Die Erfindung betrifft Wirbelschicht-, Strahlschicht- oder Trommel-Coatervorrichtungen mit Sprühdüsen für die Granulierung und/oder Beschichtung (Coating) von partikulären Produkten und die Verwendung bestimmter Sprühdüsen (1) in mindestens einer der genannten Vorrichtungen sowie die Herstellung solcher Sprühdüsen. Die Sprühdüsen weisen hierzu eine nanokomposithaltige Beschichtung auf (vgl. Figur).
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft insbesondere Wirbelschicht-, Strahlschicht-
oder Trommel-Coatervorrichtungen mit Sprühdüsen für die Granulierung
und/oder Beschichtung (Coating) von partikulären Produkten und die Verwendung
bestimmter Sprühdüsen in mindestens einer der genannten Vorrichtungen
sowie die Herstellung solcher Sprühdüsen.
In der pharmazeutischen Industrie, aber auch in der Lebensmittel-,
Futtermittel- und Feinchemieindustrie müssen häufig feste Partikel oder
Schüttgüter überzogen (beschichtet oder gecoatet) oder granuliert
werden.
Überziehen oder Coating bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere
das Aufbringen von Material auf vorgelegte Teilchen bis zu einer gewünschten
Schichtdicke. Als Coatingmaterial können beispielsweise Farbstoffe, Geschmacksstoffe,
pharmazeutische Wirkstoffe, Hilfsstoffe, Pigmente, Bindemittel, Salze, Wachse oder
organische Polymere aufgetragen werden. Die aufzutragenden Substanzen werden je
nach Rezeptur und Anwendung in wässrigen oder organischen Medien oder Mischungen
davon gelöst und/oder dispergiert.
Zur Granulation werden (wenn nicht die Primärpartikel ihrerseits
bereits durch Sprühtrocknen in situ hergestellt werden) kleine vorgelegte Teilchen,
Pulver oder Stäube mit Bindemittel oder Lösungsmitteln in Kontakt gebracht,
wodurch ein Korngrößenaufbau erfolgt und ein Granulat mit verbesserten
Fließeigenschaften und/oder geringerer Staubneigung entsteht. Die als Bindemittel
für die Granulation häufig verwendeten organischen Polymere können
auch die Weiterverarbeitung der Granulate beeinflussen und tragen zum Beispiel bei
der Tablettierung oft zu höheren Festigkeiten der Tabletten oder Tablettenkerne
bei.
Das Überziehen (Coaten) der vorgelegten Teilchen erfolgt normalerweise
durch Sprühauftrag mithilfe geeigneter Sprühdüsen, die üblicherweise
als Einstoff-, Zweistoff- oder Mehrstoffsprühdüsen ausgeführt sind.
Auch für Granulationsprozesse werden Einstoff-, Zweistoff- oder
Mehrstoffsprühdüsen verwendet. Bevorzugt finden Zweistoffdüsen Verwendung,
wobei der eine Stoff jeweils das flüssige Sprühmedium und der andere Stoff
jeweils das gasförmige Zerstäubungsmedium darstellt. Je nach Verfahren
und Technologie kann dabei die Sprühdüse das Sprühmedium im wesentlichen
entgegen der Flugrichtung der fluidisierten Teilchen (allgemein bekannt als Top-Spray-Verfahren)
auftragen. Alternativ kann aber das Sprühmedium im Gleichstromverfahren (allgemein
bekannt als Bottom-Spray-Verfahren) aufgetragen werden, wobei die Sprühdüse
vorzugsweise im wesentlichen mit der Flugrichtung der fluidisierten Teilchen sprüht.
Bei Coatingprozessen werden die vorgelegten Teilchen mehrfach und
möglichst gleichmäßig mit dem Sprühmedium in Kontakt gebracht,
bis die gewünschte Menge Substanz auf der Teilchenoberfläche aufgebracht
ist. Als Produktionsanlagen werden dabei bevorzugt Wirbelschichtanlagen verwendet,
bei denen die hauptsächlich entgegen der Schwerkraft fluidisierten Teilchen
im Gleichstrom von einer oder von mehreren Sprühdüsen besprüht werden.
Derartige Wirbelschichtanlagen werden beispielsweise von Dale E. Wurster et al.
(Patente US 3,196,827 und US
3,241,520) beschrieben. Solche nach dem sogenannten Wurster- oder Bottom-Spray-Prinzip
arbeitende Wirbelschichtanlagen können durch Einbauten gemäß
EP 0 570 546 weiter verbessert werden. Hierbei
wird jede eingebaute Sprühdüse durch einen Düsenkragen gegen den
Produktstrom derart abgeschirmt, dass Produktteilchen erst mit dem fein verteilten
Sprühstrahl und nicht mit dem engen Sprühkegel direkt an der Düsenspitze
(Austrittsseite) in Kontakt kommen. Dadurch lassen sich höhere Sprühraten
erreichen und das Coating wird im Ergebnis gleichmäßiger. Zusätzlich
kann durch mechanische Einbauten gemäß EP
1 232 003 der Produktfluss in solchen Anlagen besser gelenkt werden. Dadurch
kann der mechanische Abrieb an zu überziehenden Teilchen reduziert und das
Produkt geschont werden.
