JP5307382B2

JP5307382B2 - 微粒子化方法

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Publication number: JP5307382B2
Application number: JP2007296122A
Authority: JP
Inventors: 文夫長田; 慎也福澤; 和代永井
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: JP2009119363A; EP2226119A1; WO2009063574A1; RU2010123918A; RU2458075C2; EP2226119A4; US20110139887A1; US8460401B2

Description

この発明は微粒子化方法に関し、さらに詳しくは、超臨界状態の二酸化炭素のみを用いたのでは微細化困難である物質を微粒子化する方法に関する。

従来、超臨界状態にある二酸化炭素に難溶解性の物質は、超臨界状態の二酸化炭素を用いた微粒子化方法によって、微粒子化されることができない。なぜならば、従来の超臨界状態の二酸化炭素を用いた微粒子化方法は、超臨界状態にある二酸化炭素に、微粒子化しようとする物質を溶解させることを前提とするからである。

超臨界状態の二酸化炭素を利用して微粒子を形成する微粉製造装置として、「液化二酸化炭素と試料易溶化溶媒とを所定の比率で混合して混合溶媒を調製する混合溶媒調製手段と、前記混合溶媒調製手段で調製された前記混合溶媒を超臨界状態にし、超臨界状態になった前記混合溶媒に試料を溶解して超臨界溶液を調製する溶液調製手段と、前記溶液調製手段と連通し、前記溶液調製手段で調製された前記超臨界溶液を噴射する噴射手段とを備えて成ることを特徴とする微粉製造装置」が、ある（特許文献１の請求項１）。

この微粉製造装置において使用される「試料易溶化溶媒」につき、特許文献１には、「前記試料易溶化溶媒は、超臨界状態にした二酸化炭素に対する溶解度の小さい試料に対して、その試料の溶解度を高めるために二酸化炭素に添加する溶媒である。試料の溶解度を高めるために試料易溶化溶媒を用いることは公知の方法である。超臨界状態にした二酸化炭素単独に対する試料の溶解度よりも、超臨界状態にした二酸化炭素と添加溶媒との混合溶媒に対する試料の溶解度の方が大きい場合に、その添加溶媒が前記試料易溶化溶媒になり得る。前記試料易溶化溶媒は、超臨界状態にした二酸化炭素に対する試料の溶解を助けるという意味で、「助溶媒」と呼ぶこともできる。前記試料易溶化溶媒としては、例えばアセトン、メタノール、塩化メチレンを挙げることができ、溶解しようとする試料に対して好適な溶媒が適宜選択されて使用される。」との記載がある（特許文献１の段落番号００１９参照）。

この特許文献１に記載の微粉製造装置は「医薬品」の微粉化に適した装置であると考えられる（特許文献１の段落番号０００２、００２５参照）。

また、特許文献２には、「回収したポリマーに対して超臨界状態となる二酸化炭素および溶媒を混合させた後、前記二酸化炭素を超臨界状態とし、超臨界状態で所定時間保持した後、減圧することにより、前記二酸化炭素を除去し、その後残留する液体を回収し、前記液体を乾燥させてなることを特徴とする微粒子化方法が、開示されている（特許文献２の請求項１参照）。

この特許文献２には、「溶媒としては、エタノール、ｎ−ブチルアルコール、ＴＨＦ（テトラヒドロフランの略、以下同じ）、キシレン等を挙げることができる。なお、この溶媒は、１種類のみならず、２種類以上を混合して使用してもよい。」との記載がある（特許文献２の段落番号０００９参照）。

これら特許文献に記載された装置では、超臨界状態の二酸化炭素に対して難溶解性の物質を微粉化するのに二酸化炭素の外に有機溶媒を使用している。二酸化炭素と共に使用された有機溶媒は、超臨界状態にある耐圧容器を大気に開放することにより大気中に放出されるので、環境汚染の問題があり、この環境汚染の問題を解消するために、使用された有機溶媒を回収するには多くの工程が必要になるので有機溶媒の回収は実用的ではない。

特許第３７５４３７２号公報特開２００６−１１１７９８号公報

この発明の課題は、有機溶媒を使用することなく、超臨界状態の二酸化炭素を使用することにより、超臨界状態の二酸化炭素のみを用いたのでは微細化困難である物質を微粒子化する方法を提供することである。この発明の他の課題は、超臨界状態の二酸化炭素のみを用いたのでは微細化困難である物質を、元の粒子サイズよりも１／１０以下１／１００以上の粒子サイズにすることが可能で、しかも、得られる粒子径を均一にすることのできる微粒子化方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、
請求項１に記載の手段は、耐圧容器内に、炭酸カルシウム、メトキシジベンゾイルメタン、又は導電性ポリマーと水と二酸化炭素とを添加し、前記二酸化炭素が超臨界状態となるように前記耐圧容器内を加熱加圧し、次いで前記耐圧容器内を常圧にすることを特徴とする微粒子化方法である。

