CN113754423A - 一种基于动物骸骨的类宝石晶体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于动物骸骨的类宝石晶体及其制备方法。该制备方法，包括以下步骤：将动物骸骨焚烧成粉末，随后将粉末加入水中，混合均匀后加入有机聚合物单体、交联剂、引发剂和催化剂，充分搅拌后形成浆料；将浆料注入到模具中，使有机聚合物单体反应交联聚合形成聚合物凝胶并将颗粒在原位粘结固化形成坯体；将坯体进行高温高压和等离子体辅助烧结，得到类宝石晶体。本发明采用材料合成和晶体重构的技术手段，将自然死亡的宠物骸骨进行原子重组成含有碳、钙、磷、镁、氧等元素的类宝石晶体；本发明在传统热压烧结技术的基础上结合等离子体辅助烧结技术，实现热场、力场和电场的多场耦合，降低了反应所需的能量，提高了反应速率和生产效率。

Description

一种基于动物骸骨的类宝石晶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及类宝石晶体制备技术领域，尤其涉及一种基于动物骸骨 的类宝石晶体及其制备方法。
背景技术
随着中国经济的增长，社会和家庭结构的变化增加了人们对宠物陪 伴的需求，宠物行业得到了迅猛的发展，人们饲养宠物已经由单纯的赏 玩而转变成人们精神的一种寄托，宠物的角色也悄然发生着变化，已经 日益成为人们生活的伴侣，越来越多的人开始养宠物，其中以猫狗为主。
研究表明猫和狗的平均寿命为15-17年。在相当长的时间内陪伴着主 人或者家庭一起生活，与主人和家庭成员已经融为一体，人们通常已经 将宠物视为家庭一员。然而，他们的寿命相对来说还是比较短的，当宠 物衰老、死亡后，其主人的精神寄托和情感依赖轰然倒塌，留下无尽的 回忆和思念。
基于人类与宠物之间的相互依赖和深厚情感，可采用材料合成和晶 体重构的技术手段，对宠物骸骨进行原子重组，制成定制化的具备不同 形状、色彩、结构和透明度的人造晶石和宝石，以供宠物主人珍藏和留 念，实现另一种形式的永恒和陪伴。
目前相似行业采用的都是高温高压(HPHT)人工钻石合成技术，但是 高温高压法(HPHT)只能做小颗粒钻石，这种钻石处于中低端，作为工 业用途，如用来制造钻头，刀具等。另外，人体在目前的火化过程中， 碳元素都充分燃烧变成二氧化碳消失了，骨灰中碳元素含量微乎其微， 且后续的人工钻石培育成功率也不是100％，从而导致采用高温高压法(HPHT)法具有较高的生产成本和难度。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种类宝石晶体及其制备方法，用以解决现 有技术中将动物骸骨转化为类宝石晶体生产成本高、难度大的技术问题。
本发明的第一方面提供一种类宝石晶体的制备方法，包括以下步骤：
将动物骸骨焚烧成粉末，随后将粉末加入水中，混合均匀后加入有 机聚合物单体、交联剂、引发剂和催化剂，充分搅拌后形成浆料；
将上述浆料注入到模具中，使有机聚合物单体反应交联聚合形成聚 合物凝胶并将颗粒在原位粘结固化形成坯体；
将上述坯体进行高温高压和等离子体辅助烧结，得到类宝石晶体。
本发明的第二方面提供一种类宝石晶体，该类宝石晶体通过本发明 第一方面提供的类宝石晶体的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用材料合成和晶体重构的技术手段，将自然死亡的宠物骸 骨进行原子重组成含有碳、钙、磷、镁、氧等元素的类宝石晶体；
本发明在传统热压烧结技术的基础上结合等离子体辅助烧结技术， 实现热场、力场和电场的多场耦合，使宠物骸骨颗粒粉末相互键联，晶 粒增大，气孔和晶界缺陷减少，其总体积发生收缩，密度增加，最后成 为坚硬的、具有某种显微结构的多晶烧结体，大大降低了反应所需的能 量，提高了反应的速率和生产的效率，而且工艺优势明显，操作简单， 不需要专业人士进行操作；对材料烧结时，工艺可以做到均匀加热、高 速升温、烧结温度低、烧结时间短。
附图说明
图1是本发明提供的类宝石晶体的制备方法一实施方式的工艺流程 图；
图2是本发明实施例1制备的类宝石晶体的光学照片；
图3是本发明实施例1制备的类宝石晶体的XRD图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附 图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的第一方面提供一种类宝石晶体的制备方法，包括以下步骤：
S1、将动物骸骨焚烧成粉末，随后将粉末加入水中，混合均匀后加 入有机聚合物单体、交联剂、引发剂和催化剂，充分搅拌后形成浆料；
S2、将上述浆料注入到模具中，使有机聚合物单体反应交联聚合形 成聚合物凝胶并将颗粒在原位粘结固化形成坯体；
