WO2010133465A2 - Verfahren zur herstellung von nanopartikeln unter verwendung von mini-emulsionen - Google Patents

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WO2010133465A2
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nanoparticles
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Sonja Judat
Thomas Danner
Robert Engel
Caroline Mages-Sauter
Heike Schuchmann
Marion Gedrat
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Basf Se
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing nanoparticles and / or nanostructured particles by means of an emulsion method, wherein particles are produced by targeted coalescence of at least two mini-emulsions.
  • Nanoparticles may be constructed, for example, of inorganic or polymeric material. They have in many cases an average particle size of 1 to 1000 nm.
  • inorganic particles e.g. the sol-gel process and the micro-emulsion technique known.
  • Polymeric nanoparticles may e.g. be prepared by emulsion polymerization. The targeted formation and structuring of nanoparticles is of particular interest in order to achieve special properties of nanoparticles for highly specialized applications.
  • Emulsions are finely divided mixtures of at least two liquids which are not homogeneously miscible with one another.
  • An example is the mixture of oil and water.
  • a liquid forms the so-called inner or disperse phase (also disperse phase), which is distributed in the form of small droplets in the second liquid, the so-called outer or continuous phase.
  • Important constituents of emulsions are surface-active substances, so-called surfactants or emulsifiers, which facilitate the formation of the droplets and counteract demixing (phase separation).
  • O emulsion oil-in-water emulsions
  • W / O oil-in-water emulsions
  • Emulsions are most likely to remain stable for a period of time and under certain conditions (e.g., temperature, pH range).
  • mini-emulsion refers to a thermodynamically unstable emulsion, wherein the disperse phase is present in very finely divided droplets with an average droplet diameter of ⁇ 10 .mu.m, in particular ⁇ 5 .mu.m.
  • Mini-emulsions are obtained, for example, by shearing with a high energy input, starting from two (or more) immiscible liquids and one or more surfactants (surfactant, emulsifier).
  • the droplets of a mini-emulsion can under certain conditions be kept stable for a certain period of time, so that the production of particles in mini-emulsions can take place by the fusion of different droplets.
  • the required energy input (for example in a shearing process) for the production of mini-emulsions can be carried out, for example, by ultrasound treatment or by using a high-pressure homogenizer. Accordingly, mini-emulsions are described in which a solid, for example in the form of nanoparticles, is contained in the disperse phase as mini-suspoemulsions.
  • micro-emulsions which are a special case and exist only in special composition ranges in the phase system water-oil emulsifier, are referred to as micro-emulsions. They form spontaneously and often appear transparent. They usually contain a high proportion of surfactant and also usually another surfactant, a co-surfactant. If two micro-emulsions mixed with different reactants in the disperse phase, it comes to a mass transfer between the disperse phases and thus to the reaction without the emulsion drops must be coalesced with energy input.
  • Mini-emulsion processes for the construction of structured nanoparticles are described in the prior art.
  • the publication by K. Landfester (Adv. Mater. 2001, 13, No.10, 17.05.2001) describes the preparation of mini-emulsions and the use of mini-emulsions in the synthesis of nanoparticles and encapsulated nanoparticles.
  • the synthesis of nanoparticles can be carried out, for example, with the aid of miniemulg striv molten salts or via the polymerization of a miniemulg striv monomer.
  • a possibility for the targeted coalescence of mini-emulsion drops is not described.
  • WO 2008/058958 describes the preparation of core-shell particles, wherein an outer layer is applied to solid nanoparticles dispersed in a mini-suspoemulsion, by applying an emulsion in the dispersed (preferably aqueous) emulsion in an emulsion process with an emulsion. Phase dissolved precursor substance is converted in the disperse phase and thus applied to the dispersed nanoparticles.
  • the preparation of spherical inorganic nanoparticles by precipitation in a 2-emulsion method using microemulsions is known.
  • Lee et al. J. European Ceramic Society, 19, 1999
  • mini-emulsions and mini-suspoemulsions can be prepared not only using a high-pressure homogenizer, but that mini-emulsions / mini-suspoemulsions or mixtures of different mini-emulsions / mini-suspoemulsions using a high-pressure homogenizer targeted to Coalescence can be performed.
  • the droplets of the disperse phase of a mini-emulsion can be coalesced in a controlled manner if they are passed under high shear through (at least) one nozzle, for example a special homogenizing nozzle.
  • High-pressure homogenizers were originally developed for the homogenization of milk, in which the fat droplets of the milk are reduced to a mean drop diameter of 1 to 2 microns, so as to prevent the creaming of the milk.
  • High-pressure homogenizers work according to the pressure relief system and consist essentially of a high-pressure pump and a homogenizing valve. High pressure homogenizers usually work in a pressure range of 100 to 1000 bar. The liquid flow generated by the high pressure pump (for example, a high pressure piston pump) flows through the homogenizer nozzle.
  • homogenizers and homogenizing nozzles are described in the prior art, such as flat nozzles, pinhole diaphragms, slit diaphragms, diverting nozzles, counter-jet dispersing agents. It is also possible to work with combinations of several identical or different homogenizing nozzles, whereby a back pressure is built up.
  • a homogenizing nozzle is the so-called flat nozzle.
  • the liquid flow flows through the valve seat and then radially through the homogenizing gap, which is only a few micrometers wide.
  • the homogenizing gap is set by pressing a valve body onto the valve seat.
  • the liquid exits the homogenizing nip at very high speed (e.g., about 300 m / s), impacts the baffle ring, and exits the valve via the outlet.
  • homogenizers include e.g. Two-jet nozzles or the combination of, for example, two pinhole diaphragms and the combination of pinhole with deflecting nozzles. Through a downstream pinhole or Umlenkdüse creates a back pressure, with the help of which the cavitation results can be influenced behind the first panel.
  • Cavitation refers to the formation and dissolution of cavities in liquids due to pressure fluctuations.
  • the cavitation arises, for example, as a result of very fast moving objects in the liquid (for example propeller, stirrer) or by rapid movement of the liquid, for example through a nozzle, and by the action of ultrasound.
  • Emulsifying pressure is the pressure drop across the homogenizing nozzle.
  • nanoparticles also refers to nanoparticles which are present or are obtained in the form of a nanohuspoemulsion or nanosuspension.
  • a method for the production of nanoparticles in the context of the present invention comprises methods for the construction of nanoparticles and methods for nanostructuring of particles, in particular of nanoparticles.
  • Nanostructuring comprises the production of a structure whose dimensions are in the size range of nanometers, such as, for example, the production of core-shell particles or the application of nanoscale regions to a particle surface, in particular a nanoparticle surface.
  • a method for producing nanoparticles in the context of the present invention comprises a method for constructing nanoparticles, in particular from molecularly disperse-dissolved precursor substances.
  • the present invention relates to a process for the preparation of nanoparticles, wherein in a first step a) at least two mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions are produced, each containing at least one reactant in the disperse phase and at least one emulsifier, and in one second step b) the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions thus produced are preferably mixed in a high-pressure homogenizer.
  • the production of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions in step a) preferably takes place in a high-pressure homogenizer under an emulsifying pressure in the range from 200 to 1000 bar, particularly preferably in the range from 200 to 800 bar, more preferably in the range from 400 to 800 bar.
  • mini-emulsions which were prepared by another known method (for example by ultrasonic treatment).
  • the mixing of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions in step b) takes place in a high-pressure homogenizer.
  • the mixing in step b) takes place in a high-pressure homogenizer under an emulsifying pressure in the range from 100 to 1000 bar, preferably in the range from 400 to 1000 bar, particularly preferably in the range from 800 to 1000 bar.
  • the production of nanoparticles is carried out according to the method of the invention in particular by selectively coalescing the droplets of two mini-emulsions / mini-suspoemulsions with different disperse phases in which the reactants are present separately, the reactants being mixed and reacted.
  • the droplet coalescence can be controlled in a targeted manner (for example by the design and combination of the nozzles or the nozzle geometry) according to the present invention, taking advantage of the phenomenon of the short instability of the emulsion droplets and the resulting drop coalescence after the homogenizing nozzle.
  • the process steps of the 2-emulsion method for particle generation initially involve the separate preparation of two mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions (step a)), these starting mini-emulsions / mini-suspoemulsions preferably being in their disperse phases in terms of material differ.
  • the targeted coalescence of the mini-emulsion droplets (or mini-suspoemulsion droplets) is effected in the second step (emulsification step (step b)).
  • the reaction of the reactants in the coalesced droplets forms a solid, in particular in the form of nanoparticles or in the form of structures on already existing nanoparticles (eg to form a shell structure).
  • an amount of at least one of the emulsion phases can be removed in an optional step c); preferably, the disperse phase is removed; if appropriate, part of the continuous phase is also removed.
  • This optional process step c) is preferably carried out by evaporation, e.g. by distillation.
  • the coalescence of the droplets by high-pressure homogenization can be determined, in particular, by varying the emulsification pressure, the geometry of the nozzle (s), the disperse phase fraction, the reactant concentrations, the temperature and the drop size distribution of the starting mini-emulsions or starting materials. Control mini-suspoemulsions.
  • the described mini-emulsions or mini-suspoemulsions may be O / W or W / O emulsions. Preference is given to using W / O emulsions (inverse emulsions).
  • the continuous phases and the disperse phase of the two starting mini-emulsions / mini-suspoemulsions used as the main constituent preferably contain the same liquid, but they may also contain different liquids which are homogeneously miscible with one another.
  • the mini-emulsions and / or minisuspoemulsions are preferably W / O emulsions comprising an aqueous disperse phase.
  • the mini-emulsions and / or minisuspoemulsions are W / O emulsions containing an aqueous disperse phase, in which in each case at least one reactant is dissolved.
  • Preference is given to using non-polar, organic solvents or mixtures thereof as the continuous phase; in particular, the continuous phase is formed by alkanes.
