一種連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法

2023-04-26 17:44:51 3

專利名稱：一種連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備小粒徑(平均粒徑〈I μ m)吡啶硫酮鹽的方法，尤其涉及一種通過微通道反應器，快速、連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法。
背景技術：
吡啶硫酮鹽具有很好的抑菌性能，吡啶硫酮的多價金屬鹽(如鎂，鋁，鋅，錫，鎘，鋯，銅等)憑藉其溶解度低的特點，在應用過程中能夠保持更長久的抗菌活性，而被廣泛用於塗料，膠黏劑，抗微生物劑及洗髮水等。其中，應用最廣泛的是吡啶硫酮鋅和吡啶硫酮銅。以吡啶硫酮(需加入鹼溶液，如氫氧化鈉/鉀或氨水溶液反應，形成可溶性吡啶硫酮鈉鹽，鉀鹽或銨鹽)或可溶性吡啶硫酮鹽為起始原料，與可溶性金屬化合物反應來製備吡啶硫酮的多價金屬鹽是目前用於合成吡啶硫酮的多價金屬鹽的主要方法。該工藝過程簡單，可溶性吡啶硫酮鹽原料易得，如吡啶硫酮鈉，價格適宜。眾多美國專利，如2809971,4323683，5238490,5540860等 均利用該方法在有機分散介質中製備了吡啶硫酮的多價金屬鹽。但是所製備的吡啶硫酮鹽顆粒較大(>2 μ m)。研究表明，相比較於大粒徑的吡啶硫酮鹽，小粒徑的吡啶硫酮鹽顆粒(〈I μ m)在溶劑中的分散性更好，儲存周期更長，滲透力也得到了很大的改善，具有更高的利用價值。目前，製備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法主要有:(I)將塊體材料通過機械切片、研磨等各種方法分解成小粒徑顆粒。美國專利7481873和0118134利用吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽與可溶性金屬化合物在有機分散劑介質中進行反應，以避免吡啶硫酮鹽顆粒發生團聚，得到了粒徑約3μπι的吡啶硫酮銅顆粒，然後經過了後續的研磨工序得到了粒徑分布為0.1-10 μ m,平均粒徑為0.2-0.5 μ m的吡啶硫酮銅顆粒。採用這種方法得到的顆粒不規則、粒徑分布寬、重複性差。(2)美國專利6017936提供了一種在高壓湍流反應器中一次性製備粒徑〈I μ m的吡啶硫酮鹽的方法，他們用吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽與可溶性金屬化合物在有機分散劑介質中進行反應，通過反應器所產生的高壓OlOOOpsi )和湍流效應減小顆粒的尺寸。並且，反應需在低溫條件下進行(0-23°C)，所需的進料時間和反應時間較長(分別為 8min 和 5-lOmin)。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是:在製備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的過程中，為了簡化製備過程，避免使用分散劑及繁瑣的後續顆粒研磨、粉碎等處理過程，提出了在溫和條件下用直接沉澱法在微通道反應器中快速的一種連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法。本發明具體的技術方案是:一種連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法，其具體步驟為:將合成吡啶硫酮鹽顆粒的吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽、水溶性金屬化合物分別配製成水溶液，然後以l_200mL/min的流速分別由各自的進料泵輸入到與泵相連接的內徑為0.0l-lOmm，混合通道長0.0l-1m的微通道反應器中，使吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽和金屬化合物的摩爾比為0.1-10:1 ;在0-1001:的反應溫度下，吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽和水溶性金屬化合物在微反應器的混合通道內混合實現化學沉澱反應，將反應所得的吡啶硫酮的多價金屬鹽混合液進行分離、洗滌和乾燥，即得到小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒。