旋刮式膜乳化

摘要

本发明提供一种使用旋转膜装置(10)制备乳液的方法，所述装置包括：i)包括圆柱形多孔表面(14)的膜组件(12)，所述多孔表面封闭关于轴(X)同轴地安置的内部腔室(16)，ii)包括多个轮叶(20)的轮叶组件(18)，所述轮叶沿所述膜组件(12)的所述多孔表面(14)的轴向长度(L)延伸，其中所述轮叶(24)包含位于所述多孔表面(14)的1mm内的剪切表面(24)，及iii)封闭所述膜组件和所述轮叶组件(12，18)的容器(22)；其中所述方法包括以下步骤：在使所述轮叶组件(18)或所述膜组件(12)中的至少一个关于所述轴(X)相对于另一个旋转时，将可分散液相(26)移动通过所述多孔表面(14)进入连续液相(28)中，以使得所述剪切表面(24)对穿过所述多孔表面(14)的所述可分散液相(26)施加剪切力，从而在所述连续液相(28)内形成大小是1μm到500μm的分散液相的液滴(30)。

权利要求

1.一种使用旋转膜装置(10)制备乳液的方法，所述装置包括：

i)包括圆柱形多孔表面(14)的膜组件(12)，所述多孔表面封闭关于轴(X)同轴地安置的内部腔室(16)，ii)包括多个轮叶(20)的轮叶组件(18)，所述轮叶沿所述膜组件(12)的所述多孔表面(14)的轴向长度延伸，其中所述轮叶(20)包含位于所述多孔表面的1mm内并且不与所述多孔表面物理接触的剪切表面(24)，及iii)封闭所述膜组件和所述轮叶组件的容器(22)；

其中所述方法包括以下步骤：在使所述轮叶组件(18)或所述膜组件(12)中的至少一个关于所述轴(X)相对于另一个旋转时，将可分散液相移动通过所述多孔表面(14)进入连续液相中，以使得所述剪切表面(24，24’)对穿过所述多孔表面(14)的所述可分散液相施加剪切力，从而在所述连续液相内形成大小是1μm到500μm的分散液相的液滴。

2.根据权利要求1所述的方法，其中迫使所述可分散液相通过所述多孔表面(14)的步骤包括以下步骤：对位于所述膜组件(12)的所述内部腔室(16)内的所述可分散液相的来源施加压力以迫使所述可分散液相径向朝外通过所述多孔表面(14)的孔并进入周围连续液相中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述轮叶组件是关于所述膜组件(12)同轴地安置并且所述旋转步骤涉及使所述轮叶组件(18)的轮叶(20)绕所述膜组件(12)的所述圆柱形多孔表面(14)的外周旋转。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔表面(14)和所述剪切表面(24)都具有表面积，并且其中所述剪切表面(24)的总表面积小于所述多孔表面(14)的表面积的一半。

说明书

旋刮式膜乳化

技术领域

[0001] 本发明是针对膜乳化。

背景技术

[0002] 膜乳化的概念可追溯至中岛(Nakashima)和清水(Shimizu)在1980年代使用玻璃膜，即，所谓的“白州氏多孔玻璃(Shirasu Porous Glass，SPG)”膜所作的研究。参见例如，汤山(Yuyama)等人，《使用SPG膜乳化技术进行的均一乳滴的制备和分析》(Preparation and Analysis of Uniform Emulsion Droplets using SPG Membrane Emulsification Technique)，《胶体与界面化学A：物理化学与工程方面》(Colloids and Surfaces，A：Physicochemical and Engineering Aspects)168 92000)159-174。自此以后，研究扩展到包括多种膜材料和配置。参见例如：i)威拉迪斯瓦杰维克(Vladisavljevic)等人，《使用膜制造乳液和颗粒状产品方面的近期发展》(Recent Developments in Manufacturing Emulsions and Particulate Products Using Membranes)，《胶体与界面科学进展》(Advances in Colloid and Interface Science)113(2005)，1-20；ii)乔斯林
(Joscelyne)等人，《膜乳化-文献评述》(Membrane Emulsification-A Literature Review)《，膜科学杂志》(Journal ofMembrane Science)169(2000)107-117；及iii)艾吉迪(Egidi)等人，《使用具有规则孔间距的膜进行的膜乳化：在表面剪切存在下的液滴大小及均一性》(Membrane Emulsification Using Membranes of Regular Pore Spacing：
Droplet size and Uniformity in the Presence of Surface Shear)，《膜科学杂志》，
323(2008)414-420。