  • W / O or O / W emulsions are used in the present invention containing an aqueous phase and a phase containing one or more organic solvents or monomers, these liquids are selected from the group C 5 -C 50 alkanes , vegetable and animal oils, silicone oils, paraffin, triglycerides, monomers (for example styrene, acrylates).
  • the proportion of the disperse phase of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions produced in step a), based on the total amount, is in the range from 1 to 70% by weight, in particular from 5 to 50% by weight. -%, preferably in the range of 20 to 40 wt .-%.
  • the disperse and / or the continuous phase contain at least one emulsifier, wherein the emulsifier is preferably initially introduced in the continuous phase.
  • Emulsifiers for W / O emulsions usually have an HLB value of 3-8, emulsifiers for O / W emulsions usually have an HLB value of 8 to 18.
  • the HLB value (of hydrophilic-lipophilic balance) represents a dimensionless number between 0 and 20, which makes statements about the water and oil solubility of a compound and plays an important role in the selection of emulsifiers or emulsifier mixtures.
  • At least one emulsifier for W / O emulsions which may be selected from:
  • Sorbitan fatty acid ester such as SPAN ® emulsifiers
  • Fatty acid ester of glycerol or polyglycerol esters for example ® Mazol emulsifiers fatty acid ester of polyethylene glycol or Etylenglykol
  • Amine alkoxylates for example Quadrol ® (BASF, DE),
  • Copolymers and block copolymers such as poloxamers (block copolymers of propylene oxide and E- thylenoxid, Pluronic ®); Polyoxamines (block copolymers from
  • Ethylene oxide and propylene oxide with ethylenediamine block Ethylene oxide and propylene oxide with ethylenediamine block); Polyisobutene polyamine polymer (Glisopal ®, BASF DE),
  • steps a) and / or b) at least one W / O emulsifier added in the kontinulierlichen phases, which is selected from the group Glisopal ® (BASF, DE), Quadrol ® (BASF, DE), Pluronic ® (BASF, DE), SPAN ® emulsifiers, TWEEN ® emulsifiers, Mazol ® emulsifiers and lecithin.
  • W / O emulsifier added in the kontinulierlichen phases which is selected from the group Glisopal ® (BASF, DE), Quadrol ® (BASF, DE), Pluronic ® (BASF, DE), SPAN ® emulsifiers, TWEEN ® emulsifiers, Mazol ® emulsifiers and lecithin.
  • O / W mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions are used, one or more known O / W emulsifiers can be used.
  • O / W emulsifiers are common non-ionic, anionic, cationic and ampholytic emulsifiers in question.
  • concentration of the emulsifier in the mini-emulsions or mini-suspoemulsions used is in the range from 0.1 to 10% by weight (based on the total emulsion), preferably in the range from 1 to 5% by weight, particularly preferably in the range of 1 to 3 wt .-%.
  • the mixing of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions in step b) in a high-pressure homogenizer is effected by a homogenizing nozzle having a diameter in the range from 50 to 700 .mu.m, preferably 70 to 400 .mu.m.
  • the preparation of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions in step a) can likewise be carried out in the high-pressure homogenizer described above or in one of the embodiments described below.
  • At least one homogenizing / homogenizing device selected from the group flat nozzle, perforated diaphragm, slit diaphragm, deflecting nozzle and counter jet disperser is used in the homogenizing steps a) and / or b).
  • Particular preference is given to using at least one homogenizing nozzle / homogenizing device selected from the group consisting of the perforated diaphragm, slit diaphragm and deflecting nozzle in the homogenizing steps a) and b).
  • a perforated diaphragm with the diameter (hole diameter) d is shown schematically.
  • At least one two-jet nozzle is used in the homogenization steps a) and / or b).
  • a two-jet nozzle comprises in particular a diaphragm with two bores which are mounted at a certain angle ⁇ to the diaphragm surface (see FIG. 2a). The liquid passes through the nozzle and is split into two jets of liquid which meet behind the bore exits.
  • a two-jet nozzle having a diameter (hole diameter) d in the range of 50 to 700 .mu.m, preferably 50 to 100 .mu.m, and an angle ⁇ in the range of 10 ° to 60 °, preferably from 20 ° to 30 °, used.
  • Figure 2a shows an embodiment of a suitable two-jet nozzle.
  • the mixing of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions under step b) takes place in a high-pressure homogenizer, wherein at least one two-jet nozzle with a diameter (hole diameter) d in the range of 50 to 700 microns and an angle ⁇ in the range of 10 ° to 60 ° is used as Homogenisierdüse.
  • Mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions under step b) in a high pressure homogenizer wherein at least one pinhole as a homogenizing with a Diameter (hole diameter) in the range of 50 to 700 microns, preferably 70 to 400 microns, is used.
  • the mixing of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions under step b) preferably takes place in a high-pressure homogenizer, wherein two pinhole diaphragms arranged one behind the other are used as the homogenizing nozzle, each having a diameter in the range from 50 to 700 ⁇ m.
  • one or more (preferably two) pinhole diaphragms having a diameter (hole diameter) in the range from 50 to 700 .mu.m, preferably 70 to 400 .mu.m are used in the homogenization steps a) and / or b).
  • Particularly preferred is a method in which the mixing of the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions under step b) takes place in a high-pressure homogenizer, wherein two successively arranged pinhole as homogenizer, each having a diameter in the range of 50 to 700 .mu.m, preferably 70 up to 400 ⁇ m.
  • two pinhole diaphragms with diameters of 100 ⁇ m and 200 ⁇ m are used. In a further embodiment, two pinhole diaphragms with diameters of 200 ⁇ m and 400 ⁇ m are used.
  • the size distribution of the droplets of an emulsion or suspoemulsion can be determined by conventional methods, for example by means of laser diffraction or dynamic light scattering.
  • a parameter of the droplet size distribution is the Sauter diameter. If the total volume of the emulsion droplets were to be transformed into spheres of equal size, the total surface area of the droplets remaining the same, these droplets would have the Sauter diameter (X 1 2 ) as the diameter. It is defined by the following formula:
  • a reactant in the context of the present invention is a starting material for a chemical reaction or physical conversion which, for the purposes of the invention, leads to the formation or precipitation of a solid under the given conditions.
  • a precursor substance which already has a similar structure as the product, can also be referred to as a reactant.
  • a reaction within the meaning of the present invention is also understood to mean the precipitation of a dissolved precursor substance by mixing with an antisolvent or by a change in the pH.
  • the reactants are preferably dissolved in the disperse phase of a mini-emulsion, in particular molecularly disperse or colloidally dissolved.
  • solid reactants for example in the form of nanoparticles, in the form of a mini-suspoemulsion in the present process according to the invention.
  • the reaction of the reactants necessarily produces at least one solid product.
  • the reactants can in particular be reacted with one another in a precipitation reaction, in a redox reaction, in an acid-base reaction or in a polymerization.
  • the described method for producing nanoparticles is characterized in that the mini-emulsions or mini-suspoemulsions are W / O emulsions which contain an aqueous disperse phase in which in each case at least one Reactant is dissolved, in particular molecular disperse dissolved.
  • the invention relates to a process for the preparation of nanoparticles, characterized in that the reactants contained in the disperse phases of the mini-emulsions and / or minisuspoemulsions are molecularly dispersed salts which are present in a molar concentration in the Range from 0.01 to 0.5 mol / l, and which react when mixing the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions in step b) to precipitate a solid.
  • At least one of the reactants contained in the disperse phases of the mini-emulsions and / or minisuspoemulsions can be an acid or a base. It is preferable that one of the reactants is an acid or a base, preferably in a concentration in the range of 0.01 to 1 mol / l.
  • the reactants are a water-soluble salt containing cations selected from the group of alkali metal, alkaline earth metal, noble metal (gold (Au), silver (Ag), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), silicon (Si), tin (Sn), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), zinc (Zn), titanium (Ti), Zirconium (Zr), yttrium (Y) and cerium (Ce), particularly preferred are salts of alkali metal, alkaline earth metal and noble metal, further preferably salts of alkali metals.
  • nanoparticles can preferably be prepared selected from the group consisting of barium sulfate nanoparticles, zinc oxide nanoparticles, titanium dioxide nanoparticles, tin oxide nanoparticles and silicon dioxide nanoparticles.
  • a water-soluble barium salt eg barium chloride
  • a water-soluble zinc salt eg zinc sulfate
  • a mini emulsion containing as disperse phase an aqueous solution of a base eg caustic soda
  • water-soluble is to be understood as meaning a salt which has a solubility in water of> 10 g / l.
  • the process according to the invention can be operated batchwise, for example by carrying out steps a) and b) with a time offset in the same high-pressure homogenizer. However, it is also possible to operate the process for producing nanoparticles continuously without the combination of several high-pressure homogenizers.
  • the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions obtained in step a) can optionally be mixed in an intermediate step initially with low shear, for example with a propeller stirrer, and then brought to coalescence in a high pressure homogenizer. However, it is also possible to combine the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions directly in the high-pressure homogenizer.
  • the temperature in carrying out the process steps is in the range of 0 0 C to 200 0 C, preferably in the range of 10 0 C to 100 0 C. In a preferred embodiment of the invention, the temperature is in the range of 20 ° C to 30 ° C ,
  • the present invention also relates to nanoparticles which can be prepared or prepared according to the method described above.
  • the present invention also relates to nanostructured particles prepared according to the method described above, i. H. on particles that have a structure in the nanometer range (example, core-shell particles or nanoscale areas on the particle surface).
  • the present invention relates to nanoparticles which are preparable (or obtainable) by a process in which, in a first step a), two mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions are produced, each of which contains at least one reactant the disperse phase and at least one emulsifier, and in a second step b) the mini-emulsions and / or mini-suspoemulsions thus produced are mixed in a high-pressure homogenizer.
  • the present invention preferably relates to nanoparticles having a mean particle diameter in the range from 1 to 1000 nm, preferably in the range from 10 to 500 nm, very particularly preferably in the range from 10 to 200 nm.
