CN106276836A - 一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法 - Google Patents

一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法 Download PDF

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刘雪梅
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Abstract

本发明提供了一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法：分别称取23.616g Ca(NO3)2·4H2O和7.924g(NH4)2HPO4，用去离子水溶解，容量瓶定容，准确配制成0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液以及0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液，并用氨水将两溶液的pH均调节到10.2左右；然后在室温下，利用分液漏斗将100mL0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到装有100mL0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液的烧杯中，同时用磁力搅拌器不断搅拌进行反应；滴加完毕后，将装有反应溶液的烧杯移置多频复合超声实验装置中进行超声作用时间为1～3h，反应温度为30～50℃，经干燥后即得尺寸均匀、分散性好、高纯度和高产率的多孔羟基磷灰石纳米。本发明制备出的合成产物颗粒具有尺寸均匀、良好的球形结构、高纯度的优点。

Description

一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法
技术领域
本发明属于无机材料强化技术领域，尤其是涉及一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法。
背景技术
羟基磷灰石纳米的成孔工艺是过去十年间研究的主要热点，也仍然是目前研制工作中的难点，特别是控制孔隙率及孔径尺寸，达到“优质、高效、简单、低廉”的综合技术经济指标更为重要。目前制备羟基磷灰石纳米材料的方法很多，如水热反应法、添加造孔剂法、气体分解法、浸渍法、微波工艺法和水热热压法等。这些合成方法无法同时满足合成产物颗粒均匀、良好的球形结构、高纯度和高产率的要求。因此，人们一直在寻找一种快速、简易和绿色的方法制备羟基磷灰石纳米材料。
超声波是一种高频机械波，频率范围在15～60kHz的超声，常被用于过程强化和引发化学反应。早在上个世纪20年代Loomis等就发现超声波可以加速化学反应、提高生物活性，但当时未引起化学家的注意，加之超声技术水平特别是超声发生器研制水平落后，影响和限制了超声波在化学、化工的应用与研究。到了八十年代中期，随着功率超声设备的普及和发展，声化学的研究蓬勃发展起来。目前，如何尽快把声化学的研究成果从实验室应用工业化生产，己成为世界各国研究的热点，特别是关美、法、英、日、俄等国家在工业化方面己取得－些进展。国内在这方面的研究起步较晚，大量的研究报道见十九世纪九十年代以后，其中云南大学、清华大学、南京大学、华南理工大学等在超声应用等方面做了很多工作。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，制备出的合成产物颗粒具有尺寸均匀、良好的球形结构、高纯度和高产率的优点。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，，依次包括以下步骤：
a、羟基磷灰石纳米材料制备过程参数：分别称取23.616g Ca(NO3)2•4H2O和7.924g(NH4)2HPO4，用去离子水溶解，容量瓶定容，准确配制成0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液以及0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液，并用氨水将两溶液的pH均调节到10.2左右；然后在室温下，利用分液漏斗将100mL0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到装有100mL0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液的烧杯中，同时用磁力搅拌器不断搅拌进行反应；滴加完毕后，将装有反应溶液的烧杯移置多频复合超声实验装置中进行超声作用时间为1～3h，反应温度为30～50℃，经干燥后即得尺寸均匀、分散性好、高纯度和高产率的多孔羟基磷灰石纳米；
所述的多频复合超声实验装置：由槽式超声设备和探头式超声装置组合而成，其中槽式超声设备的底面、两个侧面都可以发出不同频率的超声波，即槽式超声设备总共有三个不同率的超声波进行调换，探头式超声装置只有一个频率的超声波，探头式超声装置和槽式超声设备可以同时相向发出超声波，以致形成多个频率超声波作用于多孔羟基磷灰石纳米；
b、采用超声空化强度测定仪观察超声空化效应，研究多频复合超声作用下的羟基磷灰石纳米材料颗粒的均匀度、纯度、产率、孔隙率与超声参数（频率、功率、强度）、工艺过程条件（温度、时间等）之间的关系，找到多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料的最佳工艺参数；
c、采用透射电镜、氮气吸附孔径分析仪、X射线粉末衍射仪、傅里叶红外光谱仪等对所得纳米材料的微观形貌、孔径分布、物相、表面官能团进行表征；
d、对多频复合超声制备过程所应用的最佳参数和工艺条件进行合理假设，运用传递原理，建立多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料过程数学模型，并进行计算机模拟。
作为优选，所述的槽式超声设备的超声波频率为30～50KHz，功率为200～400W，探头式超声装置的超声波频率为20～25KHz，功率为400～600W。
作为优选，所述的槽式超声设备的超声波频率为40KHz，功率为300W，探头式超声装置的超声波频率为23KHz，功率为450W。
作为优选，所述的槽式超声设备的底面、两个相对设置的侧面上均设有频率可调节的超声波发生器，其中设有超声波发生器的一个侧面上设有探头式超声装置，所述的探头式超声装置包括设置于侧壁上的能够产生超声波的探头。
作为优选，所述的超声作用时间为2h，反应温度为35℃。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：多频复合超声技术能显著地增加空化事件，减少驻波所造成的死角，提高声化学产额，因此利用多频复合超声形成的空化场将范围扩大、增加有效作用空间和增强空化效应等优点，将其应用到羟基磷灰石纳米材料的制备，能够制备出合成产物颗粒具有尺寸均匀、良好的球形结构、高纯度和高产率。
