專利名稱：一種制備高純磷酸四鈣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈣的磷酸鹽的制備方法，特別是一種磷酸四鈣的制備方法。
近年來，一種新型的人工骨材料-磷酸鈣骨水泥(Calcium Phosphate Cement，簡(jiǎn)稱CPC)，越來越受到人們的關(guān)注。它是利用一種或一種以上的磷酸鈣鹽在水或水溶液中進(jìn)行水化硬化，最終轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的羥基磷灰石。這種材料由于其生物相容性好，手術(shù)操作方便，故已被廣泛用作齒科材料和骨頭粘合劑。作為CPC的重要原料之一的磷酸四鈣由于其堿性比較大，當(dāng)它與酸性的磷酸鈣鹽組成的CPC進(jìn)行水化硬化時(shí)有利于抑制pH的急劇變化，從而避免了人體組織受到刺激，因此制備高純的磷酸四鈣已成為發(fā)展CPC材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前常用的磷酸四鈣系通過兩種固相原料在高溫下反應(yīng)制得的。固-固相反應(yīng)的特點(diǎn)在于它是一種界面反應(yīng)，物質(zhì)首先擴(kuò)散到界面，在界面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。因此，固-固相反應(yīng)的完全程度取決于原料的接觸面積、擴(kuò)散速率和反應(yīng)時(shí)間。傳統(tǒng)的固相混合方式(如球磨等)只能極有限地提高固相原料的接觸面積。因此，目前公知的固相反應(yīng)方法均存在固相反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)物純度較差的共同缺點(diǎn)。例如方法(1)須先將鈣的磷酸鹽(可以是CaHPO4或CaPO4·2H2O或CaP2O7)與CaCO3粉末按Ca/p摩爾比為2的比例混合，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的球磨，使其盡可能地混合均勻，然后將混合物置于白金坩堝中，于1500℃下至少反應(yīng)24小時(shí)。反應(yīng)過程中還必須取出2～3次，進(jìn)行中間粉碎操作，然后再放回加熱爐中繼續(xù)反應(yīng)。該法不僅反應(yīng)產(chǎn)物純度較差，而且操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、能耗大，因此限制了它的大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
方法(2)須將微細(xì)狀態(tài)的低結(jié)晶度的羥基磷灰石(簡(jiǎn)稱HAP)與CaCO3粉末按Ca/p摩爾比為2的比例混合，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的球磨，使其盡可能地混合均勻，然后將混合物置于1500℃下至少反應(yīng)10小時(shí)。方法(2)由于采用微細(xì)的高活性的羥基磷灰石作原料，提高了固相反應(yīng)的速率，簡(jiǎn)化了高溫反應(yīng)時(shí)的操作步驟，縮短了固相反應(yīng)時(shí)間，與方法(1)相比有一定的技術(shù)進(jìn)步。但是由于方法(2)所用的微細(xì)的高活性的羥基磷灰石，系通過液相沉淀過程合成的，為了保持它微細(xì)的粒度和高的活性，須對(duì)濾餅進(jìn)行嚴(yán)格的洗滌處理，必須先用水將雜質(zhì)離子洗凈，然后再用有機(jī)溶劑(乙醇和丙酮等)進(jìn)行多次洗滌、過濾，防止它在干燥過程中團(tuán)聚和失去活性，由于微細(xì)狀態(tài)的HPA其過濾特性很差，過濾特別費(fèi)時(shí)，因此，方法(2)的生產(chǎn)周期同樣很長(zhǎng)，生產(chǎn)成本較高，而且由于顆粒與顆粒之間只能達(dá)到宏觀尺度上的混合，所以，固相反應(yīng)時(shí)間仍然較長(zhǎng)，產(chǎn)物純度較差，影響了它的工業(yè)發(fā)展前景。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，為此產(chǎn)業(yè)部門希望有關(guān)的科技工作者開發(fā)一種新的制備高純磷酸四鈣的方法。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提出了一種制備高純磷酸四鈣的方法。它通過液相沉淀過程先制成低結(jié)晶度的羥基磷灰石-碳酸鈣組合物，然后將該組合物在高溫1500℃下反應(yīng)，得到高純磷酸四鈣。