  • the nanoparticles obtainable by the process according to the invention can have a high uniformity, in particular with regard to the particle size.
  • the nanoparticles can be used in the form of the directly formed mini-suspoemulsion or in the form of a nanosuspension, which can be obtained partially or almost completely by removing at least one phase of the emulsion phases.
  • the disperse phase becomes part, the disperse phase is almost completely removed, or the disperse phase is removed together with a continuous phase portion.
  • the nanoparticles can also be used in solid form, as can be obtained by suitable processes, eg drying, spray-drying.
  • the particles produced with the aid of the process described can be used, for example, as catalysts, it being possible for the catalyst to be present in defined regions of the nanoparticle surface.
  • the particles can also serve as particulate starting material for organic photovoltaics (OPV) or as controlled release systems for pharmaceutical applications and crop protection.
  • OOV organic photovoltaics
  • FIG. 2a the structure of a two-jet nozzle with the angle ⁇ and the hole diameter d is schematically illustrated.
  • FIG. 2b a perforated diaphragm with the diameter (hole diameter) d is shown schematically.
  • Barium chloride (BaCl 2 , Merck, Darmstadt) and potassium sulfate (K 2 SO 4 , Merck, Darmstadt) were used as received and were subjected to no further purification. Barium chloride and potassium sulfate were dissolved in deionized water at the indicated molar concentration. In all experiments, the molar ratio b of the reactants according to equation (1) was about 5, so the reactant barium sulfate was always presented in 5-fold excess compared to potassium sulfate.
  • the nonionic emulsifier Glissopal ® EM-23 (BASF SE, Ludwigshafen, Germany) was added to the continuous phase.
  • the emulsifier concentration was 3% by weight.
  • the aqueous solutions of BaCl 2 and K 2 SO 4 were each mixed with n-decane. Before the actual high-pressure homogenization step, the mixtures thus obtained were stirred for 2 minutes with a propeller stirrer (diameter about 6 cm) at 400 min -1 and then the mixtures were separated in a high-pressure homogenizer (M-110 Y Microfluidizer® from Microfluidics). The "microfluidizer nozzle" from Microfluidics was used.
  • the two mini-emulsions obtained as described above were then mixed and stirred for two minutes (propeller stirrer, 400 rpm).
  • the mini-emulsion thus obtained was used to prepare nano-suspoemulsions in Examples 3 to 6.
  • Example 2 (preparation of the starting mini-emulsions in step a) - influence of the emulsifying pressure)
  • the mini-emulsions were prepared as described in Example 1.
  • the emulsifier concentration was 3 wt .-% in both emulsions, the disperse phase fraction 40 wt .-%. The reproducibility of the results was confirmed by repeated repetitions of the experiments.
  • the Sauter diameter X 1 2 here amount to about 365 nm for the emulsion with barium chloride solution and about 475 nm with potassium sulfate as the disperse phase.
  • Two emulsions with aqueous dispersion phases with barium chloride and potassium sulfate were prepared as described in Examples 1 and 2 and homogenized separately.
  • the two emulsions were mixed and stirred for two minutes by means of a propeller mixer (400 min -1 ), and then the crude emulsion was emulsified on the M -1 10 Y Microfluidizer.RTM ..
  • the results of the droplet size distribution before and after the emulsification step show that the emulsifying pressure, depending on the emulsion system, has a decisive influence on the coalescence rate.
  • the droplet size distribution of the emulsion does not change after the second emulsification step at a pressure of less than 400 bar in comparison to the emulsion after the first emulsification step within the scope of the measurement accuracy. From an emulsification pressure of 400 bar, however, coalescence and thus an increase in the size of the drops occur noticeably.
  • composition of the obtained mini-emulsions or mini-suspoemulsions were investigated by elemental analysis. For example, it was possible to exclude the possibility that at pressures below 400 bar the droplets coalesce and then be comminuted again, since the elemental analysis could only confirm the presence of barium chloride, but not that of the precipitate barium sulfate.
  • FIG. 1 shows the cumulative distribution Qs (x) of the droplet sizes x (in ⁇ m) before and after the homogenization (step b) and as a function of the emulsifying pressure.
  • the value Q 3 (x) indicates the sum distribution of the droplet sizes, ie the proportion of droplets of the corresponding size.
  • the proportion of the disperse phase of the emulsions was varied between 20, 30 and 40 wt .-%, wherein the mass fractions of the remaining components were always kept constant.
  • mini-suspoemulsions of zinc oxide nanoparticles were prepared as described in Example 3.
  • the two-jet nozzle described above was used.
  • FIG. 3 shows the cumulative distribution of the drop sizes x in ⁇ m after the first and second emulsification steps.
  • the value Qs (x) represents the sum distribution of the droplets (fraction of droplets of the corresponding size).
  • Example 8 (comparison of different homogenizing nozzles)
  • barium sulfate nanoparticles were prepared as described in Example 3.
  • FIG. 4 shows the sum distribution Qs (x) of the droplet sizes x in ⁇ m.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln oder nanostrukturierten Partikeln mit Hilfe einer 2-Emulsionsmethode, wobei Partikel durch gezielte Koaleszenz von Mini-Emulsionen in einem Hochdruckhomogenisator erzeugt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln unter Verwendung von Mini-Emulsionen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln und/ oder nanostrukturierten Partikeln mit Hilfe einer Emulsionsmethode, wobei Partikel durch gezielte Koaleszenz von mindestens zwei Mini-Emulsionen erzeugt werden.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl an Herstellungsverfahren und Verwendungen von Nanopartikeln bekannt, wobei als Nanopartikel feste oder kolloidale Partikel mit einem Partikeldurchmesser kleiner als 1 μm bezeichnet werden können. Nanopartikel können beispielsweise aus anorganischem oder polymerem Material aufgebaut sein. Sie haben in vielen Fällen eine mittlere Teilchengröße von 1 bis 1000 nm. Für die Her- Stellung von anorganischen Partikeln sind z.B. der Sol-Gel-Prozess und die Mikro- Emulsions-Technik bekannt. Polymere Nanopartikel können z.B. durch Emulsionspolymerisation hergestellt werden. Die gezielte Bildung und Strukturierung von Nanopartikeln ist von besonderem Interesse, um besondere Eigenschaften der Nanopartikel für hoch spezialisierte Anwendungen zu erreichen.
Als Emulsionen bezeichnet man fein verteilte Gemische mindestens zweier Flüssigkeiten, welche miteinander nicht homogen mischbar sind. Ein Beispiel ist die Mischung von Öl und Wasser. Eine Flüssigkeit bildet die so genannte innere oder disperse Phase (auch Dispersphase), welche verteilt in Form von kleinen Tröpfchen in der zweiten Flüssigkeit, der so genannten äußeren oder kontinuierlichen Phase, vorliegt. Wichtige Bestandteile von Emulsionen sind oberflächenaktive Substanzen, so genannte Tenside oder Emulgatoren, welche die Bildung der Tröpfchen erleichtern und einer Entmischung (Phasentrennung) entgegenwirken. Man unterscheidet Öl-in-Wasser- Emulsionen (O/W-Emulsion), bei der Tröpfchen der unpolaren Phase (beispielsweise Öltröpfchen) in der kontinuierlichen polaren Phase (beispielsweise Wasserphase) vorliegen, und entsprechend Wasser-in-ÖI-Emulsionen (W/O-Emulsion), welche auch in- verse Emulsionen genannt werden. Emulsionen sollen meist für einen bestimmten Zeitraum und unter bestimmten Bedingungen (z.B. Temperatur, pH-Bereich) stabil bleiben.
In konventionellen Emulsionen (Makro-Emulsionen) sind die Tropfengrößen der dispersen Phase uneinheitlich. Die Tropfengrößen in Makro-Emulsionen liegen meist zwischen 100 nm und 1 mm. Makro-Emulsionen sind thermodynamisch instabil und entmischen sich oft innerhalb relativ kurzer Zeit. Der Begriff Mini-Emulsion bezeichnet eine thermodynamisch instabile Emulsion, wobei die disperse Phase in sehr fein verteilten Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchendurchmesser von < 10 μm, insbesondere < 5 μm vorliegt. Mini-Emulsionen werden z.B. durch Scherung mit einem hohen Energieeintrag ausgehend von zwei (oder mehreren) nicht mischbaren Flüssigkeiten und einer oder mehreren oberflächenaktiven Substanzen (Tensid, Emulgator) erhalten. Die Tröpfchen einer Mini-Emulsion können unter bestimmten Bedingungen über einen gewissen Zeitraum stabil gehalten werden, so dass die Herstellung von Partikeln in Mini-Emulsionen durch das Verschmelzen von verschiedenen Tröpfchen erfolgen kann. Der erforderliche Energieeintrag (beispiels- weise in einem Scherprozess) zur Herstellung von Mini-Emulsionen kann beispielsweise durch Ultraschallbehandlung oder durch Verwendung eines Hochdruckhomogenisators erfolgen. Entsprechend bezeichnet man Mini-Emulsionen, in denen ein Feststoff, etwa in Form von Nanopartikeln, in der dispersen Phase enthalten ist, als Mini- Suspoemulsionen.
Thermodynamisch stabile Emulsionen, welche einen Spezialfall darstellen und nur in besonderen Zusammensetzungsbereichen im Phasensystem Wasser-Öl-Emulgator existieren, werden als Mikro-Emulsionen bezeichnet. Sie bilden sich spontan und erscheinen oft transparent. Sie enthalten meist einen hohen Anteil an Tensid und zudem meist ein weiteres Tensid, ein Co-Tensid. Werden zwei Mikro-Emulsionen mit unterschiedlichen Reaktanden in der dispersen Phase vermischt, so kommt es zu einem Stoffaustausch zwischen den dispersen Phasen und somit zur Reaktion ohne dass die Emulsionstropfen unter Energieeintrag koalesziert werden müssen.
