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FR3061439A1 - Particules du type coeur-ecorce - Google Patents

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FR3061439A1
FR3061439A1 FR1658829A FR1658829A FR3061439A1 FR 3061439 A1 FR3061439 A1 FR 3061439A1 FR 1658829 A FR1658829 A FR 1658829A FR 1658829 A FR1658829 A FR 1658829A FR 3061439 A1 FR3061439 A1 FR 3061439A1
Authority
FR
France
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particles
compound
liquid
compounds
composition
Prior art date
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Withdrawn
Application number
FR1658829A
Other languages
English (en)
Inventor
Denis Spitzer
Marc Comet
Martin Klaumunzer
Fabien Schnell
Cedric MARTIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Strasbourg
Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Strasbourg
Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Strasbourg, Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to FR1658829A priority Critical patent/FR3061439A1/fr
Priority to DE102017008779.2A priority patent/DE102017008779A1/de
Publication of FR3061439A1 publication Critical patent/FR3061439A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2/00—Processes or devices for granulating materials, e.g. fertilisers in general; Rendering particulate materials free flowing in general, e.g. making them hydrophobic
    • B01J2/006—Coating of the granules without description of the process or the device by which the granules are obtained
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/16—Evaporating by spraying
    • B01D1/18—Evaporating by spraying to obtain dry solids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/06—Flash distillation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B45/00—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

L'invention concerne un de particules multi-couches dont au moins une dimension des particules est inférieure à 1000 nm, leurs procédés de préparation en particulier par évaporation instantanée ou évaporation flash, et leurs applications par exemple dans les domaines des matériaux énergétiques, des composés pharmaceutiques, des composés phytopharmaceutiques, des matériaux de contraste médicaux, des matériaux fluorescents, des matériaux optiques, des matériaux optoélectroniques, des matériaux ferroélectriques, des matériaux à réponse non-linéaire ou des matériaux bio-électroniques .

Description

(® Mandataire(s) : LAVOIX.
FR 3 061 439 - A1 ® PARTICULES DU TYPE COEUR-ECORCE.
(57) L'invention concerne un de particules multi-couches dont au moins une dimension des particules est inférieure à 1000 nm, leurs procédés de préparation en particulier par évaporation instantanée ou évaporation flash, et leurs applications par exemple dans les domaines des matériaux énergétiques, des composés pharmaceutiques, des composés phytopharmaceutiques, des matériaux de contraste médicaux, des matériaux fluorescents, des matériaux optiques, des matériaux optoélectroniques, des matériaux ferroélectriques, des matériaux à réponse non-linéaire ou des matériaux bio-électroniques .
Figure FR3061439A1_D0001
Particules du type cœur-écorce
L’invention concerne des particules du type cœur-écorce comprenant une ou plusieurs couches recouvrant le cœur et appelées particules multi-couches et les procédés de préparation de ces particules par évaporation instantanée ou évaporation flash, par exemple pour la préparation de particules dans les domaines des matériaux énergétiques, des composés pharmaceutiques, des composés phytopharmaceutiques, des matériaux de contraste médicaux, des matériaux fluorescents, des matériaux optiques, des matériaux optoélectroniques, des matériaux ferroélectriques, des matériaux à réponse non-linéaire ou des matériaux bio-électroniques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Des procédés de préparation de particules, en particulier de nanoparticules comprenant plusieurs couches, et en particulier un cœur et une écorce, sont connues dans l’art antérieur. Cependant les procédés de l’état de la technique sont essentiellement de type discontinus ou « batch ». En général, on utilise des techniques de type sol-gel. Cependant les techniques sol-gel ont des performances limitées en termes de quantité de produits élaborés et de qualité des produits obtenus notamment en ce qui concerne leur morphologie et leur pureté. Jusqu’ici les besoins industriels, notamment en nanoparticules multi-couches, sont satisfaits par des techniques d’élaboration discontinue de type sol-gel. Étant donné que ce type de technique ne permet pas de produire des quantités importantes de matière, l’emploi de ce type de structure cœur-écorce reste encore très peu répandu.
En particulier, notamment à titre d’exemple, les nanocomposites de type métal/produits organiques comme par exemple des composites nanoaluminium/explosifs, comme par exemple le RDX, ne peuvent pas être préparés par une méthode sol-gel étant donné que pour les produits organiques de ce type, les précurseurs n’existent pas. Le RDX ne peut pas être un produit directement de lors des synthèses de type sol-gel, sous une forme nanométriques stables. Il en est de même pour les composés organiques, comme par exemple ceux utilisés dans des compositions pharmaceutiques ou cosmétiques.
L’invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir en particulier un procédé de préparation continue ou discontinue de particules, et en particulier de nanoparticules multi-couches.
En particulier la présente invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir des particules et leurs procédés de préparation présentant des propriétés pour des applications dans les domaines des explosifs et de la propulsion.
L’invention a encore pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir des particules, en particulier des nanoparticules multi-couches qui ne sont pas accessibles par les techniques classiques de type sol-gel.
L’invention a notamment pour but de résoudre le problème technique consistant à faciliter ou rendre accessible la préparation de particules multi-couches pour lesquelles des précurseurs ne sont pas disponibles actuellement.
DESCRIPTION
L'invention concerne un procédé de préparation comprenant une atomisation, et en particulier par évaporation instantanée ou évaporation flash, qui permet d'apporter une solution à tout ou partie des problèmes des procédés de l'état de la technique.