この発明によると、超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性である物質例えば無機塩、有機化合物、及び高分子等を、この方法を適用する以前の粒子サイズよりも１／１０以下１／１００以上の粒子サイズにすることが可能で、しかも、得られる粒子径を均一にすることのできる微粒子化方法を提供することができる。

本発明に係る微粒子化方法は、耐圧容器内に、超臨界状態の二酸化炭素のみを用いたのでは微細化困難である物質と水と二酸化炭素とを添加し、前記二酸化炭素が超臨界状態となるように前記耐圧容器内を加熱加圧し、次いで前記耐圧容器内を常圧にすることを特徴とする。

前記超臨界状態の二酸化炭素のみを用いたのでは微細化困難である物質としては、超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性又は不溶解性である無機化合物、超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性又は不溶解性である有機化合物、超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性又は不溶解性であるポリマーを例示することができる。これら無機化合物、有機化合物及びポリマーは超臨界状態の二酸化炭素だけでは微細粒子化が困難である。
前記無機化合物としては、化粧品の原料に使用される無機化合物を好適例として挙げることができ、その好適例として、例えば、タルク、セリサイト、マイカ、無水ケイ酸、窒化ホウ素、合成マイカ、酸化チタン、ベンガラ、黄酸化鉄、黒酸化鉄、雲母チタン、黒酸化チタン、コンジョウ、グンジョウ、酸化クロム、水酸化クロム、酸化亜鉛、アルミ末、炭酸カルシウム、硫酸バリウム等を挙げることができる。前記無機化合物は、「粉体工学便覧−第２版−、粉体工学会編、日刊工業新聞社、１９９８年３月３０日第２版１刷発行、第５１２頁」に記載されている。

また、この発明の方法に適用することのできる超臨界状態の二酸化炭素だけでは微細粒子化が困難である無機化合物として、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化チタン等を挙げることができる。これら無機化合物を総括すると、ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版（１９８９）による周期律表の第２族例えばＭｇ、Ｃａ及びＢａ等の酸化物、炭酸塩、硫酸塩、及び塩化物等、周期律表の第４族元素例えばチタン等の酸化物、及び塩化物等、周期律表の第１２族の元素例えばＺｎの酸化物、塩化物等を挙げることができる。

この発明の方法によると、この発明の方法を適用する前の無機化合物が有する平均粒子径の１／１０以下１／１００以上の範囲内にある平均粒子径、例えば０．１μｍ以下の無機化合物の微粒子が製造される。この発明の方法によると何ゆえに無機化合物が微粒子化されるのかについての理論的説明は困難であるが、二酸化炭素を超臨界状態にする条件下で水を作用させると、液化二酸化炭素は、温度、圧力条件を変化させると液体である性質を保ちつつも密度が変化するので、気体としての性質も持ち合わせる。しかし、水の密度はほとんど変化しない領域を保つ条件なので、密度の異なる液体が、超臨界条件下で混合させると、その分散性が高いため微細化された二酸化炭素の分子と水の分子とが互いに衝突し、また回転するなどの分子運動に、溶質が大きな影響を与え、その結果、液状粉砕器でこの無機化合物をすり潰したり、切断したりする現象に寄与しているものと推察される。ともあれ、この発明の方法は、化粧品原料である無機化合物の微粒子化方法として好適である。

超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性又は不溶解性である有機化合物としては、超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性又は不溶解性であれば特に制限がなく、特には化粧品の原料として使用される有機化合物が好適である。化粧品の原料として使用される有機化合物としては紫外線吸収剤、例えばパラメトキシケイ皮酸２エチルヘキシル、パラメトキシケイ皮酸２エチルオクチル、パラジメチルアミノ安息香酸２エチルヘキシル、パラジメチルアミノ安息香酸２エチルオクチル、サリチル酸２エチルヘキシル、サリチル酸２エチルオクチル、4-tert-ブチル-4-メトキシ-ベンゾイルメタン、メトキシジベンゾイルメタン等を挙げることができる。

この発明の方法によると、対象物である有機化合物の形状を針状から粒子状に変化させることができるとともに、もとの有機化合物が有する平均粒子径の１／１０以下１／１００以上の平均粒子径を有する有機化合物の微粒子を製造することができる。このような技術的効果が何ゆえに奏されるかの理論的な解明はいまだ充分になされていないが、超臨界状態及び水に難溶解性の有機化合物が超臨界状態と水とにより微粒子化されることは驚くべきことである。

