Method for manufacturing an inorganic material and equipment

本発明は、無機材料を製造する方法および装置に関する。

乾燥生成物を製造するためのフリーズドライまたは凍結乾燥の方法を使用することは公知である。 例えばＵＳ２００３／０１２７７７６Ａ１（Ｓｙｍｙｘ）は、凍結乾燥によりラテックスの分散から溶媒を除去することを記載している。

ＵＳ６，３９５，５５２Ｂ１（Ｓｙｍｙｘ）によれば、溶液を一緒に注入し、次いで凍結乾燥し、固体が形成する。

ＵＳ５，９６４，０４３（Ｇｌａｘｏ）およびその中で引用される特許（ＵＳ２，４４５，１２０、ＵＳ３，９５２，５４１、ＵＳ３，２０３，１０８、ＵＳ３，１９５、５４７、ＥＰ００４８１９４およびＤＥ９６７１２０）は、容器壁の遠心力による乾燥すべき凍結品の分布を記載している。

公知の方法は、固体の制御された形成が提供されないという欠点を有する。

従ってこれらの欠点を有さない材料を製造する方法および装置を開発する目的が存在する。

本発明は、無機材料を製造する方法を提供し、該方法は、最初に少なくとも１つの物質を含有する少なくとも１つの塩溶液を容器中に導入し、かつ場合により少なくとも１つの固体と一緒にし、かつこれらを互いに混合し、少なくとも１つの物質を含有する少なくとも１つの別の塩溶液を添加し、その結果として無機物質が、より低い溶解度積ゆえに沈殿し、かつ少なくとも１つの別の物質が溶液中に残り、場合により少なくとも１つの物質を含有する少なくとも１つの別の塩溶液、または別の溶媒を添加し、得られる懸濁液を冷却により凍結させ、かつ固化させ、固体および塩溶液の均一な分布を懸濁液中で確保し、かつ固体の沈降を防止し、溶媒を真空の適用により昇華させ、懸濁液を乾燥させ、場合により、得られる固体を熱処理し、かつ得られる固体または材料を、その形態、寸法、組成、特性またはこれらのものの組み合わせについて特徴づけ、かつ場合によりこれらの工程段階を、ライブラリーの形の多数の材料を製造し、かつ特徴づけるために繰り返すことを特徴とする。

本発明による方法は、少なくとも部分的に並行して行ってよい。

得られる固体（材料）は、その触媒活性について試験をすることができる。 有利には、固体の触媒活性についての試験は同時にライブラリーにおいて行うことができる。

本発明は、本発明による方法を並行して行うための装置も提供し、該装置は、少なくとも２つの適切な容器、例えば２重壁の容器、ロータリーフラスコ等が、冷媒中に浸漬されるように、または冷媒が該容器の周りを流れるように並列して配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、多数の材料試料のライブラリーは、多数のプロトコルに従って自動化された形と手動の両方で製造することができる。

本発明によれば、１つ以上の方式、方法または両者を、材料試料のライブラリーの形成における様々の成分の製造を支援するために使用してよい。

手動のまたは半自動化された方式および方法は可能であるけれども、自動化された方式および方法が有利には使用される。 多数のロボットまたは自動化された方式は、あらかじめ定義されたプロトコルによる、液体、固体または気体状態における材料の取り扱い、収集、製造またはその他の操作に関するあらかじめ決定された動きからなる、自動化されたまたはプログラムによる実行に利用できる。

ロボット方式の１つの例は、Chemspeed Ltd.社から得られる。 いわゆる「加速シンセサイザー(Accelerator Synthesizer)」は、自動化され、かつコンピュータにより作成された形で、２〜１００ｍｌの体積を有する一定の数の容器（反応器）中の液体を測定する可能性を提供する。

ライブラリーは、単一の基材上の多数の材料の配列であってもよい。 しかしながら、「ライブラリー」という用語はこれに限定されない。 様々のキャリヤー上の多数の材料の意味にもなりうる。

