CN105293557B - 一种制备和分离单分散的纳米α‑半水硫酸钙的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备和分离单分散的纳米α‑半水硫酸钙的方法，包括：(1)将钙盐与Na2EDTA溶解于醇中，加热形成溶液I；(2)将硫酸盐与Na2EDTA溶解于醇和水的混合溶液中，加热形成溶液II；(3)将加热状态的溶液I与溶液II混合进行结晶反应，得到悬浊浆液；(4)将悬浊浆液进行固液分离，分离出的固相在超声条件下，用热水与乙醇先后洗涤，然后烘干，得到所述的纳米α‑半水硫酸钙。该方法得到的纳米α‑半水石膏晶体呈均一柱状，具有单分散性，粒径控制在20～200nm。反应所涉及溶剂和模板剂易清洗，产品纯度高。反应体系绿色，反应条件温和，经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及纳米α-半水石膏的制备，具体涉及α-半水石膏(α-半水硫酸钙)介晶颗粒合成和超声辅助瓦解介晶颗粒，从而获得单分散的纳米α-半水石膏晶体的工艺方法。
背景技术
α-半水石膏是一种重要的胶凝材料，其胶凝体由于具有机械强度高、耐磨性好、生物相容性优、可生物降解利用等优点，被广泛应用于生物医学领域，例如骨科充填、修复和载药。但目前应用的α-半水石膏晶体多为数十～数百微米级别，受尺寸限制，难以到达细微的缺损部位，例如牙本质小管(粒径为500nm～3μm)，使其应用大为受限。
纳米材料制备方法主要分为固相制备法、液相制备法和气相制备法三大类。固相制备法主要是通过研磨获得纳米颗粒，耗能大且产品不纯，适用于对产品纯度和粒度要求不高的情况。气相制备法多在高温下瞬间完成，对反应器材质、进料及加热方式都有很高的要求。目前应用最多的是液相制备法，包括溶胶-凝胶法、化学沉淀法、水热法、乳液法和模板法等。乳液法和模板法的制备体系复杂，溶剂和模板剂难以去除，产品难以纯化；水热法的能耗较高，反应条件调控不易。纳米材料比表面积大，因而易团聚、难分散，人们一直在寻求操作简单、产品纯度高、分散性好的制备方法。
在纳米半水石膏制备方面，Park等利用cryo-vacuum法合成了宽为30～80nm,长为400～600nm的半水石膏针状晶体。但晶体形貌不均，对温度和真空度的控制要求高，不易操作，无法获得单分散的纳米α-半水石膏晶体(“Synthesis and characterization ofnanocrystalline calcium sulfate for use in osseous regeneration”，Park Y.B.等，Biomedical Materials 6(2011),1-11)。Guan等利用微乳液法直接合成了纳米α-半水石膏颗粒，粒径最小可达到50nm，但是微乳液法引入了油相和表面活性剂，成本高，不易清洗干净，降低了纳米α-半水石膏颗粒的生物相容性，也无法得到单分散的纳米α-半水石膏晶体(“Control of alpha-calcium sulfate hemihydrate morphology using reversemicroemulsions”，Guan B.H.等，Langmuir 28(2012),14137-14142)。为了获得单分散的纳米α-半水石膏晶体产品，不仅要解决纳米α-半水石膏晶体的制备问题，还要解决纳米颗粒的高效分离技术。
发明内容
本发明提出了一种制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，该方法能够以较高的效率获得单分散的纳米α-半水石膏晶体，得到的产品粒径分布均匀。
一种制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，包括以下步骤：
(1)将钙盐与Na2EDTA溶解于醇中，加热形成澄清透明的溶液I；
(2)将硫酸盐与Na2EDTA溶解于醇和水的混合溶液中，加热形成澄清透明的溶液II；
(3)将加热状态的溶液I与溶液II混合进行结晶反应，得到α-半水石膏介晶的悬浊浆液；
(4)将α-半水石膏介晶的悬浊浆液进行固液分离，分离出的固相在超声条件下，用热水与乙醇先后洗涤，然后烘干，得到所述的纳米α-半水硫酸钙产品。
本发明中，先合成α-半水石膏介晶颗粒，然后瓦解介晶，来获得单分散纳米α-半水石膏晶体，巧妙地解决了纳米α-半水石膏晶体制备和分离的技术难题，为扩大α-半水石膏产品在医学或其他领域的应用开辟新的道路。
该工艺所依据的原理如下：
α-半水石膏介晶颗粒的形成包括成核、晶粒生长以及晶粒定向自组装过程。α-半水石膏的成核速率由成核推动力“过饱和度”控制，本体系中的过饱和度表示为：
其中a,m以及γ分别表示活度，浓度及活度系数，下标eq表示热力学平衡状态。活度系数、水活度皆由体系中醇与水的体积比控制，反应过程中醇水比不变，故可约去。从式(1)可见，加大原料初始浓度，或者减小石膏溶解度，皆可增大驱动力。过饱和度越大，成核速率越快。α-半水石膏在水中的溶解度为570mmol/L，醇的加入使其溶解度大幅降低。故低浓度的钙盐及硫酸盐溶液即可提供巨大的成核推动力，促使大部分Ca2+和SO4 2-离子在成核阶段被消耗，瞬间产生大量晶核。晶核将消耗剩余的Ca2+和SO4 2-离子而继续生长为具有一定尺寸的晶粒。当晶格离子消耗殆尽，为降低表面能，晶粒将在Na2EDTA调控下进行自组装过程。
图1为形成α-半水硫酸钙介晶的示意图，如图1所示，Na2EDTA包裹在α-半水石膏晶粒表面，并调控纳米晶粒的定向自组装，从而形成球形、椭球形的α-半水石膏介晶颗粒，此为非传统结晶过程(“Mesocrystals:a new class of solid materials”，Zhou L.等，Small 4(2008),1566-1574)。Na2EDTA作为模板剂参与自组装过程并进入到颗粒内部，因此可使用热水将Na2EDTA洗去，并通过超声瓦解介晶结构，从而获得纳米α-半水石膏晶体。此方法可还原组装前场景，获得晶核大小的纳米颗粒，良好地解决了纳米颗粒易团聚、难分散的问题。
