CN103112837A - 一种纳米羟基磷灰石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米羟基磷灰石的制备方法，涉及羟基磷灰石。提供工艺简单，反应过程无需任何添加剂，无副产物，可以常温合成，产品稳定温度高、比表面积和孔容高的一种纳米羟基磷灰石的制备方法。1）称取钙源，加入蒸馏水，搅拌分散，得到Ca(OH)2悬浮液；2）往Ca(OH)2悬浮液中加入磷酸，搅拌反应，直至钙磷摩尔比Ca/P为1.67，停止加入磷酸，再继续搅拌反应，得到反应液；3）将反应液过滤、分离得到白色沉淀物，白色沉淀物经水洗和有机溶剂洗及干燥，得到白色粉末，白色粉末即为纳米羟基磷灰石。可以得到高比表面积、优势孔结构的羟基磷灰石。方法工艺简单、无特殊设备要求、成本低、适合于大规模工业化。
Description
技术领域
本发明涉及羟基磷灰石，尤其是涉及高比表面积、高孔径的一种纳米羟基磷灰石的制备方法。
背景技术
羟基磷灰石(Hydroxyapatite，缩写HAp)在自然界和生物体内广泛存在，具有良好的生物相容性、生物活性、化学稳定性和固体碱性，广泛地应用在生物医学、组织工程、药物控释、催化、材料等诸多领域，因此高纯度、热稳定、尤其是高比表面积和高孔容的纳米级羟基磷灰石的开发研究具有极其重要的意义。
目前，羟基磷灰石的制备方法主要有固相反应法、水热法、溶胶-凝胶法、沉淀法、微乳液法等，如公开号为CN86108700、CN1760121、CN100999313、CN101486452、CN102491299A、CN102431986A、CN101880034A等中国专利公开了这些方法。这些方法在制备条件、能耗、产品质量上各有优缺点。
制备羟基磷灰石可使用可溶性的钙盐、含钙物或生物质钙源，如公开号为CN1903706、CN101205058、CN101254909等的中国专利采用硝酸钙作为钙源制备HAp；公开号为CN1161305、CN1631773的中国专利分别采用珊瑚礁石、贝壳为钙源，制备出粒径20～100nm的羟基磷灰石；公开号为CN100999313的中国专利采用含钙玻璃制备出粒径100nm中空羟基磷灰石颗粒；公开号为CN102070131A的中国专利以蛋壳为原料，磷酸钙为反应剂，采用煅烧合成工艺，可简单快速地制备羟基磷灰石粉体材料。邹建陵、董春华和张洪滨等人（邹建陵、匡云飞、李毅,多孔经基磷灰石生物材料的制备,衡阳师范学院学报(自然科学),2003,24(6):48–49；董春华、王东杰、张永霞,废弃蛋壳微波合成羟基磷灰石,化学工业,2010,15:129–131；张洪滨、冯莉、戚冬伟、徐卫华,羟基磷灰石除氟性能研究,中国农村水利水电,2011,3:149–155；胡恋、陈朝猛、谢水波,羟基磷灰石生物活性材料处理重金属废水的机理及效果研究,南华大学学报(自然科学版),2005,19:28–33.）以废弃蛋壳为原料，分别通过水热法、微波法、煅烧法、化学沉淀法合成了羟基磷灰石。
高比表面积和高孔径的纳米级HAp在医药、吸附和催化等领域有着巨大的应用前景，上述方法尚没有考虑到其对Hap材料比表面积和孔径结构的影响（更多的是考虑材料的纯度和颗粒的大小），且目前传统的水热法制备的羟基磷灰石比表面积很小，约为26-80m2/g。在反应时利用添加剂的方法来提高Hap材料比表面积，国外已经有一些探索，比如Lim等（Lim GK,Wang J,Ng SC,Gan LM.Formation of nanocrystalline hydroxyapatite in nonionicsurfactant emulsions,Langmuir1999;15:7472-7477）使用表面活性剂制得的羟基磷灰石的比表面积约为7～75m2/g。Bose等(Bose S,Saha S K.Synthesis and Characterizationof Hydroxyapatite Nanopowders by Emulsion Technique,Chem Mater,2003,15(23):4464-4469)采用模板法制备的羟基磷灰石的比表面积可达130m2/g，粒径为30～50nm，但该反应周期和陈化时间长。
高效的、工艺简单的、获取高比表面积和优势孔结构的纳米级Hap材料的技术有待进一步开发。
发明内容
本发明的目的在于提供工艺简单，反应过程无需任何添加剂，无副产物，可以常温合成，产品稳定温度高、比表面积和孔容高的一种纳米羟基磷灰石的制备方法。
本发明以含钙物为钙源，以磷酸为磷源，在一定的温度和搅拌速度下，磷酸以一定的速度滴加到含钙化合物悬浮液中进行反应，然后过滤、洗涤和干燥，得到白色粉体。该粉体为高比表面积和高孔容的纳米级棒状HAp，其XRD谱与标准卡片(ICSD-PDF2:01-073-0293)对应非常好，比表面积64.23～284.05m2/g，孔容0.35～1.39cm3/g，孔径可达约16.77～31.10nm，晶粒度约6.67nm～28.25nm，热稳定温度可达到700℃。
本发明所述纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
1）称取钙源，加入蒸馏水，搅拌分散，得到Ca(OH)2悬浮液；
2）往Ca(OH)2悬浮液中加入磷酸，搅拌反应，直至钙磷摩尔比Ca/P为1.67，停止加入磷酸，再继续搅拌反应，得到反应液；
3）将反应液过滤、分离得到白色沉淀物，白色沉淀物经水洗和有机溶剂洗及干燥，得到白色粉末，白色粉末即为纳米羟基磷灰石。
在步骤1)中，所述钙源可为氧化钙、氢氧化钙或含钙生物质，含钙生物质可为蛋壳等；当为蛋壳时，需要进行前处理，先用正己烷将蛋壳上的污垢和固体有机物除去，然后用蒸馏水和洗洁剂除去蛋壳上的膜及粘附物，然后干燥并粉碎；所述Ca(OH)2悬浮液的浓度可为0.1～1M。