優選所述的可溶性吡啶硫酮鹽為吡啶硫酮鈉、吡啶硫酮鉀、吡啶硫酮鋰或吡啶硫酮銨中的任意一種或幾種；所述的可溶性金屬化合物為鋅鹽、銅鹽、鎂鹽、鋁鹽、鎳鹽或鈷鹽中的任意一種或幾種。優選所述的吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽水溶液的濃度為0.01-4.0mol/L ;水溶性金屬化合物水溶液的濃度為0.01-2.0mol/L。優選所述的可溶性金屬化合物為氯化鋁、硝酸鎂、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸銅、氯化銅、硝酸銅、硫酸鎳或氯化鈷中的任意一種或幾種。優選所述的微通道反應器的內徑為0.3-lmm。優選所述的吡啶流通或可溶性吡啶硫酮鹽和金屬化合物的摩爾比為1-4:1。優選所述的反應溫度為20-80°C。優選本發明所製備的小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的平均粒徑為0.2-1 μ m ;粒徑分布為0.01-2 μ m。本發明也可以製備可控粒徑分布範圍為0.01-10 μ m的吡啶硫酮鹽顆粒。可溶性批唳硫酮鹽和金屬化合物的反應是一個快速沉澱反應,是一個分子水平的過程。因此其主要受到微觀混合過程的影響(AIChE J.1991，37，11，1698-1710)。反應物在傳統間歇反應器中的微觀混合速率遠小於化學沉澱反應速率，因此已達到分子級接觸的化學反應在物料達到充分混合前已經完成。這樣，由於化學反應在整個反應器內的速率不同，會導致目標產物的局部過飽和度分布不均勻，從而引發沉澱過程的成核速率和生長速率分布不均勻，導致產品的粒徑分布較寬。由於粒徑差別大的粒子間易發生團聚(Chem.Eng.Sc1.2001，56，12，3797-3802)，因此，微觀混合不充分將間接增加顆粒間的團聚速率，使產物的顆粒粒徑較大，分布變寬。但是，在微通道反應器中，由於微通道尺寸的限制，較傳統反應器中的傳質和傳熱速率大·大提高，能夠提供良好的微觀混合環境，甚至為反應過程所控制。與傳統反應器相比，更易製備粒徑小且粒徑分布窄的高品質微-納米材料。可溶性吡啶硫酮鹽和金屬化合物由各自的進料泵4控制流量，在微混合通道匯合後進行充分、均勻地接觸，能夠迅速達到良好的微觀混合。結晶後的漿料可直接收集，並從反應體系中及時地分離出來，及時終止顆粒生長，避免了團聚現象的發生。由於微通道尺寸很小，當量直徑數量級為微米級，其傳質特性使得反應物能在毫秒級範圍內混合，從而極大地強化了傳質過程。而且，管道尺寸有效地限制了重結晶顆粒的大小，並提高了顆粒粒徑分布的均勻程度。此外，微反應器的放大(即增加產量)僅為微通道數量的疊加，避免了傳統放大過程的放大效應。其放大裝置既具有連續反應的穩定性，又可以靈活地調節產量，實現按需生產。有益效果:本發明中，通過調整反應溫度，原料摩爾比及微通道反應器的內徑等，能夠得到平均粒徑可控的、均勻的吡啶硫酮鹽顆粒。特別是小粒徑的、粒度分布窄的吡啶硫酮鹽顆粒。相對於現有技術，該方法為連續操作，反應條件更溫和；生產過程及裝置簡單，方便，避免了繁雜的後續顆粒粉碎，研磨等處理過程。相對於現有工藝所製備的吡啶硫酮鹽顆粒，由於顆粒均勻，粒度較小，所以分散性、滲透性更好，具有較高的利用度。


圖1為微通道反應器製備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的流程圖，其中1-吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽，2-金屬化合物，3-溫控裝置，4-進料泵，5-微通道反應器；圖2為樣品Al，A5，A6，A15的X射線衍射(XRD)圖譜；圖3為樣品BI，B5，B6，B15, B16的X射線衍射(XRD)圖譜；圖4為樣品Al的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖5為樣品BI的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖6為樣品B6的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖7為樣品B7的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖8為樣品Cl，C2的X射線衍射(XRD)圖譜；圖9為樣品Cl的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖10為樣品C2的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖11為樣品Dl，D2的X射線衍射(XRD)圖譜；圖12為樣品Dl的冷場發射掃描照片(FSEM)；