Ebenfalls nach dem Bottom-Spray-Prinzip arbeiten Strahlschichtanlagen,
bei denen eine oder mehrere Sprühdüsen ebenfalls im Gleichstrom in fluidisiertes
Produkt sprühen und damit ebenfalls ein Überzug oder je nach Prozessbedingungen
auch eine Granulation der vorgelegten Teilchen erreichen. Solche Verfahren und Anlagen
werden beispielsweise in EP 1 609 848,
EP 1 325 775 und EP
1 279 433 beschrieben. Strahlschichtanlagen können chargenweise oder
kontinuierlich betrieben werden.
Ebenfalls nach dem Bottom-Spray-Prinzip arbeiten Anlagen, die eine
Agglomeration von Teilchen zu Granulaten oder vorzugsweise zu Mikropellets oder
zu Pellets erreichen (Granulierung). Derartige Anlagen werden kontinuierlich über
mehrere Stunden oder Tage betrieben. Beispielsweise beschreiben EP
0 611 593, US 5,480,617,
US 5,711,234, EP
0 332 929 und US 5,213,820 derartige
Anlagen und Verfahren. Dabei werden vorzugsweise wirkstoffhaltige
Suspensionen über Düsen in Prozesskammern versprüht, wobei die Suspensionen
in bevorzugter Weise zusätzlich Bindemittel enthalten können, die eine
Agglomeration der versprühten Feststoffpartikel ermöglichen. Die entstehenden
Agglomerate werden in der Wirbelschicht weiter zu größeren Teilchen aufgebaut
und getrocknet. Erreichen sie eine gewünschte Größe, können
sie über klassierende Systeme, wie beispielsweise in EP
0 332 031 und US 4,931,174 als
Zick-Zack-Sichter beschrieben, oder durch andere Verfahren aus dem Prozess ausgetragen
werden.
Ein weiteres technologisch wichtiges Verfahren zum Überziehen
von Teilchen und insbesondere Tabletten, Kapseln oder Dragees ist der Coatingprozess
im Trommelcoater. Dabei werden häufig Anlagen verwendet wie beispielsweise
in EP 0 079 348 oder US
4,543,906 beschrieben.
All diesen Verfahren ist gemeinsam, dass als Herzstück und verantwortlich
für ein gleichmäßiges Granulations- oder Coatingergebnis, Sprühdüsen
eingesetzt werden. Diese Sprühdüsen bestehen meist aus korrosionsbeständigen
Metallen wie Edelstahl und oder Titan, wobei noch andere Materialien, die für
die Verwendung geeignet und zugelassen sind, eingesetzt werden können.
Im Falle der Zwei- oder Mehrstoffdüsen haben die Sprühdüsen
den entscheidenden Nachteil, dass das verwendete Sprühgas – wobei als
Gas vorzugsweise Druckluft verwendet wird, aber auch andere geeignete Gase oder
Gasgemische denkbar sind – im Bereich der Luftkappe (1) einen Unterdruck
durch Venturieffekte erzeugt und damit auch feine Partikel aus der Umgebung angesaugt
werden. Diese feinen Partikel können durch Sprühtrocknung des Sprühmediums
oder durch Abrieb der vorgelegten Partikel entstehen. Auch können sich bedingt
durch den Verfahrensprozess an der Düsenkappe Ablagerungen bilden, die häufig
in eine Bartbildung, also in eine voluminöse Ablagerung an der Düsenluftkappe,
übergehen. So ist beispielsweise bei Bottomspray-Prozessen, bei denen die Sprühdüse
unmittelbar von warmer bis heißer Prozessluft umströmt wird, bekannt,
dass sich durch die heiße Oberfläche der Sprühdüse ebenfalls
störende Beläge bilden können. Diese Beläge entstehen, da sich
bestimmte Feststoffe aus dem Prozess durch thermische Veränderung klebrig verhalten
können und an den Metalloberflächen haften bleiben.
Durch vorstehend beschriebene Materialanhaftungen an der Düsenoberfläche
(und dabei besonders an der Luftkappe der Düse) wird der Sprühstrahl in
seiner Form und in seiner Gleichmäßigkeit beeinflusst. Sind die Ablagerungen
oder die Bartbildung besonders stark ausgeprägt, kann die Düse verstopfen
und/oder es kann nur Flüssigkeit an der Düsenspitze austreten, ohne jedoch
ausreichend zerstäubt zu werden. Solche Störungen sind während Granulations-
oder Coatingprozessen zu vermeiden, da die Qualität des Produktes deutlich
beeinträchtigt wird.
Bartbildung und Beläge an der Düsen-Luftkappe können
sich auch aufgrund der Zusammensetzung des Sprühmediums bilden. Besonders Pigmentfarbstoffe
wie zum Beispiel Eisenoxide oder auch Trenn- und Anti-Kleb-Mittel wie Talkum oder
Titandioxid setzen sich bevorzugt auf glatten Oberflächen fest. Dadurch entsteht
eine raue Oberflächenstruktur, durch die eine Anlagerung weiterer Substanzen
bis hin zur Belag- und Bartbildung begünstigt wird. Die Haftkräfte der
Beläge an der Düsenkappe sind so groß, dass sich die Ablagerungen
nur selten selbständig wieder lösen. Die Düse muss zur Behebung der
Störungen ausgebaut und gereinigt werden. Zur Reinigung der Düsen ist
häufig eine Prozessunterbrechung notwendig. Auch muss die Belagbildung an der
Düsenkappe rechtzeitig erkannt werden, was bei geschlossenen Anlagensystemen
oft nicht möglich ist.