超臨界状態の二酸化炭素に難溶解性又は不溶解性であるポリマーは水に対しても難溶解性又は不溶解性である場合が多い。この発明の方法を適用する対象物であるポリマーとしては、例えば、コピー機のトナー、プリンターインクなどのバインダー等に使用されているポリマーを挙げることができ、具体的には、ポリアクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリカーボネート等を挙げることができる。また、この発明の方法により微粒子化が可能なポリマーとして、ポリスチレンスルホン酸及びそのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸の分子内に存在する−ＳＯ_３ ⁻とイオン結合する例えばポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）及びポリピロール(ＰＰＹ)等の有機化合物が結合してなる導電性ポリマー等を挙げることができる。ポリスチレンスルホン酸及びそのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩は、例えば急性・慢性腎不全に伴う高カリウム血症に有効な医薬として使用され得る。したがって、この発明の方法により例えばナノオーダにまで微粒子化されたポリスチレンスルホン酸及びそのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩は、経皮投与が可能になる。また、前記導電性ポリマーはそのポリマーの粒子径が微細であればあるほど、同量の塊状化した前記導電性ポリマーに比べて導電性の向上が認められる。

また、この発明の方法が適用されるポリマーの中でも、ポリスチレンスルホン酸の分子内に存在する−ＳＯ_３ ⁻とイオン結合する例えばポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）及びポリピロール(ＰＰＹ)等の有機化合物が結合してなる導電性ポリマーは水により膨潤して水膨潤性ポリマーを形成する。この水膨潤性ポリマーは分子中にイオン性の官能基−ＳＯ_３ ⁻を備えるので、この水膨潤性ポリマーはイオン性の官能基と水分子とが結合することにより水で膨潤すると考えられる。この水膨潤性ポリマーにこの発明の方法を適用すると、耐圧容器内で、水膨潤性ポリマーと水分子との存在下で二酸化炭素を超臨界状態にすると、液化二酸化炭素の密度は、液体の性質を保ちつつ、気体の密度に近づくためポリマーなどを透過し易い状態となる。よって、水膨潤性ポリマーの分子中に二酸化炭素が透過、通過する際に水分子も一緒に進入し、次いで耐圧容器内を常圧に戻すと、二酸化炭素が瞬時に気体となり、しかも水の容積が増大することにより二酸化炭素が気体となって抜け出た後ポリマーの分子内に水が残っているので水膨潤性ポリマーにおける主鎖切断が発生して微粒子状の水膨潤性ポリマーが形成されるものと推察される。水膨潤性ポリマーの中でも主鎖が配向して結晶状態を形成している水膨潤性ポリマーは、その結晶中に浸入する水分子及び二酸化炭素によりこの発明の方法によって主鎖切断を受けやすい。したがって、結晶性の水膨潤性ポリマーは、この発明の方法により容易に微粒子化されやすい。このような水膨潤性ポリマーとして前記したポリマーの外にポリスチレンスルホン酸及びそのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩、イオン結合した同化合物、ポリアニリンスルホン酸およびそのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩等を挙げることができる。

超臨界状態にされる二酸化炭素としては特に制限がなく、通常の二酸化炭素ガスが使用される。この二酸化炭素はコストが低くて安全であり、超臨界状態の二酸化炭素を常圧下に大気中に放出しても特に問題を生じないという利点がある。

耐圧容器内に供給される水としては、不純物を含まない水であることが望ましく、そのような水として蒸留水、イオン交換水、純水、及び超純水等を挙げることができる。

この発明の方法においては、耐圧容器内に二酸化炭素と水と対象物である無機化合物、有機化合物及びポリマーの少なくとも一種とを存在させる。耐圧容器内に、二酸化炭素と水と対象物である無機化合物、有機化合物及びポリマーの少なくとも一種とを投入する順序に制限がない。また、耐圧容器内に投入する以前に、対象物である無機化合物、有機化合物及びポリマーの少なくとも一種と水とを混合しておき、得られる混合物を耐圧容器に投入するようにしてもよい。

水と対象物である無機化合物、有機化合物及びポリマーの少なくとも一種との耐圧容器内における混合割合は、通常の場合、前記対象物１質量部に対して水５０〜１００００質量部、好ましくは水２０〜２０００質量部である。前記対象物に対する水の量が前記範囲を外れて多すぎると容器上部に対象物が浮かんで反応しなかったり、少なすぎると十分反応しなかったりすることがあって好ましくないことがある。