具体实施方式：本方案依次包括以下步骤：a、羟基磷灰石纳米材料制备过程参数：分别称取23.616g Ca(NO3)2•4H2O和7.924g(NH4)2HPO4，用去离子水溶解，容量瓶定容，准确配制成0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液以及0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液，并用氨水将两溶液的pH均调节到10.2左右；然后在室温下，利用分液漏斗将100mL0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到装有100mL0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液的烧杯中，同时用磁力搅拌器不断搅拌进行反应；滴加完毕后，将装有反应溶液的烧杯移置多频复合超声实验装置中进行超声作用时间为1～3h，反应温度为30～50℃，经干燥后即得尺寸均匀、分散性好、高纯度和高产率的多孔羟基磷灰石纳米；
具体地说，多频复合超声实验装置：由槽式超声设备和探头式超声装置组合而成，其中槽式超声设备的底面、两个侧面都可以发出不同频率的超声波，即槽式超声设备总共有三个不同率的超声波进行调换，探头式超声装置只有一个频率的超声波，探头式超声装置和槽式超声设备可以同时相向发出超声波，以致形成多个频率超声波作用于多孔羟基磷灰石纳米；
b、采用超声空化强度测定仪观察超声空化效应，研究多频复合超声作用下的羟基磷灰石纳米材料颗粒的均匀度、纯度、产率、孔隙率与超声参数（频率、功率、强度）、工艺过程条件（温度、时间等）之间的关系，找到多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料的最佳工艺参数；
c、采用透射电镜、氮气吸附孔径分析仪、X射线粉末衍射仪、傅里叶红外光谱仪等对所得纳米材料的微观形貌、孔径分布、物相、表面官能团进行表征；
d、对多频复合超声制备过程所应用的最佳参数和工艺条件进行合理假设，运用传递原理，建立多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料过程数学模型，并进行计算机模拟。
具体地说，槽式超声设备的超声波频率为40KHz，功率为300W，探头式超声装置的超声波频率为23KHz，功率为450W。
具体地说，槽式超声设备的底面、两个相对设置的侧面上均设有频率可调节的超声波发生器，其中设有超声波发生器的一个侧面上设有探头式超声装置，探头式超声装置包括设置于侧壁上的能够产生超声波的探头。
本技术将应用多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料，该技术是国际上公认的“绿色”技术，它的推广和应用对保护环境具有十分重要的意义。在生产过程中超声制备工艺流程简单、低温工作、操作方便。是一个促进经济与环保事业和谐发展的绿色工程。
本方案中的方法可以达到以下目的：
（1）经多频复合超声技术协同强化制备羟基磷灰灰石纳米材料、整体操作成本低、低温、无污染、节约能源、操作简便等优点，比传统方法制备能更好地发挥作其为功能性材料方面的作用、拓宽使用范围、降低毒副作用，增进人体身体健康。
（2）本方案产品生产过程中不产生废气、废渣等污染物，不会对环境造成污染和危害；减少能源损耗，降低生产成本。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，依次包括以下步骤：
a、羟基磷灰石纳米材料制备过程参数：分别称取23.616g Ca(NO3)2•4H2O和7.924g(NH4)2HPO4，用去离子水溶解，容量瓶定容，准确配制成0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液以及0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液，并用氨水将两溶液的pH均调节到10.2左右；然后在室温下，利用分液漏斗将100mL0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到装有100mL0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液的烧杯中，同时用磁力搅拌器不断搅拌进行反应；滴加完毕后，将装有反应溶液的烧杯移置多频复合超声实验装置中进行超声作用时间为1～3h，反应温度为30～50℃，经干燥后即得尺寸均匀、分散性好、高纯度和高产率的多孔羟基磷灰石纳米；
所述的多频复合超声实验装置：由槽式超声设备和探头式超声装置组合而成，其中槽式超声设备的底面、两个侧面都可以发出不同频率的超声波，即槽式超声设备总共有三个不同率的超声波进行调换，探头式超声装置只有一个频率的超声波，探头式超声装置和槽式超声设备可以同时相向发出超声波，以致形成多个频率超声波作用于多孔羟基磷灰石纳米；
b、采用超声空化强度测定仪观察超声空化效应，研究多频复合超声作用下的羟基磷灰石纳米材料颗粒的均匀度、纯度、产率、孔隙率与超声参数（频率、功率、强度）、工艺过程条件（温度、时间等）之间的关系，找到多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料的最佳工艺参数；
c、采用透射电镜、氮气吸附孔径分析仪、X射线粉末衍射仪、傅里叶红外光谱仪等对所得纳米材料的微观形貌、孔径分布、物相、表面官能团进行表征；
d、对多频复合超声制备过程所应用的最佳参数和工艺条件进行合理假设，运用传递原理，建立多频复合超声协同强化制备羟基磷灰石纳米材料过程数学模型，并进行计算机模拟。
2.根据权利要求1所述的多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，其特征在于：所述的槽式超声设备的超声波频率为30～50KHz，功率为200～400W，探头式超声装置的超声波频率为20～25KHz，功率为400～600W。
3.根据权利要求1所述的多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，其特征在于：所述的槽式超声设备的超声波频率为40KHz，功率为300W，探头式超声装置的超声波频率为23KHz，功率为450W。
4.根据权利要求1所述的多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，其特征在于：所述的槽式超声设备的底面、两个相对设置的侧面上均设有频率可调节的超声波发生器，其中设有超声波发生器的一个侧面上设有探头式超声装置，所述的探头式超声装置包括设置于侧壁上的能够产生超声波的探头。
5.根据权利要求1所述的多频复合超声协同强化制备无机多孔纳米材料的方法，其特征在于：所述的超声作用时间为2h，反应温度为35℃。
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