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羟基磷灰石性质与应用

羟基磷灰石的化学分子式为Ca10(PO4)6(OH)2简称为HAP,是应用最为广泛的磷酸钙盐结晶相。磷酸钙盐是脊椎动物骨骼和牙齿的主要矿物成分,在磷酸钙盐中,羟基磷灰石是体液中磷酸钙盐热力学最稳定的结晶相,与人类骨骼和牙齿的矿物部分最为相似。羟基磷灰石中钙元素和磷元素之比受合成方式影响,钙磷比不固定其组成也比较复杂。

性质

HAP具有较高的比表面积,较强的吸水释水能力和空气中的吸湿能力。羟基磷灰石密度为3.16g/cm3,比表面积为26m2/g,溶度积常数Ksp(25℃)=(6.3±2.1)×10-59,呈弱碱性(pH=7-9),难溶于碱易溶于酸。羟基磷灰石晶体属于六方晶系结构,属于P63/m空间群,晶胞参数a=b=0.943nm,c=0.688nm。

应用

羟基磷灰石由于其独特的物理和化学结构,在以下领域有着广泛的应用:(1)在污水治理方面的应用;(2)在污染土壤修复中的应用;(3)在医学方面的应用;(4)其他方面的应用。

主要合成方法

干法

HAP的干法制备是选取精细研磨的前驱体进行混合,然后对混合前驱体进行热处理的制备方式。干法制备为了保证混合物可以完全反应,要求混合物是完全均匀的。最终生成物的纯度取决于准备过程中的精确称量,务必使混合物可以完全反应掉。因此干法制备对于反应物的纯度和剂量都有着很严格的要求,这些可变因素可能会限制最终化合物的生成。

Tromel等人通过在1050℃环境中煅烧磷酸钙和氧化钙混合物,确定了形成HAP的最佳条件。使用干法制备优点是生成产物的结晶度一般较好,但干法需要相对较高的温度,这可能会影响生成物的孔隙率。

湿法

湿法制备由于操作简单而被广泛使用,其中主要包括化学共沉淀法。乳化法、水解法、溶胶-凝胶法和水热法等制备方法。湿法制备可以较好控制生成HAP的结构和形态,提高HAP的产率。

湿法制备可以在水或者其他有机溶剂中进行,可以添加各种催化剂并且适用于多种装置。湿法制备对反应环境要求比较低,适用于室温常压环境。湿法的主要缺点生成物有时生成物纯度不够和结晶度较低,生成物可能存在其他磷酸盐结晶。

(1)共沉淀法

共沉淀法是制备HAP最直接、最经常使用的方法。化学反应过程由反应物中的磷酸根(PO43-)离子和钙离子(Ca2+)共同反应生成HAP。

根据磷酸根和钙离子的来源不同,共沉淀法的条件是可变的,但通常反应条件pH值在3-12、温度为室温到100℃。共沉淀法可以使用反应模板使生成物满足特定需求。

(2)水热法

水热法合成HAP晶体技术目前已经非常成熟,该反应过程发生在高温高压的密闭环境中,以水或有机溶液为反应介质使原本难溶物质溶解并重新结晶。仇满德等人对不同钙源在水热体系下合成HAP晶体做了系统研究,研究发现钙源对生成的形貌有很大影响,使用碳酸钙和氢氧化钙可制得类似于球状结构的纳米HAP而使用氯化钙和硝酸钙所制得的HAP为短棒状。

(3)微乳液法

乳液法制备HAP的优点是可以精确控制晶粒尺寸的形态和分布,较好避免形成颗粒的聚团问题。

W.Y.Zhou等人使用纳米乳液技术合成碳酸羟基磷灰石纳米球可用于生产复合医用组织支架。

(4)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将无机盐类或醇盐在溶液中水解或醇解随后使溶质聚合胶化生成溶胶,然后将溶胶脱水生成凝胶,最后将凝胶烘干煅烧。目前溶胶-凝胶法还无法大规模生产,主要缺陷有两个方面:

①常用醇盐材料成本较高;②合成过程精细通常耗费较多时间。Jingdi Chen等人通过简单的溶胶-凝胶方法制备羟基磷灰石(HAP)、β-磷酸三钙(β-TCP)和双相磷酸钙(BCP)纳米晶粉末。


2022-11-11 本文被阅读 166 次
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