耐圧容器内における水と二酸化炭素との混合割合は、通常の場合、水１０ｍｌに対して二酸化炭素８０〜５００ｇ、好ましくは９５〜４００ｇである。

耐圧容器内に水、対象物である無機化合物、有機化合物及びポリマーの少なくとも一種とを装填し、二酸化炭素が圧入される。耐圧容器内が、二酸化炭素が超臨界状態となる条件にされる。通常の場合、耐圧容器内の圧力を１０〜１５ＭＰａにし、耐圧容器内の温度が４０〜１００℃に維持される。また、耐圧容器内の二酸化炭素を超臨界状態に維持する時間は、通常の場合、１〜２時間である。

耐圧容器内を二酸化炭素の超臨界状態に維持した後に、耐圧容器内を常圧に戻す。通常の場合、耐圧容器内の二酸化炭素を大気中に放出する。すると、耐圧容器内には、水と投入されていた対象物との混合物が残留する。この混合物を通常の分離手段例えば濾過手段により対象物を分離することができる。

得られ対象物の平均粒子径は、耐圧容器に装填する以前の対象物の平均粒子径に対して１／１０以下、多くの場合１／１０〜１／１００になっている。なお、対象物の平均粒子径は、粒度分布測定装置例えば日機装株式会社製の「マイクロトラック」で測定されることができる。

次に図面を参照しながら、この発明の方法を概説する。

図１は、本発明を実施するのに好適な一例である微粒子化装置の概略図を示している。図１に示されるように、微粒子化装置１は、耐圧容器２と、二酸化炭素ボンベ３と、水貯留タンク４と、手動弁５とを備えて成る。

耐圧容器２は、対象物である無機化合物、有機化合物及びポリマーより選択される少なくとも一種と水と二酸化炭素とを収容し、二酸化炭素を超臨界状態にすることが可能であればよい。耐圧容器２は、耐圧容器２内を攪拌する攪拌器２Ａを備えていることが好ましい。なお、耐圧容器２の後段には、手動弁５が接続されている。

二酸化炭素ボンベ３は、二酸化炭素ガスを貯留し、前記耐圧容器２に二酸化炭素ガスを供給する。二酸化炭素ボンベ３は、耐圧容器２の前段に接続されている。二酸化炭素ボンベ３および耐圧容器２の間には、ポンプ３Ａと、手動弁３Ｂとがこの順に接続されている。

水貯留タンク４は、純水を貯留し、前記耐圧容器に前記純水を供給する。水貯留タンク４は、耐圧容器２の前段に接続されている。水貯留タンク４および耐圧容器２の間には、ポンプ４Ａと、手動弁４Ｂとがこの順に接続されている。

前記微粒子化装置１を使用した際の微粒子化方法を図１および図２を参照して、説明する。

まず、耐圧容器２内に無機化合物等の対象物が投入される（図２（Ａ）参照）。

次に、ポンプ３Ａおよび手動弁３Ｂを作動させて、二酸化炭素ボンベ３から前記耐圧容器２に超臨界状態となる二酸化炭素を供給する（図２（Ｂ）参照）。

さらに、ポンプ４Ａおよび手動弁４Ｂを作動させて、水貯留タンク４から前記耐圧容器２に純水を供給する（図２（Ｃ）参照）。なお、耐圧容器内に供給する純水と二酸化炭素とについてはいずれを先にしても後にしても、或いは同時であってもよい。

次に、耐圧容器２内を昇圧および／または昇温することにより、耐圧容器２内に供給された二酸化炭素が超臨界状態とされる。必要に応じて耐圧容器内２内に更に二酸化炭素が圧入される。この際、攪拌器２Ａを適宜、作動させて、超臨界状態となる二酸化炭素および純水を混合する（図２（Ｄ）参照）。その後、二酸化炭素を超臨界状態で所定時間保持する（図２（Ｅ）参照）。

手動弁５を作動させて、耐圧容器２内を減圧して常圧に戻す。減圧後、常圧に戻された耐圧容器２内から二酸化炭素ガスが手動弁５を通じて大気に放出される。耐圧容器２内に水と無機化合物とが残留する。耐圧容器２内の水と無機化合物との混合物から、分離手段により無機化合物を回収する。

上記したように、無機化合物等の対象物に対して前記二酸化炭素および純水を混合させた後、前記二酸化炭素を超臨界状態とすると、純水自体も超臨界状態に近い状態となると推測される。超臨界状態を実現する高圧から常圧に戻すことにより、二酸化炭素は、超臨界状態から通常の二酸化炭素に戻る。この発明の方法によると、従来のような物理的粉砕法と比較して、回収したポリマーからポリマー微粒子を短時間で得ることができる。