キャリヤーは反応容器、反応フラスコ等の意味にもなりうる。

別の観点によれば、本発明には、少なくとも２つの材料を一緒に混合し、混合物を形成するための任意の適切な技術の使用が考慮されている。 一実施態様において、一般に２つ以上の材料を提供し、かつエネルギーを適用して、材料を一緒に物理的に混合する。 一般的にエネルギーの適用の仕方、およびエネルギーの必要量を最小化するための任意の方法は適用ごとに変化する。 しかしながら、一般的にエネルギーは機械混合により、またさらに有利にはせん断流、伸長流またはこれらの組み合わせを混合材料に付与する混合により適用する。 そのような混合の例は、周期混合（例えば回転させるか、または混合アームを振動させることにより）、圧縮体積による材料の押し込み（向かい合う表面の間、例えばロール機のニップとロール、押出機のスクリューとバレル、オリフィスを形成する壁部等）、または他の適切な圧力または加力を含むが、これらに限定されない。 出発材料は任意の適切な形で供給してよい。 例えば、前記出発材料はブロック、プレート、ベール、シート、ロッド、繊維、粉末、ペレット、微粒子、顆粒、溶液、流体、メルト、エマルジョンまたはディスパージョン等として供給してよい。

材料の特性決定のために、試料を様々の寸法および質量で形成してよい。 例えば、試料は約０．１ミクロン〜約２５ｍｍ程度の小さい厚みを有してよい。 さらに、試料における質量の典型的な範囲は約１マイクログラム〜約０．５キログラムの範囲、または約１ｍｇもしくは約１０ｍｇ〜約８０ｍｇの範囲を含む。

本発明に従う材料は、任意の多数のその特性に関して、例えば化学組成、混濁度または重要な他の特性に関して分析することができる。

本発明による材料のライブラリーは、例えばＸ線回折、ハイスループットＸ線散乱、実験システムからの散乱、粘度測定法、破壊または強度試験、接着試験、複屈折、流動光学、電子線、中性子線、シンクロトロン放射等、赤外線技術（例えばＦＴＩＲ、ＩＲ検出またはその他の方法）、熱分析技術（例えば示差走査熱量測定、示差熱分析等）、クロマトグラフ技術、共鳴、分光分析法、光散乱、分光測定法、鏡検法、核磁気共鳴、光学測定、電気化学測定のようなビーム放射分析を使用する特性決定技術に限定されない、公知技術の開示された任意の多数の特性決定技術の役に立つ。 例として、材料の結晶構造および組成をそれぞれ決定するために、Ｘ線回折（ＸＲＤ）および蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）を組み合わせて使用してよい。

個々の試験試料の製造および分析は本発明の範囲内で考慮されているけれども、上記から認められるように、本発明は試験試料のハイスループット製造および分析に有利な手法を提供し、殊に有利な実施態様において、本発明は高処理量を達成するために多数の試験試料のライブラリーの製造および分析において使用される。

多数の同一ライブラリー要素からなるライブラリーを使用してよいことが認められているけれども（その際、異なるライブラリー要素には異なる分析を行う（例えば特性試験、選別試験等））、本発明によるライブラリーの作成において、出発材料の組成、化学量論比または処理パラメータを変化させることがたびたび所望される。 反応環境条件を帯域ごとに変化させ、異なる材料または異なる特性を有する材料を作成することも可能である。

材料のライブラリーの製造および分析に関しては、組成、濃度、添加順序、添加時間、添加速度、温度分布、混合力、混合速度、混合履歴、せん断歪、引張歪(elongational strain)、混合回転力、硬化開始時間（例えば化学的な、熱的な、物理的な）、混合環境、滞留時間分布、相対分子量、配合条件、相溶化剤の使用（例えば水素またはイオン結合、電荷移動錯体等の制御のために）、放射線照射、循環ローディング、溶剤型、環境曝露 (environment exposure)等から選択されるパラメータの１つまたは組み合わせを、ライブラリーの範囲内で変化させてよいことが考慮されている。

実例として、とりわけ第一および第二の異なる成分の化学的性質の選択に関して、第一の成分は基材全体にわたり一定であるが、第二の成分を帯域ごとに変化させることが可能である。 同様に、基材全体にわたり第一の成分を変化させ、第二の成分を一定に維持することも可能である。 さらに、第一および第二の成分のいずれも、基材全体にわたり変化させることが可能である。