L’invention concerne les particules multi-couches et leurs procédés de préparation, en particulier un procédé de préparation de particules multi-couches dont au moins une dimension des particules est inférieure à 1000 nm, ledit procédé comprenant l’atomisation simultanée d’au moins un premier composé et d’au moins un deuxième composé, dans des conditions dans lesquelles ledit au moins un premier composé forme le cœur des particules multi-couches dont au moins une dimension des particules est inférieure à 1000 nm et le deuxième composé forme au moins une couche desdites particules, ou inversement.
Par « inversement » on entend que le ledit au moins un deuxième composé forme le cœur des particules multi-couches et le premier composé forme au moins une couche desdites particules.
On désigne par « premier composé» un composé différent du « deuxième composé ». Les composés désignés par « premier composés » peuvent être multiples. Il est fait référence à ce ou ces « premiers composés » essentiellement pour les distinguer du ou des « seconds composés ».
Par « particules multicouches », on entend une particule comprenant un cœur (appelé aussi « noyau ») et au moins une couche en surface du cœur. La surface du cœur est de préférence totalement recouverte d’une couche. Ainsi les particules l’invention concernent des particules comprenant un cœur et une couche superficielle recouvrant, de préférence totalement, la surface du cœur. La présente invention concerne également des particules, en particulier des nanoparticules, comprenant un cœur et plusieurs couches superficielles disposées de manière concentrique.
Selon une variante, le procédé de l’invention met en œuvre un fluide polyphasique comprenant des particules, de préférence sous forme de nanoparticules, dispersées dans une phase liquide de manière à former le cœur des particules, et de préférence des nanoparticules, de l’invention, lesdites particules comprenant au moins un premier composé organique, minéral ou organométallique, et un fluide polyphasique ou monophasique comprenant au moins un second composé organique, minéral ou organométallique, destiné à former au moins une couche superficielle des particules, ou inversement.
Selon une variante, le procédé de l’invention met en œuvre un fluide polyphasique comprenant des particules, de préférence sous forme de nanoparticules, dispersées dans une phase liquide de manière à former le cœur des particules, et de préférence des nanoparticules, de l’invention, lesdites particules comprenant au moins un premier composé organique, minéral ou organométallique, ledit fluide polyphasique comprenant en outre au moins un second composé organique, minéral ou organométallique, dissous dans une phase liquide et destiné à former au moins une couche superficielle des particules, ou inversement.
L’invention concerne également des particules de type hybride organique/inorganique ou organique/métallique.
En particulier, l’invention concerne des particules comprenant un cœur (ou noyau) comprenant par exemple un ou plusieurs composés organiques ou inorganiques et dont la surface est, de préférence totalement, recouverte d’une ou d’une ou plusieurs couches comprenant un ou plusieurs composés métalliques.
Selon une variante, la première composition comprenant le premier composé solide forme un fluide polyphasique.
Au sens de l’invention, on entend par « fluide » en particulier un liquide comprenant éventuellement une dispersion solide. Dans l’invention ce terme « fluide » ne couvre pas un gaz dans lequel seraient dispersées des particules solides.
Par la présente invention, on désigne par fluide polyphasique un fluide comprenant une ou plusieurs phases non miscibles telles que par exemple une phase liquide et une phase solide ou deux phases liquides non miscibles.
Selon une variante, le fluide polyphasique est constitué d’une phase liquide et d’au moins une phase solide de préférence dispersée sous la forme de particules et typiquement sous la forme de nano-particules.
Selon une variante, le fluide polyphasique est constitué d’une phase liquide et de plusieurs solides de préférence dispersés sous la forme de particules et typiquement sous la forme de nano-particules.
Selon une variante, le fluide polyphasique est constitué de deux phases liquides.
Selon une variante, le fluide polyphasique est constitué de plusieurs phases liquides et de plusieurs phases solides, de préférence dispersées dans une ou plusieurs phases liquides sous la forme de particules, et typiquement sous la forme de-particules, lesdites phases solides pouvant être dispersées dans des phases liquides différentes.
Par « phase liquide » on désigne une phase liquide comprenant un ou plusieurs composés liquides. Un composé est défini comme « composé liquide » notamment lorsqu’il est liquide à température et pression dans les conditions après obtention du fluide polyphasique. Selon une variante, le composé est liquide à température et pression ambiantes, c’est-à-dire à 25 °C et 101325 Pa.
Parmi les composés liquides, on peut citer notamment les agents solvants ou dispersants des premier et/ou deuxième composés utilisés dans le cadre de la présente invention.
Selon une variante le coeur ou noyau de la particule va comprendre le ou les premiers composés et la ou les couches entourant le cœur vont comprendre le ou les deuxièmes composés.
Selon une variante, la particule comprend un cœur (noyau) comprenant ou consistant d’un ou plusieurs deuxièmes composés et une ou plusieurs couches entourant le cœur et comprenant ou consistant d’un ou plusieurs premiers composés.
Dans l’ensemble des variantes, modes de réalisation, préférés ou avantageux, chaque couche peut être constituée indépendamment des autres couches d’un ou plusieurs composés, le ou les composés d’une couche pouvant être différents de celui ou ceux d’une autre couche.
Selon une variante particulière, les particules de l’invention sont des particules comprenant avantageusement l’ensemble de leurs dimensions inférieures à 1000 nm.
Selon une variante, les particules sont des nanoparticules, c’est-à-dire comprenant avantageusement au moins une et de préférence l’ensemble de leurs dimensions, inférieures à 100 nm.
