CN112850767A - 一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法，包括如下步骤：1)将碳酸钠溶解于去离子水中；2)将氯化钙溶解于去离子水中，再加入甘氨酸，搅拌均匀；3)将步骤1)和2)制得的两种溶液降温至10℃以下；4)将两种溶液快速混合均匀得到白色悬浮物，过滤、洗涤、干燥，得到均匀的中空胶囊状碳酸钙颗粒。本发明方法制备过程安全环保、操作简便、快捷；反应温度和浓度的操作弹性大，容易操作控制；经济成本低、适宜规模化生产。本发明开辟出了一种简洁快速、经济实用、极易工业化的中空胶囊状碳酸钙的制备方法，所制得的中空胶囊状碳酸钙产品在药物、电子、陶瓷和环保等诸多领域具有广泛的应用前景。

Description

一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法
技术领域
本发明涉及无机功能材料技术领域，具体涉及一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法。
背景技术
碳酸钙作为一种重要的工业原料，其功能的好坏主要取决于碳酸钙产品的化学组成、形貌特征、粒度大小等参数，不同形态和结构的碳酸钙产品，其功能和应用领域不同。借助于各种有机添加剂及无机离子的调控作用，合成特殊形态、大小及结构可人为控制的碳酸钙系列产品，从而赋予其更高的应用性能和附加值，一直是国内外该行业的关注热点。
碳酸钙粒子合成的方法很多，主要有碳化法、沉淀法、超重力法和仿生合成法等，其中沉淀法制备碳酸钙粉体具有操作简便、均匀性好、化学组成容易控制等优点，在特殊形貌碳酸钙的制备中备受人们的青睐。目前，国内外采用沉淀法制备出了方形、球形、孪生球形、针状和花状组装结构等多种形貌的碳酸钙，并广泛应用于涂料、造纸、塑料等领域。其中，具有中空结构的碳酸钙材料在吸附分离、药物的控制释放等领域具有很好的应用前景，如何快速、简便、经济地制备出特殊均匀中空结构的碳酸钙仍然是该行业内追求的目标。
国内外学者合成了一些具有中空结构的碳酸钙材料，其中Gunawan Hadiko等采用碳化法，在反应温度27℃下，向氯化钙的氨水溶液中通入二氧化碳气体，以二氧化碳气泡为模板制备出了中空碳酸钙微球，该工艺需严格控制反应温度和二氧化碳气泡初始尺寸大小(Gunawan Hadiko,et al,Materials Letters.59,2005,2519-2522)。邹俭鹏等以CaCl2和Na2CO3为反应原料，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和十二烷基磺酸钠(SDSN)两种模板剂，在50℃采用化学沉淀反应,经过干燥、煅烧后制备出了具有微纳分级结构的中空碳酸钙微球，该工艺过程比较繁琐，需严格控制反应温度为50℃，而且需在350℃煅烧4h(邹俭鹏,等，无机材料学报.2016,31(7):711-718)。魏延等将酵母菌种先在恒温摇床中培养16h，然后在菌种表面交替组装聚二烯二甲基氯化铵和聚苯乙烯磺酸涂层，得到表面聚电解质包裹的菌种细胞；再在菌种细胞中加入含钙离子溶液和碳酸根离子溶液，在菌种细胞表面形成纳米碳酸钙外壳，最后将纳米碳酸钙外壳颗粒放入管式炉中，去除内层中的菌种细胞，得到中空多孔的碳酸钙微球。该制备工艺过于繁琐，耗时长，且产品不太均匀(专利申请CN 111994935A)。Zheng等以硝酸钙和碳酸钠为原料，以聚丙烯酸和十二烷基硫酸钠两种大分子有机物的协同作用下，在反应温度为80℃的条件下采用沉淀法制得了4～7μm的中空碳酸钙球(ZhengTianwen,er al,Journal of Crystal Growth.549,2020,125870.)。丁中祥等采取复分解法，也以聚丙烯酸和十二烷基硫酸钠为添加剂，在40～80℃的温度范围内制备出了中空碳酸钙微球，该制备过程采用了复合添加剂(专利申请CN 108238624 A)。杜祖亮等在无尘箱中，采用仿生合成法制备出碟状中空碳酸钙，该工艺复杂而且耗时较长(专利申请CN101580261 A)。李立硕等采用碳化法，以D-葡萄糖酸钠为添加剂，在反应温度为100～180℃的条件下制得了中空棒状碳酸钙(专利申请CN 110844930 A)。