Mini-Emulsionsverfahren zum Aufbau von strukturierten Nanopartikeln, etwa mit einer Kern-Mantel-Struktur sind im Stand der Technik beschrieben. Die Publikation von K. Landfester (Adv. Mater. 2001 , 13, No.10, 17.05.2001 ) beschreibt die Herstellung von Mini-Emulsionen und die Verwendung von Mini-Emulsionen bei der Synthese von Nanopartikeln und verkapselten Nanopartikeln. Die Synthese von Nanopartikeln kann etwa mit Hilfe von miniemulgierten geschmolzenen Salzen oder über die Polymerisation eines miniemulgierten Monomers erfolgen. Eine Möglichkeit zur gezielten Koales- zenz von Mini-Emulsions-Tropfen wird dabei jedoch nicht beschrieben. Nachteil der hier beschriebenen Methode ist, dass jeweils ein Tropfen zu einem Partikel umgebildet wird, wodurch die Tropfengröße einen deutlich limitierenden Einfluss auf die Größe der entstehenden Partikel hat. In WO 2008/058958 wird die Herstellung von Kern-Schale- Partikeln beschrieben, wobei auf feste, in einer Mini-Suspoemulsion dispergierte Na- nopartikel eine äußere Schicht aufgebracht wird, indem in einem Emulsionsverfahren mit einer Emulsion eine in der dispersen (bevorzugt wässrigen) Phase gelöste Vorläufersubstanz in der dispersen Phase umgewandelt wird und damit auf die dispergierten Nanopartikel aufgebracht wird. Die Herstellung von sphärischen anorganischen Nanopartikeln durch Fällung in einer 2-Emulsionsmethode unter Verwendung von Mikro-Emulsionen ist bekannt. Lee et al. (J. European Ceramic Society, 19, 1999) beschreibt die Darstellung von sphärischen ZrC>2-Mikropartikeln, wobei zwei inverse Mikro-Emulsionen, welche Vorläufersubstanzen bzw. Reaktanden in der wässrigen dispersen Phase enthalten, vermischt und zur Umsetzung gebracht werden.
Die im Stand der Technik beschriebene Koaleszenz von Mini-Emulsionen, induziert durch Ultraschall-Behandlung oder Rotor-Stator-Systeme (Ultra-Turrax), weisen den Nachteil auf, dass sich die Koaleszenz der Emulsionströpfchen nicht steuern lässt. Zudem ist eine Ultraschall-Behandlung für eine großtechnische Anwendung eher ungeeignet, da die Ultraschall-Methode für technische Verfahren in größerem Maßstab schwierig zu handhaben ist. Die Wirkung von Ultraschall ist in der Regel lokal begrenzt und führt häufig zu bimodalen Partikelgrößen-Verteilungen. Die Verwendung von Mikro-Emulsionen ist auf enge Spezialfälle beschränkt und hat zudem den Nachteil, dass hohe Mengen an Tensid und Cotensid das entstandene Produkt verunreinigen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu handhabendes Verfahren zum geziel- ten Aufbau von Nanopartikeln, und insbesondere von strukturierten Nanopartikeln, bereitzustellen, wobei Tropfen einer Mini-Emulsion gezielt koalesziert werden und die koaleszierten Tropfen als Reaktionsraum (quasi als Nanoreaktor) genutzt werden.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass Mini-Emulsionen und Mini- Suspoemulsionen nicht nur unter Verwendung eines Hochdruckhomogenisators hergestellt werden können, sondern dass Mini-Emulsionen/Mini-Suspoemulsionen oder Mischungen von unterschiedlichen Mini-Emulsionen/Mini-Suspoemulsionen unter Verwendung eines Hochdruckhomogenisators gezielt zur Koaleszenz geführt werden können. Die Tropfen der dispersen Phase einer Mini-Emulsion lassen sich so kontrolliert koaleszieren, wenn sie unter hoher Scherung durch (mindestens) eine Düse, etwa eine spezielle Homogenisierdüse, geführt werden.
Hochdruckhomogenisatoren wurden ursprünglich für die Homogenisierung von Milch entwickelt, bei der die Fetttröpfchen der Milch auf einen mittleren Tropfendurchmesser von 1 bis 2 μm verkleinert werden, um so das Aufrahmen der Milch zu verhindern. Hochdruckhomogenisatoren arbeiten nach dem Druckentspannungssystem und bestehen im Wesentlichen aus einer Hochdruck-Pumpe und einem Homogenisierventil. Hochdruckhomogenisatoren arbeiten meistens in einem Druckbereich von 100 bis 1000 bar. Der Flüssigkeitsstrom, welcher durch die Hochdruck-Pumpe (beispielsweise eine Hochdruckkolben-Pumpe) erzeugt wird, fließt durch die Homogenisierdüse. Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Homogenisatoren und Homogenisierdüsen beschrieben, wie etwa Flachdüsen, Lochblenden, Spaltblenden, Umlenkdüsen, Gegenstrahl-Dispergatoren. Es ist auch möglich, mit Kombinationen von mehreren gleichen oder verschiedenen Homogenisierdüsen zu arbeiten, wo- bei ein Gegendruck aufgebaut wird.
Eine mögliche Ausführungsform einer Homogenisierdüse stellt die so genannte Flachdüse dar. In der Flachdüse fließt der Flüssigkeitsstrom durch den Ventilsitz und dann radial durch den nur wenige Mikrometer breiten Homogenisierspalt. Der Homogenisier- spalt wird durch das Aufpressen eines Ventilkörpers auf den Ventilsitz eingestellt. Die Flüssigkeit verlässt den Homogenisierspalt mit sehr hoher Geschwindigkeit (z.B. etwa 300 m/s), prallt auf den Prallring und verlässt das Ventil über den Auslass.
Weitere gängige Ausführungsformen von Homogenisatoren beinhalten z.B. Zweistrah- Düsen oder die Kombination von beispielsweise zwei Lochblenden sowie die Kombination von Lochblende mit Umlenkdüsen. Durch eine nach geschaltete Lochblende oder Umlenkdüse entsteht ein Gegendruck, mit dessen Hilfe sich die Kavitationsergebnisse hinter der ersten Blende beeinflussen lassen.
Im Hochdruckhomogenisator sind Scher- und Dehnkräfte, Prallströmung und zu einem entscheidenden Anteil auch Kavitationskräfte wirksam. Kavitation bezeichnet die Entstehung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen. Die Kavitation entsteht etwa durch sehr schnell bewegte Objekte in der Flüssigkeit (z.B. Propeller, Rührer) oder durch schnelle Bewegung der Flüssigkeit etwa durch eine Düse sowie durch Einwirkung von Ultraschall. Als Emulgierdruck wird der Druckabfall über die Homogenisierdüse bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln bzw. Nano-Suspoemulsionen, welches mindestens zwei Schritte umfasst. Im Folgen- den bezeichnet der Begriff .Nanopartikel' auch Nanopartikel, die in Form einer Nano- suspoemulsion oder Nanosuspension vorliegen bzw. erhalten werden.
Ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst Verfahren zum Aufbau von Nanopartikeln und Verfahren zur Nano- Strukturierung von Partikeln insbesondere von Nanopartikeln. Eine Nanostrukturierung umfasst das Herstellen einer Struktur, deren Dimensionen im Größenbereich von Na- nometern liegt, wie beispielsweise die Herstellung von Kern-Schale Partikel oder das Aufbringen von nanoskalige Bereiche auf eine Partikeloberfläche, insbesondere eine Nanopartikel-Oberfläche. Insbesondere umfasst ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbau von Nanopartikeln, insbesondere aus molekular dispers gelösten Vorläufersubstanzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, wobei in einem ersten Schritt a) mindestens zwei Mini-Emulsionen und/oder Mini- Suspoemulsionen erzeugt werden, welche jeweils mindestens einen Reaktanden in der dispersen Phase und mindestens einen Emulgator enthalten, und in einem zweiten Schritt b) die so erzeugten Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen vorzugs- weise in einem Hochdruckhomogenisator vermischt werden.
Bevorzugt erfolgt die Erzeugung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in Schritt a) in einem Hochdruckhomogenisator unter einem Emulgierdruck im Bereich von 200 bis 1000 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 800 bar, weiter bevorzugt im Bereich von 400 bis 800 bar. Es ist aber auch möglich, Mini-Emulsionen einzusetzen, welche nach einem anderen bekannten Verfahren (beispielsweise durch Ultraschallbehandlung) hergestellt wurden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Vermischung der Mini- Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator. Insbesondere erfolgt die Vermischung in Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator unter einem Emulgierdruck im Bereich von 100 bis 1000 bar, bevorzugt im Bereich von 400 bis 1000 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 800 bis 1000 bar.
Die Herstellung von Nanopartikeln erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere indem die Tropfen zweier Mini-Emulsionen/Mini-Suspoemulsionen mit unterschiedlichen dispersen Phasen, in denen die Reaktanden getrennt voneinander vorliegen, gezielt koalesziert werden, wobei die Reaktanden vermischt und zur Reaktion gebracht werden. Die Tropfenkoaleszenz kann gemäß der vorliegenden Erfindung prozesstechnisch (z.B. durch die Gestaltung und Kombination der Düsen bzw. der Düsengeometrie) gezielt gesteuert werden, indem man sich das Phänomen der kurzen Instabilität der Emulsionstropfen und daraus resultierende Tropfenkoaleszenz nach der Homogenisierdüse zu Nutze macht.