[0003] 一种膜乳化技术涉及将可分散液相移动通过位于连续液相内的振荡膜。振荡运动对离开所述膜的可分散液相产生连续剪切，并且产生大小更均一的分散液滴。实例描述于：GB 2444035、GB 2467925及US 2012/0175798。US 7622510描述了一种类似技术，其中通过机械、电或磁性激发来使膜振动。另一技术涉及旋转圆柱形膜以对穿过所述膜并进入周围连续液相中的可分散液相产生连续剪切作用。实例描述于WO 2001/45830、WO 2007/
144658、US 8231263、US 8267572及EP 1262225中。也参见威拉迪斯瓦杰维克等人，《使用旋转膜乳化制造较大的均一液滴》(Manufacture of Large Uniform Droplets Using Rotating Membrane Emulsification)，《胶体与界面科学杂志》299(2006)396-402；以及US2009/323459。

发明内容

[0004] 本发明包括使用膜制备乳液的改进装置和方法。在一个优选实施例中，分散的液相在穿过膜而出现时通过经历不连续或变化的剪切力而形成液滴。举例来说，在一个实施例中，本发明包括一种使用旋转膜装置制备乳液的改进的方法，所述旋转膜装置包括：i)包括圆柱形多孔表面的膜组件，所述多孔表面封闭关于轴(X)同轴地安置的内部腔室；ii)包括多个轮叶的轮叶组件，所述轮叶沿所述膜组件的所述多孔表面的轴向长度延伸，其中所述轮叶包含位于所述多孔表面的1mm内的剪切表面；及iii)封闭所述膜组件和所述轮叶组件的容器。所述方法包括以下步骤：在使所述轮叶组件或所述膜组件中的至少一个关于所述轴(X)相对于另一个旋转时，将可分散液相移动通过多孔表面进入连续液相中，以使得所述剪切表面对穿过所述多孔表面的可分散液相施加剪切力，从而在连续液相内形成大小是1μm到500μm的分散液相的液滴。描述了许多不同的实施例。

附图说明

[0005] 附图并未按比例绘制并且包括理想化视图以便于说明。可能时，已经在整个图式和书面说明中使用相同的编号来指示相同或相似的特征。

[0006] 图1是旋转膜装置的截面图。

[0007] 图2是膜组件的部分切开的透视图。

[0008] 图3是轮叶组件的透视图。

[0009] 图4A是以组装形式显示的图2和图3的膜组件和轮叶组件的透视图。

[0010] 图4B是从图4A取得的放大的截面图。

具体实施方式

[0011] 本发明包括大体上如图1中的(10)所显示的旋转膜装置。装置(10)包括含圆柱形多孔表面(14)的膜组件(12)，所述多孔表面封闭内部腔室(16)；及含多个轮叶(20)的轮叶组件(18)，所述轮叶沿所述膜组件(12)的所述多孔表面(14)的轴向长度(L)延伸。膜组件(12)和轮叶组件(18)都是位于容器(22)内。容器(22)可以包括多个流体入口(23)和出口(23′)并且可以配备有与流体反应器一样的加热和搅拌特征(未图示)。

[0012] 如图2和图4中最佳地显示，膜组件(12)是关于轴(X)同轴地安置。膜组件(12)的内部腔室(16)优选例如经由流体端口(25)与流体储槽流体连通。膜组件(12)可以由包括聚合物、陶瓷和金属在内的多种多孔材料制造。孔的大小(例如，1微米到500微米，但更优选是1μm到250μm、10μm到100μm或15μm到50μm)、形状(例如，V形、椭圆形、槽形等)以及均一性可以取决于应用而变化。同样，膜的厚度也可以基于构造的材料和最终应用而变化(例如，0.05mm到10mm)。此类材料的代表性实例描述于：US7632416、US7896169、US8201697、US2011/0120959、US 2011/0220586、US2012/0010063、GB 2385008、WO 2007/144658及WO 
2012/154448中，其完整主题内容以引入的方式并入本文中。在一个优选实施例中，膜组件(12)包含耐腐蚀的金属(例如，电成型的镍网)，所述金属包括大小是10微米到250微米的均一大小的孔。举例来说，斯托克维克(Stork Veco)提供了包括通过光刻技术以及通过将镍电沉积到衬底上所形成的金属箔的市售产品。也可以使用由无电式电镀技术制得的膜，参见GB 2385008。

