CN1038319C - 一种制备高纯磷酸四钙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高纯磷酸四钙的方法，它首先通过液相沉淀过程制取均一的羟基磷灰石-碳酸钙组合物，然后将该组合物盛于刚玉坩埚内，置于加热炉中于1500℃下反应，得到均一的高纯磷酸四钙产品。经检测：所得的高纯磷酸四钙具有组分和晶型确定，其Ca/P摩尔比为2.00±0.08，是一种性能优良的制备新型生物人工骨材料的原料。具有广阔的工业发展前景。

Description

一种制备高纯磷酸四钙的方法

本发明涉及一种钙的磷酸盐的制备方法，特别是一种磷酸四钙的制备方法。

近年来，一种新型的人工骨材料——磷酸钙骨水泥(Calcium PhosphateCement，简称CPC)，越来越受到人们的关注。它是利用一种或一种以上的磷酸钙盐在水或水溶液中进行水化硬化，最终转变成稳定的羟基磷灰石。这种材料由于其生物相容性好，手术操作方便，故已被广泛用作齿科材料和骨头粘合剂。作为CPC的重要原料之一的磷酸四钙由于其碱性比较大，当它与酸性的磷酸钙盐组成的CPC进行水化硬化时有利于抑制pH的急剧变化，从而避免了人体组织受到刺激，因此制备高纯的磷酸四钙已成为发展CPC材料的关键技术之一。

目前常用的磷酸四钙系通过两种固相原料在高温下反应制得的。固-固相反应的特点在于它是一种界面反应，物质首先扩散到界面，在界面进行化学反应。因此，固-固相反应的完全程度取决于原料的接触面积、扩散速率和反应时间。传统的固相混合方式(如球磨等)只能极有限地提高固相原料的接触面积。因此，目前公知的固相反应方法均存在固相反应时间长、产物纯度较差的共同缺点。例如：

方法(1)：须先将钙的磷酸盐(可以是CaHPO₄或CaPO₄·2H₂O或CaP₂O₇)与CaCO₃粉末按Ca/P摩尔比为2的比例混合，进行长时间的球磨，使其尽可能地混合均匀，然后将混合物置于白金坩埚中，于1500℃下至少反应24小时。反应过程中还必须取出2～3次，进行中间粉碎操作，然后再放回加热炉中继续反应。该法不仅反应产物纯度较差，而且操作复杂、设备昂贵、反应时间长、能耗大，因此限制了它的大规模的工业化生产。

方法(2)：须将微细状态的低结晶度的羟基磷灰石(简称HAP)与CaCO₃粉末按Ca/P摩尔比为2的比例混合，并进行长时间的球磨，使其尽可能地混合均匀，然后将混合物置于1500℃下至少反应10小时。方法(2)由于采用微细的高活性的羟基磷灰石作原料，提高了固相反应的速率，简化了高温反应时的操作步骤，缩短了固相反应时间，与方法(1)相比有一定的技术进步。但是由于方法(2)所用的微细的高活性的羟基磷灰石，系通过液相沉淀过程合成的，为了保持它微细的粒度和高的活性，须对滤饼进行严格的洗涤处理，必须先用水将杂质离子洗净，然后再用有机溶剂(乙醇和丙酮等)进行多次洗涤、过滤，防止它在干燥过程中团聚和失去活性，由于微细状态的HPA其过滤特性很差，过滤特别费时，因此，方法(2)的生产周期同样很长，生产成本较高，而且由于颗粒与颗粒之间只能达到宏观尺度上的混合，所以，固相反应时间仍然较长，产物纯度较差，影响了它的工业发展前景。

鉴于现有技术的上述缺点，为此产业部门希望有关的科技工作者开发一种新的制备高纯磷酸四钙的方法。

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提出了一种制备高纯磷酸四钙的方法。它通过液相沉淀过程先制成低结晶度的羟基磷灰石-碳酸钙组合物，然后将该组合物在高温1500℃下反应，得到高纯磷酸四钙。

本发明的构思是这样的：

本发明按照晶体的成核生长原理：非均相成核所需的活化能小于均相成核的活化能，在合适的过饱和度下，非均相反应优先发生。采用水溶性钙盐和磷酸盐作原料，在水溶液中首先形成微细的低结晶度的羟基磷灰石晶粒悬浮液，然后向这个悬浮体系中同时滴加水溶性钙盐和碳酸盐溶液，在搅拌下形成CaCO₃微粒，按照晶体的成核生长原理，CaCO₃在羟基磷灰石表面优先生长，形成“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物，然后通过过滤、干燥以及高温反应，得到均一的高纯磷酸四钙[Ca₄(PO₄)₂O]产物。

本发明是这样实现的：

(1)首先将水溶性钙盐和磷酸盐分别配成0.5～1.0M的溶液，并用碱或酸调节其pH值为9～11，然后按照Ca/P摩尔比为1.5～1.8的比例，在搅拌下使其混合，并在常温下反应20～24小时，此时反应系形成低结晶度的羟基磷灰石的微细晶粒的悬浮液(简称A悬浮体系)。