Die Verfahrensschritte der 2-Emulsionsmethode zur Partikelerzeugung beinhalten zunächst die getrennte Herstellung zweier Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen (Schritt a)), wobei sich diese Ausgangs-Mini-Emulsionen/Mini-Suspo- emulsionen bevorzugt in ihren Dispersphasen in stofflicher Hinsicht unterscheiden. Die gezielte Koaleszenz der Mini-Emulsionstropfen (bzw. Mini-Suspoemulsionstropfen) wird im 2. Schritt (Emulgierschritt (Schritt b)) bewirkt. Durch die Umsetzung der Reaktanden in den koaleszierten Tropfen bildet sich ein Feststoff, insbesondere in Form von Nanopartikeln oder in Form von Strukturen auf schon vorhandenen Nanopartikeln (z.B. unter Ausbildung einer Schalenstruktur).
Zur Überführung der so entstandenen Mini-Suspoemulsion in eine Nanosuspension kann in einem optionalen Schritt c) ein Anteil mindestens einer der Phase der Emulsion entfernt werden, bevorzugt wird die disperse Phase entfernt, gegebenenfalls wird dabei auch ein Teil der kontinuierliche Phase entfernt werden. Dieser optionale Verfahrens- schritt c) erfolgt bevorzugt durch Verdampfen, z.B. durch Destillation.
Die Koaleszenz der Tropfen durch Hochdruckhomogenisierung (Schritt b) lässt sich insbesondere durch Variation des Emulgierdruckes, der Geometrie der Düse/n, des Dispersphasenanteils, der Reaktanden-Konzentrationen, der Temperatur und der Trop- fengrößenverteilung der Ausgangs-Mini-Emulsionen bzw. Ausgangs-Mini- Suspoemulsionen steuern.
Bei den beschriebenen Mini-Emulsionen bzw. Mini-Suspoemulsionen kann es sich um O/W- oder W/O-Emulsionen handeln. Bevorzugt werden W/O-Emulsionen (inverse Emulsionen) eingesetzt. Bevorzugt enthalten die kontinuierlichen Phasen und die disperse Phase der beiden eingesetzten Ausgangs-Mini-Emulsionen/Mini- Suspoemulsionen als Hauptbestandteil die gleiche Flüssigkeit, sie können allerdings auch unterschiedliche Flüssigkeiten enthalten, welche homogen miteinander vermischbar sind.
Bevorzugt handelt es sich bei den Mini-Emulsionen und/oder Minisuspoemulsionen um W/O-Emulsionen enthaltend eine wässrige disperse Phase. Insbesondere handelt es sich bei den Mini-Emulsionen und/oder Minisuspoemulsione um W/O-Emulsionen enthaltend eine wässrige disperse Phase, in welcher jeweils mindestens ein Reaktand gelöst ist. Bevorzugt werden unpolare, organische Lösemittel oder Mischungen hiervon als kontinuierliche Phase eingesetzt, insbesondere wird die kontinuierliche Phase durch Alkane gebildet.
Insbesondere werden in der vorliegenden Erfindung W/O- oder O/W- Emulsionen ein- gesetzt enthaltend eine wässrigen Phase und eine Phase enthaltend ein oder mehrer organische Lösemittel oder Monomere, wobei diese Flüssigkeiten ausgewählt sind aus der Gruppe C5-C50-Alkane, pflanzliche und tierische Öle, Silikonöle, Paraffin, Triglyceride, Monomere (beispielsweise Styrol, Acrylate). In einer bevorzugten Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens liegt der Anteil der dispersen Phase der im Schritt a) erzeugten Mini-Emulsionen und/oder Mini- Suspoemulsionen, bezogen auf die Gesamtmenge im Bereich von 1 bis 70 Gew.-%, insbesondere 5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 20 bis 40 Gew.-%.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthalten die disperse und/oder die kontinuierliche Phase mindestens einen Emulgator, wobei der Emulgator vorzugsweise in der kontinuierlichen Phase vorgelegt wird.
Es können je nach verwendetem System bekannte anionische, kationische oder nichtionische Emulgatoren für O/W- und W/O-Emulsionen eingesetzt werden. Emulgatoren für W/O-Emulsionen weisen meist einen HLB-Wert von 3-8 auf, Emulgatoren für O/W- Emulsionen weisen meist einen HLB-Wert von 8 bis 18 auf. Der HLB-Wert (von Hydrophilic-Lipophilic-Balance) stellt eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 20 dar, welche Aussagen über die Wasser- und Öllöslichkeit einer Verbindung macht und bei der Auswahl von Emulgatoren oder Emulgatormischungen eine wichtige Rolle spielt.
Bevorzugt wird mindestens ein Emulgator für W/O-Emulsionen zugesetzt, welcher ausgewählt sein kann aus:
Sorbitan-Fettsäureester, z.B. SPAN®-Emulgatoren,
Lecithine und Cholesterine,
Polysorbate, z.B. TWEEN® -Emulgatoren,
Fettsäureester von Glycerin oder Polyglycerinester, z.B. Mazol® -Emulgatoren Fettsäureester von Etylenglykol oder Polyethylenglykol
Amin-Alkoxylate, z.B. Quadrol® (BASF, DE),
Copolymere und Blockcopolymere, z.B. Polyoxamere (Block-Copolymere aus E- thylenoxid und Propylenoxid, Pluronic® ); Polyoxamine (Block-Copolymere aus
Ethylenoxid und Propylenoxid mit Ethylendiamin-Block); Polyisobuten-Polyamin- Polymer (Glisopal®, BASF DE),
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in den Schritten a) und/oder b) mindestens ein W/O-Emulgator in den kontinulierlichen Phasen zugegeben, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe Glisopal® (BASF, DE), Quadrol® (BASF, DE), Pluronic® (BASF, DE), SPAN®-Emulgatoren, TWEEN® -Emulgatoren, Mazol® -Emulgatoren und Lecithin.
Werden O/W- Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen eingesetzt, können ein oder mehrere bekannte O/W-Emulgatoren eingesetzt werden. Hier kommen gängige nicht-ionische, anionische, kationische und ampholytische Emulgatoren in Frage. Die Konzentration des Emulgators in den eingesetzten Mini-Emulsionen bzw. Mini- Suspoemulsionen liegt im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% (bezogen auf die gesamte Emulsion), bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 3 Gew.-%.
Insbesondere erfolgt die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspo- emulsionen in Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator durch eine Homogenisierdüse mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 700 μm, vorzugsweise 70 bis 400 μm. Die Herstellung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in Schritt a) kann ebenfalls in den oben beschriebenen Hochdruckhomogenisator oder in einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsfomen erfolgen.
Bevorzugt wird mindestens eine Homogenisierdüse/Homogenisiervorrichtung ausgewählt aus der Gruppe Flachdüse, Lochblende, Spaltblende, Umlenkdüse und Ge- genstrahldispergator in den Homogenisierschritten a) und/oder b) eingesetzt. Besonders bevorzugt wird mindestens eine Homogenisierdüse/Homogenisiervorrichtung ausgewählt aus der Gruppe Lochblende, Spaltblende und Umlenkdüse in den Homogenisierschritten a) und b) eingesetzt. In Figur 2b ist schematische eine Lochblende mit dem Durchmesser (Lochdurchmesser) d dargestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens eine Zweistrahldüse in den Homogenisierschritten a) und/oder b) eingesetzt. Eine Zweistrahldüse um- fasst insbesondere eine Blende mit zwei Bohrungen, die unter einem bestimmten Winkel α zur Blendenoberfläche angebracht sind (siehe Figur 2a). Die Flüssigkeit tritt durch die Düse hindurch und wird in zwei Flüssigkeitsstrahlen aufgeteilt, welche hinter den Bohrungsaustritten aufeinander treffen. Insbesondere wird eine Zweistrahldüse mit einem Durchmesser (Lochdurchmesser) d im Bereich von 50 bis 700 μm, vorzugsweise von 50 bis 100 μm, sowie einem Winkel α im Bereich von 10° bis 60°, vorzugsweise von 20° bis 30°, verwendet. Figur 2a zeigt eine Ausführungsform eine geeignete Zwei- Strahldüse.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator, wobei mindestens eine Zweistrahldüse mit einem Durchmesser (Loch- durchmesser) d im Bereich von 50 bis 700 μm und einem Winkel α im Bereich von 10° bis 60° als Homogenisierdüse verwendet wird.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Vermischung der
Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter Schritt b) in einem Hochdruck- homogenisator, wobei mindestens eine Lochblende als Homogenisierdüse mit einem Durchmesser (Lochdurchmesser) im Bereich von 50 bis 700 μm, vorzugsweise 70 bis 400 μm, verwendet wird. Bevorzugt erfolgt die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator, wobei zwei hintereinander angeordnete Lochblenden als Homogenisierdüse mit jeweils einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 700 μm verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in den Homogenisierschritten a) und/oder b) eine oder mehrere (vorzugsweise zwei) Lochblenden mit einem Durchmesser (Lochdurchmesser) im Bereich von 50 bis 700 μm, vorzugsweise 70 bis 400 μm eingesetzt. Insbesondere bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator erfolgt, wobei zwei hintereinander angeordnete Lochblenden als Homogenisierdüse mit jeweils einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 700 μm, vorzugsweise 70 bis 400 μm, verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zwei Lochblenden mit Durchmessern von 100 μm und 200 μm eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei Lochblenden mit Durchmessern von 200 μm und 400 μm eingesetzt.
Die Größenverteilung der Tröpfchen einer Emulsion bzw. Suspoemulsion kann durch übliche Methoden ermittelt werden, etwa mittels Laserbeugung oder dynamische Lichtstreuung.
Eine Kenngröße der Tröpfchengrößenverteilung ist der Sauterdurchmesser. Würde man das Gesamtvolumen der Emulsionströpfchen in gleichgroße Kugeln umformen, wobei die Gesamtoberfläche der Tröpfchen gleich bleibt, so hätten diese Tröpfchen den Sauterdurchmesser (X1 2) als Durchmesser. Er ist über folgende Formel definiert:
Figure imgf000010_0001
mit der spezifischen Oberfläche Sv = SgesA/geS, wobei Sges die gesamte Oberfläche der Teilchen und Vges das gesamte Volumen der Teilchen darstellt.
