羥基磷灰石HA陶瓷生產實驗

.z...….word.…羥基磷灰石(HA)瓷生產實驗1.實驗目的1.1初步訓練方案設計、實驗、生產、檢驗等的能力;1.2培養(yǎng)查閱文獻、市場調研、搜集和整理資料、設計、工程管理、科學實驗、生產制造、分析問題和解決問題、發(fā)表見解的初步能力;1.3掌握羥基磷灰石的根本性質、功能和用途，以及幾種制備羥基磷灰石的原理和方法；1.4實踐利用濕化學法中的沉淀法制備羥基磷灰石粉體；1.5熟悉和掌握相關儀器設備的使用。2.實驗原理羥基磷灰石[Hydro*yapatite，HA；分子式：Ca10(PO4)6(OH)2]的化學組成和結晶構造類似于人骨骼系統(tǒng)中的磷灰石，優(yōu)良的生物活性和生物相容性是其最大的優(yōu)點，人體骨細胞可以在羥基磷灰石上直接形成化學結合，在普通合成的生物材料中添加少量納米羥基磷灰石可顯著改善材料對成骨細胞的粘附和增殖能力，促進新骨形成，因此適宜于做骨替代物。羥基磷灰石的鈣磷摩爾比為1.67，與天然骨相近。目前生產羥基磷灰石的方法主要分為濕法合成和干法合成，其中濕法包括溶膠-凝膠法、沉淀法和水熱法三種[3,4,5]。2.1溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是近些年來才開展起來的新方法，已經引起了廣泛的關注。找到適宜的、能夠合成最終的羥基磷灰石的溶膠一凝膠體系是其合成的關鍵。其原理是：將醇鹽溶解在選定的有機溶劑中，在其中加蒸餾水使醇鹽發(fā)生水解、聚合反響后生成溶膠，再將Ca2+溶膠緩慢滴加到(PO4)3-溶膠中，加水變?yōu)槟z，凝膠經老化、洗滌、真空狀態(tài)下低溫枯燥，得到干凝膠，再將干凝膠高溫煅燒．就得到羥基磷灰石的納米粉體。該方法的優(yōu)點為：合成及燒結溫度低、可存分子水平上混合鈣磷的前驅體，使溶膠具有高度的化學均勻性。缺點是化學過程比較復雜、醇鹽原料價格昂貴、有機溶劑毒性大，對環(huán)境易造成污染等。2.2沉淀法沉淀法是制備羥基磷灰石粉體最典型的方法。這種方法通常采用把一定濃度的磷酸氫銨和硝酸鈣反響或者磷酸與氫氧化鈣在一定的溫度下攪拌反響生成羥基磷灰石沉淀，反響過程中使用氨水〔NaOH溶液1mol/L〕調節(jié)pH值，把沉淀物高溫煅燒從而得到羥基磷灰石粉體。其典型工藝：Ca(NO3)2與磷酸鹽[(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4]溶液進展反響，沉淀經過濾、枯燥，制成粉末顆粒。2.3.水熱法水熱法其特點是在特制的密閉的反響器〔高壓釜〕，水溶液為反響介質。在高溫高壓環(huán)境中，不受沸點的限制，可以使介質的溫度上升到200-400℃，使原來難溶或不溶的物質溶解并重新結品的方法。這種方法通常采用磷酸氫鈣等為原料的水溶液體系。在高壓釜中制備HA粉體。其典型的工藝為：以CaCl2[或Ca(NO3)2]與NH4H2PO4為原料，以鈦網、Ti6Al6V片或其他合金為陰極，以石墨為陽極?？刂埔欢ǖ膒H值和沉淀時間，可得CaHPO4·2H2O，隨后經水蒸氣處理，即得到羥基磷灰石?；瘜W反響如下：H2PO4-=HPO42-+H+HPO42-+Ca2++2H2O=CaHPO4·2H2O10CaHPO4·2H2O=Ca10(PO4)6(OH)2+4H3PO4+18H2O3.實驗設計3.1資料查詢參考:①中國化工信息網:..