圖13為樣品El的冷場發射掃描照片(FSEM)；圖14為樣品Fl的冷場發射掃描照片(FSEM)。
具體實施例方式本發明的微通道反應器製備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的流程圖如圖1所示:實例I利用0.2mol/L硝酸鋅溶液，在硝酸鋅和吡啶硫酮鈉溶液的流量均為15mL/min的條件下，將二者分別注入到內徑為500 μ m，混合通道長為2cm的微混合器中進行混合反應製備吡啶硫酮鋅。控制反應溫度為80°C，原料摩爾比R=2 (R = η (吡啶硫酮鈉)/n (Zn2+))，對應吡啶硫酮鈉溶液的濃度為0.4mol/L。將得到的樣品用去離子水離心洗滌2-3次，於80°C烘箱中乾燥過夜。樣品記為Al。由樣品的掃描電鏡照片發現，所得的樣品為不規則塊狀(如圖4)。由電鏡照片統計得樣品的平均粒徑為0.48μπι，粒徑分布為0.27-0.79 μ m。實例2-4採用與實例I相同的方法進行實驗，但是改變反應溫度。反應溫度分別為20°C，40°C，60°C，依次所得的吡啶硫酮鋅為A2，A3，A4。由產物的掃描電鏡照片統計得A2的平均粒徑和粒徑分布分別為0.90 μ m和0.25-1.99 μ m, A3的的平均粒徑和粒徑分布分別為0.60 μ m和0.22-1.2，A4的平均粒徑和粒徑分布分別為0.52 μ m和0.2-1.0Oym0可見，隨著反應溫度的升高，產物的平均粒徑減小，分布變窄。實例5-6採用與實例I相同的方法進行實驗，但是改變原料摩爾比R。保持硝酸鋅溶液濃度0.2mol/L,改變R值分別為I和4，依次所得的吡啶硫酮鋅為A5，A6。由產物的掃描電鏡照片統計得A5的平均粒徑和粒徑分布分別為0.55 μ m和0.29-0.85 μ m, A6的平均粒徑和粒徑分布分別為0.53 μ m和0.23-0.75 μ m。可見，R值對產物的粒徑影響不大。實例7-11採用與實例I相同的方法進行實驗，但是改變反應物濃度。保持原料摩爾比為R=2,改變硝酸鋅溶液的濃度分別為 0.05mol/L,0.1mol/L,0.5mol/L, 1.0mol/L, 1.8mol/L,對應的吡啶硫酮鈉溶液濃度分別為0.1mol/L,0.2mol/L, 1.0mol/L, 2.0mol/L, 3.6mol/L，依次所得的吡啶硫酮鋅為A7，A8，A9，A10，A11。由產物的掃描電鏡照片統計得A7的平均粒徑和粒徑分布分別為0.70 μ m和0.36-1.37 μ m，A8的平均粒徑和粒徑分布分別為0.60 μ m和0.38-1.19 μ m, A9的平均粒徑和粒徑分布分別為0.59 μ m和0.27-1.49 μ m, AlO的平均粒徑和粒徑分布分別為0.66 μ m和0.30-1.49 μ m，All的平均粒徑和粒徑分布分別為0.60 μ m和0.32-1.15 μ m。可見，低濃度條件下，隨著反應反應物濃度的升高，產物的平均粒徑減小，分布變窄。但當硝酸鋅溶液的濃度增大到0.2mol/L後，隨濃度的繼續增大，顆粒的平均粒徑增大，粒徑分布變寬。實例12-14採用與實例I相同的方法進行實驗，但是改變微通道反應器的內徑。微通道反應器的內徑分別為300 μ m, 550 μ m, 800 μ m,依次所得的吡啶硫酮鋅為A12，A13，A14。由產物的掃描電鏡照片統計得A12的平均粒徑和粒徑分布分別為0.50 μ m和0.31-0.99 μ m, A13的平均粒徑和粒徑分布分別為0.68 μ m和0.36-1.60 μ m, A14的平均粒徑和粒徑分布分別為0.82 μ m和0.13-2.00 μ m。可見，隨著微通道尺寸的增大，顆粒的粒徑增大，粒徑分布變寬。實例I5採用與實例I相同的方法進行實驗，但是鋅鹽為氯化鋅。所得的吡啶硫酮鋅為A15。由樣品的掃描電鏡照片發現，所得的樣品為不規則塊狀。由產物的掃描電鏡照片統計得產物的平均粒徑為0.49 μ m,粒徑分布為0.35-1.09 μ m。實例16利用0.2mol/L硫 酸銅溶液,在硫酸銅和卩比唳硫酮鈉溶液的流量均為15mL/min的條件下，將二者分別注入到內徑為500 μ m，混合通道長為2cm的微混合器中進行混合反應製備吡啶硫酮銅。控制反應溫度為20°C，原料摩爾比R=2 (R = η (吡啶硫酮鈉)/n (Cu2+))，對應吡啶硫酮鈉溶液的濃度為0.4mol/L。將得到的樣品用去離子水離心洗滌2-3次，於80°C烘箱中乾燥過夜。樣品記為BI (圖5)。