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、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、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(簡稱HAP)與CaCO3粉末按Ca/p摩爾比為2的比例混合，進(jìn)行長時(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，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，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原理，CaCO3在羥基灰石表面優(yōu)先生長，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?？刂柒}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，產(chǎn)物中含少量CaO和α-Ca3(PO3)2雜質(zhì)。
由上述實(shí)施例對比例可見采用本發(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，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，形成均一的“Ca5(PO4)3OH-CaCO3”組合物懸浮液(簡稱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 申請人:上海華明超細(xì)新材料有限公司