=2\*GB3②中國知網羥基磷灰石瓷纖維制作工藝的研究.ki../Article/CJFDTotal-CYYF202112003.htm=3\*GB3③萬方數據:硅灰石增韌多孔羥基磷灰石生物瓷的制備工藝及性能研究d.wanfangdata../Thesis_Y852044.asp*=4\*GB3④.cqvip./Main/Detail.asp*?id=5299084參考文獻①邱關明編.新型瓷.:兵器工業(yè),1993=2\*GB3②周松青,彩釉磚胚的裂紋和變形缺陷機理分析.瓷1990=3\*GB3③周松青.杜海清.彩釉磚版面細小裂紋的隨機性及數理統(tǒng)計.中國瓷1994參考標準國家瓷質量檢測中心.彩色釉面磚外觀質量.行業(yè)標準參考信息目前為止我國生產羥基磷灰石瓷的方法有如下幾種:1)水熱法:水熱工藝為無水磷酸氫鈣與磷酸在高壓鍋中反響。溫度為100-500,壓力為1-500大氣壓,制備時間約48小時。2)固相反響法:將碳酸鈣與磷酸鹽混合均勻,在高溫下發(fā)生固相反響,生成磷酸鈣瓷。3)濕法式.利用鈣離子與磷酸根離子在一定條件下,在水溶液中反響合成羥基磷灰石瓷。在以上三個工藝中,因反響在高溫高壓下進展,合成設備相當貴,而且設備操作復雜,能量消耗大。而濕式法工藝相對來說較為簡單易行。3.2市場調查羥基磷灰石，又稱羥磷灰石，是鈣磷灰石〔Ca5(PO4)3(OH)〕的自然礦物化。但是經常被寫成〔Ca10(PO4)6(OH)2〕的形式以突出它是由兩局部組成的：羥基與磷灰石。OH-基能被氟化物、氯化物和碳酸根離子代替，生成氟基磷灰石或氯基磷灰石，其中的鈣離子可以被多種金屬離子通過發(fā)生離子交換反響代替，形成對應金屬離子的M磷灰石〔M代表取代鈣離子的金屬離子〕。羥基磷灰石〔HAP〕是脊椎動物骨骼和牙齒的主要組成，人的牙釉質中羥基磷灰石的含量在96%以上。羥基磷灰石具有優(yōu)良的生物相容性，并可作為一種骨骼或牙齒的誘導因子，在口腔保健領域中對牙齒具有較好的再礦化、脫敏以及美白作用。實驗證明HAP粒子與牙釉質生物相容性好，親和性高，其礦化液能夠有效形成再礦化沉積，阻止鈣離子流失，解決牙釉質脫礦問題，從根本上預防齲齒病。含有HAP材料的牙膏對唾液蛋白、葡聚糖具有強吸附作用，能減少患者口腔的牙菌斑，促進牙齦炎愈合，對齲病、牙周病有較好的防治作用。羥基磷灰石瓷的研究和應用,在生物材料工程界引起極大關注,利用瓷羥基磷灰石制成的人造骨,人造牙齒,人造關節(jié)等,已用于很多實驗.3.3實驗依據羥基磷灰石具有獨特的別離機理，是唯一直接用于蛋白質和核酸純化的無機層析填料，高度耐堿，生物平安性最高。其中磷酸離子與帶正電的蛋白質以離子鍵結合，具有離子交換特性，可由NaCl濃度梯度或磷酸鈉濃度梯度洗脫，其中的Ca2＋離子與帶負電蛋白質的自由羧基以金屬螯合方式結合，該結合方式對NaCl不敏感，可由磷酸鈉濃度梯度洗脫。因此該填料既可以用磷酸鈉單梯度洗脫，也可以采用NaCl梯度洗脫后以低濃度磷酸鈉緩沖液平衡，再以磷酸鈉濃度梯度洗脫的雙梯度洗脫模型，以到達更高的分辨率。羥基磷灰石類型選擇：羥基磷灰石因瓷化工藝不同分為2種類型：A型和B型，I型對蛋白質具有更大的保存，對普通蛋白質具有更大的動態(tài)載量，主要純化大局部蛋白質〔分子量一般在100kd一下〕；B型由于孔徑較A型大，因而對抗體和局部重組疫苗等大分子量蛋白質的動態(tài)載量更高，而對HSA幾乎無保存，因而更適合于抗體的純化，同時II型對核酸具有更大的保存，能夠分辯單、雙鏈、是否超螺旋等各種高級構造的核酸，因而也適合純化核酸。3.４所需設備和原料實驗原料磷酸二氫鈣〔Ca(H2PO4)2·H2O〕、氫氧化鈣〔Ca(OH)2〕、檸檬酸〔C6H8O7〕、無水乙醇〔C2H6O〕和去離子水。