由樣品的掃描電鏡照片發現，所得的樣品為棒狀。由掃描電鏡照片統計得樣品的平均粒徑為0.31 μ m，粒徑分布為0.05-1.04 μ m。實例17-19採用與實例16相同的方法進行實驗，但是改變反應溫度。反應溫度分別為40°C，60°C，80°C，依次所得的吡啶硫酮銅為B2，B3, B4。由產物的掃描電鏡照片統計得B2的平均粒徑和粒徑分布分別為0.28 μ m和0.04-0.98 μ m, B3的平均粒徑和粒徑分布分別為0.24 μ m和0.06-0.85 μ m, B4的平均粒徑和粒徑分布分別為0.20 μ m和0.05-0.73 μ m。可見，隨著反應溫度增大，吡啶硫酮銅顆粒的平均粒徑略微減小，粒徑分布也略微變窄。實例20-21採用與實例16相同的方法進行實驗，但是改變原料摩爾比R。保持硫酸銅溶液濃度為0.2mol/L,改變R值分別為I和4，依次所得的吡啶硫酮銅為B5，B6。由產物的掃描電鏡照片及統計得產物的平均粒徑和粒徑分布結果顯示，R=I時，吡啶硫酮銅顆粒形貌不變，依然為棒狀。但顆粒的粒徑比R=2時大，粒徑分布變寬。R=4時，吡啶硫酮銅顆粒形貌發生改變，出現部分片狀吡啶硫酮銅(圖6)。
實例22-26採用與實例16相同的方法進行實驗，但是改變反應物濃度。保持原料濃度比R=2，改變硫酸銅溶液濃度分別為 0.01mol/L, 0.05mol/L, 0.lmol/L, 0.5mol/L, 0.8mol/L,依次所得的吡啶硫酮銅為B7，B8, B9, B10, BI I。由產物的掃描電鏡照片及統計得產物的平均粒徑和粒徑分布結果顯示，在較低的反應物濃度下，可以製備長度< 4μπι，寬度< 200nm的納米線狀吡啶硫酮銅(圖7)，當硫酸銅溶液濃度增大到0.lmol/L後，製備的吡啶硫酮銅都為棒狀物，且粒徑不隨濃度變化而變化。實例27-29採用與實例16相同的方法進行實驗，但是改變微通道反應器的內徑。微通道反應器的內徑分別為300 μ m, 550 μ m, 800 μ m,依次所得的吡啶硫酮銅為B12，B13, B14。由產物的掃描電鏡照片統計得B12的平均粒徑和粒徑分布分別為0.33 μ m和0.08-1.37 μ m, B13的平均粒徑和粒徑分布分別為0.30 μ m和0.09-0.94 μ m, B14的平均粒徑和粒徑分布分別為0.18 μ m和0.09-0.36 μ m。可見，隨著微通道尺寸的增大，顆粒的粒徑增大，粒徑分布變寬。實例3O-3I採用與實例16相同的方法進行實驗，但是銅鹽為氯化銅和硝酸銅，依次所得的吡啶硫酮銅為B15，B16。由樣品的掃描電鏡照片發現，所得的樣品均為棒狀。由產物的掃描電鏡照片統計得B15的平均粒徑和粒徑分布分別為0.28 μ m和0.08-0.37 μ m, B16的平均粒徑和粒徑分布分別為0.20 μ m和0.09-0.34 μ m。實例32-33採用與實例16相 同的方法進行實驗，但是可溶性金屬鹽為硫酸鎳，改變反應溫度為60°C，依次所得的吡啶硫酮鎳為Cl，C2。由樣品的掃描電鏡照片發現，20°C條件下，所得的樣品均為棒狀(圖9)，60°C條件下，所得的樣品均為塊狀吊墜型(圖10)。由產物的掃描電鏡照片統計得Cl的平均粒徑和粒徑分布分別為4 μ m和2-7 μ m，C2的平均粒徑和粒徑分布分別為3 μ m和1-6 μ m。其Cl，C2的X射線衍射(XRD)圖譜如圖8所示。實例34-35採用與實例16相同的方法進行實驗，但是可溶性金屬鹽為氯化鈷，改變反應溫度為20°C，60°C，依次所得的吡啶硫酮鈷為D1，D2。由樣品的掃描電鏡照片發現(如圖12)，所得的樣品均為10-20 μ m的六邊形塊狀。樣品D1，D2的X射線衍射(XRD)圖譜如圖11所示。實例36採用與實例16相同的方法進行實驗，但是可溶性金屬鹽為氯化鋁，改變氯化鋁和吡啶硫酮鈉溶液的流量分別為I和6mL/min，所得的吡啶硫酮鋁為El (圖13)。實例37利用0.2mol/L硝酸鎂溶液,在硝酸鎂和吡啶硫酮的氫氧化鈉水溶液的流量均為6mL/min的條件下，將二者分別注入到內徑為500 μ m,混合通道長為2cm的微混合器中進行混合反應製備吡啶硫酮銅。控制反應溫度為20°C，原料摩爾比R=2 (R = η (吡啶硫酮鈉)/n(Mg2+))，對應吡啶硫酮鈉溶液的濃度為0.4mol/L，氫氧化鈉濃度為0.0lmol/L。將得到的樣品用去離子水離心洗滌3次，於80°C烘箱中乾燥過夜。樣品記為Fl (圖14)。上述部分樣品用德國的Bruker公司的D8_Advance型X射線衍射儀(XRD)進行表徵，樣品Al，A5，A6，A15的X射線衍射(XRD)圖譜見圖2、樣品BI，B5，B6，B15, B16的X射線衍射(XRD)圖譜見圖3。