不同球磨粉碎工藝對固相合成β-磷酸三鈣純度和粒度的影響

康軍沛，葛婷，劉卅，楊軍忠，任力

（1華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2華南理工大學(xué)國家人體組織功能重建技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006）

不同球磨粉碎工藝對固相合成β-磷酸三鈣純度和粒度的影響

康軍沛1,2，葛婷1,2，劉卅1,2，楊軍忠1,2，任力1,2

（1華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2華南理工大學(xué)國家人體組織功能重建技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006）

采用納米球磨-超聲攪拌工藝制備了β-磷酸三鈣粉體，并與傳統(tǒng)固相合成工藝進(jìn)行了對比研究。采用差示掃描量熱(DSC)、X射線衍射(XRD)、紅外(FTIR)、納米粒度測試、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)及X射線熒光光譜(XRF)等手段對兩種工藝所制備粉體進(jìn)行了純度和粒度表征。結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)工藝，經(jīng)過納米球磨-超聲攪拌工藝制備出的β-TCP粉體純度可達(dá)97%以上，平均粒徑為666 nm。粉體的純度高、粒徑分布更均勻。同時，納米球磨加工后的原料平均粒度更小，分散性更好。該工藝有望用于粉體材料的固相合成。

納米球磨；超聲攪拌；固相；合成；粉體技術(shù)；粒度分布

引 言

β-磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate, β-TCP)因其良好的生物相容性、生物活性及生物可降解性[1-3]引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。β-TCP的化學(xué)成分和骨組織的無機成分相同，在體內(nèi)無毒性或局部刺激性、不致凝血或溶血、不致突變或癌變[4]。它在植入體內(nèi)后通過體液溶解、細(xì)胞代謝[5]等作用被吸收轉(zhuǎn)化為宿主新生骨組織的一部分，進(jìn)而修復(fù)骨缺損部位[4]。β-TCP在骨組織修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。

目前，國內(nèi)外制備β-TCP的工藝主要有濕法工藝（化學(xué)沉淀法[6-8]、酸堿中和反應(yīng)法[9]、醇化合物法[10-12]等）、干法工藝（固相合成工藝[13-15]）及水熱法工藝[16-17]等。其中濕法工藝通過溶液反應(yīng)合成，對溶液的濃度、滴加速度、溶液pH等反應(yīng)參數(shù)要求較高，產(chǎn)量小[18]；水熱法工藝在特制的密閉反應(yīng)容器里進(jìn)行，需要高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，不利于大批量制備。干法工藝通過原料的固相反應(yīng)合成，對反應(yīng)條件要求低，可制得結(jié)晶較好的β-TCP粉末。但傳統(tǒng)的固相反應(yīng)工藝由于球磨工藝有限，常由于原料粒徑較大、粒度分布寬及混合不均勻等因素導(dǎo)致所制備的粉體含有較多雜質(zhì)相，如羥基磷灰石(HAp)、焦磷酸鈣及氧化鈣等。因此，如何降低原料球磨后的粒徑并縮小粒度分布、促使原料混合均勻是固相合成工藝的難點和關(guān)鍵點。

本研究引入多維擺動式納米球磨工藝，預(yù)先對CaHPO4·2H2O和CaCO3兩種原料分別進(jìn)行球磨加工，加工后的原料粒徑更小，分布更均勻，之后經(jīng)攪拌和超聲處理使原料充分混合，隨后干燥并高溫煅燒得到β-TCP粉體。通過對粉體進(jìn)行理化性能表征，證明產(chǎn)物為純度高、顆粒粒徑小且分散均勻的β-TCP粉體。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

二水磷酸氫鈣，分析純，上海試四赫維化工有限公司；碳酸鈣，分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠；無水乙醇，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 原料的球磨粉碎加工及β-TCP粉體的制備

為了研究不同球磨粉碎工藝對原料的粉碎效果，采用以下兩種球磨工藝對粉體原料進(jìn)行加工。

（1）多維擺動式納米球磨工藝。將100 g粉體原料CaHPO4·2H2O、CaCO3分別倒入尼龍球磨罐中，加入氧化鋯研磨球和100 ml無水乙醇，隨后在多維擺動式納米球磨機上以200～400 r·min?1的速度球磨加工5～20 h，之后將料漿倒出并于50℃下干燥除去乙醇。