S3、将上述坯体进行高温高压和等离子体辅助烧结，得到类宝石晶 体。
作为优选的技术方案，焚烧过程在高温焚烧炉中进行。其中，焚烧 气氛为空气；焚烧炉的升温速率为2～8℃/min，进一步为5℃/min；焚烧 温度为1000℃～2000℃，进一步为1200℃，焚烧时间为8～16h，进一步为 12h；降温速率为2～8℃/min，进一步为3℃/min。在本发明的一些具体实 施方式中，焚烧时，向焚烧炉中加入动物骸骨，随后设置焚烧炉的参数 进行焚烧，然后启动焚烧炉的电源进行焚烧。
作为优选的技术方案，粉末与水的用量比为1g：(10～50)ml，进一 步为1g：20ml。
作为优选的技术方案，有机聚合物单体为丙烯酰胺，其加入量为粉 末的20％～40％，进一步为30％；交联剂为硅烷偶联剂，其加入量为粉末 的1％～3％，进一步为2％；引发剂为水溶性偶氮引发剂，具体为AIBI(别 名VA-044)，其加入量为有机聚合物单体量的0.12％～0.7％，进一步为 0.5％；催化剂为四甲基乙二胺，其加入量为有机聚合物单体量的 0.5％～1.5％，进一步为1％。本发明通过加入有机聚合物单体、交联剂、 引发剂和催化剂能够通过后续单体的聚合反应使粉末颗粒紧密地结合在 一起，从而形成硬度很大的坯体。为了进一步提高分散效果，还可加入 分散剂，常用的分散剂有聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚丙烯酸(PAA)的 铵盐或者钠盐。
作为优选的技术方案，上述使有机聚合物单体反应交联聚合形成聚 合物凝胶并将颗粒在原位粘结固化形成坯体的过程中，温度为60～120℃， 进一步为90℃；时间为30～120分钟，进一步为1小时。
作为优选的技术方案，将坯体使用高温高压技术进行烧结，并辅助 以等离子体烧结技术，即在等离子体烧结设备基础上增温增压，获得类 宝石晶体。控制烧结设备的温度在1200℃左右。这一步骤对烧结时间的 要求是：控制反应时间在5-8小时。这一步骤对升温速率的要求是：从室 温升到600℃，升温速率是5℃/min；从600℃～1000℃，升温速率是 10℃/min；从1000℃～1200℃，升温速率是3℃/min。这一步骤对保温时 间的要求是：控制保温时间在1h～2h之间。这一步骤对压力的要求是： 控制反应的压力在30MPa<P<50MPa，进一步为40MPa。这一步骤对反应 气氛的要求是：对于不易被氧气氧化的原材料，可以在80％氮气和20％ 空气氛围下烧结；对于易于被氧气氧化的原材料，需要在100％氮气的氛 围下烧结，尽量避免原材料被氧气氧化。
作为优选的技术方案，将浆料注入到模具前，还包括：向上述浆料 中加入金属盐，充分搅拌，使浆料与金属盐混合均匀，随后去除引入的 杂质阴离子。
进一步地，上述金属盐包括但不限于铬盐、铜盐、三价铁盐、二价 铁盐、锰盐、钴盐等。本发明通过将金属盐加入到浆料中，金属离子会 进入到浆料中，形成新的浆料混合物，新的浆料中掺杂了金属离子，之 后对于加入的不同金属盐，可采取将阴离子转换为气体或者进入到上清 液中等当时，将引入的阴离子分离出来。具体地，当向浆料中加入二价 铁盐时，包括但不限于加入氯化亚铁，此时亚铁离子会进入浆料中，与 浆料混合，需要注意的是，亚铁离子容易被空气中的氧气氧化，所以此 实验过程需要在氮气的氛围中进行，避免亚铁离子被氧气氧化为三价铁 离子，当加入的氯化亚铁较多时，可形成沉淀，则氯离子会进入到上清 液中，此时将上清液分离出来，即实现了阴离子，即氯离子的分离；当 向浆料中加入铜盐时，包括但不限于加入氯化铜，此时铜离子会进入浆 料中，与浆料混合，当加入的氯化铜较多时，可形成沉淀，则氯离子会 进入到上清液中，此时将上清液分离出来，即实现了阴离子，即氯离子 的分离；当向浆料中加入其它金属盐类时，步骤与加入铜盐的步骤大致 相同。
本发明通过微量金属元素铬(Cr)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co) 等掺杂到动物骸骨的浆料中，可实现类宝石晶体颜色的调控。
作为优选的技术方案，上述得到类宝石晶体过程结束后，还包括后 处理过程，以便提高美观度和表面光滑度。具体的，后处理过程如下：
(5)对上述类宝石晶体进行激光雕刻；
(6)将激光雕刻后的类宝石晶体表面分别在800目、1000目和1500 目砂纸上打磨，获得表面光洁的晶体表面；
(7)将砂纸打磨后的类宝石晶体在KOH-NH3溶液中进行表面处理， 将晶体表面的切割痕迹和划痕处理掉，使类宝石晶体表面变得更光滑。
进一步地，上述激光雕刻包括激光微雕和激光内雕；在实际操作过 程中，对类宝石晶体进行激光雕刻，需控制合理的激光雕刻速度、激光 功率和雕刻精度，在类宝石晶体上面可以用激光在外表面雕刻图案，也 可以通过合理选择激光雕刻设备和合理控制激光雕刻设备的角度，对类 宝石晶体进行内雕。