Besonders bei kontinuierlich arbeitenden Anlagen oder bei Coatingprozessen,
die in der Regel über mehrere Stunden dauern, ist eine gleich bleibende Qualität
des erhältlichen Coating entscheidend für den Erfolg eines Prozesses.
Zur Verminderung der Produktanhaftung durch thermische Veränderung
des Produktes werden in der Praxis Materialien eingesetzt, die im Vergleich zu Edelstahl
oder Titan einen geringeren Wärmeleitkoeffizienten haben und somit die Wärme
der Düse nicht so stark auf die Luftkappe übertragen. Solche Düsen-Luftkappen
aus POM oder Teflon sind im Handel erhältlich. Entscheidender Nachteil dieser
Materialien ist, dass durch Bearbeitungstoleranzen und/oder auch durch Vibrationen
der Düsenluftkappe und/oder auch durch Abrieb im Bereich des Düsen-Luftspalts
(2) die Form der Luftkappe und speziell die Form des Luftspalts verändert
wird. Dadurch verkürzt sich die Einsatz- und Lebensdauer derartiger Luftkappen
deutlich. Bei kontinuierlichen Prozessen kann sich somit auch bereits während
eines Prozesses das Sprühbild der Düse verschlechtern.
In WO 2004/087330 wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die Düse
durch verbesserte Handhabbarkeit leichter aus der Prozessanlage zu entnehmen und
leichter zu reinigen. EP 1 280 610 beschreibt
eine Flachstrahldüse, vornehmlich zum Einsatz in Trommelcoatern,
bei der die Luftkappe zur Verringerung von Ablagerungen in ihrer Geometrie optimiert
wurde.
All die vorstehenden Verfahren können Ablagerungen jedoch nicht
verhindern, und auch bei vorhandenen Ablagerungen ist eine Reinigung der Düse
in der Benutzungsstelle oder ein Selbstreinigungseffekt der Düse nicht gegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zwei- oder Mehrstoffdüse
derart zu verbessern, dass Ablagerungen an der Düsenkappe entweder erst gar
nicht entstehen oder durch einen Selbstreinigungseffekt von der Düsenoberfläche
selbständig gelöst werden, ohne die Funktion der Sprühdüse während
der gesamten Prozessdauer zu beeinträchtigen. Somit könnten Düsenluftkappen
weiterhin aus Metallen wie Edelstahl oder Titan gefertigt werden, die oben beschriebenen
Nachteile der Kunststoff-Luftkappen würden damit umgangen.
Es wurde nun gefunden, dass eine mindestens bereichsweise Beschichtung
der Düse mit nanokomposithaltigen Beschichtungszusammensetzungen aufweisenden
die oben genannte Aufgabe zu lösen und die oben genannten Nachteile erfolgreich
zu verringern geeignet ist oder diese sogar zu vermeiden geeignet sein kann, und
außerdem weitere unten genannte Vorteile aufweisen kann. Überraschend
ist dabei insbesondere die unerwartet hohe Stabilität der Beschichtung auch
bei längerer Nutzung und trotz der starken mechanischen Beanspruchung durch
den Gas- und Partikelstrom.
Die Erfindung betrifft daher eingangs genannte Vorrichtungen, die
mit mindestens einer Sprühdüse mit einer nanokomposithaltigen Beschichtung
mindestens bereichsweise versehen ist, die Verwendung entsprechender Sprühdüsen
in derartigen Vorrichtungen bei Granulierungs- und/oder Coatingverfahren, wobei
Flüssigkeiten zur Granulierung und/oder Beschichtung mittels ein oder mehrerer
Gase, wie Luft, durch die Sprühdüsen in einer solchen Vorrichtung versprüht
werden, insbesondere die Verwendung zur Verlangsamung oder Verhinderung von Ablagerungen
auf der oder den Sprühdüsen während der Benutzung in den genannten
Vorrichtungen, und/oder Verfahren zur Herstellung (in erster Linie Beschichtung)
der besagten Sprühdüsen mit solchen Beschichtungen, wobei entsprechende
Sprühdüsen mindestens bereichsweise mit nanokomposithaltigen Beschichtungen
versehen werden.
Die Ansprüche, insbesondere die Unteransprüche, zeigen besonders
bevorzugte Erfindungsausführungen und werden hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Als interessanter Nebeneffekt wird hierbei beispielsweise die Reinigbarkeit
der Düse nach dem Prozess in hohem Maße verbessert, sodass zu einer Reinigung
der Düse – auch im Hinblick auf GMP-gerechte Reinigungsergebnisse –
oftmals bereits Wasser ausreicht, um Rückstände wir Polymere oder Pigmente
von der Düsenoberfläche zu entfernen. Verwendet man dagegen herkömmliche
Düsen-Luftkappen, können organische Filmbildner wie Polymethacrylsäure-Copolymerisate
– auch bekannt unter der Handelsbezeichnung EUDRAGIT- oder Celluloseether
wie Hydroxypropylmethylcellulose, Methylcellulose oder Ethylcellulose, je nach Auftrageverfahren
und Rezepturzusammensetzung des Coating-/Granulationsmediums schwer zu entferndende
Filme und Beläge auf den Kappenoberflächen bilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe somit vor allem dadurch
gelöst, dass für ein oder mehrere Sprühdüsen in einer Vorrichtung
ausgewählt aus Wirbel- oder Strahlschichtapparaten und Trommel-Coatern mindestens
bereichsweise, insbesondere in den Bereichen, in denen eine Ablagerung droht und/oder
die im Betrieb Kontakt mit Ablagerungen bildenden Stoffen oder Gemischen haben,
vorzugsweise an den zugehörigen Düsenluftkappen, eine nanokomposithaltige
Beschichtung vorgesehen ist.