（2）行星球磨工藝。在行星球磨機上采用與方法（1）相同的工藝參數(shù)分別對 CaHPO4·2H2O、CaCO3兩種原料進(jìn)行球磨加工。

將上述兩種工藝方法球磨加工后的粉體原料超聲分散于無水乙醇中，用納米粒度測試儀表征其粒徑及粒度分布。

β-TCP粉體的制備采用以下兩種工藝，制備工藝流程如圖1所示。

（1）納米球磨-超聲攪拌工藝（NUP）。按照Ca/P=1.50的比例分別稱取多維擺動式納米球磨加工后的CaHPO4·2H2O和CaCO3兩種原料（稱取37.86 g CaHPO4·2H2O、11.01 g CaCO3），加入70 ml無水乙醇，隨后置于超聲環(huán)境中攪拌混合，之后干燥并于900℃下高溫反應(yīng)3 h，得到β-TCP粉體。

（2）傳統(tǒng)固相合成工藝（CP）。按照Ca/P=1.50的比例分別稱取37.86 g CaHPO4·2H2O和11.01 g CaCO3兩種原料，倒入行星球磨罐，加入70 ml無水乙醇，隨后球磨混合，之后干燥并于 900℃下高溫反應(yīng)3 h，得到β-TCP粉體。

圖1 β-TCP的制備工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of technological processes of β-TCP

1.3 分析測試儀器

同步熱分析儀（DSC），STA 449C型，德國Netzsch公司；X射線衍射儀（XRD），D8 Advance，德國 Bruker AXS公司；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），VECTOR 33型，德國Bruker公司；X射線熒光光譜儀（XRF），Axios Pw4400型，荷蘭帕納科公司；納米粒度測試儀，GCMS-QP2010 Ultra型，日本島津公司；掃描電鏡（SEM），S-3700N型，日本Hitachi公司；透射電鏡（TEM），JEM-2100F型，日本電子株式會社。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 固相反應(yīng)過程DSC分析

圖2為兩種工藝的原料混合干燥后的樣品在空氣氣氛中以2 K·min?1的升溫速率得到的DSC曲線。從圖2可見，兩種工藝的升溫過程中首先在180℃出現(xiàn)的吸熱峰為CaHPO4·2H2O 失去2個結(jié)合水變成CaHPO4，隨后在430℃、646（665）℃的吸熱峰分別為CaHPO4繼續(xù)分解成Ca2P2O7及CaCO3分解成CaO。樣品在875℃處為Ca2P2O7與CaO生成β-TCP的吸熱峰。而傳統(tǒng)工藝的樣品在 990℃后又出現(xiàn)一個放熱峰，說明樣品在此溫度時有雜質(zhì)相生成。

圖2 兩種工藝制備β-TCP的DSC曲線Fig. 2 DSC curves of as-synthetized β-TCP by two processes

2.2 兩種工藝所制備樣品的物相分析

2.2.1 兩種工藝所制備樣品的XRD分析 圖3為兩種工藝所制備樣品的XRD譜圖，由圖可知，兩種工藝制備的樣品均在2θ=27.9°、31.1°及34.4°等處出現(xiàn)較強的衍射峰，所對應(yīng)的晶面指數(shù)分別為(214)、(0210)和(220)，符合β-TCP的國際衍射中心粉末衍射數(shù)據(jù)庫(ICDD)的PDF卡09-0169，粉體的結(jié)晶度良好。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝制備的粉體在 2θ=31.8°、32.2°及 32.9°等處出現(xiàn)雜質(zhì)相的衍射峰，經(jīng)過對比ICDD的PDF卡，雜質(zhì)相的衍射峰與HAp的PDF卡09-0432相吻合，3個衍射峰所對應(yīng)的晶面指數(shù)分別為(211)、(112)和(300)。因此，納米球磨-超聲攪拌工藝制備的粉體純度更高。

圖3 兩種工藝制備產(chǎn)物的XRD譜圖Fig. 3 XRD patterns of products prepared by two processes

2.2.2 兩種工藝所制備樣品的 FTIR分析 兩種工藝所制備樣品的FTIR譜圖如圖4所示，3450 cm?1處較寬的吸收峰為樣品中所含水分的振動吸收峰，1043 cm?1、971 cm?1、944 cm?1為—PO43?的伸縮振動吸收峰，604 cm?1、553 cm?1處對應(yīng)—PO43?的彎曲振動吸收峰。而相比納米球磨-超聲攪拌工藝，傳統(tǒng)工藝所制備樣品的紅外光譜中，3572 cm?1處有HAp的—OH伸縮振動吸收峰，再次表明該工藝制備的粉體中含有較多HAp雜質(zhì)。