步骤(1)中，所述的钙盐为水溶性钙盐，作为优选，所述的钙盐为氯化钙、硝酸钙中的一种；
所述的钙盐浓度为10～60mmol/L。
步骤(1)和步骤(2)中，所述的醇为可与水混溶的醇中的一种或者多种，作为优选，所述的醇为乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇中的至少一种；
步骤(1)和步骤(2)中的醇可以相同也可以不同。含羟基较多的醇类水溶性好，更易清洗；且此类醇沸点较高，不易挥发，适合工业应用。
作为优选，步骤(1)和(2)中的溶液温度为80～120℃；
步骤(2)中，所述的硫酸盐为水溶性的硫酸盐，作为优选，所述的硫酸盐为硫酸钾、硫酸钠和硫酸铵中的一种。
作为优选，步骤(3)中，溶液I和溶液II混合时，保持混合液中Ca2+与SO4 2-的摩尔比为0.7～1.5：1.0；
混合液中醇与水的体积比为1～50：1。
结晶反应时间为3min～300min。
步骤(4)中所述的固液分离可采用离心分离或过滤设备(如板框压滤机、真空带式过滤机、转鼓真空过滤机等)方式中的一种或几种的组合。
步骤(4)中所述的干燥可采用烘箱、气流干燥器、流化床干燥器、沸腾床干燥器等干燥方式中的一种或几种的组合。
作为优选，步骤(4)中，洗涤用水的温度为70～100℃，干燥温度为60～105℃。
作为优选，步骤(4)中，分离出的液相经蒸馏后得到的醇返回步骤(1)中套用，洗涤用的乙醇经过蒸馏后进行下一批次的洗涤。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)反应介质为醇与模板剂Na2EDTA，皆可清洗干净，能得到纯度高、质量稳定的产品；
(2)反应所得介晶颗粒呈球形、椭球形，分散性好，介晶瓦解后的α-半水石膏晶体呈均匀的短柱状，单分散性好，粒径为20～200nm；
(3)在常压下进行，条件温和，反应温度为60～100℃，无需压力设备，能耗低、操作简单，适合连续生产；
(4)醇类物质容易回用、回收，提高了生产的经济性。
总而言之，该方法具有操作简单、条件易控、质量稳定、高效分散分离制备纳米α-半水石膏晶体产品的特点。
附图说明
图1为形成α-半水硫酸钙介晶的示意图；
图2为本发明的工艺流程示意图；
图3为实施例1得到的α-半水硫酸钙介晶的扫描电镜图；
图4为实施例1得到的纳米α-半水石膏晶体产品的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
将氯化钙和Na2EDTA溶于0.5L的乙二醇中，获得浓度为20mmol/L的溶液I，加热至95℃。同时将硫酸铵和Na2EDTA溶于3L乙二醇与2L水中，获得浓度为15mmol/L的溶液II，加热至95℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应30min中后将浆液抽出，送至真空过滤机进行固液分离得到固相和液相，得到的固相采用扫描电镜进行检测，结果如图3所示。由图3可知，该固相主要由单分散α-半水石膏椭球状介晶颗粒构成，平均直径约为500nm。分离后的固相在超声条件下用70℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至烘箱在80℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体产品，得到的纳米α-半水石膏晶体产品采用扫描电镜进行检测，结果如图4所示。由图4可知，该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为100nm。分离出的液相蒸馏后回收乙二醇。
实施例2
将硝酸钙和Na2EDTA溶于150L的丙二醇中，获得硝酸钙浓度为30mmol/L的溶液I，加热至90℃。同时将硫酸钾和Na2EDTA溶于250L丙二醇与15L水中，获得硫酸钾浓度为35mmol/L的溶液II，加热至90℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应100min后将浆液抽出，送至真空过滤机进行固液分离。分离后的固相在超声条件下用100℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至气流干燥器在90℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体产品，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为20nm。分离出的液相蒸馏后回收丙二醇。
实施例3
将氯化钙和Na2EDTA溶于200L的乙醇中，获得氯化钙浓度为35mmol/L的溶液I，加热至120℃。同时将硫酸钠和Na2EDTA溶于300L乙醇与10L水中，获得硫酸钠浓度为30mmol/L的溶液II，加热至105℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应50min后将浆液抽出，送至离心滤机进行固液分离。分离后的固相用65℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至气流干燥器在75℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为150nm。分离出的液相蒸馏后回收乙醇。
实施例4