在步骤2）中，所述磷酸的浓度可为0.06～0.6M，搅拌反应温度可为30～80℃，搅拌转速可为100～2000rpm，搅拌反应的时间可为0.5～2h；所述磷酸的滴加速度可为25～400ml/h；所述继续搅拌反应的时间可为30～120min。
在步骤3)中，所述水洗最好为蒸馏水洗1～2次；有机溶剂可采用小分子醇等有机溶剂，如甲醇、乙醇、丙酮等；所述干燥可为真空干燥、超临界干燥或冷冻干燥，所述真空干燥是在真空干燥箱干燥，真空干燥箱温度可为50～80℃、真空度0～0.1MPa，真空干燥的时间可为2～6h；所述超临界干燥最好为温度50℃、压力6.5MPa、时间15h；所述冷冻干燥最好为温度-80～-60℃、真空度20～10Pa、时间24h。
与现有羟基磷灰石制备方法比较，本发明具有如下突出优点：
1、由于采用的钙源可以是普通钙源，也可以是生物质钙源，如蛋壳等。因此钙源的选择范围广，且价格低廉，可大大降低羟基磷灰石的制备成本，也可以实现废弃物资源再利用。
2、由于以严格控制匀速滴加磷酸，并结合搅拌达到反应微区的pH的控制要求(无需额外调节pH的手段)，从而可生产出高质量的产品。
3、工艺简单，反应过程无需任何添加剂；反应温度低，可以常温，合成周期短，节能，易工业化。
4、所得到的HAp不仅结晶度高、且比表面积和孔容较高，无副产物，产品稳定温度高达700℃。
5、本发明提供的制备方法可以得到高比表面积、优势孔结构的羟基磷灰石。方法工艺简单、无特殊设备要求、成本低、适合于大规模工业化。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的羟基磷灰石（HAp）的SEM图。在图1中，标尺为1μm。
图2为本发明实施例1所制备的羟基磷灰石（HAp）经700℃煅烧后的SEM图。在图1中，标尺为1μm。
图3为本发明实施例1所制备的羟基磷灰石（HAp）经950℃煅烧后的SEM图。在图1中，标尺为1μm。
图4为本发明实施例1所制备的羟基磷灰石（HAp）的TEM图。在图1中，标尺为0.2μm。
图5为本发明实施例1所制备的羟基磷灰石（HAp）的XRD图。在图5中，横坐标为衍射角（°）；曲线a为氢氧化钙的XRD图；曲线b为80℃合成的HAp未经焙烧的XRD图；曲线c为80℃合成的HAp经700℃焙烧2h的XRD图；曲线d为80℃合成的HAp经950℃焙烧2h的XRD图。
图6为本发明实施例1所制备的羟基磷灰石（Hap）的FTIR图。在图6中，横坐标为波数（cm-1），纵坐标为强度（a.u.）。
具体实施方式
实施例1
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氢氧化钙（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥95.0%）。制备方法如下：
1）准确称取467.36g氢氧化钙置于250ml烧杯中，加入60ml水，搅拌分散，配置成0.1MCa(OH)2悬浮液，将烧杯放置到水浴锅中，机械搅拌，搅拌速度为450rpm。即：
Ca(OH)2(s)+H2O→Ca(OH)2(sus)
2）准确称取4.15g磷酸，加至60ml水中，配置成0.06M的磷酸溶液。
3）将水浴锅加热至80℃，使用注射泵（注射器针头尺寸：1.2×38mm）将60ml的磷酸溶液以60ml/h的速度匀速滴加到Ca(OH)2悬浮液，搅拌反应。滴加完毕后继续搅拌反应1h，得到羟基磷灰石料浆。具体的化学反应式：
4）将料浆过滤，蒸馏水洗3次，乙醇洗1次，50℃真空干燥过夜，得到羟基磷灰石产品（HAp）。
参见图1～4，从各SEM图和TEM图可知，所制备的HAp为110nm×30nm的棒状颗粒（图1和图4所示），经700℃焙烧2h，HAp仍可原有颗粒保持（图2所示），说明该HAp的热稳定温度高达700℃，经950℃焙烧2h，形成了均匀、致密且多孔的HAp颗粒（图3所示）。
参见图5，所制备的羟基磷灰石（HAp）经XRD分析，其特征峰与标准图(ICSD-PDF2:01-073-0293)对应一致，没有任何杂峰出现，空间群为P63/m，晶胞参数为
和
说明该产品为纯羟基磷灰石，无副产物生成。经700℃和950℃焙烧2h后的羟基磷灰石也没有出现其他杂峰，仍为HAp结构，说明该产品热稳定性高。
所制备的羟基磷灰石（HAp）通过XRD和BET的测量，结果表明，HAp产品的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为135.3m2/g、0.97cm3/g、30.71nm和14nm；经700℃煅烧2h后，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为48.4m2/g、0.43cm3/g、24.90nm和21nm；经950℃煅烧后，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为15.3m2/g、0.19cm3/g、10.60nm和60nm。各项指标明显优于现有技术所制备的羟基磷灰石（HAp）。
参见图6，图6为700℃焙烧2h后的HAp的FTIR光谱，出现了羟基磷灰石的所有特征峰。在1425cm-1和870cm-1处出现了CO3 2-的伸缩振动峰，这可能是由于在碱性环境中，大气中的CO2所引起的。在3672cm-1处的振动峰则归属于羟基磷灰石中的O-H伸缩振动峰。在3434cm-1位置为HAp样品中吸收的H2O的峰。
实施例2
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅提供）。
与实施例1类似，区别在于：
1、采用蛋壳作为钙源，先用正己烷将蛋壳上的污垢和固体有机物除去，然后用蒸馏水和洗洁剂除去蛋壳上的膜及粘附物，最后80℃干燥，粉碎至小于100目。蛋壳950℃下反应5h生成CaO，具体的化学反应式如：
2、磷酸的滴加速度为25ml/h。