Als Reaktand im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Ausgangsstoff für eine chemische Reaktion oder physikalische Umwandlung bezeichnet, die im Sinne der Erfindung unter den gegebenen Bedingungen zur Bildung oder Abscheidung eines Feststoffes führt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch eine Vorläufersubstanz (Prekursor), welche bereits eine ähnliche Struktur wie das Produkt aufweist, als Reaktand bezeichnet werden. Weiterhin möglich ist die Reaktion eines Reaktandengemisches, welches in einer der dispersen Phasen vorliegt, durch die Vermischung (unter Koaleszenz der Emulsionströpfchen) mit einer zweiten dispersen Phase, welche einen geeigneten Katalysator enthält. Als Reaktand im Sinne der vorliegenden Erfindung kann daher auch ein Kata- lysator oder ein anderer an einer chemischen Reaktion oder physikalischen Umwandlung beteiligter Stoff (etwa ein Antisolvens) verstanden werden.
Als Reaktion im Sinne der vorliegenden Erfindung wird auch das Ausfällen einer gelösten Vorläufersubstanz durch die Vermischung mit einem Antisolvent oder durch Ände- rung des pH-Wertes verstanden.
Bevorzugt liegen die Reaktanden in der dispersen Phase einer Mini-Emulsion gelöst, insbesondere molekular dispers oder kolloidal gelöst, vor. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch feste Reaktanden etwa in Form von Nanoparti- kein in Form einer Mini-Suspoemulsion im vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. Bei der Reaktion der Reaktanden entsteht notwendigerweise mindestens ein festes Produkt. Die Reaktanden können insbesondere in einer Fällungsreaktion, in einer Redox-Reaktion, in einer Säure-Base-Reaktion oder einer Polymerisation miteinander umgesetzt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das beschriebene Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mini-Emulsionen bzw. Mini-Suspoemulsionen um W/O-Emulsionen handelt, welche eine wässrige disperse Phase enthalten, in welchen jeweils mindestens ein Reaktand gelöst ist, ins- besondere molekular dispers gelöst ist.
In einer Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in den dispersen Phasen der Mini-Emulsionen und/oder Minisuspoemulsionen enthaltenen Reaktanden um molekular dispers gelöste Salze handelt, welche in einer molaren Konzentration im Bereich von 0,01 bis 0,5 mol/l vorliegen, und welche bei Vermischen der Mini- Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter Schritt b) unter Fällung eines Feststoffes reagieren.
Weiterhin kann es sich bei mindestens einem in den dispersen Phasen der Mini- Emulsionen und/oder Minisuspoemulsionen enthaltenen Reaktanden um eine Säure oder Base handeln. Bevorzugt handelt es sich bei einem der Reaktanden um eine Säuren oder Basen, bevorzugt in einer Konzentration im Bereich von 0,01 bis 1 mol/l. Insbesondere handelt es sich bei den Reaktanden um ein wasserlösliches Salz enthaltend Kationen ausgewählt aus der Gruppe von Alkalimetall, Erdalkalimetall, Edelmetall (Gold (Au), Silber (Ag), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt)), Silicium (Si), Zinn (Sn), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Cobalt (Co), Zink (Zn), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Yttrium (Y) und Cer (Ce), insbesondere bevorzugt sind Salze von Alkalimetall, Erdalkalimetall und Edelmetall, weiterhin bevorzugt Salze von Alkalimetallen.
Bevorzugt können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Nanopartikel herge- stellt werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bariumsulfat-Nanopartikeln, Zinkoxid-Nanopartikeln, Titandioxid-Nanopartikeln, Zinnoxid-Nanopartikeln und Silici- umdioxid-Nanopartikeln.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden im ersten Schritt des oben beschrie- benen Verfahrens a) eine Miniemulsion enthaltend als disperse Phase eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Bariumsalzes (z.B. Bariumchlorid) sowie eine Miniemulsion enthaltend als disperse Phase eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Sulfat- Salzes (z.B. Kaliumsulfat) erzeugte, und im zweiten Schritt werden die Miniemulsionen in einem Hochdruckhomogenisator unter Erzeugung von Bariumsulfat-Nanopartikenl vermischt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden im ersten Schritt des oben beschriebenen Verfahrens a) eine Miniemulsion enthaltend als disperse Phase eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Zinksalzes (z.B. Zinksulfat) sowie eine Mini- emulsion enthaltend als disperse Phase eine wässrige Lösung einer Base (z.B. Natronlauge) hergestellt, und im zweiten Schritt werden die Miniemulsionen in einem Hochdruckhomogenisator unter Erzeugung von Zinkoxid-Nanopartikeln vermischt.
Hierbei ist unter wasserlöslich ein Salz zu verstehen, das eine Löslichkeit in Wasser von > 10 g/l aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich betrieben werden, indem z.B. die Schritte a) und b) zeitlich versetzt in demselben Hochdruckhomogenisator durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, das Verfahren zur Herstellung von Nanoparti- kein kontinuierlich durch die Kombination von mehreren Hochdruckhomogenisatoren zu betreiben. Die in Schritt a) erhaltenen Mini-Emulsionen und/oder Mini- Suspoemulsionen können optional in einem Zwischenschritt zunächst unter geringer Scherung etwa mit einem Propeller-Rührer vermischt werden, und dann in einem Hochdruckhomogenisator gezielt zur Koaleszenz gebracht werden. Es ist aber auch möglich, die Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen direkt im Hochdruckhomogenisator zusammenzuführen.
Die Temperatur bei der Durchführung der Verfahrensschritte liegt im Bereich von 00C bis 2000C, vorzugsweise im Bereich von 100C bis 1000C. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur im Bereich von 20 °C bis 30 °C.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch Nanopartikel, welche gemäß dem oben beschriebenen Verfahren herstellbar (erhältlich) sind bzw. hergestellt wur- den. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf nanostrukturierte Partikel, welche gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, d. h. auf Partikel, welche eine Struktur im Nanometer-Bereich aufweisen (Beispiel Kern-Schale Partikel oder nanoskalige Bereiche auf der Partikeloberfläche).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Nanopartikel, wobei diese herstellbar (erhältlich) sind bzw. hergestellt werden durch ein Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt a) zwei Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen erzeugt werden, welche jeweils mindestens einen Reaktand in der dispersen Phase und mindestens einen Emulgator enthalten, und in einem zweiten Schritt b) die so erzeugten Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in einem Hochdruckhomogenisator vermischt werden.
Bevorzugt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Nanopartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 500 nm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 200 nm. Die durch das erfin- dungsgemäße Verfahren erhältlichen Nanopartikel können eine hohe Einheitlichkeit, insbesondere hinsichtlich der Partikelgröße, aufweisen.
Die Nanopartikel können in Form der direkt entstehenden Mini-Suspoemulsion oder in Form einer Nanosuspension eingesetzt werden, welche durch Entfernen mindestens einer Phase der Emulsionsphasen teilweise oder nahezu vollständig erhältlich ist. Bevorzugt wird die disperse Phase zu einem Teil, die disperse Phase nahezu vollständig oder die disperse Phase zusammen mit einem Anteil an kontinuierlicher Phase entfernt. Weiterhin können die Nanopartikel auch in fester Form verwendet werden, wie sie durch geeignete Verfahren, z.B. Trocknung, Sprühtrocknung, erhalten werden kön- nen. Die mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens erzeugten Partikel können beispielsweise Anwendung finden als Katalysatoren, wobei der Katalysator in definierten Bereichen der Nanopartikel-Oberfläche enthalten sein kann. Die Partikel können auch als partikuläres Ausgangsmaterial für die organische Photovoltaik (OPV) dienen oder als Controlled Release Systeme für Pharma-Anwendungen und den Pflanzenschutz. Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Figur 1 zeigt die Summenverteilung Q3(x) der Tropfengrößen x (in μm) vor und nach der Homogenisierung (Schritt b) für die in Besipiel 3 erzeugten Mini-Emulsionen (mit ► = nach dem 1. Emulgierschritt; ■ = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 200 bar; o = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 400 bar, ▲ = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 600 bar; V = nach dem 2. Eumulgierschritt bei Δp = 800 bar; M = nach dem zweiten Emulgierschritt bei Δp = 1000bar).
In Figur 2a ist schematisch der Aufbau einer Zweistrahldüse mit dem Winkel α und dem Lochdurchmesser d verdeutlicht. In Figur 2b ist schematische eine Lochblende mit dem Durchmesser (Lochdurchmesser) d dargestellt.
Figur 3 zeigt die Summenverteilung Q3(x) der Tropfengrößen x in μm nach dem ersten und zweiten Emulgierschritt für die in Beispiel 7 erzeugten Mini-Emulsionen (mit ■ = nach dem 1. Emulgierschritt; o = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 400 bar; ▲ = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar).
Figur 4 gibt die Summenverteilung Q3(x) der Tröpfchengrößen x in μm nach dem ers- ten und zweiten Emulgierschritt für die in Beispiel 8 erzeugten Mini-Emulsionen wieder (mit ■ = nach dem ersten Emulgierschritt; o = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar, Standardlochblende mit d = 0,1 mm; ▲ = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar, Standardlochblende mit d = 0,2 mm; V = nach dem 2. Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar, Zweistrahldüse wie in Beispiel 8 beschriebenen).
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiele
Beispiel 1 (Herstellung der Ausgangs-Mini-Emulsionen im Emulgierschritt a))
Bariumchlorid (BaCI2, Merck, Darmstadt) und Kaliumsulfat (K2SO4, Merck, Darmstadt) wurden verwendet wie erhalten und keiner weiteren Aufreinigung unterzogen. Bariumchlorid und Kaliumsulfat wurden in deionisiertem Wasser in der jeweils angege- ben molaren Konzentration gelöst. Bei allen Versuchen betrug das Molenverhältnis b der Reaktanden nach Gleichung (1 ) etwa 5, der Reaktand Bariumsulfat wurde also stets im 5-fachen Überschuss im Vergleich zu Kaliumsulfat vorgelegt.
b = - C^- (1 ) so. Als Emulgator wurde der nicht-ionische Emulgator Glissopal® EM-23 (BASF SE, Ludwigshafen) der kontinuierlichen Phase zugesetzt. Die Emulgatorkonzentration betrug 3 Gew.-%.