圖4 兩種工藝制備產(chǎn)物的FTIR譜圖Fig. 4 FTIR spectra of products prepared by two processes

2.3 原料的粒徑對樣品純度的影響探究

2.3.1 兩種工藝所制備樣品的純度 兩種工藝所制備樣品的XRF測試結(jié)果如表1所示，樣品中Ca、P含量的測試結(jié)果以氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)給出，通過Ca/P原子比計算樣品中β-TCP物相的含量。通過計算得出納米球磨-超聲攪拌工藝所制備樣品的純度較高，為 97.1%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝所制備樣品的92.9%。因此，納米球磨-超聲攪拌工藝可制備出較高純度的β-TCP粉體。

表1 兩種工藝制備產(chǎn)物的XRF結(jié)果及純度Table 1 XRF results and purity of products prepared by two processes

2.3.2 原料的粒徑對樣品純度的影響 為了探究影響所制備樣品純度的因素，對兩種球磨工藝加工后原料的粒徑分布及大小進(jìn)行了對比研究。

圖5為多維擺動式納米球磨與普通球磨加工后原料的粒徑分布對比。通過對比可以看出，經(jīng)過多維擺動式納米球磨加工后的CaHPO4·2H2O的粒徑尺寸及分布范圍明顯小于行星球磨加工。雖然經(jīng)過多維擺動式納米球磨加工后的 CaCO3的粒徑分布范圍較寬，但其平均粒徑為（516±23）nm（圖6），遠(yuǎn)小于行星球磨加工后的（1134±59）nm。因此，采用多維擺動式納米球磨加工可以明顯地降低原料的顆粒尺寸及粒徑分布。

圖5 不同球磨工藝加工后的原料粒徑分布Fig. 5 Particle size distribution of raw materials prepared by different ball milling CaHPO4·2H2O after planctary ball milling(a), CaHPO4·2H2O after nano ball milling(b), CaCO3after planctary ball milling(c) and CaCO3after nano ball milling(d)

圖6 不同球磨工藝加工后的原料平均粒徑Fig. 6 Average particle size of raw materials prepared by different ball milling

固相反應(yīng)為非均相反應(yīng)，一般包括相界面上的化學(xué)反應(yīng)和相內(nèi)物質(zhì)遷移兩個過程。由固相反應(yīng)動力學(xué)的金斯特林格方程[19]可以得出固相反應(yīng)速率Kk與反應(yīng)物顆粒半徑R0的關(guān)系，即

其中，D為反應(yīng)物在產(chǎn)物中的擴散系數(shù)，C0為反應(yīng)界面上反應(yīng)物的濃度，μ為產(chǎn)物的分子量，ρ和n分別為產(chǎn)物的密度及單個產(chǎn)物分子中反應(yīng)物的原子個數(shù)。相同反應(yīng)條件情況下上述參數(shù)相同，此時，Kk正比于1/，即固相反應(yīng)速率與反應(yīng)物顆粒半徑呈反比。因此，原料的粒徑越小，不僅能提高兩種原料混合的均勻度，而且顆粒的比表面積也越大，可以同時增大原料混合后顆粒間的接觸面積及固相反應(yīng)速率，進(jìn)而提高固相反應(yīng)向生成物的轉(zhuǎn)化率，使固相反應(yīng)更加充分[20]。因此，采用多維擺動式納米球磨工藝制備的β-TCP粉體純度較高。

2.4 兩種工藝所制備樣品的粒度和形貌分析

2.4.1 兩種工藝所制備樣品的粒度分析 兩種工藝所制備樣品的粒度分布如圖7所示，由圖可以看出，納米球磨-超聲攪拌工藝制備粉體的粒度分布為600～750 nm，粒度分布范圍窄，平均粒徑為 666 nm(表 2)，粒徑小且分布均勻。而傳統(tǒng)工藝制備粉體的粒度分布范圍較寬，為900～1300 nm，平均粒徑達(dá)到1080 nm，粒徑較大且分布不均勻。

表2 兩種工藝制備產(chǎn)物的粒徑特征Table 2 Particle size properties of products prepared by two processes

2.4.2 兩種工藝所制備樣品的形貌 圖8為兩種工藝所制備粉體的SEM照片。從圖8可以看出，納米球磨-超聲攪拌工藝[圖 8(a)、(b)]與傳統(tǒng)工藝[圖8(c)、(d)]所制備的粉體在形貌上有較大的差別。納米球磨-超聲攪拌工藝制備的粉體為細(xì)小顆粒狀，尺寸分布較均勻。而傳統(tǒng)工藝制備的粉體中存在許多較大的塊狀，尺寸分布極不均勻。