[0013] 如图3和图4中最佳地显示，轮叶组件(18)包括多个轮叶(20，20′)，所述轮叶沿膜组件(12)的多孔表面(14)的轴向长度(L)延伸。轮叶(20)的数量可以取决于应用而变化，但优选包含2到20个相等地间隔的轮叶。这些轮叶尽管显示被配置成轴向对准的垂直叶片，但其可以沿多孔表面(14)的整体长度(L)的弯曲或对角线路径延伸。每一轮叶(20)优选包括位于多孔表面(14)的1mm内(更优选0.5mm或0.1mm内)但不与其物理接触的剪切表面(24，24′)。剪切表面(24，24′)的总表面积优选地小于膜组件(12)的圆柱形多孔表面(14)的表面积的一半(更优选小于1/3、1/5、1/10并且在一些实施例中小于1/25)。

[0014] 图4A示出了轮叶组件(18)关于膜组件(12)同轴地安装，由此使轮叶(20)的剪切表面(24)与位于膜组件(12)的外周周围的多孔表面(14)紧密邻近的优选实施例。弯箭头表示轮叶组件(18)关于轴(X)和膜组件(12)旋转的一个实施例。图4B显示了位于剪切表面(24)与多孔表面(14)之间的间隙。

[0015] 在图1中图示的优选实施例中，本发明方法包括以下步骤：在使轮叶组件(18)或膜组件(12)中的至少一个关于轴(X)相对于另一个旋转时，将可分散液相(26)移动通过膜组件(12)的多孔表面(14)进入连续液相(28)中，以使得剪切表面(24，24′)对穿过多孔表面的可分散液相(26)施加剪切力，从而形成分散液相的液滴(30)。连续液相(28)内液滴(30)或“微球”的大小优选是1μm到500μm、1μm到250μm、10μm到100μm或15μm到50μm。这些液滴(30)一旦形成，就可以进一步处理，例如通过加热所得乳液进行聚合，或例如通过将液滴移到储料槽中，将其从容器(22)移除。在一个实施例中，将可分散液相(26)移动通过多孔表面(14)的步骤包括以下步骤：对位于膜组件(12)的内部腔室(16)内的可分散液相(26)的来源施加压力以迫使可分散液相(26)径向朝外通过多孔表面(14)的孔并进入周围连续液相(28)中。在图1和图4中所示的实施例中，轮叶组件(18)是关于膜组件(12)同轴地安置并且旋转步骤涉及绕膜组件(12)的圆柱形多孔表面(14)的外周旋转轮叶组件(18)的轮叶(24，24′)。膜组件(12)尽管优选是固定的，但其可以关于轴(X)相对于固定的轮叶组件(18)旋转，或两个组件(12，18)可以相对于彼此移动。

[0016] 与现有技术的对穿过膜的可分散相施加连续剪切力的旋转膜乳化技术不同，本发明利用了一种不连续并且优选循环的剪切力，这种剪切力被认为可产生更均一并且更易控制的液滴。也就是说，可以通过优化轮叶(20)相对于多孔表面(14)的相对旋转速度以及多孔表面(14)与剪切表面(24)之间的间距，精确地控制液滴的形成。当轮叶(20)的剪切表面(24)相对于多孔表面(14)移动时，剪切力的迅速增加将液滴从多孔表面(14)逐出。可以对旋转速度和间距进行优化以产生希望的液滴大小。尽管多孔表面(14)与剪切表面(24)之间的相对旋转可以用来引导可分散液相(26)通过膜，但可分散液相(26)也可能经历独立的正压力以迫使可分散液体(26)通过多孔表面(14)并进入连续液相(28)中。