L’invention concerne en particulier des particules solides, et plus particulièrement des particules comprenant un cœur ou noyau dont la plus petite dimension et de préférence l’ensemble des dimensions va de 30 à 100 nm et une ou plusieurs couches d’une épaisseur de 2 à 15nm.
Selon une variante, le cœur comprend ou est constitué d’un ou plusieurs éléments métalliques.
Selon une variante, le cœur comprend ou est constitué d’un ou plusieurs composés organiques.
Ainsi, l’invention concerne des particules, et tout particulièrement des nanoparticules comprenant un cœur comprenant ou constitué d’un ou plusieurs éléments métalliques et une ou plusieurs couches comprenant ou constituées d’un ou plusieurs oxydes d’un ou plusieurs éléments métalliques.
Selon une variante particulière, les particules de l’invention, et en particulier les nanoparticules de l’invention comprennent un cœur constitué ou comprenant de l’aluminium.
Une variante de l’invention consiste en des particules, et en particulier des nanoparticules, comprenant au moins une couche comprenant ou constituée d’oxyde de fer.
Une variante spécifique de l’invention concerne des particules, et en particulier des nanoparticules, comprenant un cœur composé ou comprenant de l’aluminium et une ou plusieurs couches constituées ou comprenant de l’oxyde de fer.
L’invention concerne encore des particules, et tout particulièrement des nanoparticules comprenant un cœur comprenant ou constitué d’un ou plusieurs éléments métalliques, éventuellement sou forme d’oxyde ou en présence d’oxydes, et une ou plusieurs couches comprenant ou constituées d’un ou plusieurs composés organiques.
L’invention concerne encore des particules, et tout particulièrement des nanoparticules comprenant un cœur comprenant ou constitué d’un ou plusieurs composés organiques et une ou plusieurs couches comprenant ou constituées d’un ou plusieurs éléments métalliques, éventuellement sou forme d’oxyde ou en présence d’oxydes,.
Selon l’invention, une variante consiste en des particules, et en particulier des nanoparticules, comprenant au moins une couche comprenant ou constituée de RDX (cyclotriméthylènetrinitramine).
Une variante spécifique de l’invention concerne des particules, et en particulier des nanoparticules, comprenant un cœur constitué ou comprenant de l’aluminium et une ou plusieurs couches constituées ou comprenant du RDX.
Par exemple, de telles particules sont très intéressantes pour leurs propriétés dans le domaine des explosifs ou de la propulsion.
Pour de telles applications, on peut citer à titre d’exemple les composés suivants qui peuvent former une ou plusieurs couches des particules, et en particulier des nanoparticules, en association avec de l’aluminium, de préférence l’aluminium formant le cœur de la particule (nanoparticules): oxyde de Cr (VI), oxyde de cuivre (II), oxyde de fer (11,111), permanganate de potassium, oxyde de Bismuth (III), oxyde hydrate de tungstène (VI), un ou plusieurs fluoropolymère, comme par exemple le PTFE ou le viton®, et l’un quelconque de leurs mélanges (formant une ou plusieurs couches de la particule (nanoparticules)).
On peut également citer les associations Antimoine-Permanganate de potassium ou Titane-Bore.
Ainsi la présente invention peut comprendre un mélange d’explosifs et de métal ou un mélange d’explosifs et de thermites nanostructurées.
Les particules de l’invention peuvent comprendre à titre d’exemple des composés semiconducteurs, et/ou des co-cristaux ou composites, avantageusement dopés.
Les composés de l’invention peuvent également comprendre des matériaux fluorescents, en particulier pour des applications médicales, thérapeutiques ou de diagnostic, comme par exemple en radiologie, sans aucune limitation.
Les composés de l’invention peuvent également comprendre des composés actifs d’un point de vue pharmaceutique, notamment pour la préparation de médicaments ou des applications pharmaceutiques ou thérapeutiques. De telles particules permettent notamment d’améliorer la biocompatibilité.
Les particules de l’invention peuvent également comprendre des matériaux de catalyse, comme par exemple des matériaux pour la catalyse hétérogène, notamment pour des applications dans la pétrochimie à titre d’exemple, sans être limitatif.
L’invention concerne en outre spécifiquement des particules susceptibles d’être obtenues par un procédé tel que décrit selon l’invention, lesdites particules comprenant un cœur et une écorce.
L’invention concerne des particules présentant au moins une dimension inférieure à 1000 nm, de préférence la plus grande dimension est inférieure à 1000nm, et comprenant un cœur comprenant ou constitué d’aluminium et une écorce comprenant ou constituée d’au moins un oxyde d’au moins un élément métallique.
L’invention concerne des particules présentant au moins une dimension inférieure à 1000 nm, de préférence la plus grande dimension est inférieure à 1000nm, et comprenant un cœur comprenant ou constitué d’aluminium et une écorce comprenant ou constituée d’un composé explosif.
Selon une variante, de telles particules se présentent sous forme de nanoparticules dont toutes les dimensions sont inférieures à 1000 nm, et par exemple inférieures à 100nm.
L’invention concerne en particulier un procédé de fabrication de telles particules et en particulier un procédé de préparation comprenant une brumisation par spray évaporation flash, également connue sous le sigle SFE pour l’acronyme anglais « Spray Flash Evaporation ».