圖7 兩種制備產(chǎn)物的粒度分布Fig. 7 Particle size distribution of products prepared by two processes

圖8 兩種工藝所制備產(chǎn)物的SEM照片F(xiàn)ig. 8 SEM images of products prepared by different processes

圖9為兩種工藝所制備的樣品過篩分散后的顆粒形貌。納米球磨-超聲攪拌工藝[圖9(a)]所制備的樣品顆粒分散均勻，顆粒尺寸在500 nm～1 μm，顆粒無明顯的團聚現(xiàn)象。傳統(tǒng)工藝[圖 9(b)]制備的顆粒團聚現(xiàn)象比較明顯，團聚的大顆粒尺寸為 2～5 μm。傳統(tǒng)固相合成工藝中的球磨是粉碎及混合同時進(jìn)行的過程，由于傳統(tǒng)工藝球磨后的原料粒徑大且粒度分布范圍寬，大的顆粒經(jīng)過燒結(jié)后則會團聚成更大的顆粒。而多維擺動式納米球磨工藝加工后的原料粒徑小且分布范圍窄，原料經(jīng)超聲攪拌工藝混合并燒結(jié)后得到的β-TCP粉體也保持了較小且均勻的粒徑。

圖9 不同工藝所制備產(chǎn)物的TEM照片F(xiàn)ig. 9 TEM images of products prepared by different processes

3 結(jié) 論

（1）相比傳統(tǒng)固相合成工藝，納米球磨-超聲攪拌工藝所制備的β-TCP粉體幾乎不含雜質(zhì)相，純度高于97%，粉體顆粒粒徑小且分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象。

（2）采用多維擺動式納米球磨加工后的原料粒徑小，可使顆粒之間接觸面積更大，固相反應(yīng)更充分。

本文所研究的納米球磨-超聲攪拌工藝為β-TCP粉體的制備提供了新的、更穩(wěn)定的工藝，并且此工藝在無機粉體的加工及固相反應(yīng)等領(lǐng)域有廣闊的前景。

[1]黃占杰. 磷酸鈣陶瓷生物降解研究的進(jìn)展[J]. 功能材料, 1997, 28(1): 1-4. HUANG Z J. Development of biodegradable calcium phosphate ceramics[J]. Journal of Functional Materials, 1997, 28(1): 1-4.

[2]OPRITA E I, MOLDOVAN L, CRACIUNESCU O, et al. In vitro behaviour of osteoblast cells seeded into a COL/β-TCP composite scaffold[J]. Central European Journal of Biology, 2008, 3(1): 31-37.

[3]LIU X, MA P X. Polymeric scaffolds for bone tissue engineering[J]. Annals of Biomedical Engineering, 2004, 32(3):477-486.

[4]李世普. 生物醫(yī)用材料導(dǎo)論[M]. 武漢: 武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 2000: 108-109, 113-116. LI S P. Introduction of Biomedical Material[M]. Wuhan: Wuhan University of Technology Press, 2000: 108-109,113-116.

[5]FRANKENBURG E P, GODSTEIN S A, BANER T W, et al. Biomechanical and histological evaluation of a calcium phosphate cement[J]. J. Bone. Joint. Surg. Am., 1998, 80(8): 1112-1124.

[6]OSAKA A, MIURA R, TAEUCHI K, et al. Calcium apatite prepared from calcium hydroxide and orthophosphoric acid[J]. J. Mater. Sci., 1991, 2(1): 51-55.

[7]JATCHO M, BOLEN C H. Hydroxyapatite synthesis andcharacterization in dense polycrystalline form[J]. J. Mater. Sci., 1976, 11(2): 227-235.

[8]徐子頡, 馬超, 王芬芬, 等. 磷酸一氫鈣在甲醇中轉(zhuǎn)化為β-磷酸三鈣納米晶的研究[J]. 無機化學(xué)學(xué)報, 2012, 28(2): 215-220. XU Z J, MA C, WANG F F, et al. Crystal transformation from CMHP to β-TCP in methanol[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2012, 28(2): 215-220.

[9] 何毅, 劉孝波, 楊德娟, 等. 納米級β-磷酸鈣的合成[J]. 合成化學(xué), 2000, 8(2): 88-99. HE Y, LIU X B, YANG D J, et al. The synthesis of nanosized β-tricalcium phosphate[J].Chinses Journal of Synthetic Chemistry, 2000, 8(2): 88-99.