有利には少なくとも４つの異なる材料、さらに有利には少なくとも５つ、またさらに有利には少なくとも１０つの材料を有するライブラリーを作成する。 １０つを超える異なる材料の量は、本発明によれば単一のライブラリーと考えられる。 例えば、ライブラリーは少なくとも１２、２４、３６、４８、９６、２５６、５００、１０００、１０ ^５ 、または１０ ^６の異なる材料を有してよい。 Ｎが１〜約２０の範囲に、かつ有利には１〜約１０または１〜約５の範囲にあるいくつかの実施態様では、ライブラリーが９６×Ｎの異なる材料を有してよい。

実例として、製造される２つの成分の材料が存在する場合、成分変化の全ての範囲を検査するために位相空間を形成する。 第一のライブラリーは、使用される範囲の寸法に合わせて量を選択し、かつ成分Ａおよび成分Ｂの適切なモル量を混合することにより形成してよく、そうして基材の第一の帯域は成分Ａ１００％および成分Ｂ０％を含む。 第二の帯域は成分Ａ９０％および成分Ｂ１０％を含んでよい。 第三の帯域は成分Ａ８０％および成分Ｂ２０％を含んでよい。 これを、最終帯域が成分Ａ０％および成分Ｂ１００％を含むまで繰り返す。 この方法におけるライブラリー形成は、３成分の材料、４成分の材料、５成分の材料、６以上の成分の材料、またはさらに１０以上の成分の材料を含んだ、所望されるだけの数の成分に適用される。 同様の技術を、化学量論比、厚さまたは他の化学的もしくは物理的勾配を有するライブラリーを製造する際に使用してよい。

さらに、本発明のもう１つの実施態様において、ほぼ同じ成分をほぼ同一の濃度で第一の基材のみならずまた第二の基材上の帯域に供給し、その後に第一の基材上の成分を反応条件、または後供給法(post-delivery processing)、または処理条件の最初のセットにさらし、かつ第二の基材上の成分を反応条件、または後供給法、または処理条件の第二のセットにさらすことにより、材料の少なくとも２つの異なるライブラリーを形成するための１つの方法を提供する。 この方法を使用することにより、様々の反応パラメータの効果を研究し、そしてまた最適化することができる。 反応、加工および／または、例えば溶媒、温度、時間、圧力、反応、加工または処理を行う雰囲気、反応がなくなる速度等。 変化させてよい他の反応または処理パラメータは、当業者に明らかである。 従って本発明の一実施態様は、材料のライブラリーを、形成した後、その後に別の加工（例えば代替雰囲気中での熱処理）にさらすことで異なる材料のライブラリーを作成することにある。

ライブラリーは、基材上の帯域が存在するのと同じくらいの数の材料を有してよい。 この発明の目的のために、特定の帯域が空で残っていない限り、一般的に材料の数は基材上の帯域の数に等しい。

いくつかの適切な容器（反応器）中で、少なくとも１つの（またはそれより多い）塩溶液と、場合により１つ以上の固体（出発物質）とを一緒にし、かつ互いに混合する。 塩溶液および固体の添加の順番は、ここではあらかじめ規定されていない。 なぜなら、形成される新しい材料の特性は、添加の順番により変性されうるからである。 従って添加の順番は形成される材料の要求に合わせて調整すべきである。

−塩溶液の量、濃度、時間（出発物質の個々の添加の間）、攪拌速度、振とう頻度、圧力、温度および他の全てのいわゆる外的パラメータは、形成される材料の特性にちょうど同じ影響を有する。 従って該特性は可変であり、かつ要求に合わせて調整すべきである。 しかしながら、普通、全ての容器はこれらのパラメータの少なくとも１つを有する。

−別の塩溶液または塩溶液の混合物（沈殿剤）を添加することにより、より低い溶解度積を有し、その結果、固体として沈殿する新しい、有利には無機物質が各々の容器中で形成される。

−沈殿後、別の塩溶液、塩溶液の混合物または溶媒の添加が可能である。 この場合も、量、濃度、順序、時間、攪拌速度、振とう頻度、圧力、温度および別の外的パラメータを、固体または材料の特性を要求に合わせて調整するために変化させてよい。