[0017] 在未图示的替代实施例中，轮叶组件(18)可以同轴地安置在内部腔室(16)内，以使轮叶(20)的剪切表面(24，24′)与位于内部腔室(16)的外周周围的多孔表面紧密邻近。另外，无论轮叶组件(18)是安置在膜组件(12)内还是安置在所述膜组件周围，以及无论轮叶组件(18)相对于膜组件(12)旋转，还是所述膜组件相对于所述轮叶组件旋转，都可以迫使可分散液相从内部腔室(16)径向朝外流动通过多孔表面(14)并流入容器(22)中，或在与存在于内部腔室(16)内的连续液相相反的方向上流动。

[0018] 液相的选择不受特定限制并且可以采用超过两个相，并且每一相可以包括多种组分，例如包括可聚合单体、表面活性剂、乳化稳定剂、催化剂、抑制剂等。有机(油)相和水相是最常见的，但也可以使用其它不可混溶的相。威拉迪斯瓦杰维克等人在《使用膜制造乳液和颗粒状产品方面的近期发展》中提供了关于代表性相的说明。

[0019] 在一个实施例中，可以使用本发明制备可用于制造离子交换树脂和螯合树脂的交联共聚物粒子。这些粒子可以通过形成可分散第一单体混合物于连续悬浮介质中的乳液或悬浮液来制备，如F.赫尔菲里希(F.Helfferich)于《离子交换》(Ion Exchange)(麦格劳-希尔(McGraw-Hill)1962)的第35-36页中所述。可分散第一单体混合物包含：1)第一单亚乙烯基单体、2)第一交联单体及3)有效量的第一自由基引发剂。悬浮介质可以含有本领域中常用的一种或多种悬浮剂。聚合反应是通过将悬浮液加热到一般约50-90℃的温度来引发。将悬浮液维持在所述温度或任选地约90-150℃的较高温度，直到达到所希望的单体向共聚物的转化程度。其它适合的聚合方法描述于US 4444961、US 4,623,706、US 4,666,673以及US 5244926中，其各自以全文并入本文中。

[0020] 单亚乙烯基单体的代表性清单描述于由纽约国际科学出版社有限公司(Interscience Publishers，Inc.，New York)1956年出版，卡尔文E.席尔德克内希特(Calvin E.Schildknecht)编辑的《聚合物加工》(Polymer Processes)，第III章第69-109页的“悬浮液中的聚合反应(Polymerization in Suspension)”中；参见表II(第78-81页)。
在所列单体中，优选包括单亚乙烯基芳香族化合物(如苯乙烯和取代的苯乙烯)的不溶于水的单亚乙烯基单体。术语“取代的苯乙烯”包括苯乙烯的亚乙烯基和苯基中的任一个/或两个的取代基，并且其包括：乙烯基萘、被α烷基取代的苯乙烯(例如α甲基苯乙烯)、被亚烷基取代的苯乙烯(尤其是被单烷基取代的苯乙烯，如乙烯基甲苯和乙基乙烯基苯)以及被卤基取代的苯乙烯，如溴代苯乙烯或氯代苯乙烯以及乙烯基苯甲基氯。其它可适用的单体包括单亚乙烯非苯乙烯系物，如：α，β-烯系不饱和羧酸，尤其是丙烯酸或甲基丙烯酸的酯，甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸乙酯；以及丁二烯、乙烯、丙烯、丙烯腈及氯乙烯；
以及所述单体中的一种或多种的混合物。优选的单亚乙烯基单体包括苯乙烯和取代的苯乙烯，如乙基乙烯基苯。术语“单亚乙烯基单体”意欲包括同种单体的混合物和不同类型单体(例如苯乙烯和甲基丙烯酸异冰片酯)的混合物。种子聚合物组分优选包含大于50摩尔％并且更优选地大于75摩尔％以及在一些实施例中大于95摩尔％的苯乙烯含量(以总摩尔含量计)。术语“苯乙烯含量”是指用于形成共聚物的苯乙烯和/或取代的苯乙烯中单亚乙烯基单体单元的量。“取代的苯乙烯”包括如上文所描述的苯乙烯的亚乙烯基和苯基中任一个/或两个的取代基。在优选实施例中，用于形成第一聚合物组分(例如种子)的第一单体混合物包含至少75摩尔％，优选地至少85摩尔％并且在一些实施例中至少95摩尔％的苯乙烯。