Aufgrund der Anwendung im pharmazeutischen Umfeld und/oder bei der
Lebensmittel und/oder Futtermittelherstellung sind an derartige Beschichtungen für
diese Anwendungen besondere Anforderungen zu stellen.
– Die Beschichtung muss gegenüber den gebräuchlichen Reinigungsmedien
beständig sein.
– Es dürfen keine oder allenfalls unbedenkliche Stoffe oder Substanzen
aus der Beschichtung in das Produkt übergehen.
– Die Beschichtung muss mechanisch stabil und insbesondere abriebfest
sein.
– Die Beschichtung darf das Risiko einer Explosion – verursacht
durch elektrostatische Entladungen in der Prozesskammer – nicht erhöhen.
– Die Beschichtung sollte aus toxikologisch und allergologisch unbedenklichen
Substanzen bestehen.
Die in der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen genannten
allgemeineren Begriffe können einzeln oder zu mehreren durch dort erwähnte
speziellere Definitionen ersetzt werden, was zu bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung führt.
Eine nanokomposithaltige Beschichtung basiert vorzugsweise auf einem
Material, das mindestens nach der Beschichtung selbst entsprechende nanoskalige
Bereiche, insbesondere Oberflächenstrukturen (Oberflächenelemente), die
nanoskalige Abmessungen, insbesondere auf der nach außen (= vor allem weg vom
Substrat, z.B. zu dem strömenden Gas und/oder den strömenden Partikeln
bei Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen) gerichteten Seite,
ausbildet und/oder aufweist, beispielsweise in Form nanoskaliger Noppen, chemischer
Gruppen mit nanoskaligen Abmessungen und/oder in Form nanoskalige Abmessungen aufweisender
Einbuchtungen (beispielsweise durch gerinnungsähnliche Mechanismen oder aufgrund
des Sol-Gel-Mechanismus oder aufgrund seiner dünnen Auftragbarkeit), und/oder
in dem nanoskalige Additive (nanopartikuläre Additive) oder Molekülreste
enthalten sind, die aus der Oberfläche einer entsprechenden Beschichtung (vorzugsweise
nach außen) ragen und dort nanoskalige Abmessungen aufweisen; das nach der
Auftragung mindestens bereichsweise eine nanoskalige Dicke aufweist, d.h. „nanoskalige
Bereiche" bezieht sich im letzteren Fall auf Bereiche entsprechender Schichtdicke;
und/oder Beschichtungszusammensetzungen mit einer Schichtmatrix, die aus nanoskaligen
Teilchen aufgebaut ist.
Nanoskalige Oberflächenstrukturen bedeutet dabei insbesondere,
dass an der Oberfläche einer erfindungsgemäß verwendeten Beschichtung
(nanoskalige) Strukturen, d.h. solche mit nanoskaligen Abmessungen, (z.B. noppenförmig,
als Moleküle oder Molekülreste vorstehen oder vorhanden sind, deren vorstehender
(oder ferner auch zurückgezogener, das heißt „Loch"-)Bereich und/oder
deren Schichtdicke typischerweise eine Größe im Nanometerbereich (10–9
m) aufweist. Willkürlich wird gelegentlich als obere Grenze für Nano-Strukturen
100 nm angegeben, doch kann die Größe des Durchmessers auch darüber
liegen, beispielsweise in einer Dimension, beispielsweise bei bis zu 500 nm oder
im Falle von Carbon Nanofibres bei bis zu 200 000 nm in einer Dimension, in den
übrigen Dimensionen bei 0,2 bis 200 oder vorzugsweise bis 100 nm. Die untere
Größe ist gegeben durch die Grenze der thermodynamischen Stabilität
und/oder die molekulare Größe der an der entsprechenden Struktur beteiligten
Komponenten, sie kann beispielsweise bei 0,1 oder 0,2 nm liegen.
Die Beschichtung kann solche Strukturen z.B. aufgrund eines Schrumpfungsprozesses
der Schicht und/oder eines Sol-Gel-Prozesses oder dergleichen vor, während
und/oder nach dem Auftragen erhalten (haben), aufgrund „aufgepfropfter" (vorzugsweise
kovalent oder ionisch gebundener) nanoskaliger chemischer oder anderer Endgruppen
oder -strukturen und/oder aufgrund von nanopartikulären Additiven in Form von
Füllstoffen, die nanoskalige Strukturen beinhalten und mindestens zum Teil
an der Oberfläche zu liegen kommen und dort beispielsweise herausragen. Als
nanoskalige Strukturen aufweisende Füllstoffe können im Rahmen der vorliegenden
Erfindung solche nanopartikulären Additive (Nanoteilchen oder Nanopartikel)
als plättchenförmige, kugelförmige oder nadelig/faserartige Teilchen
der für die Beschichtung der Düsen zu verwendenden Beschichtungszusammensetzung
zugesetzt sein. Bei plättchen- und/oder faserförmigen nanoskaligen Füllstoffen
können sehr hohe „Aspect-Ratios" (mitunter beispielsweise von 5 bis
500 oder deutlich darüber) vorhanden sein. Beispiele für erfindungsgemäß
zu verwendende nanoskalige Füllstoffe sind (jeweils nanoskalige) (insbesondere
exfolierte) Schichtsilikate (wie Glimmer, Talkum, Bentonit oder Montmorrilonit),
Kettensilikate, Polymerpartikel (einschließlich solchen aus Silikonen und/oder
Silanen), Kohlenstoffnanotubes, Fullerene, Metalle, z.B. Cu, Ti oder Ni, ferner
Carbide, Halogenide, Boride, Nitride und/oder Oxide von Metallen oder Nichtmetallen
oder keramische Materialien. Besonders bevorzugt sind hydrophile oder insbesondere
hydrophobe, ganz besonders hydrophobe und oleophobe entsprechende Materialien.
