CN103435325B - 一种钙基气凝胶材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钙基气凝胶材料的制备方法，其特征在于使用聚丙烯酸为凝胶稳定剂，环氧化物为凝胶促进剂以及有机溶剂对金属钙盐进行溶胶凝胶反应，通过CO2超临界干燥制得钙为基体的气凝胶材料。本发明：制备过程简单，可控因素较少，制得了未见报道的钙基气凝胶材料。
Description
技术领域
本发明属于微、纳结构材料的制备技术领域，具体涉及一种可能应用于吸附剂，药物载体等方向的钙基气凝胶材料的制备方法。
背景技术
气凝胶是一种由纳米固体粒子通过互相链接形成的无定型网络结构材料。气凝胶具有高比表面积，高孔隙率等结构特点而广泛应用于吸附，催化，隔热等领域。气凝胶种类繁多，研究的比较多的有SiO2气凝胶，炭气凝胶，还有各种金属氧化物气凝胶以及各类参杂气凝胶材料。气凝胶特殊的结构特点使得其在各领域都有所发展，如磁性靶向材料，高电容性材料等，新型的气凝胶材料必定在往后的发展中发挥更为重要的作用。
目前，气凝胶种类由SiO2气凝胶，炭气凝胶等四价支撑结构逐步发展到金属二三价支撑结构气凝胶，金属醇盐作为前驱体，通过控制pH来调节反应速率以及孔径结构。二价的金属氧化物很难形成三维网络结构，制备十分困难。国内的杜艾（如中国专利201210101315.6）使用环氧化物作为凝胶促进剂，成功制备了碱式氯化铜气凝胶材料，使得气凝胶的制备方法有了新的突破。近年来，纳米粒技术是目前药物载体输送系统研究的热点之一。相关钙纳米佐剂的研发也是热点之一。气凝胶作为新型纳米材料，钙作为人体一种矿物元素，日均摄入量约1000mg，钙基气凝胶有望作为其中一种控释缓释的药物载体为人体所利用。
气凝胶种类繁多，如二氧化硅气凝胶，炭气凝胶，各种金属氧化物类气凝胶，而有关钙基气凝胶的报道还没有过。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种钙基气凝胶材料的制备方法，它可以直接作为一种吸附剂，并能够作为其他微纳米结构钙类化合物的中间体。制备方法简单，周期短，制备出的样品具有较高的比表面积，高的孔隙率。
本发明的技术方案为：一种钙基气凝胶的制备方法，该方法以钙的金属盐为原料，经有机溶剂与水混合液的溶解，以聚丙烯酸为凝胶稳定剂使之分散均匀，后经环氧化物促进凝胶得到湿凝胶，凝胶经老化、溶剂置换、超临界干燥，制备出钙基气凝胶材料。其具体步骤如下：
（1）钙类有机溶液的制备
将钙的金属盐溶于有机溶剂水溶液或直接溶于有机溶剂中，配制成浓度为0.65mol/L～1.2mol/L的金属钙盐溶液；
（2）湿凝胶的制备
向步骤(1)所得的金属钙盐溶液中加入聚丙烯酸，搅拌均匀，并加入环氧化物，使之混合均匀，静置后得到凝胶；其中，金属钙盐溶液、聚丙烯酸、环氧化物的体积比为1:（0.07-0.47）:（0.07-0.31）；
（3）老化
将步骤(2)中所得凝胶加入有机溶剂进行25℃～60℃老化；
（4）溶剂置换
将步骤(3)中老化后的凝胶进行有机溶剂置换，置换时间为每次5～24h，共2～7次；
（5）CO2超临界干燥
将步骤(4)置换后的凝胶进行CO2超临界干燥；得到具有细微结构的聚丙烯酸络合的钙基气凝胶材料。
优选步骤(1)中的钙的金属盐为氯化钙或硝酸钙中的一种。优选步骤(1)、步骤(3)和步骤(4)中的有机溶剂均为丙酮、乙醇、甲醇、正丙醇或异丙醇中任一种。优选步骤(2)中的环氧化物为环氧乙烷、环氧丙烷或环氧氯丙烷中的一种。优选步骤(2)中环氧化物的添加速度为0.1ml/s～0.5ml/s。
优选步骤(5)中的CO2超临界干燥为：将湿凝胶放入釜中后，往釜中通入CO2，当气压达到6.0～8.0MPa时，釜中加热打开，升至45～50℃，当压力升至9.0～10.0MPa时，打开尾气流量开关，流量在3～8ml/s；使压力升至10.0～10.5MPa，然后控制尾气流量开关维持稳定，恒温恒压情况下维持5～48h，然后关闭进气阀，关闭加热装置，控制尾气流量开关控制气流量保持在3～8ml/s，放气完毕，取出即得钙基气凝胶材料。