該實驗以磷酸二氫鈣和氫氧化鈣為主要原料，按54：37的配比混合，用去離子水作為溶劑，并參加適量的添加劑〔檸檬酸〕。其化學反響式：3Ca(H2PO4)2·H2O+7Ca(OH)2→Ca10(PO4)6(OH)2+15H2O。實驗儀器及設備該試驗的儀器主要有：三角瓶、燒杯、量筒、蒸發(fā)皿、研缽、球磨棒；該試驗的設備主要有：電熱恒溫水浴鍋、強力攪拌機、離心機、電熱鼓風枯燥箱、燒結爐、電子天平。4.主要設備的使用及本卷須知4.1電熱恒溫水浴鍋電熱恒溫水浴鍋為水槽式，水槽用不銹鋼制作，機箱用優(yōu)質冷軋鋼板精心制作而成?？販鼐植坑锰刂频碾娮涌販?；以數顯顯示鍋實際溫度，具有造型美觀‘耐腐蝕、控溫穩(wěn)定、節(jié)能實用、維修方便、長壽等特點。如以下圖：1、接通電源，設定溫度：按SET鍵可設定或查看溫度設定點。按一下SET鍵數碼管字符開場閃動,表示儀表進入設定狀態(tài),按→鍵設定值增加，按←鍵設定值減小，長按←鍵或→鍵數據會快速變動，再一次按SET鍵儀表回到正常工作狀態(tài)溫度設定完畢；2、通電前應先將水注入鍋至隔板以上，使用過程中加熱管絕不能露出水面，否則加熱管將會燒毀甚至爆裂或焊錫融化漏水、觸電等；3、平安用電：該產品用220V交流電源，電源插座應采用三孔平安插座，必須妥善接地，切不可將地線接到煤氣管上；4、如需作100℃4.2強力攪拌機該實驗采用的是系列攪拌機調速器，該設備由攪拌驅動主機、運行狀態(tài)控制器、機架等組成。攪拌驅動主機采用高密度壓鑄鋁合金機殼的微型電機、輸出端應用多級增力機構，低速攪拌運行轉矩輸出大，運行穩(wěn)定；運行狀態(tài)控制器采用無級調速器，運行轉速可按實驗所需任意選擇；機架開放式的應用，擴大混合介質容器的選擇性；攪拌棒軋頭，卸裝簡便。產品具有連續(xù)使用性能好，實驗操作方便等特性。如以下圖：4.3離心機離心原理，當含有細小顆粒的懸浮液靜置不動時，由于重力場的作用使得懸浮的顆粒逐漸下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液體小的粒子就會上浮。微粒在重力場下移動的速度與微粒的大小、形態(tài)和密度有關，并且又與重力場的強度及液體的粘度有關。象紅血球大小的顆粒，直徑為數微米，就可以在通常重力作用下觀察到它們的沉降過程。此外，物質在介質中沉降時還伴隨有擴散現(xiàn)象。擴散是無條件的絕對的。擴散與物質的質量成反比，顆粒越小擴散越嚴重。而沉降是相對的，有條件的，要受到外力才能運動。沉降與物體重量成正比，顆粒越大沉降越快。對小于幾微米的微粒如病毒或蛋白質等，它們在溶液中成膠體或半膠體狀態(tài)，僅僅利用重力是不可能觀察到沉降過程的。因為顆粒越小沉降越慢，而擴散現(xiàn)象則越嚴重。所以需要利用離心機產生強大的離心力，才能迫使這些微粒抑制擴散產生沉降運動。

離心就是利用離心機轉子高速旋轉產生的強大的離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降系數和浮力密度的物質別離開。如以下圖：4.4電子天平電子天平，用于稱量物體質量。電子天平一般采用應變式傳感器、電容式傳感器、電磁平衡式傳感器。應變式傳感器，構造簡單、造價低，但精度有限，目前不能做到很高精度；電容式傳感器稱量速度快，性價比較高，但也不能到達很高精度；采用電磁平衡傳感器的電子天平。其特點是稱量準確可靠、顯示快速清晰并且具有自動檢測系統(tǒng)、簡便的自動校準裝置以及超載保護等裝置。