Unter „Aspect Ratio" (Aspektverhältnis) ist vorliegend
das Verhältnis der geometrischen Hauptachse zur kürzesten Nebenachse zu
verstehen.
Vorzugsweise werden nanopartikuläre Additive oder Oberflächenstrukturen
eingesetzt, die eine „Aspect Ratio" von mehr als 1000 (beispielsweise bei
sehr langen ausgeprägt faserförmigen nanoskaligen Additiven wie Carbon
Nano Fibres), vorzugsweise jedoch (beispielsweise bei nanoskaligen Füllstoffen
im engeren Sinne) von beispielsweise von 1 bis 1000, beispielsweise von 1 bis 100
aufweisen.
Die Größe der Partikel der nanoskaligen Füllstoffe
(oder anderer nanoskaliger Oberflächenstrukturen wie oben oder unten genannt)
in der Richtung der größten Ausdehnung (längste Achse) kann beispielsweise,
in einer möglichen bevorzugten Ausführungsform, bei 1 bis 2000, z.B. vorzugsweise
bei 1 bis 500 oder insbesondere 1 bis 100 nm liegen, die in der Richtung der geringsten
Ausdehnung (kürzeste Achse) kann beispielsweise bei 0,2 bis 200 nm, z.B. vorzugsweise
bei 0,2 bis 100 nm liegen.
In einer alternativen Ausführungsform bedeutet „nanoskalige
Bereiche", dass bei der Beschichtung mindestens bereichsweise eine nanoskalige Dicke
vorliegt, das heißt eine Dicke im Nanometerbereich, beispielsweise im Bereich
von 0,1 bis 2000, vorzugweise von 0,1 oder von 0,2 bis 500 oder insbesondere bis
100 nm, wie beispielsweise von 0,1 oder 0,2 bis 15 nm, wobei gewünschtenfalls
nanoskalige Strukturen vorgesehen sein können wie vor- oder nachstehend beschrieben,
die aus den genannten Schichten herausragen können, sich die Dickenangabe der
Schichten also bei Vorhandensein solcher zusätzlicher nanoskaliger Oberflächenelemente
vorzugsweise auf die Dicke ohne nanoskalige Strukturen bezieht; vorzugsweise jedoch
umfasst die angegebene Dicke auch die nanoskaligen Oberflächenelemente, sofern
solche vorhanden sind.
Der Gewichts-Anteil bei Verwendung nanoskaliger Füllstoffe bei
erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtungen kann beispielsweise im Bereich
von 0,001 bis 50 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 25 Gew.-%, bezogen
auf die Gesamtmasse der Beschichtung liegen.
Vorteilhaft kann die Oberflächendichte nanoskaliger Oberflächenelemente
(nanoskaliger Oberflächenstrukturen) so eingestellt sein, dass etwa 10 bis
90 % der Oberfläche von nanoskaligen Oberflächenstrukturen (den Untergrund
verdeckend) bedeckt ist. Beispielsweise können 20 bis 50 oder 50 bis 80 % der
Oberfläche durch solche Strukturen bedeckt sein.
Nanokomposithaltig bedeutet nanokompositumfassend (= beinhaltend,
neben anderen Komponenten) oder auch nur aus Nanomompositen bestehend.
Im Falle von Beschichtungen, die wenigstens bereichsweise nanoskalige
Dicken aufweisen, können vorzugsweise 10 bis 100% der von der nanokomposithaltigen
Beschichtung bedeckten Oberfläche von Bereichen der Beschichtung bedeckt sein,
die nanoskalige Dicke aufweisen, insbesondere 50 bis 100 %, beispielsweise vorzugsweise
95 bis 100% oder in einer möglichen besonders bevorzugten Ausführungsform
ganz besonders 100 %.
Nanoskalige Füllstoffe oder Strukturen können nach üblichen
Verfahren hergestellt werden. Ohne abschließend aufzuzählen, können
zu den Verfahren beispielsweise Hochenergie-Kugelmahlen, Kryomahlen, Attrition,
Severe Plastic Deformation (SPD), Equal Channel Angular Pressing (ECAP), Multi-axis-forging,
Hoch-)Druck-Torsion, Walzen, oder „Bottom up" elektrolytische Abscheidung,
Spark Plug Sintering (SPS), mechanisches Legieren oder heißisotaktisches Pressen
gezählt werden, beziehungsweise die Erzeugung in situ durch Sol-Gel-Verfahren.
Ein Sol kann als Additiv einer anderen Beschichtungsmatrix zugesetzt werden oder
das Sol kann selbst al Beschichtunsmaterial verwendet werden. Daneben kommen Verfahren
wie Cyclic Extrusion Compressing oder Accumulative Roll-Bending (ARP) in Betracht.