[10]張大海, 闞紅華, 翁文劍, 等. 醇化合物法合成鈣磷酸鹽[J]. 硅酸鹽通報, 1998, 6: 9-12. ZHANG D H, KAN H H, WENG W J, et al. Calcium phosphates synthesized by alkoxides[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 1998, 6: 9-12.

[11]TAO J, JIANG W, ZHAI H, et al. Structural components and anisotropic dissolution behaviors in one hexagonal single crystal of β-tricalcium phosphate[J]. Crystal Growth & Design, 2008, 8(7): 2227-2234.

[12]BOW J S, LIOU S C, CHEN S Y. Structural characterization of room-temperature synthesized nano-sized β-tricalcium phosphate[J]. Biomaterials, 2004, 25(16): 3155-3161.

[13]FAMERY R, RICHARED N, BOCH P. Preparation of α- and β-tricalcium phosphate ceramics, with and without magnesium addition[J]. Ceram. Int., 1994, 20: 327-336.

[14]GROSS K A, BERZINA L, CIMDINS R, et al. Calcium phosphate bioceramics research in Latvia[J]. Ceramics International, 1999, 25(3): 231-237.

[15]閆玉華, 樊東輝. β-TCP多孔陶瓷藥物載體的制備與微觀結(jié)構(gòu)[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1995, (4): 106-108. YAN Y H, FAN D H. Preparing and microstructure of β-TCP porous ceramic drug carrier[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 1995, (4): 106-108.

[16]CHOU J, GREEN D W, SINGH K, et al. Adipose stem cell coating of biomimetic β-TCP macrospheres by use of laboratory centrifuge[J]. BioResearch Open Access, 2013, 2(1): 67-71.

[17]HATTORI T, IWADATE Y. Hydrothermal preparation of calcium hy droxyapalite powders[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1990, 73(6): 1803-1805.

[18]張士華. β-磷酸三鈣粉末和多孔 β-磷酸三鈣生物陶瓷的研制[D].安徽: 合肥工業(yè)大學(xué), 2002. ZHANG S H. Preparation and properties of β-tricalcium phosphate powder and its porous bioceramic[D]. Anhui: Hefei University of Technology, 2002.

[19]PAIK J G, LEE M J, HYUN S H. Reaction kinetics and formation mechanism of magnesium ferrites[J]. Thermochimica Acta, 2005, 425(1/2): 131-136.

[20]張麗. 濕固相機械球磨法制備超細(xì)二氧化鈰粉末[D]. 四川: 西華大學(xué), 2008. ZHANG L. Preparation of supferfine CeO2by wet solid phase mechanochemical method[D]. Sichuan: Xihua University, 2008.

Effect of different ball milling processes on purity and particle size of β-tricalcium phosphate powders by solid-state synthesis

KANG Junpei1,2, GE Ting1,2, LIU Sa1,2, YANG Junzhong1,2, REN Li1,2
(1School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2National Engineering Research Center for Tissue Restoration and Reconstruction, South China University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China)

β-Tricalcium phosphate powders were prepared by nano ball milling and ultrasonic stirring process and compared with conventional process in this research. The purity and particle size of β-TCP powders were investigated by differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscope (FTIR), nanoparticle test, scanning electronic microscopy (SEM), transmission electron microscope (TEM) and X-ray fluorescence spectrum (XRF). The results reveal that the purity of β-TCP powders prepared by the nano ball milling and ultrasonic stirring process can reach over 97%, and the powders average particle size is 666 nm, with high purity and uniform particle size. Moreover, the raw materials with small particle size and good dispersion can be processed through nano ball milling. This process has great potential in the synthesis of inorganic powders by solid-state synthesis.

nano ball milling;ultrasonic stirring; solid-state; synthesis; powder technology; size distribution

Prof. REN Li, psliren@scut.edu.cn

O 611.4

：A

：0438—1157（2017）01—0424—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20160418

2016-04-05收到初稿，2016-06-02收到修改稿。

聯(lián)系人：任力。

：康軍沛（1990—），男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項目（51273072）；十二五國家科技支撐計劃項目（2012BAI17B02）；廣州市科技計劃項目（201508020123）；廣東省自然科學(xué)基金項目（2016A030313509）。

Received date: 2016-04-05.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51273072), the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (2012BAI17B02), the Science and Technology Innovation Council of Guangzhou (201508020123) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province (2016A030313509).