陈银霞等以氯化钙、碳酸钠为原料，以聚丙烯酰胺(PAM)和十二烷基硫酸钠(SDS)形成的PAM/SDS核壳状复合物为软模板，仿生合成了3～6μm中空微球碳酸钙(陈银霞，应用化工,2017,46(12):2388-2391)。Yang等在高浓度L-苯丙氨酸的作用下，采用碳化法制备出了微米级中空碳酸钙球(TingyuYang,et al,Materials Science&Engineering C,114,2020,111019)。Mantilaka等先由白云石制备蔗糖酸钙，再在聚丙烯酸和十六烷基三甲基氯化铵的协同作用下，同碳酸钠反应制备出了中空骨头状碳酸钙(M.M.M.G.P.G.Mantilaka,et al,Journal of CrystalGrowth,392,2014,52-59.)。
尽管目前中空结构碳酸钙的制备工艺报道较多，但是以上技术存在的不足之处主要有：一、大部分工艺路线比较繁琐，中间环节多，耗时长；二、所用添加剂比较复杂，而且一般需两种或两种以上，而且部分用量较大；三、需严格控制反应温度和浓度等工艺条件，操作弹性较小，不便于操作控制；四、由于这些不足，导致这些技术很难实现工业化。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法。
本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：
一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法，包括如下步骤：
1)将碳酸钠溶解于去离子水中；
2)将氯化钙溶解于去离子水中，再加入甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的两种溶液降温至10℃以下；
4)将两种溶液快速混合均匀得到白色悬浮物，过滤、洗涤、干燥，得到均匀的中空胶囊状碳酸钙颗粒。
步骤4)中两种溶液混合时碳酸钠﹕氯化钙的摩尔比为1～1.2﹕1，优选1.1﹕1。
步骤1)中碳酸钠溶液的浓度为0.055～0.22mol/L，步骤2)中氯化钙溶液的浓度为0.05～0.2mol/L；优选步骤4)中两种溶液等体积混合。
步骤2)中甘氨酸的质量为氯化钙质量的30～40％。
步骤3)中将两种溶液降温至0～9℃；优选0～5℃。
优选地，步骤3)中采用低温水浴降温。
步骤4)中将两种溶液在搅拌条件下瞬时混合均匀。
或者，步骤4)中在搅拌条件下将碳酸钠溶液以不低于5mL/min的速度加入到氯化钙溶液中。
搅拌优选采用机械搅拌，搅拌转速为400～600rpm；优选400rpm。
步骤4)中干燥温度不高于80℃，优选60～80℃；优选在常压下干燥5～7小时。
本发明的有益效果是：发明了一种均匀中空胶囊状碳酸钙的快速制备方法，所用添加剂为最为常见的氨基酸—甘氨酸，制备过程安全环保、操作简便、快捷；反应温度和浓度的操作弹性大，容易操作控制；经济成本低、适宜规模化生产。本发明开辟出了一种简洁快速、经济实用、极易工业化的中空胶囊状碳酸钙的制备方法，所制得的中空胶囊状碳酸钙产品在药物、电子、陶瓷和环保等诸多领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制得的中空胶囊状碳酸钙的扫描电镜(SEM)图。
图2是实施例1制得的中空胶囊状碳酸钙的X射线粉末衍射(XRD)图。
图3是实施例1制得的中空胶囊状碳酸钙的傅里叶红外光谱图(FITR)图。
图4是实施例2制得的中空胶囊状碳酸钙的扫描电镜(SEM)图。
图5是实施例2制得的中空碳酸钙的空腔结构扫描电镜(SEM)图。
图6是实施例2制得的中空胶囊状碳酸钙的X射线粉末衍射(XRD)图。
图7是实施例2制得的中空胶囊状碳酸钙的傅里叶红外光谱图(FITR)图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
主要试剂来源：
碳酸钠、氯化钙、甘氨酸均为常规试剂，均可通过商购获得，本发明实施例中采用市售分析纯原料。
实施例1制备中空胶囊状碳酸钙
按照如下步骤操作：
1)将碳酸钠溶解于100mL去离子水中，碳酸钠溶液的浓度为0.055mol/L；
2)将氯化钙溶解于100mL去离子水中，氯化钙溶液的浓度为0.05mol/L；向氯化钙溶液中加入氯化钙质量30％(质量百分比)的甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的溶液在低温冷却水浴中降温至0℃；