本卷須知：1、為正確使用天平，請您熟悉天平的幾種狀態(tài)：顯示器右上角顯示O：表示顯示器處于關斷狀態(tài)；顯示器左下角顯示O：表示儀器處于待機狀態(tài)，可進展稱量；顯示器左上角出現(xiàn)菱形標志：表示儀器的微處理器正在執(zhí)行*個功能，此時不承受其他任務；2、天平在安裝時已經過嚴格校準，故不可輕易移動天平，否則校準工作需重新進展；3、嚴禁不使用稱量紙直接稱量！每次稱量后，請清潔天平，防止對天平造成污染而影響稱量精度，以及影響他人的工作。4.5電熱鼓風枯燥箱鼓風枯燥箱根據應用的不同，又稱為鼓風枯燥箱和恒溫枯燥箱，老化箱，烘箱等。DHG系列電熱鼓風枯燥箱采用國外技術設計，國最新穎款式，采用低噪聲風機，通用送風系統(tǒng)使空氣所經過加熱體時能最大限度的帶走很多熱量，很快到達設定溫度。DHG系列鼓風枯燥箱根據應用的不同，又稱為鼓風枯燥箱和恒溫枯燥箱，老化箱，烘箱等。DHG系列電熱鼓風枯燥箱鼓風枯燥箱采用國外技術設計，國最新穎款式，采用低噪聲風機，通用送風系統(tǒng)使空氣所經過加熱體時能最大限度的帶走很多熱量，很快到達設定溫度。DHG系列電熱鼓風枯燥箱具有設計優(yōu)良，造型新穎，工藝先進，控溫準確，性能穩(wěn)定，容易維護，操作方便等優(yōu)點。鼓風枯燥箱適用于工礦企業(yè)、大專院校、醫(yī)藥衛(wèi)生、科研單位等對物品進展烘焙、枯燥、溶解等用。使用規(guī)枯燥箱用于試樣的烘熔，枯燥或其它加熱用。最高溫度為250度，枯燥箱在環(huán)境溫度不大于40度，空氣相對溫度不大于85%條件下工作?？菰锸褂脤Ｓ玫牟孱^插座，并用比電源線粗一倍之導線接地，使用前檢查電氣絕緣性能，并注意有否斷路，短路及漏電現(xiàn)象。箱上放入溫度計，翻開電源調節(jié)溫近期旋至較高位置，待溫度上升至預業(yè)溫度，往回調節(jié)溫控鈕至接觸開頭剛好斷開，再經幾次微調即可恒溫。翻開底部排氣孔排除箱濕氣。試品鋼板最大平均負荷為15kg，放置切勿過重、過密，一定要留有空隙，工作室底板上不能放置試品。本卷須知：1、枯燥箱嚴禁放入易燃、易揮發(fā)物品，以防爆炸；2、通上電源，綠色指示發(fā)亮，開啟鼓風開關，豉風電機運轉，開啟電源開關1，紅色指示燈亮，表示一組電熱絲通電升溫，如需加高溫，可將電源開關旋至開頭2位置，使二組電熱絲同時升溫，恒溫時，可關閉一組加熱開關；3、工作時，箱門不宜經常翻開，以免影響恒溫場。工作時應有專人監(jiān)測箱溫度，一旦溫度失控，應及時斷電檢查，以免事故發(fā)生。4.6燒結爐燒結爐是一種在高溫下，使瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙〔氣孔〕和晶界漸趨減少，通過物質的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有*種顯微構造的致密多晶燒結體的爐具。燒結爐主要用于瓷粉體、瓷插芯和其他氧化鋯瓷的燒結，金剛石鋸片的燒結，也可用于銅材，鋼帶退火等熱處理。同樣可用于厚膜電路、厚膜電阻、電子元件電極、LTCC、鋼加熱器、太陽能電池板等類似產品的高溫燒結、熱處理。燒結爐主要應用在鋼鐵行業(yè)、冶金行業(yè)、新材料行業(yè)等。5.實驗步驟1、量取3000ml蒸餾水于5000ml三角瓶中并用電子天平稱取適量〔Ca〔OH〕2〕粉末與之混合配制為飽和溶液。2、用電子天平稱取適量檸檬酸與Ca〔H2PO4〕2·H2O參加步驟一中飽和溶液并將之于70℃電熱恒溫水浴鍋用強力攪拌機攪拌約2小時?！埠銣厮″亼崆邦A熱至703、將攪拌過的溶液靜放一天進展化分層處理，并將上層較清水緩慢倒除，將下層渾濁液體分別測量100ml左右于離心容器中并在離心機中依次進展離心處理，直到所有溶液離心完成得到凝膠?！