Porenfreie nanostrukturierte Wirkstoffe können beispielsweise durch SPD, Kristallisation
aus amorphem Polymer oder Elektrolytische Abscheidung erhalten werden. Wichtige
Verfahren sind auch Chemical Vapor Deposition (CVD), Pulsed Laser Vaporisation (PLV),
Carbon Arc Synthesis (CA) und Sol-Gel-Verfahren. Auch Beschichtungsverfahren mit
nanoskaligen Materialien zählen dazu.
Die zur Herstellung der auf erfindungsgemäß zu verwendenden
Düsen aufzutragenden Beschichtungsmassen können neben den nanoskalige
Strukturen ausbildenden (d.h. bereits als solchen vorliegenden oder erst bei der
Auftragung deren Entstehen bewirkenden) Bestandteilen in der Regel ein oder mehrere
übliche Bestandteile beinhalten, z.B. übliche Grundlagen für Beschichtungen,
wie polymerisationsfähige und/oder trockenbare Bestandteile, Bindemittel, Farbstoffe,
Pigmente, Katalysatoren, Konservierungsmittel, Lösungsmittel, Füllstoffe,
Verdickungsmittel und/oder Geliermittel oder dergleichen.
Vorteilhafte Beschichtungen auf Basis der Nanotechnologie sind beispielsweise
solche, wie sie bereits auf Ventiltellern angewendet worden sind. Derartige Beschichtungen
werden z.B. in der PCT-Anmeldung WO 02/23033 und der Europäischen Patentanmeldung
EP 1 614946 beschrieben, in der Anmeldung
EP 1 238 029 wird eine Beschichtung auf
Wasserbasis beschrieben, welche auf ein heißes Substrat (Keramik) appliziert
werden kann und zu einer hydrophoben, oleophoben Oberfläche führt –
die resultierende Schicht besteht dort aus einer Monolage an Fluoralkyl-Polysiloxan.
Die genannten Patentanmeldungen werden hier (insbesondere bezüglich der beschriebenen
Zusammensetzungen) durch Bezugnahme aufgenommen.
Besonders bevorzugt sind auf Basis eines Sol-Gel-Prozesses hergestellte
Vorstufen und/oder nanokomposithaltige Beschichtungen. Sehr bevorzugt sind basierend
auf thermisch härtenden Zwei-Komponentensystemen auf Basis der Sol-Gel-Chemie
aus funktionalisierten Silanen, wobei mindestens ein funktionalisiertes Fluoralkylsilan
(nachfolgend als Fluoralkylsilan bezeichnet), vorzugsweise ein Fluoralkalkyltrialkoxysilan,
zu den Komponenten gehört, herstellbare nanokomposithaltige Beschichtungen.
Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung, die durch Mischung
von vorhydrolysiertem Glycidylalkoxy (wie insbesondere propyloxy)-trialkoxy (wie
methoxy oder ethoxy)-silan einer Komponente (A) (= vorteilhaft 30 bis 70 % alkoholisches,
wie Ethanol, 5-25 des Glycidylalkyl-Silans, 5 bis 25 % Wasser und 0,1 bis 3 HCl
32 %ig) mit einer Mischung aus vorhydrolysiertem Tetraethoxysilan (TEOS) und Fluoralkylsilan
(FTS) als Komponente (B) (vorteilhaft 30-70 % alkoholisches Lösungsmittel,
z.B. Ethanol, 5 bis 25 % TEOS, 5 bis 25 Wasser, 0,01 bis 3 % HCl 32%ig), wobei das
Mischungsverhältnis (A) zu (B) vorteilhaft bei 0,5 bis 1,5 Teilen (A) zu 2,5
bis 0,5 Teilen (B) liegt, und Beschichten und anschließendes thermisches Härten
erhältlich ist. Hier wirkt die Fluoralkylsilankomponente als hydrophobe und
oleophobe Komponente, die anderen Komponenten bilden in erster Linie die Basis für
eine feste und harte Matrix. Die Prozent- und (An-)Teilangaben beziehen sich dabei
auf die Masse.
Vorzugsweise sind die nanoskaligen Oberflächenelemente/nanoskaligen
Bereiche hydrophob (d.h., Wasser perlt ab und/oder Lotuseffekt tritt auf), sie können
jedoch auch (insbesondere, um die Anhaftung hydrophober Materialien zu verhindern)
hydrophil (d.h., Wasser benetzt) sein. Sehr vorteilhaft sind die nanokomposithaltigen
Beschichtungen hydrophob und oleophob.
Eine Verkörperung der Erfindung betrifft daneben die Verwendung
mindestens einer Sprühdüse in einer Wirbelschicht-Strahlschicht- oder
Trommel-Coater-Vorrichtung bei Granulierungs- und/oder Coatingverfahren, wobei die
mindestens eine Sprühdüse mindestens bereichsweise eine nanokomposithaltige
Beschichtung aufweist, wobei Flüssigkeiten zur Granulierung und/oder Beschichtung
mittels ein oder mehrerer Gase durch die mindestens eine Sprühdüse (1)
in einer solchen Vorrichtung versprüht werden.