L’invention concerne plus spécifiquement un procédé comprenant :
(a) la dispersion du premier composé sous forme solide dans une phase liquide pour former une composition fluide et la dissolution du deuxième composé, dans une phase liquide identique ou différente de la composition fluide comprenant le premier composé ;
(b) le chauffage de la composition fluide et de la phase liquide comprenant le deuxième composé s’il constitue une phase différente de la composition fluide, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bars, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide ;
(c) l’atomisation de la composition fluide comprenant le premier composé et de la phase liquide comprenant le deuxième composé s’il constitue une phase différente de la composition fluide, l’atomisation étant de préférence réalisée dans une chambre d’atomisation au moyen d’un dispositif de dispersion et sous un angle allant de 30 à 150° à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
(d) l’obtention desdites particules multi-couches ;
(e) la séparation de la ou des phases liquides sous forme gazeuse.
La séparation des liquides des nanoparticules obtenues se produit avantageusement lors de l’atomisation.
Selon une variante, le procédé comprend :
(a) la dispersion du premier composé solide dans un premier liquide pour former une première composition fluide, ladite première composition étant disposée dans un premier réservoir, et la dissolution du deuxième composé dans un deuxième liquide différent du liquide de la première composition, ledit deuxième liquide comprenant le deuxième composé formant une deuxième composition fluide disposée dans un deuxième réservoir ;
(b) le chauffage de la première composition, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bar, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide, et le chauffage de la deuxième composition, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bar, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide ; et (c) l'atomisation simultanée des première et deuxième compositions chauffées de préférence sous pression, dans une chambre d’atomisation au moyen d’au moins un dispositif de dispersion et de préférence sous un angle allant de 30 à 150° à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
(d) l’obtention desdites particules multi-couches ;
(e) la séparation de la ou des phases liquides sous forme gazeuse.
Selon une autre variante, le procédé comprend :
(a) la préparation d’au moins une composition fluide comprenant au moins un liquide, au moins un premier composé solide organique ou minéral, dispersé dans le liquide, au moins un deuxième composé organique ou minéral, dissous dans le liquide, ladite composition étant disposé dans un réservoir ;
(b) le chauffage de la composition, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bar, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide ;
(c) l'atomisation de la composition dans une chambre d’atomisation au moyen d’au moins un dispositif de dispersion et de préférence sous un angle allant de 30 à 150° à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
(d) l’obtention desdites particules multi-couches ;
(e) la séparation de la ou des phases liquides sous forme gazeuse.
Lorsque le procédé de l’invention comprend le chauffage des première et deuxième compositions, le chauffage des première et deuxième compositions peut être simultané ou indépendant.
Pour une variante spécifique, le procédé de l’invention comprend la dispersion d’au moins un composé solide organique minéral dans un liquide, la dissolution d’au moins un composé organique ou minéral dans un liquide, les liquides comprenant le composé dispersé ou le composé dissout pouvant être identiques ou différents, le chauffage simultané ou indépendant, sous pression, des liquides comprenant le composé dispersé et le composé dissout, l’atomisation des liquides comprenant le composé dispersé et le composé dissout, l’obtention de particules, et notamment de nanoparticules, et la séparation des liquides des nanoparticules obtenues.
Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en œuvre de manière continue ou de manière semi-continue. De préférence, il est mis en œuvre de manière continue.
De manière avantageuse, le procédé selon l'invention comprend la préparation d'un ou plusieurs fluides polyphasiques comprenant :
deux à dix composés ; ou deux composés ; ou deux composés en un ratio molaire choisi parmi 1/4, 1/3, 1/2, 1/1, 2/1, 3/1,4/1 ; ou trois composés ; ou trois composés en un ratio molaire X/Y/Z dans lequel X, Y et Z, identiques ou différents, représentent 1, 2, 3 ou 4 ;
quatre composés ; ou quatre composés en un ratio molaire W/X/Y/Z dans lequel W, X, Y et Z, identiques ou différents, représentent 1, 2, 3 ou 4 ;
cinq composés ; ou cinq composés en un ratio molaire V/W/X/Y/Z dans lequel V, W, X, Y et Z, identiques ou différents, représentent 1, 2, 3 ou 4.
De manière préférée, le procédé selon l'invention comprend la préparation d'un ou plusieurs fluides polyphasiques comprenant deux, trois ou quatre composés.
De manière également préférée, le procédé selon l'invention comprend la préparation d’au moins deux phases, une première phase liquide comprenant au moins un composé liquide, appelé premier composé liquide, et au moins un composé solide, organique, minéral ou organométallique, appelé premier composé, et une deuxième phase liquide comprenant au moins un composé liquide, appelé deuxième composé liquide, et au moins un composé, organique, minéral ou organométallique, appelé deuxième composé, dissout dans la phase liquide. Ces phases liquides peuvent chacune indépendamment comprendre plusieurs de ces composés.
Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux pour la préparation de particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches de composés choisis parmi les composés énergétiques, les composés pharmaceutiques, les composés phytopharmaceutiques, les composés colorants, les pigments, les encres, les peintures, les métaux, les oxydes métalliques, les composés fluorescents, les composés semiconducteurs, les composés optiques, les composés optoélectroniques..
Plus particulièrement, le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux pour la préparation de particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches de composés parmi les composés énergétiques, les composés pharmaceutiques, les composés phytopharmaceutiques, les métaux, les oxydes métalliques, les composés fluorescents, les composés semi-conducteurs.
Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux pour la préparation de particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches de composés choisis parmi les composés métalliques, leurs oxydes, et l’un quelconque de leurs mélanges.
En particulier, le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux pour la préparation de particules, et en particulier des nanoparticules, comprenant un cœur et une couche superficielle de composés choisis parmi les composés métalliques, leurs oxydes, et l’un quelconque de leurs mélanges.
De préférence, le procédé selon l'invention est mis en œuvre pour la préparation de particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches de composés choisis parmi les composés énergétiques, les composés pharmaceutiques, les composés phytopharmaceutiques.