搽x心機轉速1500r／min，12min〕。4、將所得凝膠置于小坩堝中并在電熱鼓風枯燥箱中枯燥，溫度為70℃5、取出干凝膠于研缽中，參加適量無水乙醇，手工研磨一小時左右后，將粉末繼續(xù)在枯燥箱中100℃6、將烘干后的粉末于750℃7、將粉末枯燥冷卻后置于特定模具中，用油壓機進展壓制成型，將壓制后的胚體在燒結爐中燒結處理約2小時，即可得到HA瓷。8、將所得HA瓷進展檢測分析,將所得HA瓷進展激光粒度分析得出不同燒結溫度下HA的粒徑分布。６.成分檢測和分析6.1粒度分布的測定=1\*GB3①實驗儀器設備激光粒度儀一臺，蒸餾水假設干，電子天平，燒杯假設干=2\*GB3②測定方法1、接通儀器電源，預熱10——15min。2、稱取1g制備的式樣，放入參加350ml蒸餾水的燒杯中。3、翻開前蓋板，用小塊白紙插入光路，白紙上假設出現(xiàn)一圓形紅色光斑，說明激光器工作正常。4、在樣品池中注入蒸餾水，同時翻開排水管以便排出管氣泡，用卡子卡住排水管，使樣品窗中充滿蒸餾水，隨時注意保持樣品池水位不低于1/3。5、翻開電腦主機上的mastersizer程序，設置好各種參數后，點擊加樣品按鈕。6、參加適量被測樣品池中，啟動攪拌器與超聲器，使樣品在分散液中充分分散。7、超聲一段時間后，翻開抽水泵機使樣品懸浮液進入樣品窗。8、按下開場檢測按鈕，機器開場檢測。液晶屏顯示“稍候……〞,隨即顯示測試結果數據表，顯示顆粒群的粒度分布圖。9、樣品池的清洗=1\*GB2⑴樣品測試前后必須清洗樣品池與樣品窗及全部制樣系統(tǒng)。=2\*GB2⑵清洗采用蒸餾水，自樣品池注入，至排水管放出。反復屢次。=3\*GB2⑶清洗時。觀察能譜高度，能譜降至0位。認為清洗完畢。=3\*GB3③實驗測定數據〔詳見表1、圖1〕表1不同燒結溫度下HA的粒徑分布值Temperature/(℃)枯燥分散700800900100011001200/(μm)1.2560.6762.3161.0051.9892.4120.7622.979/(μm)14.07013.57412.77713.37914.22615.27621.22521.006/(μm)36.48045.59147.54048.87051.55755.28552.54972.764Meansize/(μm)17.26819.94720.87721.08422.59024.32424.84535.583：所占體積的為10%時所對應的顆粒的粒徑；：所占體積的為50%時所對應的顆粒的粒徑；：所占體積的為90%時所對應的顆粒的粒徑；Meansize：平均粒徑。圖1不同燒結溫度下的粒度分布曲線a枯燥態(tài)b分散態(tài)ch為700℃、800℃、900℃、1000℃、6.2抗壓強度極限的測定=1\*GB3①實驗儀器設備YES–2000B型全自動壓力試驗機一臺，磨片機一臺，游標卡尺一個=2\*GB3②測定方法3.1送三相及單相電源。3.2按下油泵啟動按鈕，啟動油泵，預熱5分鐘。3.3關閉回油伐，翻開送油伐，并觀看壓力機活塞，控制送油閥使其緩慢上升。3.4壓力機活塞上升1-4mm后，然后關閉送油閥。3.5此時按下壓力機控制柜數字顯示器上的“清零〞鍵。3.6按指定的加荷速度均勻加荷，直到試塊破裂。3.7試塊破裂后關閉送油閥，翻開回油閥。3.8重復上述步驟，然后做下一組試驗。=3\*GB3③實驗測定數據〔詳見表2〕T/(℃)700800900100011001200P/(MPa)83121132151129107表2不同燒結溫度下HA的抗壓強度極限T：