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的本發(fā)明按照晶體的成核生長(zhǎng)原理非均相成核所需的活化能小于均相成核的活化能，在合適的過飽和度下，非均相反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生。采用水溶性鈣鹽和磷酸鹽作原料，在水溶液中首先形成微細(xì)的低結(jié)晶度的羥基磷灰石晶粒懸浮液，然后向這個(gè)懸浮體系中同時(shí)滴加水溶性鈣鹽和碳酸鹽溶液，在攪拌下形成CaCO3微粒，按照晶體的成核生長(zhǎng)原理，CaCO3在羥基灰石表面優(yōu)先生長(zhǎng)，形成“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物，然后通過過濾、干燥以及高溫反應(yīng)，得到均一的高純磷酸四鈣[Ca4(PO4)2O]產(chǎn)物。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)首先將水溶性鈣鹽和磷酸鹽分別配成0.5～1.0M的溶液，并用堿或酸調(diào)節(jié)其pH值為9～11，然后按照Ca/p摩爾比為1.5～1.8的比例，在攪拌下使其混合，并在常溫下反應(yīng)20～24小時(shí)，此時(shí)反應(yīng)系形成低結(jié)晶度的羥基磷灰石的微細(xì)晶粒的懸浮液(簡(jiǎn)稱A懸浮體系)。
(2)先將水溶性碳酸鹽配成0.5～1.0M的水溶液，然后在攪拌下，按整個(gè)A懸浮體系的Ca/p摩爾比為2的比例，向A懸浮體系中滴加水溶性鈣鹽溶液[如(1)所述]，同時(shí)滴加過量的水溶性的碳酸鹽溶液。控制鈣鹽和碳酸鹽溶液的滴加速度為1～5ml/min/L。鈣鹽和碳酸鹽溶液滴加完后，繼續(xù)陳化反應(yīng)1～3小時(shí)。反應(yīng)生成的CaCO3微粒按照晶體的成核生長(zhǎng)原理在羥基磷灰石晶粒的表面上生成，形成“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物懸浮液(簡(jiǎn)稱B懸浮液)。
(3)將上述所得的B懸浮液過濾，濾餅取出后于80～120℃下烘干，得到羥基磷灰石-碳酸鈣粉末。
(4)將上述所得的羥基磷灰石-碳酸鈣粉末盛于剛玉坩堝中置于加熱爐內(nèi)，然后以每分鐘1～10℃的速率升溫至1500℃下，進(jìn)行固相反應(yīng)4～6小時(shí)，取出后急冷，即得本發(fā)明所說的高純磷酸四鈣產(chǎn)物。
所說的水溶性鈣鹽，可以是硝酸鈣、亞硝酸鈣、醋酸鈣、氯化鈣中的一種。
所說的堿可以是NaOH、KOH、NH4OH中的一種，但以NH4OH為佳。
所說的酸可以是HNO3、HCl、醋酸中的一種，但以HNO3、醋酸為佳。
所說的磷酸鹽，可以是K3PO4、K2HPO4、KH2PO4、Na3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4，但以(NH4)2HPO4和NH4H2PO4為佳。
所說的水溶性碳酸鹽，可以是K2CO3、KHCO3、Na2CO3、NaHCO3、(NH4)2CO3、NH4HCO3，但以(NH4)2CO3和NH4HCO3為佳。
采用銨的磷酸氫鹽與銨的碳酸鹽較佳的原因在于產(chǎn)物中的銨離子可以在加熱時(shí)除去，從而避免了由于為除去物系中雜質(zhì)離子而增加的多次洗滌、過濾操作。
按照本發(fā)明方法制得的磷酸四鈣經(jīng)檢測(cè)不僅純度高、而且組分和晶型確定，Ca/p摩爾比為2.00±0.08，是一種性能優(yōu)良的制備CPC生物材料的原料。
下面將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但這些實(shí)施例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1在一反應(yīng)器中加入835ml濃度為1.00M的Ca(NO3)2溶液，用氨水調(diào)節(jié)其pH值為10.00。在另一反應(yīng)器中加入500ml濃度為1.00M的(NH4)2HPO4溶液，用氨水調(diào)節(jié)其pH值為10.00。在攪拌條件下，將上述兩種溶液混合，常溫反應(yīng)22小時(shí)，形成-低結(jié)晶度的羥基磷灰石晶粒的懸浮液(簡(jiǎn)稱A懸浮液)。
向上述的A懸浮液中，同時(shí)滴加165ml濃度為1.0M的Ca(NO3)2溶液和500ml濃度為0.5M的(NH4)2CO3溶液，其滴加速度分別為1.65ml/min與5ml/min。滴加完后繼續(xù)除化反應(yīng)2小時(shí)。生成的CaCO3晶粒將按照晶體成長(zhǎng)原理的羥基灰石晶粒表面生成，形成均一的“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物懸浮液(簡(jiǎn)稱B懸浮液)。
將上述B懸浮液用布低漏斗抽濾，濾餅于80～120℃下干燥，得到粉末狀“Ca5(PO4)3-CaCO3組合物。