De manière également avantageuse, le procédé selon l'invention permet de préparer des particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches dont la taille est micrométrique ou qui possèdent au moins une dimension inférieure à 500 pm, de préférence qui possèdent au moins une dimension inférieure à 100 pm.
De manière également avantageuse, le procédé selon l'invention permet de préparer des particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches dont la taille est submicrométrique ou qui possèdent au moins une dimension comprise entre 100 et 1 000 nm.
Par « taille » de particules on désigne le diamètre ou la plus petite dimension pour des particules non sensiblement sphériques, et avantageusement l’ensemble des dimensions des particules. La taille des particules peut être mesurée par microscopie électronique à balayage et par transmission.
De manière préférée, le procédé selon l'invention permet de préparer des particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches dont la taille est nanométrique ou qui possèdent au moins une dimension inférieure à 100 nm.
De manière plus préférée, les particules, et en particulier les nanoparticules, multicouches préparées selon l'invention ont une taille allant de 2 à 100 nm ; ou allant de 5 à 90 nm ; ou allant de 10 à 80 nm ; ou allant de 50 à 300 nm ; ou allant de 50 à 200 nm ; ou allant de 50 à 120 nm ; ou allant de 10 à 100 nm ; ou allant de 60 à 100 nm.
Selon une variante, les composés solides formant le cœur des particules ont, indépendamment, une taille (diamètre ou plus petite dimension), identique ou différente, allant de 2 à 1 000 nm, de préférence allant de 1 à 50 nm, plus préférentiellement allant de 1 à 30 nm. Il s’agit ici de la taille des composés formant le cœur des particules de l’invention.
Selon une variante, une couche des particules a, indépendamment, une épaisseur, identique ou différente, allant de 2 à 1 000 nm, de préférence allant de 1 à 50 nm, plus préférentiellement allant de 1 à 30 nm.
Selon une variante le procédé comprend la préparation de particules comprenant plusieurs couches entourant le cœur des particules. On peut par exemple préparer de telles particules par itération du procédé selon l’invention en réutilisant les particules formées par le procédé, c’est-à-dire que les particules formées par le procédé de l’invention comprenant un cœur et une ou plusieurs couches superficielles subissent une nouvelle fois le procédé de l’invention pour déposer en surface au moins une nouvelle couche superficielle. Ainsi les particules dispersées dans l’étape a) peuvent être ellesmêmes des particules comprenant un cœur et une ou plusieurs couches superficielles. Selon cette variante à chaque mise en œuvre du procédé de l’invention, une ou plusieurs couches superficielles additionnelles sont déposées sur les particules.
Selon une variante le procédé comprend la préparation de particules comprenant plusieurs couches entourant le cœur des particules en mettant en œuvre des composés présentant des solubilités différentes dans les liquides dans lesquels ils sont dissous. Par exemple, lorsque les solubilités sont suffisamment différentes, le composé le moins soluble est déposé en premier sur la surface des particules puis le composé le plus soluble est déposé en surface de la couche du composé (le moins soluble) déjà déposé en surface des particules.
Selon une variante, le procédé comprend la dispersion composé destiné à former le cœur des particules dans un premier liquide comprenant un composé destiné à former la première couche de surface et la dissolution dans un seconde liquide d’un composé destiné à former la seconde couche de surface. De préférence, la solubilité dans le second liquide du composé destiné à former la seconde couche de surface est plus élevée que la solubilité dans le premier liquide le composé destiné à former la première couche de surface.
Le choix du ou des liquides peut notamment être adapté en fonction du composé à disperser ou du composé à dissoudre.
De manière préférée, le ou les liquides mis en œuvre ont un point d’ébullition inférieur à 80 °C ou inférieur à 60 °C. Comme solvant, on peut citer les alcanes, par exemple le pentane (PE= 36 °C) ou l’hexane (PE= 68 °C) ; les alcools, par exemple le méthanol (PE= 65 °C) ou l’éthanol (PE= 78-79 °C) ; les thiols, par exemple l’éthane-thiol (PE= 35 °C) ; les aldéhydes, par exemple l’éthanal (PE= 20 °C) ou l’aldéhyde propionique (PE= 48 °C) ; les cétones, par exemple l’acétone (PE= 56 °C) ; les éthers, par exemple le méthyl-tert-butyl éther (PE= 55 °C) ou le tetrahydrofurane (PE= 66 °C) ; les esters d’acides, notamment les esters d’acide formique, par exemple le formiate de méthyle (PE= 32 °C), les esters d’acide acétique, par exemple l’acétate de méthyle (PE= 5758 °C) ; les amines, par exemple la triméthylamine (PE= 2-3 °C).
Avantageusement, la composition comprenant le composé solide dispersé comprend également au moins un agent dispersant.
De manière préférée, le procédé selon l’invention comprend une étape finale de récupération des particules, et en particulier des nanoparticules, multicouches.
Avantageusement, la récupération des particules, et en particulier les nanoparticules, multicouches est réalisée au moyen d’un ou plusieurs dispositifs choisis parmi un séparateur électrostatique, un cyclone, un cyclone comprenant un dispositif électrostatique.
Les conditions de mise en œuvre du procédé selon l'invention peuvent varier assez largement, notamment en fonction des composés formant les particules, et en particulier les nanoparticules, multicouches ou bien en fonction des liquides utilisés.