[0021] 适合的交联单体(即，聚偏二乙烯化合物)的实例包括聚偏二乙烯芳香族化合物，如二乙烯基苯、二乙烯基甲苯、二乙烯基二甲苯、二乙烯基萘、三乙烯基苯、二乙烯基二苯基砜，以及不同的二丙烯酸亚烷酯和二甲基丙烯酸亚烷酯。优选的交联单体是二乙烯基苯、三乙烯基苯以及乙二醇二甲基丙烯酸酯。本文所使用的术语“交联剂(crosslinking agent)”、“交联剂(crosslinker)”和“交联单体”为同义语并且意图包括单一种类的交联剂以及不同类型交联剂的组合。共聚物种子粒子中交联单体的比例优选足以使粒子在后续聚合反应步骤中(以及在转化成离子交换树脂时)是不可溶的，但仍允许充分吸收可任选的相分离稀释剂和第二单体混合物的单体。在一些实施例中，将不使用交联单体。一般来说，种子粒子中交联单体的适合量是微量的，即，以用于制备种子粒子的第一单体混合物中单体的总摩尔量计，宜为约0.01摩尔％到约5摩尔％，优选为约0.1摩尔％到约2.5摩尔％。在一个优选实施例中，第一聚合物组分(例如种子)是由包含至少85摩尔％苯乙烯(或取代的苯乙烯，如乙基乙烯基苯)和0.01摩尔％到约5摩尔％二乙烯基苯的第一单体混合物聚合得到。

[0022] 第一单体混合物的聚合反应可以进行到单体尚未实质上完全转化成共聚物的时刻，或替代地进行到实质上完全转化的时刻。如果需要不完全转化，那么所得的部分聚合的种子粒子有利地在其中含有能够在后续聚合反应阶段中引发进一步聚合的自由基源。术语“自由基源”是指存在能够诱导烯系不饱和单体进一步聚合的自由基、残余量的自由基引发剂或两者。在本发明的此类实施例中，优选的是，将约20重量％到约95重量％并且更优选地约50重量％到约90重量％的第一单体混合物(以其中单体的重量计)转化成共聚物。由于存在自由基源，故在后续聚合反应阶段中将任选地使用自由基引发剂。对于第一单体混合物实质上完全转化的实施例，可能需要在后续聚合反应阶段中使用自由基引发剂。

[0023] 自由基引发剂可以是用于在烯系不饱和单体的聚合反应中产生自由基的常规引发剂中的任一种或组合。代表性引发剂是UV辐射引发剂和化学引发剂，如偶氮化合物，包括偶氮二异丁腈；和过氧化合物，如过氧化苯甲酰、过辛酸叔丁酯、过苯甲酸叔丁酯以及过碳酸异丙酯。其它适合的引发剂描述于US 4,192,921、US 4,246,386以及US4,283,499中，其各自以全文并入。所用自由基引发剂的量应足以诱导特定单体混合物中的单体聚合。如本领域的技术人员可以理解的，所述量将变化并且一般将取决于所用引发剂的类型以及所聚合的单体的类型和比例。一般来说，以单体混合物的总重量计约0.02重量％到约2重量％的量是适当的。

[0024] 常规地采用各种悬浮剂来帮助在悬浮介质内维持相对均一的单体液滴悬浮液。说明性悬浮剂为明胶、聚乙烯醇、氢氧化镁、羟基乙基纤维素、甲基羟基乙基纤维素、甲基纤维素以及羧基甲基甲基纤维素。其它适合的悬浮剂揭示于US 4,419,245中。悬浮剂的用量可以取决于所用单体和悬浮剂而大幅变化。可以使用乳胶抑制剂，如重铬酸钠，以使乳胶形成减到最少。

[0025] 种子粒子可以具有任何适宜的大小。一般来说，种子粒子的体积平均粒径宜为约75微米到约1000微米，优选为约150微米到约800微米，并且更优选为约200微米到约600微米。粒径分布可以为高斯分布(Gaussian)或均一分布(例如至少90体积％粒子的粒径是体积平均粒径的约0.9倍到约1.1倍)。