本发明的第二方面提供一种类宝石晶体，该类宝石晶体通过本发明 第一方面提供的类宝石晶体的制备方法得到。
实施例1
(1)将动物骸骨焚烧成粉末，随后按照1g：20ml的固液比将粉末 加入水中，混合均匀后加入占粉末质量30％的丙烯酰胺、2％的硅烷偶联 剂、1.5％的AIBI和3％的四甲基乙二胺，充分搅拌后形成浆料；其中， 焚烧过程在高温焚烧炉中进行，焚烧气氛为空气；以5℃/min的速率升温 至1200℃，保温12h，随后以3℃/min的速率冷却至室温。
(2)将上述浆料注入到模具中，使丙烯酰胺在90℃反应1小时形成 坯体。
(3)将上述坯体进行高温高压和等离子体辅助烧结，得到类宝石晶 体；其中，烧结气氛为空气，烧结条件为：以5℃/min的升温速率从室温 升到600℃，随后以10℃/min的升温速率升温至1000℃，再以3℃/min 的升温速率升温至1200℃，保温2h，反应的压力为40MPa。
图2是本发明实施例1制备的类宝石晶体的光学照片；图3是本发 明实施例1制备的类宝石晶体的XRD图。通过图3可以看出，经XRD 物相和结晶度分析，制备的产品主要成份为钙、磷、氧的晶石，化学式 Ca5(PO4)3(OH)，并且结晶度非常高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种类宝石晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将动物骸骨焚烧成粉末，随后将所述粉末加入水中，混合均匀后加入有机聚合物单体、交联剂、引发剂和催化剂，充分搅拌后形成浆料；
将所述浆料注入到模具中，使所述有机聚合物单体反应交联聚合形成聚合物凝胶并将颗粒在原位粘结固化形成坯体；
将所述坯体进行高温高压和等离子体辅助烧结，得到类宝石晶体。
2.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，焚烧过程在高温焚烧炉中进行；焚烧气氛为空气，所述焚烧炉的升温速率为2～8℃/min，焚烧温度为1000℃～2000℃，焚烧时间为8～16h，降温速率为2～8℃/min。
3.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，所述粉末与水的用量比为1g：(10～50)ml。
4.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，所述有机聚合物单体为丙烯酰胺，其加入量为粉末的20％～40％；所述交联剂为硅烷偶联剂，其加入量为粉末的1％～3％；所述引发剂为水溶性偶氮引发剂，其加入量为有机聚合物单体量的0.12％～0.7％；所述催化剂为四甲基乙二胺，其加入量为有机聚合物单体量的0.5％～1.5％。
5.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，使有机聚合物单体反应交联聚合形成聚合物凝胶并将颗粒在原位粘结固化形成坯体的过程中，温度为60～120℃，时间为30～120分钟,。
6.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，所述高温高压和等离子体辅助烧结的烧结条件为：从室温升到600℃，升温速率是5℃/min；从600℃～1000℃，升温速率是10℃/min；从1000℃～1200℃，升温速率是3℃/min；保温时间为1h～2h；反应的压力为30MPa<P<50MPa，进一步为40MPa。
7.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，将浆料注入到模具前，还包括：向上述浆料中加入金属盐，充分搅拌，使浆料与金属盐混合均匀，随后去除引入的杂质阴离子。
8.根据权利要求7所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，所述金属盐为于铬盐、铜盐、三价铁盐、二价铁盐、锰盐、钴盐中的至少一种。
9.根据权利要求1所述类宝石晶体的制备方法，其特征在于，所述得到类宝石晶体过程结束后，还包括后处理过程，具体如下：
对所述类宝石晶体进行激光雕刻；
将激光雕刻后的类宝石晶体表面分别在800目、1000目和1500目砂纸上打磨，获得表面光洁的晶体表面；
将砂纸打磨后的类宝石晶体在KOH-NH3溶液中进行表面处理，将晶体表面的切割痕迹和划痕处理掉，使类宝石晶体表面变得更光滑。
10.一种类宝石晶体，其特征在于，所述类宝石晶体通过权利要求1～9中任一项所述类宝石晶体的制备方法得到。
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