De manière avantageuse, le chauffage des compositions est effectué sous une pression allant de 5 à 150 bar ou allant de 10 à 60 bar. Lors de la mise en œuvre de plusieurs solutions, le chauffage respectif de chaque solution peut être effectué sous une pression allant de 5 à 150 bar ou allant de 10 à 60 bar qui peut être identique ou différente pour chaque composition.
De manière également avantageuse, le chauffage des compositions est effectué sous pression d’un gaz inerte choisi parmi l’azote, l’argon, l’hélium, le néon, le xénon.
Lors de l’atomisation des compositions, la pression est avantageusement comprise entre 0,001 et 2 bar.
Le dispositif de dispersion mis en œuvre lors de l’atomisation des compositions est avantageusement choisi parmi une buse à cône creux, une buse à cône plein, une buse à jet plat, une buse à jet rectiligne, un atomiseur pneumatique et leurs associations. Une buse à cône creux est particulièrement avantageuse.
De manière générale, l'atomisation peut être effectuée sous un angle pouvant varier très largement. L'angle d'atomisation peut ainsi être proche de 180 °, par exemple de 170 ° ou encore de 150 ° ou de 120 °. On peut également citer une gamme d'angle d'atomisation allant de 60 à 80 °.
Ces conditions s'appliquent également lors de l'atomisation d'au moins deux compositions.
L'invention concerne également un dispositif permettant la mise en œuvre du procédé lorsqu'il met en œuvre au moins deux compositions. Ainsi, l’invention fournit un dispositif de préparation de particules, et de préférence de nanoparticules, d’au moins deux composés formant des particules, et de préférence des nanoparticules, comprenant :
au moins deux réacteurs comprenant chacun
- une alimentation d'un ou plusieurs fluides comprenant le premier et le second composés et du ou des liquides ;
- au moins un dispositif de mise sous pression pouvant aller de 3 à 300 bar ;
- au moins un dispositif de chauffage ;
une chambre d’atomisation comprenant :
- au moins un dispositif de dispersion d’au moins un fluide, polyphasique, sous un angle allant de 30 à 150° et à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
- au moins un dispositif de séparation de liquides ;
un ou plusieurs dispositifs de récupération des nanoparticules de composés choisis parmi un séparateur électrostatique, un cyclone, un cyclone comprenant un dispositif électrostatique.
Un mode de mise en œuvre d’un dispositif selon l’invention est représenté par la figure 1. Le dispositif est composé de quatre parties principales : un ensemble de deux réservoirs (1 et T) pour le stockage sous forte pression des fluides contenant la ou les substances à atomiser, une chambre d’atomisation comprenant deux buses chauffées (3) intégrées, deux cyclones axiaux (5) montés en parallèle et permettant une production semi-continue, une pompe à vide (6).
Dans les réservoirs (1 et T) de 5 L contenant le fluide avec les premier et deuxième composés, on applique une surpression d’azote comprimé. Dans un premier temps, cette surpression permet de déplacer l’oxygène et empêche l’évaporation du fluide. Le débit volumique dans ce système est induit par la surpression d’azote comprimé.
Des filtres (2 et 2’) par exemple de 15 pm refoulent toutes les impuretés solides, ayant une dimension ne permettant pas le passage des filtres, dans le fluide initial. Les filtres permettent le passage du premier composé solide, en général sous la forme de nanoparticules.
Deux buses à cône creux (3), chacune équipée d'un système de chauffage électrique, sont installées côte à côte dans la chambre d’atomisation. On contrôle les paramètres de pression, de température et de distribution de la taille des particules. Le type de branchement permet un changement rapide des buses. La température du chauffage électrique est choisie par l’utilisateur et régulée automatiquement. Les buses sont orientées l’une par rapport à l’autre de manière à ce que leurs jets s’interpénétrent.
Un réservoir ou bac de liquide (4) est rempli avec le même liquide que le réservoir (1) et sert à rincer la conduite et la buse après utilisation. De même, le réservoir ou bac de liquide (4’) est rempli avec le même liquide que le réservoir (1 ’).
Les cyclones axiaux (5) sont installés en parallèle. Pendant l’opération, seul un cyclone est en service ; le deuxième cyclone est en veille. Grâce à la force centrifuge, les particules solides se déposent à l’intérieur du cyclone, les composants gazeux quittent le cyclone par un tuyau plongeur. Pour vider le cyclone, on ouvre d’abord le circuit conduisant vers le second cyclone, pour ensuite fermer le premier circuit conduisant vers le premier cyclone.
La pompe à vide (6) assure un écoulement permanent dans l’installation et permet d’extraire les vapeurs de liquides du système.
La présente invention permet de produire par exemple des structures de particules multi-couches de manière continue et reproductible, et est dans un sens plus performante que les procédés de type discontinus (Batch) telles que les procédés sol-gel. Notamment, la présente invention est beaucoup plus performante en termes de quantité des produits élaborés et de qualité des produits obtenus, notamment en regard de la morphologie, de la pureté, etc.
Le procédé selon la présente invention est plus performant que les techniques continues ou discontinues classiques dans les différents domaines d’applications visés qui sont notamment :
Pour les nanothermites cœur-écorce, l’invention permet de préparer de telles nanothermites très réactives et peu sensibles, produites en continu et en grande quantité. La formation d’un dépôt d’oxyde périphérique qui entoure par exemple l’aluminium, réduit très fortement les sensibilités à la friction et à l’électricité statique par rapport aux matériaux produits selon d’autres techniques comme par exemple le mélange physique des deux composants. De plus, les techniques d’enrobage de type batch de l’aluminium par les oxydes, impliquent toujours des quantités non négligeables de matière qui représentent aussi un danger en cas de combustion accidentelle de la thermique, spécialement dans les cas de procédés nécessitant une thermolyse pour synthétiser l’oxyde autour de l’aluminium. La technique selon la présente invention présente l’avantage de ne traiter qu’une quantité de matière minime à chaque instant, contrairement à la technique discontinue qui implique la totalité de l’échantillon.