本发明制备的钙基气凝胶材料可应用于气体分析，吸附，药物载体等领域，并可作为制备微纳米结构钙类化合物的中间体。
有益效果：
本发明制备的钙基气凝胶材料具有如下特点：
（1）原料易得，工艺及其设备简单，可实现产业化。
（2）钙基气凝胶质轻，比表面积较大，粒径小，扩展了气凝胶的种类。钙作为人体日均摄入量较大的一种矿物元素，有望成为可控释缓释的药物载体为人体所利用。
附图说明
图1是实例1所制备的钙基气凝胶材料样品照片。
图2是实例2所制备的钙基气凝胶材料的N2吸附-脱附曲线图；其中-■-为吸附曲线，-●-为脱附曲线。
图3是实例2所制备的钙基气凝胶材料的孔径分布曲线图。
图4是实例3所制备的钙基气凝胶材料的XRD图。
具体实施方式
实例1钙基气凝胶材料的制备
4.995gCaCl2（45mmol）与40ml乙醇以及5ml蒸馏水混合，搅拌至没有CaCl2颗粒漂浮，然后在溶液中加入10ml聚丙烯酸，搅拌均匀成稳定溶液，再向其中以0.2ml/s的速度缓慢加入5ml环氧丙烷，混合均匀后取出放入模具在常温下静置，得到湿凝胶。待凝胶有一定强度后，加入乙醇进行25℃老化，置换7次，每次5h；然后用CO2超临界干燥设备对其进行干燥处理，干燥过程为：将湿凝胶放入釜中后，往釜中缓慢通入CO2，当气压达到6.0MPa时，釜中加热打开，升至45℃，当压力升至9.0MPa时，打开尾气流量开关，在3ml/s左右。使压力缓慢升至10.2MPa，然后控制尾气流量开关维持稳定，恒温恒压情况下维持6h，然后关闭进气阀，关闭加热装置，控制尾气流量开关控制气流量保持在3ml/s左右，放气完毕，取出即得钙基气凝胶材料。经检测，其密度为0.45g/cm3，比表面积为245.5m2/g，孔体积为2.2cm3/g，平均孔径为45nm。
图1为实例1所制得的钙基气凝胶材料样品的照片。从照片中可以看出，钙基气凝胶材料成块性较好。
实例2钙基气凝胶材料的制备
4.995gCaCl2（45mmol）与35ml乙醇以及2.5ml蒸馏水混合，搅拌至没有CaCl2颗粒漂浮，然后在溶液中加入10ml聚丙烯酸，搅拌均匀成稳定溶液，再向其中以0.5ml/s的速度缓慢加入5ml环氧丙烷，混合均匀后取出放入模具静置，得到湿凝胶。待凝胶有一定强度后，加入乙醇进行60℃老化，置换5次，每次24h；然后用CO2超临界干燥设备对其进行干燥处理，干燥过程为：将湿凝胶放入釜中后，往釜中缓慢通入CO2，当气压达到7.2MPa时，釜中加热打开，升至50℃，当压力升至9.5MPa时，打开尾气流量开关，在5ml/s左右。使压力缓慢升至10.5MPa，然后控制尾气流量开关维持稳定，恒温恒压情况下维持24h，然后关闭进气阀，关闭加热装置，控制尾气流量开关控制气流量保持在5ml/s左右，放气完毕，取出即得钙基气凝胶材料。经检测，其密度为0.52g/cm3，比表面积为236.5m2/g，孔体积为2.3cm3/g，平均孔径为35nm。
图2为实例2所制得的钙基气凝胶材料的N2吸附-脱附等温线，由图中可以看出此N2吸附-脱附等温线属于IV型等温线。
图3为实例2所制得的钙基气凝胶材料的孔径分布图，从图中可以知道，其孔径分布较宽在10～200nm之间。
实例3钙基气凝胶材料的制备