將上述組合物盛于剛玉坩堝中，并置于加熱爐內(nèi)，以5℃/min的速率升溫至1500℃，在1500℃下保溫反應(yīng)5小時(shí)。反應(yīng)產(chǎn)物取出后于空氣中急冷，在干燥條件下保存。所得產(chǎn)物即為本發(fā)明的高純磷酸四鈣產(chǎn)品。
實(shí)施例2在一反應(yīng)器中加入800ml濃度為1.00M的CaCl2溶液，用氨水調(diào)節(jié)其pH值為10.80，在另一反應(yīng)器中加入500ml濃度為1.00M的NH4H2PO4溶液，用氨水調(diào)節(jié)其pH值為10.80。在攪拌條件下，將上述兩溶液混合，常溫反應(yīng)20小時(shí)，形成一低結(jié)晶度的羥基磷灰石晶粒的懸浮液(簡(jiǎn)稱A懸浮液)。
向上述的A懸浮液中，同時(shí)滴加200ml濃度為1.0M的CaCl2溶液和500ml濃度為0.5M的(NH4)2CO3溶液，其滴加速度分別為2ml/min與5ml/min。滴加完后繼續(xù)陳化反應(yīng)2小時(shí)，形成均一的“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物懸浮液(簡(jiǎn)稱B懸浮液)。
將上述B懸浮液用布氏漏斗抽濾，濾餅于80～120℃下干燥，得到粉末狀“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物。
將上述組合物盛于剛玉坩堝中，并置于加熱爐內(nèi)，以3℃/min的速率升溫至1500℃，在1500℃下保溫6小時(shí)。反應(yīng)產(chǎn)物取出后在空氣中急冷，在干燥條件下保存。所得產(chǎn)物即為本發(fā)明的高純磷酸四鈣產(chǎn)品。
實(shí)施例3在一反應(yīng)器中加入835ml濃度為0.5M的Ca(CH3COO)2溶液，用NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值為9.00。在另一反應(yīng)器中加入500ml濃度為0.5M的Na2HPO4溶液，用NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值為9.00。在攪拌條件下，將上述兩種溶液混合，常溫反應(yīng)24小時(shí)，形成一低結(jié)晶度的羥基磷灰石晶粒的懸浮(簡(jiǎn)稱A懸浮液)。
向上述的A懸浮液中，同時(shí)滴加165ml濃度為0.5M的Ca(CH3COO)2溶液和250ml濃度為0.5M的Na2CO3溶液，其滴加速度分別為1.65ml/min與2.5ml/min。滴加完后繼續(xù)陳化反應(yīng)3小時(shí)，形成均一的“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物懸浮液(簡(jiǎn)稱B懸浮液)。
將上述B懸浮液用布氏漏斗抽濾，濾餅經(jīng)水洗除雜后于80～120℃下干燥，得到粉末狀“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物。
將上述組合物盛于剛玉坩堝中，并置于加熱爐內(nèi)，以5℃/min的速率升溫至1500℃，在1500℃下保溫5小時(shí)。反應(yīng)產(chǎn)物取出后于空氣中急冷，在干燥條件下保存。所得產(chǎn)物即為本發(fā)明的高純磷四鈣產(chǎn)品。
對(duì)比例按照現(xiàn)有技術(shù)方法(2)制備磷酸四鈣在一反應(yīng)器中加入835ml濃度為1.00M的Ca(NO3)2溶液，用氨水調(diào)節(jié)其pH值為10.00。在另一反應(yīng)器中加入500ml濃度為1.00M的(NH4)2PO4溶液，用氨水調(diào)節(jié)其pH值為10.00。在攪拌條件下，將上述兩種溶液混合，常溫反應(yīng)24小時(shí)。將獲得的懸浮液用布氏漏斗抽濾，用100ml的去離子水洗滌過濾2次，再用500ml的無水乙醇洗滌、過濾2次。上述的過濾、洗滌至少需要費(fèi)時(shí)24小時(shí)。然后將濾餅在80℃下烘干，得到微細(xì)的高活性的羥基磷灰石粉末。分別稱取上述干燥后的粉末50g與市售的分析純CaCO39.96g，將兩種粉末混合后進(jìn)行干式球磨10小時(shí)，然后將混合粉末盛于剛玉坩堝中，并置于加熱爐內(nèi)，以5℃/min的速率升溫至1500℃，在1500℃保溫10小時(shí)。反應(yīng)產(chǎn)物取出后于空氣中急冷。得到如方法(2)所述的磷酸四鈣產(chǎn)品，經(jīng)XRD檢測(cè)，產(chǎn)物中含少量CaO和α-Ca3(PO3)2雜質(zhì)。
