至1mm，右下角＝1mm至2mm。
表2
表3
以上实施例清楚地表明，可用标准粘合剂由表面反应的碳酸钙制造颗粒。然而，可以看出，过量的粘合剂不一定必然产生更好的产物。当液体被吸收到孔中时，由于材料的孔隙度，大量的粘合剂损失。这就是例如在实施例1中，尽管使用了25重量％PVP粘合剂(被认为是最好的粘合剂之一)，但样品没有显示出任何更好的品质的原因。事实上，其相当脆。粘合剂溶液具有更高的浓度，并且认为该溶液填充孔隙从而消耗粘合剂。
使用混合器的随后实验表明，在粘合剂和粘合溶剂之前用溶剂使表面反应的碳酸钙饱和导致用于制造不同尺寸的稳定颗粒所需的粘合剂的量减少(特别参见实施例11和12，其在可比较的结果下使用5重量％和7.4重量％粘合剂而不是10重量％)。
这适用于不同的设备，其中使用流化床混合器来制粒似乎提供了比混合器更均匀的颗粒尺寸分布，然而混合器提供了更宽的尺寸分布。因此，还可提供多种尺寸范围。
此外，根据本发明的产物更加稳定且提供显著较少的起尘。
这示于图6a和图6b中。在图6a的左手侧，示出了实施例11的颗粒(使用5重量％羧甲基纤维素钠粘合剂)。在右手侧，示出了实施例2的样品，其在没有先前液体饱和的情况下制造。从图6b可以看出，在除去两个样品之后，本发明的实施例11没有留下可见灰尘，而根据没有表面反应的碳酸钙的初始液体饱和的常规制造方法制造的实施例2的盘中残留大量的灰尘。
这清楚地示出了根据本发明的用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法的优势。
实施例13-21(本发明)
使用实施例3中制定的方法，实施例13至21用表面反应的碳酸钙SRCC1、不同量的刺槐豆胶(实施例13至17)和柑橘果胶(实施例18至21)粘合剂以及水来进行。
各个变量和值可从表4中得到。各个颗粒尺寸分布可从表5中得到。
表4
表5
以上实施例清楚地表明，可用标准粘合剂由表面反应的碳酸钙制造颗粒。
4.比较实验
以下实施例用于证明以下的重要性：a)使用根据本发明的表面反应的碳酸钙以及b)如本发明中所限定的表面反应的碳酸钙饱和。这些实施例例如反映如EP 2 662 416 A1中所描述的那些组合物的组合物。
实施例22
制备
提供了以悬浮液形式的基于水的偏三角面体PCC(S-PCC)，该悬浮液的固体含量为14重量％(可从Omya瑞士获得)，使用Malvern Mastersizer 2000激光衍射系统测量的d50为4.2μm且d95为9μm(对应于使用Sedigraph仪器测量的2.5μm的d50和5μm的d95)。然后，在搅拌下向S-PCC悬浮液中添加35重量％柠檬酸三钠溶液(从由Sigma Aldric市售的柠檬酸三钠二水合物制备)以基于干燥量具有0.09重量％的柠檬酸三钠与S-PCC的比。在进一步搅拌10分钟之后，在继续搅拌下添加0.2重量％(基于S-PCC上的干燥量)Niklacell T10G(分子量为60 000g/mol的羧甲基纤维素(CMC)，由Mare Austria GmbH市售)和0.28重量％(基于S-PCC上的干燥量)Niklacell CH90F(分子量为200 000g/mol的羧甲基纤维素(CMC)，由MareAustria GmbH市售)作为6重量％悬浮液。
测量所得中间产物(PHCH 0)的粒径分布并获取SEM图像。
随后，在搅拌下向上述产物中添加2重量％(基于S-PCC上的干燥量)阳离子淀粉(C＊Bond HR 35845，由Cargill Deutschland GmbH市售)作为粉末形式的阳离子聚合物。然后将悬浮液加热到100℃并搅拌1小时。然后在环境条件下使悬浮液冷却到室温(无主动冷却)。
测量最终产物(PHCH 1)的粒径分布并获取SEM图像。
为了显示由于阳离子淀粉添加而使最终形成的软团聚物不稳定，另外还使最终产物的样品在Malvern Mastersizer 2000中经受1分钟超声处理，之后进行PSD测量(PHCH1US)。
结果
从图7中可以看出，从起始材料(S-PCC)到中间产物(PHCH 0)存在非常小的PSD移动，然而，d50的变化可以忽略(表6)。
表6
图8还示出了，由PHCH 0获得的产物(图8b)在视觉上与起始材料S-PCC(图8a)无差别。所以，应用于PHCH 0实施例的处理不导致将起始材料(S-PCC)(表面)改性成根据本发明的表面反应的碳酸钙，这在PCC的情况下将需要过量的溶解钙离子，如WO 2009/074492 A1中所述和上文所提及。
此外，可以看出，阳离子淀粉的添加导致PSD向增大的粒径的较小的移动，其也由d50(表1)反映。还可以看出，在100μm附近(表观为100μm附近的峰肩)形成少量的团聚物(约1体积％)。
然而，由于PHCH 1US处理中的超声处理能够减少团聚物的量并且通常使PSD曲线移动至更精细的值(图7，表6)，还可以看出，所形成的团聚物仅微弱地保持在一起并且不能被认为是根据本发明的颗粒。
此外，由于团聚物的量非常小，PHCH 1样品的d50仍然远低于通过根据本发明的制粒获得的典型尺寸范围。
在图9中，在视觉上还可以看出，向PHCH 0(图9b)中添加阳离子淀粉未导致颗粒的形成，因为PCC微粒仍然如在S-PCC的情况下一样呈现为单独的微粒(图9a)。
图10还在视觉上示出了在所描述的尺寸范围内未发现团聚物。

Claims (17)

1.一种用于制造包含表面反应的碳酸钙的颗粒的方法，其特征在于以下步骤：
a)提供表面反应的碳酸钙，其中所述表面反应的碳酸钙是天然研磨碳酸钙或沉淀碳酸钙与二氧化碳和一种或更多种酸的反应产物，其中所述二氧化碳通过酸处理原位形成和/或所述二氧化碳由外部来源供应；
b)用一种或更多种液体使所述表面反应的碳酸钙饱和；
c)提供一种或更多种粘合剂；
d)在搅拌装置中在搅拌下将经液体饱和的表面反应的碳酸钙与所述一种或更多种粘合剂合并；