(2)先将水溶性碳酸盐配成0.5～1.0M的水溶液，然后在搅拌下，按整个A悬浮体系的Ca/P摩尔比为2的比例，向A悬浮体系中滴加水溶性钙盐溶液[如(1)所述]，同时滴加过量的水溶性的碳酸盐溶液。控制钙盐和碳酸盐溶液的滴加速度为1～5ml/min/L.钙盐和碳酸盐溶液清加完后，继续陈化反应1～3小时。反应生成的CaCO₃微粒按照晶体的成核生长原理在羟基磷灰石晶粒的表面上生成，形成“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物悬浮液(简称B悬浮液)。

(3)将上述所得的B悬浮液过滤，滤饼取出后于80～120℃下烘干，得到羟基磷灰石-碳酸钙粉末。

(4)将上述所得的羟基磷灰石-碳酸钙粉末盛于刚玉坩埚中置于加热炉内，然后以每分种1～10℃的速率升温至1500℃下，进行固相反应4～6小时，取出后急冷，即得本发明所说的高纯磷酸四钙产物。

所说的水溶性钙盐，可以是硝酸钙、亚硝酸钙、醋酸钙、氯化钙中的一种。

所说的碱可以是NaOH、KOH、NH₄OH中的一种，但以NH₄OH为佳。

所说的酸可以是HNO₃、HCl、醋酸中的一种，但以HNO₃、醋酸为佳。

所说的磷酸盐，可以是K₃PO₄、K₂HPO₄、KH₂PO₄、Na₃PO₄、Na₂HPO₄、NaH₂PO₄、(NH₄)₂HPO₄、NH₄H₂PO₄，但以(NH₄)₂HPO₄和NH₄H₂PO₄为佳。

所说的水溶性碳酸盐，可以是K₂CO₃、KHCO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、(NH₄)₂CO₃、NH₄HCO₃，但以(NH₄)₂CO₃和NH₄HCO₃为佳。

采用铵的磷酸氢盐与铵的碳酸盐较佳的原因在于产物中的铵离子可以在加热时除去，从而避免了由于为除去物系中杂质离子而增加的多次洗涤、过滤操作。

按照本发明方法制得的磷酸四钙经检测：不仅纯度高、而且组分和晶型确定，Ca/P摩尔比为2.00±0.08，是一种性能优良的制备CPC生物材料的原料。

下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。

                         实施例1

在一反应器中加入835ml浓度为1.00M的Ca(NO₃)₂溶液，用氨水调节其pH值为10,00。在另一反应器中加入500ml浓度为1.00M的(NH₄)₂HPO₄溶液，用氨水调节其pH值为10.00。在搅拌条件下，将上述两种溶液混合，常温反应22小时，形成一低结晶度的羟基磷灰石晶粒的悬浮液(简称A悬浮液)。

向上述的A悬浮液中，同时滴加165ml浓度为1.0M的Ca(NO₃)₂溶液和500ml浓度为0.5M的(NH₄)₂CO₃溶液，其滴加速度分别为1.65ml/min与5ml/min。滴加完后继续陈化反应2小时。生成的CaCO₃晶粒将按照晶体成长原理在羟基磷灰石晶粒表面生成，形成均一的“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物悬浮液(简称B悬浮液)。

将上述B悬浮液用布氏漏斗抽滤，滤饼于80～120℃下干燥，得到粉末状“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物。

将上述组合物盛于刚玉坩埚中，并置于加热炉内，以5℃/min的速率升温至1500℃，在1500℃下保温反应5小时。反应产物取出后于空气中急冷，在干燥条件下保存。所得产物即为本发明的高纯磷酸四钙产品。

                        实施例2

在一反应器中加入800ml浓度为1.00M的CaCl₂溶液，用氨水调节其pH值为10.80，在另一反应器中加入500ml浓度为1.00M的NH₄H₂PO₄溶液，用氨水调节其pH位为10.80。在搅拌条件下，将上述两溶液混合，常温反应20小时，形成一低结晶度的羟基磷灰石晶粒的悬浮液(简称A悬浮液)。

向上述的A悬浮液中，同时滴加200ml浓度为1.0M的CaCl₂溶液和500ml浓度为0.5M的(NH₄)₂CO₃溶液，其滴加速度分别为2ml/min与5ml/min。滴加完后继续陈化反应2小时，形成均一的“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物悬浮液(简称B悬浮液)。

将上述B悬浮液用布氏漏斗抽滤，滤饼于80～120℃下干燥，得到粉末状“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物。

将上述组合物盛于刚玉坩埚中，并置于加热炉内，以3℃/min的速率升温至1500℃，在1500℃下保温6小时。反应产物取出后在空气中急冷，在干燥条件下保存。所得产物即为本发明的高纯磷酸四钙产品。

                        实施例3

在一反应器中加入835ml浓度为0.5M的Ca(CH₃COO)₂溶液，用NaOH溶液调节其pH值为9.00。在另一反应器中加入500ml浓度为0.5M的Na₂HPO₄溶液，用NaOH溶液调节其pH值为9.00。在搅拌条件下，将上述两种溶液混合，常温反应24小时，形成一低结晶度的羟基磷灰石晶粒悬浮液(简称A悬浮液)。