由上述實(shí)施例對(duì)比例可見采用本發(fā)明的方法不僅可以避免為獲得微細(xì)的高活性的羥基磷灰石而不得不采用的繁雜費(fèi)時(shí)的多次洗滌、過濾操作，而且由于本發(fā)明的方法可以直接得到均一的“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物，使反應(yīng)物系的固相物料在納米級(jí)的尺度上達(dá)到充分接觸，從而大大縮短了固相反應(yīng)時(shí)間和生產(chǎn)周期，與方法(2)相比，其固相反應(yīng)時(shí)間與生產(chǎn)周期至少可減少一半，而且所得產(chǎn)品純度高，經(jīng)XRD檢測(cè)，產(chǎn)物中不再含有CaO和α-Ca3(PO4)2雜質(zhì)。顯然，由于本發(fā)明的開發(fā)成功，無疑將對(duì)CPC工業(yè)帶來顯著的技術(shù)進(jìn)步。
權(quán)利要求
1.一種制備高純磷酸四鈣的方法，其特征在于(1)通過調(diào)節(jié)液相沉淀過程的pH值，使水溶性鈣鹽與磷酸鹽，在水相中形成低結(jié)晶度的羥基磷灰石晶粒的懸浮液(簡(jiǎn)稱A懸浮液)；(2)在攪拌下向上述A懸浮液中，同時(shí)滴加水溶性鈣鹽與水溶性碳酸鹽溶液，使反應(yīng)生成的CaCO3在羥基碳灰石晶粒表面生長(zhǎng)，形成均一的“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物懸浮液(簡(jiǎn)稱B懸浮液)；(3)將上述B懸浮液進(jìn)行過濾、洗滌，濾餅在80～120℃下干燥，得到一干燥的羥基磷灰石-碳酸鈣組合物粉末；(4)將干燥后的羥基磷灰石-碳酸鈣粉末盛于剛玉坩堝內(nèi)置于加熱爐中，以每分鐘1～10℃的速率升溫至1500℃反應(yīng)4～6小時(shí)，然后將反應(yīng)產(chǎn)物取出于空氣中急冷，并于干燥處保存，所得產(chǎn)物即為本發(fā)明所說的高純磷酸四鈣產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用于合成低結(jié)晶度羥基磷灰石的原料溶液的pH宜用堿或酸調(diào)節(jié)至9～11，所說的堿可以是KOH、NaOH、NH4OH中的一種，但以NH4OH為佳，所說的酸可以是HNO3、HCl、醋酸中的一種，但以NHO3、醋酸為佳。
3.如權(quán)利要求1～2之一所述的方法，其特征在于合成低結(jié)晶度羥基磷灰面時(shí)，所用的水溶性鈣鹽和磷酸鹽的濃度分別為0.5～1.0M。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的方法，其特征在于合成低結(jié)晶度的羥基磷灰面時(shí)，所用的水溶性鈣鹽可以是硝酸鈣、亞硝酸鈣、醋酸鈣、氯化鈣中的一種，所用的磷酸鹽可以是K3PO4、K2HPO4、KH2PO4、Na3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4中的一種。
5.如權(quán)利要求1～3之一所述的方法，其特征在于合成低結(jié)晶度的羥基磷灰石時(shí)，所用的水溶性鈣鹽是硝酸鈣，所用的磷酸鹽是(NH4)2HPO4或NH4H2PO4。
6.如權(quán)利要求1～5之一所述的方法，其特征在于制備低結(jié)晶度羥基磷灰石-碳酸鈣組合物時(shí)，所用水溶性碳酸鹽是K2CO3、KHCO3、Na2CO3、(NH4)2CO3、NH4HCO3中的一種。
7.如權(quán)利要求1～6之一所述的方法，其特征在于制備低結(jié)晶度羥基磷灰石-碳酸鈣組合物時(shí)，所用的水溶性碳酸鹽的濃度為0.5～1.0M。
8.如權(quán)利要求1～7之一所述的方法，其特征在于制備低結(jié)晶度羥磷灰石-碳酸鈣組合物時(shí)，所用的水溶性鈣鹽和水溶性碳鹽溶液的滴加速度分別為1～5ml/min/L。
9.如權(quán)利要求1～8之一所述的方法，其特征在于制備低結(jié)晶度羥基磷灰石-碳酸鈣組合物時(shí)，所用的水溶性鈣鹽是Ca(NO3)2，所用的碳酸鹽是(NH4)2CO3或NH4HCO3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備高純磷酸四鈣的方法，它首先通過液相沉淀過程制取均一的羥基磷灰石—碳酸鈣組合物，然后將該組合物盛于鋼玉坩堝內(nèi)，置于加熱爐中于1500℃下反應(yīng)，得到均一的高純磷酸四鈣產(chǎn)品。經(jīng)檢測(cè)所得的高純磷酸四鈣具有組分和晶型確定，其Ca/P摩爾比為2.00±0.08，是一種性能優(yōu)良的制備新型生物人工骨材料的原料。具有廣闊的工業(yè)發(fā)展前景。
文檔編號(hào)C01B25/32GK1106765SQ94114048
公開日1995年8月16日 申請(qǐng)日期1994年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月23日
發(fā)明者沈衛(wèi), 顧燕芳, 胡黎明, 孫祥明, 劉昌勝 申請(qǐng)人:上海華明超細(xì)新材料有限公司