Les particules comprenant des nanothermites et des explosifs (nanométriques) produites en continu selon l’invention permettent une mise en détonation des explosifs sont secondaires et peuvent être utilisées comme produits de substitution aux explosifs primaires sensibles, contenant des éléments chimiques interdits par les réglementations environnementales en vigueur de type REACH par exemple.
L’invention est encore particulièrement adaptée dans le domaine de l’élaboration de semi-conducteurs à bande interdite adaptée et ajustée pour augmenter le rendement des systèmes photocatalytiques ou de photoconversion. A titre d’exemple, la présente invention permet la réalisation de structures composites sous forme de particules cœurécorce contenant un cœur d’oxyde de fer ou un autre oxyde et au moins une écorce ou couche périphérique ou superficielle à base de dioxyde de titane.
Dans le domaine médical, l’invention permet d’augmenter le pouvoir traçant pour le diagnostic, en particulier en radiologie et en imagerie médicale en général.
Dans le domaine pharmaceutique, invention permet l’élaboration de matériaux possédant une biocompatibilité améliorée, et par exemple l’enrobage de substances toxiques ou dont la toxicité est à diminuer par au moins une écorce ou couche superficielle biocompatible. Ainsi la présente invention est particulièrement avantageuse en chimiothérapie afin de limiter la toxicité des composés utilisés.
Avantageusement, l’invention permet également de fournir un recyclage des liquides utilisés.
Sur les figures :
La figure 1 représente un schéma du dispositif pour l’élaboration des particules de l’invention.
La figure 2 représente des particules cœur-écorce dans laquelle le cœur est constitué par du nanoaluminium et l’écorce par de l’oxyde de fer (Fe2O3) observées par MET à haute résolution.
La figure 3 représente un diffractogramme aux rayons X (XRD - X-ray diffraction) de nanoparticules comprenant un cœur de nanoaluminium et une écorce de RDX avec en abscisse 2teta (2Θ) et en ordonnée l’intensité XRD.
La figure 4 représente schématiquement une structure de nanoparticules selon la figure 3.
Les différents aspects de l'invention sont illustrés par les exemples qui suivent.
Exemple 1 : préparation de nanoparticules
Des nanoparticules selon l'invention ont été préparées à partir de nanoaluminium (cœur ou noyau) et d'oxyde de fer (couche ou écorce). Ces nanoparticules sont présentées en figure 2.
Les nanoparticules de nanoaluminium sont dispersées dans un liquide contenant également de l’oxyde de fer dissout. Le fluide est maintenu sous agitation.
Les nanoparticules ont été préparées de manière continue au moyen du dispositif décrit dans la demande de brevet internationale WO-2013/117671 selon un procédé d'évaporation instantanée d’un fluide comprenant les composés à atomiser qui est surchauffé et comprimé. Au cours du procédé, le fluide subit une très forte chute de la pression au moment d'être atomisée au moyen d'une buse à cône creux.
Les composés à atomiser sont dissous ou dispersés dans un liquide dont le point d'ébullition est inférieur à 60 °C. Les composés et les liquides ainsi que les paramètres de réaction mis en œuvre sont présentés dans le tableau 1.
Tableau 1 : Aluminium/Oxyde de Fer
Produit de départ Quantité utilisée (grammes) Commentaire(s)
Acétone (Grade-HPLC) 500 Les produits sont mélangés et soumis aux ultrasons avant d’être brûmisés
Poudre d’aluminium passivée 0,7
Acétylacétonate de fer (solution 0,5 g d’acétylacétonate de fer dans 100 ml d’acétone) 28,5
Le fluide est comprimé (40 à 60 bar) puis atomisé dans une chambre d'atomisation au moyen d'une buse à cône creux chauffée.
La pression dans la chambre d'atomisation (5 mbar) est obtenue au moyen d'une pompe à vide (35 m3/h).
Exemple 2 : préparation de nanoparticules
Des nanoparticules selon l'invention ont été préparées selon l’exemple 1 à partir d'aluminium (cœur ou noyau) et de RDX (couche ou écorce). Ces nanoparticules sont présentées en figure 3.
Les paramètres du procédé sont résumés dans le tableau 2 ci-dessous :
Tableau 2 : Aluminium/RDX
Produit de départ Quantité utilisée (grammes) Commentaire(s)
Acétone (Grade-HPLC) 365 Les produits sont mélangés et soumis aux ultrasons avant d’être brûmisés
RDX 3,01
Poudre d’aluminium passivée 0,62

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de préparation de particules multi-couches dont au moins une dimension des particules est inférieure à 1000 nm, ledit procédé comprenant l’atomisation simultanée d’au moins un premier composé et d’au moins un deuxième composé, dans des conditions dans lesquelles ledit au moins un premier composé forme le cœur d’une particules multi-couches dont au moins une dimension des particules est inférieure à 1000 nm et le deuxième composé forme au moins une couche desdites particules, ou inversement.