e)从步骤d)的混合物中除去所述液体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然研磨碳酸钙选自包含碳酸钙的矿物，所述矿物选自包括以下的组：大理石、白垩、白云石、石灰石及其混合物；所述沉淀碳酸钙选自包括以下的组：具有文石、六方碳钙石或方解石矿物晶形的沉淀碳酸钙，或其混合物。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据ISO9277的BET法使用氮气测量，所述表面反应的碳酸钙的比表面积为1m2/g至200m2/g，优选2m2/g至150m2/g，更优选20m2/g至80m2/g，最优选40m2/g至50m2/g。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述表面反应的碳酸钙的体积中值粒径d50为0.5μm至50μm，优选0.7μm至25μm，更优选0.8μm至20μm，特别是1μm至10μm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据水银测孔法计算，所述表面反应的碳酸钙的微粒内孔隙度在5体积％(v/v)至50体积％(v/v)，优选20体积％(v/v)至50体积％(v/v)，特别是30体积％(v/v)至50体积％(v/v)的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据水银测孔法计算，所述表面反应的碳酸钙的微粒内侵入比孔隙体积在0.150cm3/g至1.300cm3/g，并且优选0.178cm3/g至1.244cm3/g的范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述液体选自包括以下的组：水、甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇、正丙醇及其混合物，并且优选为水。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)的所述一种或更多种粘合剂选自包括以下的组：合成聚合物，例如甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟丙基纤维素(HPC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸酯；和天然粘合剂，例如植物胶，例如阿拉伯树胶、黄蓍胶、桧树胶、茄替胶、梧桐胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶；蛋白质，例如明胶、酪蛋白、胶原；糖类和多糖，例如淀粉及其衍生物、菊糖、纤维素、果胶、角叉菜胶和糖；动物分泌液，例如虫胶；褐藻酸及其混合物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于步骤a)的所述表面反应的碳酸钙的重量，步骤c)的所述一种或更多种粘合剂以0.5重量％至50重量％，优选1重量％至25重量％，更优选1.5重量％至20重量％，甚至更优选2.5重量％至15重量％，最优选5重量％至10重量％，例如9重量％的量添加。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，所述搅拌装置选自包括以下的组：爱立许混合器、流化床干燥器/制粒机、板式制粒机、台式制粒机、鼓式制粒机、圆盘制粒机、盘式制粒机、犁头式混合器、高速混合机和快速混合制粒机。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，将所述一种或更多种粘合剂与所述经液体饱和的表面反应的碳酸钙同时或在所述经液体饱和的表面反应的碳酸钙之后添加至所述搅拌装置中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中将所述经液体饱和的表面反应的碳酸钙与所述一种或更多种粘合剂合并之后，添加另外的表面反应的碳酸钙或经液体饱和的表面反应的碳酸钙或其混合物，和/或液体，直到观察到微粒的团聚。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基于步骤a)中提供的所述表面反应的碳酸钙的重量，另外的表面反应的碳酸钙或经液体饱和的表面反应的碳酸钙或其混合物以1重量％至30重量％，优选5重量％至20重量％，更优选8重量％至15重量％，例如10重量％的量添加。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，通过使所述液体与所得颗粒分离来除去所述液体，优选地通过借助于选自包括以下的组的方式干燥来分离：在旋转烘箱中干燥、喷射干燥、流化床干燥、冷冻干燥和闪蒸干燥。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据筛分粒级确定，在步骤e)之后获得的所述包含表面反应的碳酸钙的颗粒的体积中值粒径为0.1mm至6mm，优选0.2mm至5mm，更优选0.3mm至4mm，特别优选0.3mm至0.6mm或1mm至4mm，最优选0.6mm至1mm或1mm至2mm。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据ISO9277的BET法使用氮气测量，在步骤e)之后获得的所述包含表面反应的碳酸钙的颗粒的比表面积为1m2/g至150m2/g，优选2m2/g至100m2/g，更优选20m2/g至70m2/g，最优选30m2/g至40m2/g。
17.一种通过根据权利要求1至16中任一项所述的方法获得的包含表面反应的碳酸钙的颗粒。
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