3、磷源滴加完毕后继续搅拌反应时间为30min。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为86.2m2/g、0.53cm3/g、26.13nm和11nm。
实施例3
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例2一样的工艺和设备，区别在于，磷酸的滴加速度为200ml/h。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为160.1m2/g、1.0cm3/g、24.98nm和10nm。
实施例4
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例2一样的工艺和设备，区别在于，磷酸的滴加速度为400ml/h。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为148.4m2/g、0.98cm3/g、26.74nm和12nm。
实施例5
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例3一样的工艺和设备，区别在于，钙源的浓度为0.25M。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为72.28m2/g、0.35cm3/g、20.98nm和23nm。
实施例6
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例3一样的工艺和设备，区别在于，钙源的浓度为0.5M。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为87.13m2/g、0.40cm3/g、19.68nm和20nm。
实施例7
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例5一样的工艺和设备，区别在于，磷源滴加完毕后继续搅拌反应时间为120min。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为70.26m2/g、0.45cm3/g、31.10nm和25nm。
实施例8
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例7一样的工艺和设备，区别在于，搅拌速度为200rpm。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为64.23m2/g、0.39cm3/g、26.14nm和28nm。
实施例9
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例7一样的工艺和设备，区别在于，钙源的浓度为1.0M，磷源的浓度为0.6M，磷源滴加完毕后继续搅拌反应时间为60min。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为113.49m2/g、1.07cm3/g、19.87nm和15nm。
实施例10
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氧化钙（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥98.0%）。
本实施例采用和实施例3一样的工艺和设备，区别在于，钙源为氧化钙。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为118.8m2/g、0.91cm3/g、33.70nm和12nm。
实施例11
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、硝酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥68.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氢氧化钠（国药集团化学试剂有限公司，AR），鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例3一样的工艺和设备，区别在于，清洗粉碎后的蛋壳，采用硝酸溶解和NaOH沉淀法取代煅烧法将蛋壳转化为Ca(OH)2，搅拌速度为500rpm。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为212.36m2/g、0.98cm3/g、16.77nm和7nm。
实施例12
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、硝酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥68.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氨水（国药集团化学试剂有限公司，AR）鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例11一样的工艺和设备，区别在于，通过硝酸溶解和NH4OH沉淀法将蛋壳转化为Ca(OH)2。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为284.05m2/g、1.39cm3/g、17.20nm和7nm。
实施例13