いくつかのパラメータに関して、以下の制限が本発明により記載されうる：
−０．０１ミリバール〜１００バール、有利には１０ミリバール〜１０バール、またさらに有利には１００ミリバール〜２バールの圧力。

−使用される溶媒の凝固点と、使用される溶媒の沸点との間の温度。

−塩溶液は、１マイクロモル／ｌ、有利には１ミリモルと、飽和溶液の濃度との間の濃度を有する適切な溶媒中の１つ以上の無機および有機の塩の溶液である。

−この発明において適切である１つの溶媒は、融点が２２℃より低く（「室温」）、かつ−１９６℃より高く、有利には−５５℃より高く、かつ固体状態において昇華されうることを特徴とする。 適切な溶媒は特に、短鎖アルコール、アルデヒドおよびケトン、中間的な鎖長（Ｃ５〜Ｃ１２）のアルカンおよびアルケン、および水であるが、これらに限定されない。

−本発明により使用することができ、かつ塩溶液中で使用される物質は、使用される適切な溶媒中で、有利には水中で可溶性である無機および有機の全ての塩、有利には金属および遷移金属の可溶塩、およびさらに有利にはＭｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、およびＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａの可溶塩でありうる。

−本発明により使用することができる固体は、使用される適切な溶媒中で、有利には水中で可溶性ではないか、僅かに可溶性であるだけか、または別の物質との組み合わせにおいてのみ可溶性であるか、あるいは使用される溶媒と緩慢ではあるが化学反応を受ける無機および有機の物質でありうる。 この場合、主として炭素、および金属および遷移金属の塩を含有する物質が有利であり、さらに有利には活性炭および酸化物、および金属および遷移金属の混合酸化物、およびさらに有利にはＡｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＣａおよびＭｇの酸化物および混合酸化物がある。

−ところで、本発明によりその中に含まれる固体（材料）の得られる最終懸濁液は、同じ容器中でさらに処理するか、または別の処理のためにもう１つの容器内に移してよい。

−懸濁液中に含まれる全ての塩が固体の形で存在するとは限らない。 むしろ、塩のなかには溶媒中にまだ溶解しているものもある。 しかしながら、前記塩は、所望される最終固体の特性のために非常に重要であり、かつこのために、これらの塩を固体の形で得る新しい乾燥方法を発見しなければならなかった。 従って濾過は除外される。

−別の点は、溶解した形で残留している塩が、すでに存在する固体上で均一に分布されなければならないということである。 従って溶媒の蒸発による溶液の乾燥は除外される。 なぜならこの場合、塩は、その溶解度積により沈殿し、その結果、特定の「順序」ですでに存在する固体上に堆積するからである。 そのうえ、攪拌は困難を伴ってのみ行うことができる。 なぜなら最終固体はとても固いので、その時には攪拌はもはや可能ではないからである。

−公知の乾燥方法は懸濁液の噴霧乾燥からなり、結果として、使用される全ての物質が均一（「任意に」）に分布している固体が得られる。 しかしながら、この可能性は本発明による方法に関して除外される。 なぜなら、組み合わせ法(combinatory methods)によるハイスループット法により固体の製造方法を発展させるべきだったからである。 この場合に得られる少量の懸濁液（０．１ｍｇ〜１，０００ｇ、有利には１ｇ〜１００ｇ）は噴霧乾燥（いわゆる実験室用噴霧乾燥器においてすら）には低すぎる。 さらに噴霧乾燥は並行して、つまりいくつかの懸濁液において同時に行うことができない。

−ところで、これらの問題を解決するために、本発明が提供する発明により方法が開発された。 まず、懸濁液を適切な方法での冷却により凍結させる。 有利には、凍結は容器を冷液中に浸漬させることによるか、または二重壁ジャケットを有する容器の場合、冷液を二重壁ジャケットに通すことにより行ってよい。

−本発明によれば、懸濁液に存在する固体および塩溶液の均一な分布は、凍結のあいだ適切な方法により保持することができ、かつ固体の沈降を防止することができる。 懸濁液はその存在する形で「固化させる」ことができる。 これは、凍結操作のあいだ容器を攪拌し、振とうさせ、旋回させるかまたは懸濁液の均一な固化を保証する他のいくつかの型の運動にさらす方法により達成される。