向上述的A悬浮液中，同时滴加165ml浓度为0.5M的Ca(CH₃COO)₂溶液和250ml浓度为0.5M的Na₂CO₃溶液，其滴加速度分别为1.65ml/min与2.5ml/min。滴加完后继续陈化反应3小时，形成均一的“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物悬浮液(简称B悬浮液)。

将上述B悬浮液用布氏漏斗抽滤，滤饼经水洗除杂后于80～120℃下干燥，得到粉末状“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃”组合物。

将上述组合物盛于刚玉坩埚中，并置于加热炉内，以5℃/min的速率升温至1500℃，在1500℃下保温5小时。反应产物取出后于空气中急冷，在干燥条件下保存。所得产物即为本发明的高纯磷四钙产品。

                        对比例

按照现有技术方法(2)制备磷酸四钙：在一反应器中加入835ml浓度为1.00M的Ca(NO₃)₂溶液，用氨水调节其pH值为10.00。在另一反应器中加入500ml浓度为1.00M的(NH₄)₂PO₄溶液，用氨水调节其pH值为10.00。在搅拌条件下，将上述两种溶液混合，常温反应24小时。将获得的悬浮液用布氏漏斗抽滤，用100ml的去离子水洗涤过滤2次，再用500ml的无水乙醇洗涤、过滤2次。上述的过滤、洗涤至少需要费时24小时。然后将滤饼在80℃下烘干，得到微细的高活性的羟基磷灰石粉末。分别称取上述干燥后的粉末50g与市售的分析纯CaCO₃ 9.96g，将两种粉束混合后进行干式球磨10小时，然后将混合粉末盛于刚玉坩埚中，并置于加热炉内，以5℃/min的速率升温至1500℃，在1500℃保温l0小时。反应产物取出后于空气中急冷。得到如方法(2)所述的磷酸四钙产品，经XRD检测，产物中含少量CaO和α-Ca₃(PO₃)₂杂质。

由上述实施例对比例可见：

采用本发明的方法不仅可以避免为获得微细的高活性的羟基磷灰石而不得不采用的繁杂费时的多次洗涤、过滤操作，而且由于本发明的方法可以直接得到均一的“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃组合物，使反应物系的固相物料在纳米级的尺度上达到充分接触，从而大大缩短了固相反应时间和生产周期，与方法(2)相比，其固相反应时间与生产周期至少可减少一半，而且所得产品纯度高，经XRD检测，产物中不再含有CaO和α-Ca₃(PO₄)₂杂质。显然，由于本发明的开发成功，无疑将对CPC工业带来显著的技术进步。

Claims (5)

1.一种制备高纯磷酸四钙的方法，其特征在于：

(1).首先将水溶性钙盐和磷酸盐分别配成0.5～1.0M的水溶液，并用碱和酸调节其PH＝9～11，然后按照Ca/P摩尔比为1.5～1.8的比例，在常温搅拌下混合反应20～24小时，生成低结晶度的羟基磷灰石微晶的悬浮液，简称A悬浮液；

(2).将水溶性碳酸盐配成0.5～1.0M的水溶液，然后在搅拌下，按整个A悬浮体系的Ca/P为2的比例，向A悬浮液中同时滴加水溶性钙盐和水溶性碳酸盐溶液，控制钙盐和碳酸盐溶液的滴加速度为1～5ml/min/L，加完后，物系继续陈化反应1～3小时，使反应生成的CaCO₃在羟基磷灰石微晶表面生长，形成均一的“Ca₅(PO₄)₃OH-CaCO₃)”组合物悬浮液，简称B悬浮液；

(3).将上述B悬浮液进行过滤，滤饼在80～120℃下干燥，得到均一的羟基磷灰石-碳酸钙组合物粉末；

(4).将上述羟基磷灰石-碳酸钙粉末盛于刚玉坩埚内置于加热炉中，以每分钟1～10℃的速度升温至1500℃反应4～6小时，然后将反应产物取出于空气中急冷，并于干燥处保存，该产物即为高纯磷酸四钙。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于合成低结晶度的羟基磷灰石时，所用的水溶性钙盐是硝酸钙，亚硝酸钙，醋酸钙，氯化钙中的一种，所用的磷酸盐是K₃PO₄、K₂HPO₄、KH₂PO₄、Na₃PO₄、Na₂HPO₄、NaH₂PO₄、(NH₄)₂HPO₄、NH₄H₂PO₄中的一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于合成低结晶度的羟基磷灰石时，所用的水溶性钙盐是硝酸钙，所用的磷酸盐是(NH₄)₂HPO₄或NH₄H₂PO₄。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于合成低结晶度的羟基磷灰石-碳酸钙组合物时，所用的水溶性碳酸盐是K₂CO₃、KHCO₃、Na₂CO₃、NaHCO₃、(NH₄)₂CO₃、NH₄HCO₃中的一种。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于合成低结晶度的羟基磷灰石-碳酸钙组物时，所用的水溶性钙盐是Ca(NO₃)₂，所用的碳酸盐是(NH₄)₂CO₃或NH₄HCO₃。