Eine weitere Verkörperung der Erfindung betrifft Verfahren zur
Beschichtung einer der in einem der Ansprüche 1 bis 8 genannten Sprühdüse
(1), wobei eine Sprühdüsen mindestens bereichsweise mit einer
nanokomposithaltigen Beschichtung versehen wird, vorzugsweise mit einer solchen
auf Basis der oben beschriebenen Komponenten (insbesondere Komponenten (A) und (B))
in den bei den verfahrensgemäß erhältlichen beschichteten Sprühdüsen
genannten Methoden, d.h. das Verfahren umfasst insbesondere Mischen der Komponenten
(insbesondere (A) und (B)), vorzugsweise in den genannten Gewichtsverhältnissen,
dann Beschichten der Sprühdüse (vorzugsweise nach üblicher Vorreinigung
und anschließender Trocknung, beispielsweise mittels einer handelsüblichen
Lackierpistole) und Härten (vorzugsweise thermisches Härten, z.B. bei
etwa 100 bis 250 °C, beispielsweise bei etwa 200 °C, beispielsweise in
einem Umluftofen).
Ausführungsbeispiele:
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Illustration der Erfindung,
ohne ihren Umfang einzuschränken, geben jedoch auch bevorzugte Ausführungsvarianten
der Erfindung wieder.
1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt ein Beispiel
für eine erfindungsgemäße Sprühdüse in einer (nicht dargestellten)
Wirbel- oder Strahlschichtanlage.
Die bevorzugten in den nachfolgenden Beispielen verwendeten Beschichtungen
in den Beispielen wurden von der Firma NANOGATE Coating Systems GmbH, Saarbrücken,
Deutschland, speziell für die Anforderungen für die erfindungsgemäß
beschichteten und zu verwendenden Sprühdüsen entwickelt.
Beispiel 1: Erfindungsgemäßer Wirbelschicht- und Strahlschichtanlage
oder Trommel-Coater mit Sprühdüse mit nanokomposithaltiger vollständiger
oder bereichsweiser Beschichtung
Eine Wirbelschichtanlage (hier nicht gezeigt) beinhaltet ein oder
mehrere Sprühdüsen 1, hier exemplarisch als Zweistromdüse
gezeigt, jeweils mit einem Flüssigkeitseinsatz 2 mit Düsenbohrung
3, die über eine Flüssigkeitsleitung 4 die Zufuhr einer
zu versprühenden Flüssigkeit ermöglichen, und einer Sprühluftleitung
5, über welche Sprühluft zugeführt werden kann, die jeweils
distal (gasabstromseitig) eine aus Metall ausgebildete, zuvor mit einer nanokomposithaltigen
Beschichtung versehene Luftkappe 7 aufweisen.
Vorteilhaft sind auch noch weitere Bereiche einer Sprühdüse
1, wie der Bereich um die Düsenbohrung 3, die Sprühaustrittsöffnung
6 und ggf. jeweils deren innere Randbereiche, oder die gesamte Düse
1 mit der nanokomposithaltigen Beschichtung beschichtet.
Bei der nanokomposithaltigen Beschichtung handelt es sich um eine
nanokomposithaltige zwei-komponentige Beschichtung auf Basis der Sol-Gel-Chemie.
Als Grundmatrix wird eine Mischung aus als Komponente (A*) vorhydrolysiertem Glycidylpropoxytrimethoxysilan
(30 bis 70% Ethanol, 5 bis 25 % Glycidylpropoxytrimethoxysilan („GLYMO"),
5 bis 25 % Wasser und 0,1 bis 3 % HCl 32%ig) und als Komponente (B*) vorhydrolysiertem
Tetraethoxysilan und Fluoralkylsilan (z.B. tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-triethoxysilan
wie z.B. Dynasilan F 8261 der Firma Degussa, Deutschland) (30 bis 70 % Alkohol,
5 bis 25 % Tetraethoxysilan, 0,01 bis 8 % Fluoralkylsilan, 0,01 bis 3 % HCl 32%ig)
im Verhältnis 0,5 bis 1,5 Teile (A*) zu 2,5-0,5 Teilen (B*) hergestellt und
innerhalb von möglichst nicht mehr als 1 bis 2 h mittels einer Lackierpistole
der Firma Sata (Sata Minijet HVLP) auf die Außenseite der (nach üblicher
Vorreinigung und anschließender Trocknung) zu beschichtenden Sprühdüsen
aufgetragen. Nach erfolgter Beschichtung werden die Sprühdüsen bei etwa
200 °C 1 Stunde lang in einem Umluftofen getrocknet. Die Prozent- oder Teile-Angaben
beziehen sich dabei auf Gewichtsprozent bzw. -teile.
Beispiel 2: Verwendung einer Düse mit erfindungsgemäßer
nanoskalige Oberflächenelemente aufweisender Beschichtung der Luftkappe 6:
Weichgelatine-Kapseln werden mit einem retardierenden Polymer zur
verzögerten Wirkstofffreigabe überzogen werden. Als dafür geeigneter
retardierender Lack wird eine wässrige Dispersion aus EUDRAGIT NE 30D (Ethylacrylat-Methylmethacrylat-Copolymerisat
der Firma Degussa AG, Düsseldorf, FRG (ursprünglich Röhm)) verwendet.
Als Farbstoff sind in der Dispersion Eisenoxidpigmente enthalten. Als Weißpigment
dient Titiandioxid. Talkum wird der Rezeptur als Antiklebmittel zugesetzt.