将硝酸钙和Na2EDTA溶于5L的丙三醇中，获得硝酸钙浓度为10mmol/L的溶液I，加热至110℃。同时将硫酸铵和Na2EDTA溶于50L丙三醇与5L水中，获得硫酸铵浓度为15mmol/L的溶液II，加热至110℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应150min后将浆液抽出，送至离心机进行固液分离。分离后的固相用85℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送气流干燥器在65℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为80nm。分离出的液相蒸馏后回收丙三醇。
实施例5
将氯化钙和Na2EDTA溶于200L的乙醇中，获得氯化钙浓度为40mmol/L的溶液I，加热至105℃。同时将硫酸钾和Na2EDTA溶于500L乙醇与10L水中，获得硫酸钾浓度为30mmol/L的溶液II，加热至107℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应300min后将浆液抽出，送至板框压滤机机进行固液分离。分离后的固相用95℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至烘箱在70℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为130nm。分离出的液相蒸馏后回收乙醇。
实施例6
将硝酸钙和Na2EDTA溶于30L的丙三醇中，获得硝酸钙浓度为50mmol/L的溶液I，加热至80℃。同时将硫酸铵和Na2EDTA溶于100L丙三醇与20L水中，获得硫酸铵浓度为50mmol/L的溶液II，加热至80℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应5min后将浆液抽出，送至真空带式过滤机进行固液分离。分离后的固相用75℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至沸腾床干燥器在85℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为200nm。分离出的液相蒸馏后回收丙三醇。
实施例7
将氯化钙和Na2EDTA溶于2L的丙二醇中，获得氯化钙浓度为15mmol/L的溶液I，加热至115℃。同时将硫酸钠和Na2EDTA溶于20L丙二醇与5L水中，获得硫酸钠浓度为10mmol/L的溶液II，加热至115℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应250min后将浆液抽出，送至离心机进行固液分离。分离后的固相用90℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至流化床干燥器在60℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为50nm。分离出的液相蒸馏后回收丙二醇。
实施例8
将硝酸钙和Na2EDTA溶于50L的乙二醇中，获得硝酸钙浓度为60mmol/L的溶液I，加热至100℃。同时将硫酸钾和Na2EDTA溶于250L乙二醇与150L水中，获得硫酸钾浓度为40mmol/L的溶液II，加热至100℃。将两份溶液快速输送至结晶反应器中混合，反应250min后将浆液抽出，送至转鼓真空过滤机进行固液分离，分离后的固相在超声条件下用80℃的热水和乙醇先后洗涤，然后送至气流干燥器105℃下干燥，收集后即为纳米α-半水石膏晶体，采用扫描电镜进行检测，结果表明该产品主要由单分散α-半水石膏柱状晶体组成，平均直径约为80nm。分离出的液相蒸馏后回收乙二醇。
Claims (5)
1.一种制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钙盐与Na2EDTA溶解于醇中，加热形成澄清透明的溶液I；钙盐浓度为10～60mmol/L；
(2)将硫酸盐与Na2EDTA溶解于醇和水的混合溶液中，加热形成澄清透明的溶液II；步骤(1)和步骤(2)中，所述的醇为乙醇、乙二醇、丙二醇中的至少一种；
(3)将加热状态的溶液I与溶液II混合进行结晶反应，得到α-半水石膏介晶的悬浊浆液；溶液I和溶液II混合时，保持混合液中Ca2+与SO4 2-的摩尔比为0.7～1.5：1.0；混合液中醇与水的体积比为1～50：1；结晶反应时间为3min～300min；
(4)将α-半水石膏介晶的悬浊浆液进行固液分离，分离出的固相在超声条件下，用热水与乙醇先后洗涤，然后烘干，得到所述的纳米α-半水硫酸钙产品；洗涤用水的温度为70～100℃，干燥温度为60～105℃。
2.根据权利要求1所述的制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的钙盐为氯化钙、硝酸钙中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中的溶液温度为80～120℃。
4.根据权利要求1所述的制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的硫酸盐为硫酸钾、硫酸钠和硫酸铵中的一种。
5.根据权利要求1所述的制备和分离单分散的纳米α-半水硫酸钙的方法，其特征在于，步骤(4)中，分离出的液相经蒸馏后得到的醇返回步骤(1)中套用，洗涤用的乙醇经过蒸馏后进行下一批次的洗涤。
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