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、硝酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥68.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氨水（国药集团化学试剂有限公司，AR）鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例11一样的工艺和设备，区别在于，注射器针头的尺寸为0.7x80mm。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为166.78m2/g、0.88cm3/g、19.35nm和7nm。
实施例14
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、硝酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥68.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氨水（国药集团化学试剂有限公司，AR），鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例11一样的工艺和设备，区别在于，注射器针头的尺寸为41x113mm。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为170.87m2/g、0.83cm3/g、17.90nm和9nm。
实施例15
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、硝酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥68.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氨水（国药集团化学试剂有限公司，AR），鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例11一样的工艺和设备，区别在于，采用超临界干燥技术对羟基磷灰石进行干燥，干燥条件为温度50℃、压力6.5MPa，干燥15h。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为121.71m2/g、0.72cm3/g、18.70nm和11nm。
实施例16
药品：磷酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥85.0%）、硝酸（国药集团化学试剂有限公司，AR，纯度≥68.0%）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司，AR）、氨水（国药集团化学试剂有限公司，AR），鸡蛋壳（厦门大学芙蓉餐厅）。
本实施例采用和实施例11一样的工艺和设备，区别在于，采用冷冻干燥技术对羟基磷灰石进行干燥。
所得的羟基磷灰石700℃和900℃煅烧2h，仍为纳米级粉末。XRD和BET的测量结果表明，HAp的比表面积、孔容、孔径和晶粒度分别为160.69m2/g、0.76cm3/g、16.23nm和9nm。
Claims (10)
1.一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）称取钙源，加入蒸馏水，搅拌分散，得到Ca(OH)2悬浮液；
2）往Ca(OH)2悬浮液中加入磷酸，搅拌反应，直至钙磷摩尔比Ca/P为1.67，停止加入磷酸，再继续搅拌反应，得到反应液；
3）将反应液过滤、分离得到白色沉淀物，白色沉淀物经水洗和有机溶剂洗及干燥，得到白色粉末，白色粉末即为纳米羟基磷灰石。
2.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述钙源为氧化钙、氢氧化钙或含钙生物质。
3.如权利要求2所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于所述含钙生物质为蛋壳。
4.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述Ca(OH)2悬浮液的浓度为0.1～1M。
5.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述磷酸的浓度为0.06～0.6M。
6.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述搅拌反应的温度为30～80℃，搅拌转速为100～2000rpm，搅拌反应的时间为0.5～2h。
7.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述的磷酸的滴加速度为25～400ml/h。
8.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于步骤2)中所述继续搅拌反应的时间为30～120min。
9.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于步骤3)中所述水洗为蒸馏水洗1～2次；所述有机溶剂洗采用甲醇、乙醇或丙酮。
10.如权利要求1所述的一种纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于步骤3)中所述干燥为真空干燥、超临界干燥或冷冻干燥；所述真空干燥是在真空干燥箱干燥，真空干燥箱温度可为50～80℃、真空度0～0.1MPa、时间为2～6h；所述超临界干燥为温度50℃、压力6.5MPa、时间15h；所述冷冻干燥为温度-80～–60℃、真空度20～10Pa，时间24h。
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