10.62gCa(NO3)2·4H2O（45mmol）与50ml异丙醇与15ml蒸馏水混合，搅拌至没有Ca(NO3)2颗粒漂浮，然后在溶液中加入30ml聚丙烯酸，搅拌均匀成稳定溶液，再向其中以0.3ml/s的速度缓慢加入20ml环氧氯丙烷，混合均匀后取出放入模具静置，得到湿凝胶。待凝胶有一定强度后，加入异丙醇进行50℃老化，置换2次，每次24h；然后用CO2超临界干燥设备对其进行干燥处理，干燥过程为：将湿凝胶放入釜中后，往釜中缓慢通入CO2，当气压达到7MPa时，釜中加热打开，升至48℃，当压力升至10.0MPa时，打开尾气流量开关，在6ml/s左右。使压力缓慢升至10.2MPa，然后控制尾气流量开关维持稳定，恒温恒压情况下维持30h，然后关闭进气阀，关闭加热装置，控制尾气流量开关控制气流量保持在6ml/s以内，放气完毕，取出即得钙基气凝胶材料。经检测，其密度为0.54g/cm3，比表面积为197.3m2/g，孔体积为1.7cm3/g，平均孔径为49nm。
实例4钙基气凝胶材料的制备
4.995gCaCl2（45mmol）与45ml丙酮混合，搅拌至没有CaCl2颗粒漂浮，然后在溶液中加入3.5ml聚丙烯酸，搅拌均匀成稳定溶液，再向其中以0.1ml/s的速度缓慢加入3.5ml环氧乙烷，混合均匀后取出放入模具静置，得到湿凝胶。待凝胶有一定强度后，加入丙酮进行40℃老化，置换6次，每次8h；然后用CO2超临界干燥设备对其进行干燥处理，干燥过程为：将湿凝胶放入釜中后，往釜中缓慢通入CO2，当气压达到8.0MPa时，釜中加热打开，升至50℃，当压力升至9.7MPa时，打开尾气流量开关，在8ml/s左右。使压力缓慢升至10.0MPa，然后控制尾气流量开关维持稳定，恒温恒压情况下维持48h，然后关闭进气阀，关闭加热装置，控制尾气流量开关控制气流量保持在8ml/s以内，放气完毕，取出即得钙基气凝胶材料。经检测，其密度为0.47g/cm3，比表面积为201.3m2/g，孔体积为2.1cm3/g，平均孔径为43nm。
图4为实例4所制得的钙基气凝胶材料的XRD图，从图中可知，制得的钙基材料呈无定型结构。
Claims (4)
1.一种钙基气凝胶材料的制备方法，其具体步骤如下：
(1)钙类有机溶液的制备
将钙的金属盐溶于有机溶剂水溶液或直接溶于有机溶剂中，配制成浓度为0.65mol/L～1.2mol/L的金属钙盐溶液；
(2)湿凝胶的制备
向步骤(1)所得的金属钙盐溶液中加入聚丙烯酸，搅拌均匀，并加入环氧化物，使之混合均匀，静置后得到凝胶；其中，金属钙盐溶液、聚丙烯酸、环氧化物的体积比为1:(0.07-0.47):(0.07-0.31)；其中环氧化物的添加速度为0.1ml/s～0.5ml/s；
(3)老化
将步骤(2)中所得凝胶加入有机溶剂进行25℃～60℃老化；
(4)溶剂置换
将步骤(3)中老化后的凝胶进行有机溶剂置换，置换时间为每次5～24h，共2～7次；
(5)CO2超临界干燥
将步骤(4)置换后的凝胶进行CO2超临界干燥；得到具有细微结构的聚丙烯酸络合的钙基气凝胶材料；其中所述的CO2超临界干燥为：将湿凝胶放入釜中后，往釜中通入CO2，当气压达到6.0～8.0MPa时，釜中加热打开，升至45～50℃，当压力升至9.0～10.0MPa时，打开尾气流量开关，流量在3～8ml/s；使压力升至10.0～10.5MPa，然后控制尾气流量开关维持稳定，恒温恒压情况下维持5～48h，然后关闭进气阀，关闭加热装置，控制尾气流量开关控制气流量保持在3～8ml/s，放气完毕，取出即得钙基气凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中的钙的金属盐为氯化钙或硝酸钙中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)、步骤(3)和步骤(4)中的有机溶剂均为丙酮、乙醇、甲醇、正丙醇或异丙醇中任一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中的环氧化物为环氧乙烷、环氧丙烷或环氧氯丙烷中的一种。
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| GR01 | Patent grant |