Die wässrigen Lösungen von BaCI2 und K2SO4 wurden jeweils mit n-Decan vermischt. Vor dem eigentlichen Hochdruck-Homogenisierschritt wurden die so erhaltenen Mischungen für 2 Minuten mit einem Propellerrührer (Durchmesser etwa 6 cm) bei 400 min"1 gerührt. Anschließend wurden die Mischungen getrennt voneinander in einem Hochdruckhomogenisator (M -1 10 Y Microfluidizer® von Microfluidics) homogenisiert. Es wurde die „Microfluidzer-Düse" der Firma Microfluidics verwendet.
Die beiden wie oben beschrieben erhaltenen Mini-Emulsionen wurden anschließend vermischt und für zwei Minuten gerührt (Propellerrührer, 400 min-1 ). Die so erhaltene Mini-Emulsion wurde zur Herstellung von Nano-Suspoemulsionen in den Beispiel 3 bis 6 verwendet.
Beispiel 2 (Herstellung der Ausgangs-Mini-Emulsionen in Schritt a) - Einfluss des Emulgierdrucks)
Die Mini-Emulsionen wurden wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Dabei betrug die Bariumchlorid-Konzentration C(BaCI2) = 0,10 mol/l und die Kaliumsulfat- Konzentration C(K2SO4) = 0,02 mol/l. Die Emulgatorkonzentration betrug bei beiden Emulsionen 3 Gew.-%, der Dispersphasen-Anteil 40 Gew.-%. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wurde durch mehrfache Wiederholungen der Versuche bestätigt.
Die erhaltenen Mischungen wurden jeweils bei 400 und 800 bar Emulgierdruck wie in Beispiel 1 beschrieben homogenisiert. Es wurden mittlere Tropfengrößen im Bereich von 0,5 bis 1 μm erhalten. Es zeigte sich, dass ein Emulgierdruck von Δp = 800 bar besonders geeignet war, um eine stabile Mini-Emulsion enthaltend Bariumchlorid in der wässrigen dispersen Phase zu erhalten. Für die Kaliumsulfatlösung als Dispersphase (C(K2SO4) = 0,02 mol/l) führte bereits ein Homogenisierdruck Δp = 400 bar zu einer stabilen Mini-Emulsion. Die Sauterdurchmesser X1 2 belaufen sich hier auf ca. 365 nm bei der Emulsion mit Bariumchloridlösung und ca. 475 nm mit Kaliumsulfat als Dispersphase.
Für die folgenden Beispiele wurde, soweit nicht anders angegeben, der Premix mit Bariumchloridlösung bei Δp = 800 bar hingegen mit Kaliumsulfatlösung als Dispersphase bei Δp = 400 bar auf dem M -1 10 Y Mikrofluidizer® homogenisiert. Beispiel 3 (Herstellung von Bariumsulfat-Nanopartikel (Schritt b))
Es wurden zwei Emulsionen mit wässrigen Dispersphasen mit Bariumchlorid und KaIi- umsulfat wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben hergestellt und getrennt voneinander homogenisiert. Die beiden Emulsionen wurden vermischt und für zwei Minuten mittels Propellerrüher (400 min"1) gerührt. Anschließend wurde die Rohemulsion auf dem M -1 10 Y Mikrofluidizer® emulgiert. In diesem Hochdruck-Emulgierschritt wurden die Druckstufen 200, 400, 600, 800 und 1000 bar abgefahren.
Die Ergebnisse der Tropfengrößenverteilung vor sowie nach dem Emulgierschritt zeigen, dass der Emulgierdruck je nach Emulsionssystem einen entscheidenden Einfluss auf die Koaleszenzrate hat. So verändert sich die Tropfengrößenverteilung der Emulsion nach dem 2. Emulgierschritt bei einem Druck kleiner als 400 bar im Vergleich zur Emulsion nach dem 1. Emulgierschritt im Rahmen der Messgenauigkeit nicht. Ab einem Emulgierdruck von 400 bar kommt es jedoch merklich zu Koaleszenz und somit zu einer Tropfenvergrößerung. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ein Mindestdruck von Δp = 400 bar notwendig, um eine Koaleszenz der Ausgangs-Mini- Emulsionströpfchen im Hochdruck-Homogenisierschritt zu erzeugen. Während der Sauterdurchmesser X1 2 nach dem Emulgierschritt a) noch bei ca. 400 nm lag beträgt die mittlere Tropfengröße bei einem Emulgierdruck von 400 bar oder höher bei etwa 7 μm. Um eine derartige Tropfen Vergrößerung zu erzielen, bedarf es der Koaleszenz von ca. 1500 Emulsionstropfen.
Die Zusammensetzung der erhaltenen Mini-Emulsionen bzw. Mini-Suspoemulsionen wurden mittels Elementaranalyse untersucht. So konnte etwa die Möglichkeit ausgeschlossen werden, dass bei Drücken kleiner 400 bar die Tropfen koaleszieren und anschließend wieder zerkleinert werden, da die Elementaranalyse nur die Gegenwart von Bariumchlorid, aber nicht die des Fällungsprodukts Bariumsulfat bestätigen konnte.
Figur 1 zeigt die Summenverteilung Qs(x) der Tropfengrößen x (in μm) vor und nach der Homogenisierung (Schritt b) und in Abhängigkeit des Emulgierdruckes. Der Wert Q3(x) gibt die Summenverteilung der Tröpfchengrößen, d.h. den Anteil der Tröpfchen der entsprechenden Größe, an.
Die Dreiecke mit Spitze nach rechts (►) geben die Summenverteilung (Qs(x)) der Tröpfchengrößen x nach dem ersten Emulgierschritt wieder; die dunklen Quadrate (■) geben die Summenverteilung der Tröpfchengrößen (Qs(x)) nach dem zweiten Emulgierschritt (Schritt b)) bei Δp = 200 bar wieder; die hellen Kreise (o) geben die Sum- menverteilung der Tröpfchengrößen nach dem zweiten Emulgierschritt bei 400 bar wieder; die dunklen Dreiecke mit Spitze oben (A ) geben die Summenverteilung der Tröpfchengrößen nach dem zweiten Emulgierschritt bei Δp = 600 bar wieder; die hellen Dreiecke mit Spitze unten (V ) geben die Summenverteilung der Tröpfchengrößen nach dem zweiten Eumulgierschritt bei Δp = 800 bar wieder; die Dreiecke mit Spitze links (M) geben die Summenverteilung der Tröpfchengröße nach dem zweiten Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar wieder.
Beispiel 4 (Einfluss des Dispersphasenanteils auf die erzwungene Koaleszenz in Schritt b))
Es wurden wie in Beispiel 1 beschrieben Emulsionen bei Drücken von Δp = 800 bar (Bariumchloridlösung) bzw. Δp = 400 bar (Kaliumsulfatlösung) hergestellt und dann die Mischung beider Emulsionen im 2. Emulgierschritt bei Δp = 600 bar mit dem M - 1 10 Y Microfluidizer® wie in Beispiel 3 beschrieben erneut homogenisiert. Der Anteil der Dispersphase der Emulsionen wurde zwischen 20, 30 und 40 Gew.-% variiert, wobei die Massenanteile der restlichen Komponenten stets konstant gehalten wurden.
Die Ergebnisse zu den erhaltenen Tropfengrößenverteilungen zeigen, dass der Dispersphasen-Anteil einen deutlichen Einfluss auf die Koaleszenz-Rate hat. Es wurde deutlich, dass mit sinkendem Dispersphasen-Anteil auch die Koaleszenz-Rate verringert oder ganz unterdrückt wird. Für einen Dispersphasen-Anteil von 20 Gew.-% verändert sich der Sauterdurchmesser X1 2 nach dem 2. Emulgierschritt nur gering (von ca. 290 nm auf ca. 320 nm). Mit steigendem Dispersphasen-Anteil nimmt der Sauterdurchmesser X1 2 der Emulsion nach dem 2. Emulgierschritt (Schritt b)) drastisch zu und es ergibt sich eine Tropfengröße von ca. 1100 nm bei 30 Gew.-% und 4550 nm für 40 Gew.-% Dispersphasen-Anteil.
Die Annahme der gleich bleibenden Tropfengrößenverteilung durch Koaleszenz mit anschließender Tropfenzerkleinerung konnte durch EDX-Analysen widerlegt werden.
Beispiel 5 (Einfluss der Salzkonzentration auf die erzwungene Koaleszenz in Schritt b)
Es wurde wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben verfahren, wobei abweichend von den Beispielen 1 und 2 die Bariumchloridkonzentrationen jeweils auf die folgenden Werte eingestellt wurden: c(V1 ) = 0,05 mol/l; c(V2) = 0,25 mol/l oder c(V3) = 0,50 mol/l. Das Molverhältnis b betrug 5, wie auch in den Beispielen 3 bis 4, was entsprechende Kaliumsulfatkonzentrationen von c(V1 ) = 0,01 ; c(V2) = 0,05 und c(V3) = 0,10 mol/l ergab. Die Emulsion mit Bariumchloridlösung wurde gemäß Beispiel 1 bei Δp = 800 bar, die Emulsion mit Kaliumsulfatlösung bei Δp = 400 bar mit dem M -1 10 Y Microfluidi- zer® hergestellt. Anschließend wurde gemäß Beispiel 3 die Mischung der korrespondierenden Emulsionen (V1 , V2, V3) gebildet, diese für 2 Minuten mit einem Propeller-Rührer gerührt (400 min-1 ) und erneut auf dem M -110 Y Microfluidizer® bei Δp = 600 bar homogenisiert. Es wurden die Tropfengrößenverteilungen der Emulsionen nach dem 2. Emulgierschritt untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung der Salzkonzentration eine stabilisierende Wirkung auf die Emulsion hat. Der Sauter-Durchmesser von Emulsionen, deren Dispersphase eine Bariumchloridkonzentration > 0,25 mol/l aufwies, liegt im Bereich des Wertes einer Emulsion nach dem 1. Emulgierschritt (X1 2 ~ 400 nm). Für geringere Salzkonzentrationen (z.B. 0,05 mol/l BaCI2) ergaben sich jedoch Sauter- Durchmesser bis ca. 5 μm. Weiterführende Versuche haben gezeigt, dass noch bei einer Salzkonzentration von 0,12 mol/l Bariumchlorid und entsprechend geringerer Kaliumsulfatmenge (b = 5) Koaleszenz der Tropfen nach dem 2. Emulgierschritt erzeugt werden kann.