4)在机械搅拌转速为400rpm下，迅速将步骤3)中降温至0℃的两种溶液在10秒钟以内瞬间混合完毕，得到白色悬浮物；
5)将白色悬浮物常压过滤、用去离子水洗涤滤饼2～3次；
6)将收集得到的白色滤饼于80℃下常压干燥6h，得到均匀中空胶囊状碳酸钙颗粒(如图1中所示)。该中空胶囊状碳酸钙的长径约7μm左右,短径约4μm左右，长短径比约为2﹕1,壁厚约0.75μm左右，且胶囊壁是由直径300nm左右的方形颗粒组装而成的；中空胶囊状碳酸钙为纯的方解石型碳酸钙，晶型稳定(如图2、3中所示)；中空胶囊状碳酸钙拥有独特的组装结构，在吸附及缓释药物等方面具有很好应用前景。
实施例2制备中空胶囊状碳酸钙
按照如下步骤操作：
1)将碳酸钠溶解于100mL去离子水中，碳酸钠溶液的浓度为0.11mol/L；
2)将氯化钙溶解于100mL去离子水中，氯化钙溶液的浓度为0.10mol/L；向氯化钙溶液中加入氯化钙质量30％(质量百分比)的甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的溶液在低温冷却水浴中降温至0℃；
4)在机械搅拌转速为400rpm下，迅速将步骤3)中降温至0℃的两种溶液在10秒钟以内瞬间混合完毕，得到白色悬浮物；
5)将白色悬浮物常压过滤、用去离子水洗涤滤饼2～3次；
6)将收集得到的白色滤饼于80℃下常压干燥6h，得到均匀中空胶囊状碳酸钙颗粒(如图4中所示)。该中空胶囊状碳酸钙的长径约7.8μm左右,短径约3.8μm左右，长短径比约为2﹕1,壁厚约0.8μm左右，且胶囊壁是由320nm左右的颗粒组装而成的(如图5中所示)；中空胶囊状碳酸钙为纯的方解石型碳酸钙，晶型稳定(如图6、7中所示)；中空胶囊状碳酸钙拥有独特的组装结构，在吸附及缓释药物等方面具有很好应用前景。
实施例3制备中空胶囊状碳酸钙
按照如下步骤操作：
1)将碳酸钠溶解于100mL去离子水中，碳酸钠溶液的浓度为0.11mol/L；
2)将氯化钙溶解于100mL去离子水中，氯化钙溶液的浓度为0.10mol/L；向氯化钙溶液中加入氯化钙质量30％(质量百分比)的甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的溶液在低温冷却水浴中降温至5℃；
4)在机械搅拌转速为500rpm下，迅速将步骤3)中降温至5℃的两种溶液在10秒钟以内瞬间混合完毕，得到白色悬浮物；
5)将白色悬浮物常压过滤、用去离子水洗涤滤饼2～3次；
6)将收集得到的白色滤饼于70℃下常压干燥6h，得到均匀中空胶囊状碳酸钙颗粒。该中空胶囊状碳酸钙的长径约8μm左右,短径约4.5μm左右，长短径比约为2﹕1,壁厚约0.86μm左右，且胶囊壁是由300nm左右的颗粒组装而成的；中空胶囊状碳酸钙为纯的方解石型碳酸钙，晶型稳定；中空胶囊状碳酸钙拥有独特的组装结构，在吸附及缓释药物等方面具有很好应用前景。
实施例4制备中空胶囊状碳酸钙
按照如下步骤操作：
1)将碳酸钠溶解于100mL去离子水中，碳酸钠溶液的浓度为0.11mol/L；
2)将氯化钙溶解于100mL去离子水中，氯化钙溶液的浓度为0.10mol/L；向氯化钙溶液中加入氯化钙质量40％(质量百分比)的甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的溶液在低温冷却水浴中降温至9℃；
4)在机械搅拌转速为400rpm下，迅速将步骤3)中降温至9℃的两种溶液在10秒钟以内瞬间混合完毕，得到白色悬浮物；
5)将白色悬浮物常压过滤、用去离子水洗涤滤饼2～3次；
6)将收集得到的白色滤饼于80℃下常压干燥6h，得到均匀中空胶囊状碳酸钙颗粒。该中空胶囊状碳酸钙的长径约8.9μm左右,短径约5.5μm左右，长短径比约为2﹕1,壁厚约0.7μm左右，且胶囊壁是由无数300nm左右的颗粒组装而成的；中空胶囊状碳酸钙为纯的方解石型碳酸钙，晶型稳定；中空胶囊状碳酸钙拥有独特的组装结构，在吸附及缓释药物等方面具有很好应用前景。
实施例5制备中空胶囊状碳酸钙
按照如下步骤操作：
1)将碳酸钠溶解于100mL去离子水中，碳酸钠溶液的浓度为0.22mol/L；