Der Coatingprozess wird auf einem Trommelcoater GMPC II mit 24 Liter
Trommel und eingesetzten Fischer-Schaufeln (Glatt Maschinen- und Apparatebau AG,
Pratteln, Schweiz) durchgeführt. Es werden zwei Sprühdüsen TYP GCSD
1.1 mit einer Luftkappe 7 wie in EP 1 280
610 beschrieben, verwendet (Düsen-Schlick GmbH, 96253 Untersiemau,
Deutschland). Der Durchmesser des Flüssigkeitseinsatzes beträgt 1,2 mm.
Eine der beiden Luftkappen 7 ist wie in Beispiel 1 beschrieben mit einer
ebenfalls dort beschriebenen nanokomposithaltigen Beschichtung versehen.
Die Trommel des Coaters wird mit ca. 15 kg Weichgelatinekapseln befüllt.
Die Sprühdüsen werden in einem Abstand von 20 cm und in einem Winkel von
90° zum Kapselbett eingestellt. Es werden insgesamt 6 Versuche durchgeführt;
die Düsen verbleiben während der gesamten Kampagne in der Anlage und werden
nicht gereinigt.
Versuchsbedingungen für Versuche 1 bis 6:
Nach dem Abschluss der sechs Versuche werden die Düsen entnommen
und visuell untersucht. Die beschichtete Düse zeigt außer einem leichten
Staubbelag keine voluminösen Anhaftungen und weist auch keine Bartbildung auf.
Dies ist besonders bemerkenswert, da das verwendete EUDRAGIT NE 30 D als besonders
klebend beschrieben wird und Materialaufbau an herkömmlichen Sprühdüsen
dabei oft berichtet wird. Die staubförmigen Pigmentverunreinigungen an der
Luftkappenoberfläche lassen sich darüber hinaus mit wenig Wasser sehr
leicht abwaschen. Bei der unbeschichteten Vergleichsdüse zeigt sich ein stark
haftender Belag, der sich erst durch längeres Einweichen im
Ultraschallbad in leicht alkalischer Reinigungslösung (COSA CIP 92, ECOLAB
Deutschland, 0,5 %, 60 °C für 30 Minuten) abwaschen lässt. Da der
EUDRAGIT NE 30 D-Überzug normalerweise sehr schwer wasserlöslich ist und
Reinigungsprobleme auch in Zusammenhang mit Pigmentfarbstoffen und Titandioxid sehr
häufig sind, ist das durch die Beschichtung erreichte Prozess- und Reinigungs-Ergebnis
ein wichtiger Beitrag zur Durchführbarkeit länger dauernder Coating- oder
Granulationsprozesse.
Anspruch[de]
Wirbelschicht-, Strahlschicht- oder Trommel-Coater-Vorrichtung mit mindestens
einer Sprühdüse (1) für die Granulierung und/oder Beschichtung
von partikulären Produkten, dadurch gekennzeichnet, dass für die
mindestens eine Sprühdüse (1) mindestens bereichsweise eine nanokomposithaltige
Beschichtung vorgesehen ist.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens
eine Sprühdüse (1) eine Mehrstoffdüse ist.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die nanokomposithaltige Beschichtung an der oder den zu der mindestens einen
Sprühdüse (1) gehörigen Luftkappen (7) vorgesehen
ist.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die nanokomposithaltige Beschichtung nach außen gerichtete nanoskalige
Oberflächenstrukturen aufweist, darin nanopartikuläre Additive oder Molekülreste
enthalten sind, die aus der Oberfläche nach außen ragen und dort nanoskalige
Abmessungen aufweisen; nach der Auftragung mindestens bereichsweise eine nanoskalige
Dicke aufweist/und/oder eine Schichtmatrix aufweist, die aus nanoskaligen Teilchen
aufgebaut ist.Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen
Oberflächenstrukturen ein oder vorzugsweise zwei zueinander senkrecht stehende
Durchmesser mit Abmessungen von 0,1 bis 500 nm, vorzugsweise von 0,2 bis 100 nm;
und/oder die Dicke der nanoskalige Bereiche aufweisenden Beschichtung bei 0,1 bis
2000, vorzugsweise von 0,2 bis 500, insbesondere von 0,2 bis 15 nm liegt.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass nanoskalige Oberflächenstrukturen 10 bis 90 % der Oberfläche der
nanoskalige Bereiche aufweisenden Beschichtung bedecken und/oder eine nanoskalige
Dicke bei 10 bis 100 % der von einer nanoskalige Bereiche aufweisenden Beschichtung
bedeckten Oberfläche der mindestens einen Sprühdüse vorgesehen ist.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die nanoskaligen Bereiche hydrophob sind.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass als Beschichtung eine auf Sol-Gel-Umwandlung und mindestens zweikomponentigen
Mischungen von funktionalisierten Silanen, von denen einer ein funktionalisierter
Fluoralkylsilan ist, basierende Beschichtung vorgesehen ist.Verwendung mindestens einer Sprühdüse (1) in einer
Wirbelschicht- Strahlschicht- oder Trommel-Coater-Vorrichtung bei Granulierungs-
und/oder Coatingverfahren, die mindestens bereichsweise eine nanokomposithaltige
Beschichtung aufweist, wobei Flüssigkeiten zur Granulierung und/oder Beschichtung
mittels ein oder mehrerer Gase durch die mindestens eine Sprühdüse (1)
in einer solchen Vorrichtung versprüht werden.Verfahren zur Beschichtung einer der in einem der Ansprüche 1 bis
8 genannten Sprühdüse (1), wobei eine Sprühdüsen mindestens
bereichsweise mit einer nanokomposithaltigen Beschichtung versehen wird.