發現無論是改變反應的溫度，反應物濃度配比，還是金屬化合物種類均能製備出高純的吡啶硫酮鹽樣品。環場掃描電鏡照片(FSEM)在HITACHI S4800儀器上攝取。圖4，5是相應樣品Al、BI的電鏡照片。利用Adobe Photoshop軟體對FSEM圖片上的晶體手動測來計算產物的平均粒徑和粒徑分布(按照不規則狀或者棒狀顆粒的長度計算，測算誤差為±0.02μπι)。從圖4，5明顯可以看出，吡啶硫酮鋅顆粒均呈不規則塊狀，批啶硫酮銅顆粒呈棒狀；樣品Al的平均粒徑和粒徑分布分別為0.48 μ m和0.27-0.79 μ m ；B1的平均粒徑和粒徑分布分別為0.31 μ m和0.05-1.04 μ m。同時，使用microtrac S3500粒度分析儀對上述相應樣品的粒徑及其分布進行分析，由於顆粒形狀不規則所致(Chem.Eng.Technol.25，2002，6)，測得的顆粒的大小與由電鏡照片統計的結果有較大差別。因此，可以根據反應溫度，原料濃度，微通道尺寸等條件的不同，自由調變相應吡啶硫酮鹽顆粒的粒徑，並且連續地製備出所需尺寸大小的吡啶硫酮鹽顆粒。更重要的是可以連續，可控制備小粒徑的吡啶硫 酮鹽顆粒。
權利要求
1.一種連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法，其具體步驟為:將吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽、水溶性金屬化合物分別配製成水溶液，然後以l-200mL/min的流速分別由進料泵輸入到與泵相連接的內徑為0.0l-lOmm，混合通道長為0.0l-1m的微通道反應器中，使吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽和金屬化合物的摩爾比為0.1-10:1，在0-100°C的反應溫度下，混合實現化學沉澱反應，將反應所得的吡啶硫酮的多價金屬鹽混合液進行分離、洗滌和乾燥即得到小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的可溶性吡啶硫酮鹽為吡啶硫酮鈉、批啶硫酮鉀、吡啶硫酮鋰或吡啶硫酮銨中的任意一種或幾種；所述的可溶性金屬化合物為鋅鹽、銅鹽、鎂鹽、鋁鹽、鎳鹽或鈷鹽中的任意一種或幾種。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的吡啶硫酮或可溶性吡啶硫酮鹽水溶液的濃度為0.01-4.0moI/L ;水溶性金屬化合物水溶液的濃度為0.01-2.0moI/L0
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述的可溶性金屬化合物為氯化鋁、硝酸鎂、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸銅、氯化銅、硝酸銅、硫酸鎳或氯化鈷中的任意一種或幾種。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的微通道反應器的內徑為0.3-1_。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的吡啶流通或可溶性吡啶硫酮鹽和金屬化合物的摩爾比為1-4:1。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的反應溫度為20-80°C。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的平均粒徑為0.2—I u ITio
全文摘要
本發明涉及一種連續可控制備小粒徑吡啶硫酮鹽顆粒的方法，是將吡啶硫酮或吡啶硫酮的水溶性鹽和多價金屬鹽溶液分別由各自的進料泵輸入到與泵相連接的微反應器中，二者在微通道反應器中的摩爾比為0.1-10:1。控制反應溫度為0-100℃，吡啶硫酮或水溶性吡啶硫酮鹽和多價金屬鹽在微反應器的混合通道內混合實現化學沉澱反應，得到吡啶硫酮的多價金屬鹽混合液；將上述混合液進行分離，洗滌和乾燥即可得到吡啶硫酮的多價金屬鹽顆粒。採用該方法可製得粒徑可控、粒徑分布窄的吡啶硫酮的多價金屬鹽，並且為連續操作，具有工藝簡單、方便，反應條件自由改變等優點。
文檔編號B01J19/00GK103242228SQ201310154279
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優先權日2013年4月27日
發明者張利雄, 吳慧, 沈如偉, 王重慶 申請人:南京工業大學