2)将氯化钙溶解于100mL去离子水中，氯化钙溶液的浓度为0.20mol/L；向氯化钙溶液中加入氯化钙质量30％(质量百分比)的甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的溶液在低温冷却水浴中降温至0℃；
4)在机械搅拌转速为400rpm下，迅速将步骤3)中降温至0℃的两种溶液在10秒钟以内瞬间混合完毕，得到白色悬浮物；
5)将白色悬浮物常压过滤、用去离子水洗涤滤饼2～3次；
6)将收集得到的白色滤饼于80℃下常压干燥6h，得到均匀中空胶囊状碳酸钙颗粒。该中空胶囊状碳酸钙的长径约9μm左右,短径约4.7μm左右，长短径比约为2﹕1,壁厚约1μm左右，且胶囊壁是由无数350nm左右的颗粒组装而成的；中空胶囊状碳酸钙为纯的方解石型碳酸钙，晶型稳定；中空胶囊状碳酸钙拥有独特的组装结构，在吸附及缓释药物等方面具有很好应用前景。
实施例6制备中空胶囊状碳酸钙
按照如下步骤操作：
1)将碳酸钠溶解于100mL去离子水中，碳酸钠溶液的浓度为0.11mol/L；
2)将氯化钙溶解于100mL去离子水中，氯化钙溶液的浓度为0.10mol/L；向氯化钙溶液中加入氯化钙质量40％(质量百分比)的甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的溶液在低温冷却水浴中降温至5℃；
4)在机械搅拌转速为400rpm下，迅速将步骤3)中降温至5℃的两种溶液在10秒钟以内瞬间混合完毕，得到白色悬浮物；
5)将白色悬浮物常压过滤、用去离子水洗涤滤饼2～3次；
6)将收集得到的白色滤饼于80℃下常压干燥6h，得到均匀中空胶囊状碳酸钙颗粒。该中空胶囊状碳酸钙的长径约8.5μm左右,短径约4.4μm左右，长短径比约为2﹕1,壁厚约1μm左右，且胶囊壁是由无数300nm左右的颗粒组装而成的；中空胶囊状碳酸钙为纯的方解石型碳酸钙，晶型稳定；中空胶囊状碳酸钙拥有独特的组装结构，在吸附及缓释药物等方面具有很好应用前景。

Claims (10)

1.一种中空胶囊状碳酸钙的低温快速制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将碳酸钠溶解于去离子水中；
2)将氯化钙溶解于去离子水中，再加入甘氨酸，搅拌均匀；
3)将步骤1)和2)制得的两种溶液降温至10℃以下；
4)将两种溶液快速混合均匀得到白色悬浮物，过滤、洗涤、干燥，得到均匀的中空胶囊状碳酸钙颗粒。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中两种溶液混合时碳酸钠﹕氯化钙的摩尔比为1～1.2﹕1，优选1.1﹕1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1)中碳酸钠溶液的浓度为0.055～0.22mol/L，步骤2)中氯化钙溶液的浓度为0.05～0.2mol/L；优选步骤4)中两种溶液等体积混合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中甘氨酸的质量为氯化钙质量的30～40％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中将两种溶液降温至0～9℃；优选0～5℃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中采用低温水浴降温。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中将两种溶液在搅拌条件下瞬时混合均匀。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中在搅拌条件下将碳酸钠溶液以不低于5mL/min的速度加入到氯化钙溶液中。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，采用机械搅拌，搅拌转速为400～600rpm；优选400rpm。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中干燥温度不高于80℃，优选60～80℃；优选在常压下干燥5～7小时。
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