[0026] 还可以通过提供多个种子粒子，然后添加第二单体混合物，以使所述混合物被种子粒子吸收并在其中进行聚合反应来制备共聚物粒子。此步骤优选是以分批接种工艺或以原位分批接种工艺进行，如下文所描述。还可以在聚合条件下间歇地或连续地添加第二单体混合物，如US 4,564,644中所描述。在所谓的“分批接种”工艺中，优选将包含约10重量％到约50重量％共聚物的种子粒子悬浮于连续悬浮介质内。随后将含有自由基引发剂的第二可分散单体混合物添加到悬浮的种子粒子中，使其被种子粒子吸收，然后聚合。尽管是次优选的，但种子粒子可以在悬浮于连续悬浮介质中之前吸收第二单体混合物。可以按一次性量或分阶段添加第二单体混合物。第二单体混合物优选在使得实质上不发生聚合反应的条件下被种子粒子吸收，直到混合物实质上完全被种子粒子吸收。实质上吸收单体所需的时间将取决于共聚物种子组成和其中所吸收的单体而变化。然而，吸收程度一般可以通过显微镜检查种子粒子或悬浮介质、种子粒子以及单体液滴来测定。第二单体混合物宜含有以第二单体混合物中单体的总重量计约0.5摩尔％到约25摩尔％，优选地约2摩尔％到约17摩尔％并且更优选地2.5摩尔％到约8.5摩尔％的交联单体，并且其余部分包含单亚乙烯基单体；其中交联单体和单亚乙烯基单体的选择与以上关于第一单体混合物的制备(即，种子制备)所描述的那些相同。与种子制备相同，优选的单亚乙烯基单体包括苯乙烯和/或取代的苯乙烯。在一个优选实施例中，第二聚合物组分(即，第二单体混合物或“吸收的”聚合物组分)的苯乙烯含量大于50摩尔％并且更优选地是至少75摩尔％(以第二单体混合物的总摩尔含量计)。在一个优选实施例中，第二聚合物组分是由包含至少75摩尔％苯乙烯(和/或取代的苯乙烯，如乙基乙烯基苯)和约1摩尔％到20摩尔％二乙烯基苯的第二单体混合物聚合得到。

[0027] 在原位分批接种工艺中，首先通过第一单体混合物的悬浮聚合来形成包含约10重量％到约80重量％的IPN共聚物产物的种子粒子。种子粒子可以如先前所描述在其中具有自由基源，其能够引发进一步聚合。任选地，聚合引发剂可以与第二单体混合物一起添加，其中种子粒子不含有足够的自由基源或其中需要另外的引发剂。在此实施例中，种子制备和后续聚合反应阶段是在单个反应器内原位进行。随后将第二单体混合物添加到悬浮的种子粒子中，使其被种子粒子吸收，并且聚合。第二单体混合物可以在聚合条件下添加，但替代地可以在使得实质上不发生聚合反应的条件下添加到悬浮介质中，直到混合物实质上完全被种子粒子吸收。第二单体混合物的组成优选对应于先前关于分批接种实施例所给出的描述。

[0028] 共聚物粒子优选具有中值粒径是200微米到800微米的珠粒结构。交联的共聚物粒子可以具有高斯粒径分布，但优选具有相对均一的粒径分布，即，“单分散”，也就是说，至少90体积％的珠粒的粒径是体积平均粒径的约0.9倍到约1.1倍。

[0029] 交联共聚物可以是大孔型或凝胶型。术语“凝胶型”和“大孔型”是本领域中众所周知的并且一般描述共聚物粒子孔隙度的性质。如本领域中常用的，术语“大孔型”意谓共聚物同时具有大孔和中孔。术语“微孔型”、“胶状(gellular)”、“凝胶”以及“凝胶型”为同义语，用以描述孔径小于约20埃(Angstrom) 的共聚物，而大孔型共聚物同时具有约到约 的中孔和大于约 的大孔。凝胶型和大孔型共聚物粒子以及其制备进一步描述US 4,256,840及US 5,244,926中，其全部内容以引入的方式并入本文中。

[0030] 已经描述了本发明的多个实施例并且在一些情况下已将某些实施例、选择、范围、组分或其它特征描述为“优选的”。“优选”特征的表征决不应解释为将此类特征视作是本发明所需的、必需的或至关重要的。陈述的范围包括端点在内。前述专利文件各自的完整主题内容都以引入的方式并入本文中。