以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示すように、まず、内容積５００ｍＬの耐圧容器２内に、平均粒径が１００μｍである炭酸カルシウム０．０５ｇと純水１０ｇとを装入した。

次に、耐圧容器２内を４０℃に加熱すると共に二酸化炭素ガス３０８ｇを圧入して１０ＭＰａの圧力にし、耐圧容器２内に供給された二酸化炭素ガスを超臨界状態にした。この際、攪拌器２Ａを適宜、作動させて、超臨界状態となる二酸化炭素および純水を混合した。その後、二酸化炭素ガスを超臨界状態で、２時間保持した。

２時間の経過後に手動弁５を作動させて、耐圧容器２内を常圧に戻した。耐圧容器２内が常圧に戻ると、耐圧容器２内には水と炭酸カルシウムとの混合物が残留した。耐圧容器２内の混合物を取り出し、濾過操作により炭酸カルシウムを回収した。

回収した炭酸カルシウムを乾燥した後に、ＳＥＭ分析を行った結果、１μｍ程度の球状粒子の存在することが確認された。このＳＥＭ写真を図３に示す。

[比較例１]
前記実施例１において水を使用しないことの外は、前記実施例１と同様に実施した。その結果、この発明の方法を適用する以前の炭酸カルシウムとこの発明の方法を適用した後の炭酸カルシウムとは、ＳＥＭによる観察の限りでは大きな変化が見られず、その炭酸カルシウムの粒子径が１００〜２００μｍの範囲に分布していた。
［実施例２］
実施例２は、対象物として炭酸カルシウムの代わりに、図４のＳＥＭ写真に示されるような針状を呈し、平均軸長が約１００μｍであるメトキシジベンゾイルメタン０．１ｇを耐圧容器２内に装入し、耐圧容器２内を１０ＭＰａの代わりに１５ＭＰａに加圧した外は、前記実施例１と同様に実施した。

この回収されたメトキシジベンゾイルメタンにつきＳＥＭ分析を行った結果、５〜１０μｍ以下の球状粒子が存在することが確認された。このＳＥＭ写真を図５に示す。
このメトキシベンゾイルメタンは超臨界状態の二酸化炭素だけでは微粒子化することができず、メタノール等のアルコールにこのメトシキベンゾイルメタンを添加し、更に二酸化炭素を添加した後にこの二酸化炭素を超臨界状態にしてもこのメトキシベンゾイルメタンは微粒子化することができなかったことに照らすと、この発明の方法によりこのメトキシベンゾイルメタンを微粒子化することができたことは、注目に値する。

［実施例３］
実施例３は、実施例１とは、対象物として炭酸カルシウムの代わりに、平均粒径が０．４μｍであるポリスチレンスルホンとポリエチレンジオキシチオフェンとがイオン結合してなる導電性ポリマー０．０００５ｇを耐圧容器２内に装入した外は、前記実施例１と同様に実施した。耐圧容器２に挿入される以前のこの導電性ポリマーの粒度分布を粒度分布測定装置（マイクロトラック、日機装株式会社製）で測定した結果を、図６に示した。

回収された導電性ポリマーの平均粒径を粒度分布測定装置（マイクロトラック、日機装株式会社製）で測定したところ、平均粒径が０．０５μｍであった。この回収された導電性ポリマーの粒径は０．０２〜０．０５の狭い範囲に分布していた。粒度分布測定装置による測定結果を、図７に示した。

図１は、本発明に係る微粒子化装置の概略図を示している。図２は、耐圧容器内の状態を示す概略図を示している。図３は、本発明を適用した後の微粒子の状態を示すＳＥＭ写真を示している。図４は、本発明を適用する以前の微粒子の状態を示すＳＥＭ写真を示している。図５は、本発明を適用した後の微粒子の状態を示すＳＥＭ写真を示している。図６は、本発明を適用する前の導電性ポリマー粒子の粒度分布を示すグラフである。図７は、本発明を適用した後の導電性ポリマー粒子の粒度分布を示すグラフである。

符号の説明

１微粒子化装置
２耐圧容器
２Ａ攪拌器
３二酸化炭素ボンベ
３Ａポンプ
３Ｂ手動弁
４水貯留タンク
４Ａポンプ
４Ｂ手動弁
５手動弁

Claims

耐圧容器内に、炭酸カルシウム、メトキシジベンゾイルメタン、又は導電性ポリマーと水と二酸化炭素とを添加し、前記二酸化炭素が超臨界状態となるように前記耐圧容器内を加熱加圧し、次いで前記耐圧容器内を常圧にすることを特徴とする微粒子化方法。