Auch in diesem Fall konnte die Annahme der gleich bleibenden Tropfengrößenverteilung durch Koaleszenz mit anschließender Tropfenzerkleinerung durch Elementaranalysen (EDX-Analysen) widerlegt werden.
Beispiel 6 (Einfluss der Salzkonzentration auf die Partikelgröße in Schritt b))
Es wurde der Einfluss der vorgelegten Salzkonzentration auf die Partikelgröße des gefällten Bariumsulfates untersucht. Es wurden Emulsionen mit unterschiedlichen Dispersphasen (Bariumchlorid- und Kaliumsulfatlösung) wie im BeispieH beschrieben hergestellt und homogenisiert, wobei die Bariumchloridkonzentrationen von c(V1 ) = 0,04 mol/l; c(V2) = 0,08 mol/l und c(V3) = 0,12 mol/l und die Kaliumsulfatkonzentration entsprechend einem molaren Verhältnis b von 5 eingestellt wurden. Anschließend wurden die Mischung der beiden korrespondierenden Emulsionen im 2. Emulgierschritt bei Δp = 600 bar wie in Beispiel 2 beschrieben mit dem M -1 10 Y Microfluidizer® emul- giert. Die Partikelgrößenverteilungen der Suspensionen wurden nach azeotroper Des- tillation (400C, 25 mbar) untersucht. Es wurde gefunden, dass die vorgelegte Reaktan- denkonzentration einen geringen Einfluss auf die Partikelgröße hat. Es ergaben sich für die untersuchten Konzentrationen stets mittlere Partikeldurchmesser (x1 2 Werte) zwischen 10 nm und 13 nm.
Beispiel 7 (Herstellung von Zinkoxid-Nanopartikeln)
Es wurden Ausgangs-Mini-Emulsionen, wie in Bespielen 1 und 2 beschrieben, hergestellt, wobei als wässrige Phase eine 0,1 M-Lösung aus Zinksulfat in deionisertem Wasser oder 0,1 M-Natronlauge verwendet wurden. Die Hochdruckhomogenisierung wurde mit einer Zweistrahldüse mit einem Durchmesser (Lochdurchmesser) von d = 0,08 mm und einem Winkel α von α = 30° durchgeführt. Der Emulgierdruck im ersten Emulgierschritt (Herstellung der Ausgangs-Mini- Emulsionen) betrug Δp = 600 bar.
Die so erhaltenen Ausgangs-Mini-Emulsionen wurden, wie in Beispielen 1 und 2 beschrieben, vermischt.
Ausgehend von der Mischung der oben beschriebenen Mini-Emulsionen wurden, wie in Beispiel 3 beschrieben, Mini-Suspoemulsionen von Zinkoxid-Nanopartikeln hergestellt. Hierbei wurde die oben beschriebene Zweistrahldüse verwendet. Die Hochdruckemulsion wurde bei Emulgi erdrücken von Δp = 400 bar und Δp = 1000 bar durchgeführt.
Figur 3 zeigt die Summenverteilung der Tropfengrößen x in μm nach dem ersten und zweiten Emulgierschritt. Der Wert Qs(x) gibt die Summenverteilung der Tröpfchen (Anteil der Tröpfchen der entsprechenden Größe) wieder.
Die dunklen Quadrate (■) geben die Summenverteilung der Tröpfchen nach dem ersten Emulgierschritt wieder; die hellen Kreise (o) geben die Summenverteilung der Tröpfchen nach dem zweiten Emulgierschritt bei Δp = 400 bar wieder, die dunklen Dreiecke (A) geben die Summenverteilung der Tröpfchen nach dem zweiten Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar wieder.
Bei einem Emulgierdruck von 1000 bar werden Tropfen mit einem mittleren Durchmes- ser von etwa 6 μm erhalten.
Beispiel 8 (Vergleich von verschiedenen Homogenisierdüsen)
Es wurden Ausgangs-Mini-Emulsionen aus Bariumchloridlösung (c = 0,1 mol/l) und aus Kaliumsulfat-Lösung (c = 0,02 mol/l), wie in Beispiel 2 beschrieben, herstellt. Der Emulgierdruck in den ersten Emulgierschritten (Schritt a)) betrug Δp = 600 bar.
Ausgehend von den Ausgangs-Mini-Emulsionen wurden, wie in Beispiel 3 beschrieben, Bariumsulfat-Nanopartikel hergestellt. Der Emulgierdruck betrug bei dem zweiten Emulgierschritt (Schritt b)) Δp = 1000 bar. Hierbei wurden die folgenden Homogenisierdüsen verwendet: Standardlochblende mit Durchmesser (Lochdurchmesser) d = 0,1 mm, Standardlochblende mit Durchmesser (Lochdurchmesser) d = 0,2 mm, Zweistrahldüse mit Durchmesser (Lochdurchmesser) d = 0,08 mm und Winkel α = 30 °. Figur 4 gibt die Summenverteilung Qs(x) der Tröpfchengrößen x in μm wieder. Die dunklen Quadrate (■) zeigen die Summenverteilung der Tröpfchengröße nach dem ersten Emulgierschritt; die Kreise (o) zeigen die Summenverteilung der Tröpfchengröße nach dem zweiten Emulgierschritt bei Δp = 1000 bar unter Verwendung der Standardlochblende mit d = 0,1 mm; die dunklen Dreiecke mit Spitze oben (A) zeigen die Summenverteilung der Tröpfchengröße unter Verwendung einer Standardlochblende mit d = 0,2 mm; die hellen Dreiecke mit Spitze unten (V ) zeigen die Summenverteilung der Tröpfchen unter Verwendung der oben beschriebenen Zweistrahlblende. Es zeigte sich, dass sich die Koaleszenz der Tröpfchen der Ausgangs-Miniemulsion bei Verwendung von einer Zweistrahldüse deutlich steigern lässt.

Claims

1Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, wobei in einem ersten Schritt a) mindestens zwei Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen erzeugt wer- den, welche jeweils mindestens einen Reaktand in der dispersen Phase und mindestens einen Emulgator enthalten, und in einem zweiten Schritt b) die so erzeugten Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in einem Hochdruckhomogenisator vermischt werden.
2. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Mini-Emulsionen und/oder Mini- Suspoemulsionen in Schritt a) in einem Hochdruckhomogenisator unter einem Emulgierdruck im Bereich von 200 bis 1000 bar erfolgt.
3. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder
Mini-Suspoemulsionen in Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator unter einem Emulgierdruck im Bereich von 100 bis 1000 bar erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder
Mini-Suspoemulsionen unter schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator erfolgt, wobei mindestens eine Lochblende als Homogenisierdüse mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 700 μm verwendet wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator erfolgt, wobei zwei hintereinander angeordnete Lochblenden als Homogenisierdüse mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 700 μm verwendet werden.
7. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen unter Schritt b) in einem Hochdruckhomogenisator erfolgt, wobei mindestens eine Zweistrahldüse mit einem Durchmesser d im Bereich von 2
50 bis 700 μm und einem Winkel α im Bereich von 10° bis 60° als Homogenisierdüse verwendet wird.
8. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der dispersen Phase der im Schritt a) erzeugten Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen bezogen auf die Gesamtmenge im Bereich von 5 bis 50 Gew.-% liegt.
9. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mini-Emulsionen und/oder Mini- Suspoemulsionen um W/O-Emulsionen enthaltend eine wässrige disperse Phase handelt.
10. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mini-Emulsionen und/oder Mi- nisuspoemulsionen um W/O-Emulsionen handelt, enthaltend eine wässrige disperse Phase, in welcher jeweils mindestens ein Reaktand gelöst ist.
1 1. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in den dispersen Phasen der
Mini-Emulsionen und/oder Minisuspoemulsionen enthaltenen Reaktanden um molekular dispers gelöste Salze handelt, welche in einer molaren Konzentration im Bereich von 0,01 bis 0,5 mol/l vorliegen, und welche bei Vermischen der Mini- Emulsionen und/oder Minisuspoemulsionen unter Schritt b) unter Fällung eines Feststoffes reagieren.
12. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Reaktanden um ein wasserlösliches Salz enthaltend Kationen ausgewählt aus der Gruppe von Alkalimetall, Erdalkalimetall, Edelmetall, Silicium, Zinn, Eisen, Nickel, Cobalt, Zink, Titan, Zirkonium, Yttrium und Cer handelt.
13. Nanopartikel, wobei diese erhältlich sind durch ein Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt a) zwei Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen erzeugt werden, welche jeweils mindestens einen Reaktand in der dispersen Phase und mindestens einen Emulgator enthalten, und in einem zweiten Schritt b) die so erzeugten Mini-Emulsionen und/oder Mini-Suspoemulsionen in einem Hochdruckhomogenisator vermischt werden. 3
14. Nanopartikel gemäß Anspruch 13 wobei es sich bei den Nanopartikeln um Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 10 bis 500 nm handelt.
15. Nanopartikel, erhalten durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
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