−いくつかの容器の同時凍結は、運動を自動化された形で行う方法により達成することができ、かついくつかの容器を同時に同じ冷液中に浸漬させるか、または同時に同じ冷液を二重壁ジャケットに通してフラッシュする。

−凍結後、１つ以上の容器に真空を適用することにより溶媒を昇華させ、このことにより固体を乾燥させることができる。 この場合、冷却を維持することができる。 乾燥は、このために適したもう１つの装置（例えば凍結乾燥装置）で並行して行ってもよい。

−本発明による方法により懸濁液を乾燥させ、そうして実際の固体を製造するだけでなく、また固体の特性、とりわけ物理的性質に影響を及ぼすことは意想外である。 とりわけ一次粒子の寸法または固体のＢＥＴ表面積は、例えば溶媒の選択および量により影響を及ぼされる。

−固体の乾燥後、熱処理は定義された雰囲気中で行ってよい。 この際、得られる固体は、特定のガス、有利には空気、酸素、水素、ヘリウム、アルゴン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素またはこれらのガスの混合物における特定圧力下での特定温度に、特定の時間、加熱してよい。 固体の特性は、温度、時間および雰囲気により変性させることができる。

−この操作は、異なる雰囲気および／または温度および／または時間および／または圧力で数回繰り返してよい。

−２つ以上の固体の可能な同時熱処理を与える様々の炉は、この熱処理に適切でありうる。 とりわけ、固体を熱処理のあいだ回転運動させる多管式回転加熱管(multiple rotary tube ovens)を使用してよい。 さらに多重マッフル炉を熱処理のために使用してもよい。

−熱処理後、固体または材料の触媒活性の試験を、適切な多重試験炉中で行ってよい。 この試験は、乾燥させただけで熱処理しなかった固体または材料を用いて行ってもよい。

本発明は、図面を使用してさらに詳細に説明される。

図１は、６つの容器の例によるパラレル凍結乾燥(parallel freeze drying)の原理の構造を示す。 この場合、反応器の数は単に例のためにあり、２〜１，０００、有利には２〜１００、またさらに有利には２〜２０であってよい。

懸濁液を含有する個々の容器１ａ〜ｆはそのつど、モーターＭで回転させることができるように取り付ける。 この場合、回転の方向は重要でない。 容器１ａ〜ｆは、下部を、冷液を含有する冷却浴２中に斜めに浸漬させる。 図２は、容器１の図を使用することにより、どのように容器を冷却浴中に浸漬させるかを説明する。 この場合、浸漬の角度および深さもまた単に例のためにあり、要求に合わせて調整してよい。

この場合、冷液の温度は懸濁液のために使用される特定の溶媒に依存する。 しかしながら、該温度は、使用される溶媒の凝固点を少なくとも１０℃、有利には３０℃、さらに有利には５０℃を下回るべきである。 場合により、冷液は供給および取り出し管３により交換するか、または凍結処理の間、例えば低温維持装置により常に冷却してよい。

凍結懸濁液の乾燥は同じ装置中で行うべきであり、かつ市販の別の凍結乾燥装置で行うべきでない場合、容器の開口部は、乾燥に必要な真空を発生させる真空ポンプＶに接続してよい。 溶媒に応じて、場合により再昇華室 (resubliming chamber)４を使用してよい。 図１で示されているような一列の容器１ａ〜ｆの配置に加えて、図３で示されているような円形の配置、または他の適切な任意の幾何学形状も可能である。

図４および図５は、冷液が通過する二重壁ジャケットを有する容器の配置を示す。 この場合、冷液は１つの容器から別の容器内へ流れてよい。 しかしながら、どの容器もポンプにより冷却材タンクに個々に接続してもよい。 凍結操作の間、例えば６つの容器の適切な配列を他の方法で振とうさせるか、または動かしてよい。 これは基部５により行うことができる。

本発明による方法を実施するための装置を示す図

本発明による方法を実施するための装置を示す図

本発明による方法を実施するための装置を示す図

本発明による方法を実施するための装置を示す図

本発明による方法を実施するための装置を示す図

符号の説明

１ａ〜ｆ 容器、 ２ 冷却浴、 ３ 供給および取り出し管、 ４ 再昇華室、 ５ 基部