  2. 2. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend :
    (a) la dispersion du premier composé sous forme solide dans une phase liquide pour former une composition fluide et la dissolution du deuxième composé, dans une phase liquide identique ou différente de la composition fluide comprenant le premier composé ;
    (b) le chauffage de la composition fluide et de la phase liquide comprenant le deuxième composé s’il constitue une phase différente de la composition fluide, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bars, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide ;
    (c) l’atomisation de la composition fluide comprenant le premier composé et de la phase liquide comprenant le deuxième composé s’il constitue une phase différente de la composition fluide, l’atomisation étant de préférence réalisée dans une chambre d’atomisation au moyen d’un dispositif de dispersion et sous un angle allant de 30 à 150° à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
    (d) l’obtention desdites particules multi-couches ;
    (e) la séparation de la ou des phases liquides sous forme gazeuse.
  3. 3. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend :
    (a) la dispersion du premier composé solide dans un premier liquide pour former une première composition fluide, ladite première composition étant disposée dans un premier réservoir, et la dissolution du deuxième composé dans un deuxième liquide différent du liquide de la première composition, ledit deuxième liquide comprenant le deuxième composé formant une deuxième composition fluide disposée dans un deuxième réservoir ;
    (b) le chauffage de la première composition, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bar, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide, et le chauffage de la deuxième composition, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bar, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide ; et (c) l'atomisation simultanée des première et deuxième compositions chauffées de préférence sous pression, dans une chambre d’atomisation au moyen d’au moins un dispositif de dispersion et de préférence sous un angle allant de 30 à 150° à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
    (d) l’obtention desdites particules multi-couches ;
    (e) la séparation de la ou des phases liquides sous forme gazeuse.
  4. 4. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend :
    (a) la préparation d’au moins une composition fluide comprenant au moins un liquide, au moins un premier composé solide organique ou minéral, dispersé dans le liquide, au moins un deuxième composé organique ou minéral, dissous dans le liquide, ladite composition étant disposé dans un réservoir ;
    (b) le chauffage de la composition, de préférence sous une pression allant de 3 à 300 bar, à une température supérieure au point d’ébullition du liquide ;
    (c) l'atomisation de la composition dans une chambre d’atomisation au moyen d’au moins un dispositif de dispersion et de préférence sous un angle allant de 30 à 150° à une pression allant de 0,0001 à 2 bar ;
    (d) l’obtention desdites particules multi-couches ;
    (e) la séparation de la ou des phases liquides sous forme gazeuse.
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 pour lequel les particules multi-couches ont au moins une dimension inférieure à 100 nm, de préférence inférieure à 5 à 100 nm, plus préférentiellement inférieure à 10 à 30 nm.
  6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 comprenant la récupération finale des particules multi-couches au moyen d’au moins un dispositif choisi parmi un filtre, un séparateur électrostatique, un cyclone, un cyclone comprenant un dispositif électrostatique.
  7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 qui est continu ou semicontinu.
  8. 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 pour lequel le point d’ébullition de la ou des phases liquides est, indépendamment, inférieur à 80°C, de préférence inférieur à 60°C ; ou le chauffage de la composition ou des compositions est, indépendamment, effectué sous une pression allant de 5 à 150 bar, de préférence allant de 10 à 60 bar.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 pour lequel le chauffage de la composition ou des compositions est, indépendamment, effectué sous pression d’un gaz inerte choisi parmi l’azote, l’argon, l’hélium, le néon, le xénon.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 pour lequel l’atomisation de la composition ou des compositions est, indépendamment, réalisée à une pression allant de 0,001 à 2 bar, de préférence de 0,02 à 0,2 bar ; ou sous un angle de 60 à 80°.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 pour lequel les composés sont choisis parmi les composés énergétiques, les composés pharmaceutiques, les composés phytopharmaceutiques, les composés colorants, les pigments, les encres, les peintures, les métaux, les oxydes métalliques, les composés fluorescents, les composés semiconducteurs, les composés optiques, les composés optoélectroniques.
  12. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 pour lequel la phase liquide est ou sont constituées d’un ou plusieurs liquides, indépendamment, choisis parmi les alcanes, par exemple le pentane (PE= 36°C) ou l’hexane (PE= 68°C) ; les alcools, par exemple le méthanol (PE= 65°C) ou l’éthanol (PE= 78-79°C) ; les thiols, par exemple l’éthane-thiol (PE= 35°C) ; les aldéhydes, par exemple l’éthanal (PE= 20°C) ou l’aldéhyde propionique (PE= 48°C) ; les cétones, par exemple l’acétone (PE= 56°C) ; les éthers, par exemple le méthyl-tert-butyl éther (PE= 55°C) ou le tetrahydrofurane (PE= 66°C) ; les esters d’acides, notamment les esters d’acide formique, par exemple le formiate de méthyle (PE= 32°C), les esters d’acide acétique, par exemple l’acétate de méthyle (PE= 57-58°C) ; les amines, par exemple la triméthylamine (PE= 2-3°C).
  13. 13. Particules susceptibles d’être obtenues par un procédé tel que décrit selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, lesdites particules comprenant un cœur et une écorce.
  14. 14. Particules caractérisées en ce qu’elles présentent au moins une dimension inférieure à 1000 nm, de préférence la plus grande dimension est inférieure à 1000nm, et en ce qu’elles comprennent un cœur comprenant ou constitué d’aluminium et une écorce comprenant ou constituée d’au moins un oxyde d’au moins un élément métallique.
  15. 15. Particules caractérisées en ce qu’elles présentent au moins une dimension inférieure à 1000 nm, de préférence la plus grande dimension est inférieure à 1000nm, et en ce qu’elles comprennent un cœur comprenant ou constitué d’aluminium et une écorce comprenant ou constituée d’un composé explosif.
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