2017, Vol. 25
多孔磷酸钙微球作为一种重要的新型材料，因具有较大的比表面积、较低的体积密度、良好的稳定性、流动性和表面渗透能力等特点，已经在吸附分离、组织工程、药物负载与缓释、催化及传感等方面得到应用，吸引了研究者越来越多的关注.目前，用于制备磷酸钙微球的方法主要有沉淀法[1-5]、微乳液法[6-7]、浆料法[8-10]、喷雾干燥法[11]、火焰喷雾热解法[12]、硬模板法[13-14]、气相扩散法[15]等.用上述方法获得的球形颗粒尺寸范围很宽.一般来说，通过沉淀法、微乳液法、气相扩散法、火焰喷雾热解法得到的球形颗粒，最大直径不超过100 μm；用硬模板法得到的球形颗粒，直径取决于所用的模版.以CaCO3微球为模版制备的HA微球，直径一般在5 μm以下；用硼酸盐玻璃微球为模版所制备的HA微球，直径在100 μm左右.浆料法生产的球形颗粒，直径在500~1 000 μm.即使可以通过不同方法得到不同的粒径，但是，要想获得100~500 μm粒径的颗粒，且产物具有良好的球形形貌和高产率，还是比较困难的.
本文使用安全、无毒的生物原料制备羟基磷灰石纳米粉体，采用非均相悬浮法成球，通过高温烧结制备直径100~500 μm的多孔HA微球.研究有机/无机原料的配比、油相温度、搅拌速度、搅拌时间对微球尺寸、形貌、比表面积和孔隙率的影响，测定微球对饮用水中F-的吸附性能.
1 实验 1.1 羟基磷灰石粉末原料制备鸡蛋壳的主要无机成分为CaCO3(质量分数99%)，不含对人体有害的成分.将鸡蛋壳洗净、烘干后置于陶瓷坩埚内，在高温炉中1 000 ℃下焙烧30 min，得到CaO.
采用文献[16]中的方法，将CaO加入去离子水充分搅拌成1 mol/L的Ca(OH)2悬浮液，将H3PO4加去离子水配制成0.6 mol/L的溶液，按照n(Ca)/n(P)(物质的量比)=1.67，在搅拌下将H3PO4溶液缓慢滴入等量Ca(OH)2悬浮液中.滴完后继续反应一定时间，将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥，得到羟基磷灰石粉末原料.反应方程式如下：
| $ 10{\rm{Ca}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_2} + 6{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{P}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}={\rm{C}}{{\rm{a}}_{10}}{[{\rm{P}}{{\rm{O}}_4}]_6}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_2} + 18{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}. $ |
1) 将1 g明胶加9 mL蒸馏水，在70 ℃水浴中搅拌形成质量分数10%的明胶水溶液.然后加入4~6 g的HA粉末原料，搅拌形成HA/明胶混合浆料.
2) 在锥形瓶中加入50 mL植物油，置于70~90 ℃的水浴中.将HA/明胶混合浆料逐滴加入到植物油中，使用螺旋桨式搅拌器搅拌.在搅拌剪切力和表面张力的共同作用下，浆料在植物油中分散并形成球形颗粒.搅拌速度200~600 r/min.搅拌时间5~15 min.
3) 将锥形瓶放入冰箱内4 ℃的水中静置3 h，使形成的HA/明胶微球充分凝固，并由于重力作用沉淀于油层底部.将上层植物油倒出，用无水乙醇洗涤沉淀2~3次后抽滤，产物放入4 ℃冰箱中干燥.
1.3 烧结将干燥后的微球装入陶瓷坩埚，置于马弗炉中烧结.从室温缓慢程序升温到1 250 ℃，保温30 min，然后自然冷却到室温.烧结是制备多孔HA微球至关重要的一步.烧结不仅可以使微球固化重结晶，而且可以去除明胶，留下的空间在微球内部和表面形成孔隙和贯穿性孔道.
1.4 F-的吸附性能实验取100 mL塑料烧杯，分别加入F-质量浓度为20 mg/L的氟化钠溶液和一定量的微球样品，在恒温下震荡，直到吸附平衡.溶液中F-质量浓度采用GB 7784—87中规定的离子选择电极法测定.用下式计算平衡吸附容量q(mg/g)和吸附率(A)：
| $ q = ({C_o} - C{\rm{ }})V/W, $ |
| $ A = ({C_o} - {C_e})/{C_o} \times 100\% $ |
式中：Co、C分别为溶液中F-的初始质量浓度和吸附平衡后的质量浓度，mg/L；V为溶液体积，L；W为微球质量，g.
1.5 表征采用麦克奥迪MOTIC POL-BA300型光学显微镜观察测定微球的尺寸和表面特征.形貌使用荷兰Sirion200型场发射扫描电子显微镜进行分析，分辨率1.5 nm，加速电压0.2~30 kV，铂金镀膜.XRD分析使用德国D8-ADVANCE型X射线粉末衍射仪，测量范围：2θ =2°~60°；测试条件：Cu-Kα辐射(λ = 0.154 nm)，电压40 kV，电流35 mA，扫描速度2 (°)/min.孔径和比表面积采用ASAP-2460系列多站扩展式全自动快速比表面与孔隙度分析仪测定.
2 结果与讨论当一种液相(分散相)分散于另一种不相混溶的液相(连续相)中，与内部分子相比，相界面上的分子受力不均衡，具有更高的能量.同体积的液体，球体的表面积最小也最稳定，所以，自由液滴必然成为球形.本研究所使用的非均相悬浮法，就是利用互不混溶的液相之间的界面张力与搅拌剪切力的作用，使一种液相在另一种液相中悬浮分散形成微球.
明胶在热水中可以完全溶解，形成明胶水溶液.当温度降到35 ℃以下时，溶胶开始凝固，形成凝胶.本方法是基于明胶的溶解与胶凝特性以及液体的不相混溶性，在较高温度下形成HA/明胶浆料，然后将其分散于植物油中.HA/明胶浆料为分散相，植物油为连续相.HA/明胶浆料在植物油中借助于界面张力与搅拌剪切力的作用分散、悬浮并形成微球.随着环境温度的降低，明胶凝固形成HA/明胶微球.因此，HA/明胶比例、油温、搅拌速度、搅拌时间均可能影响微球尺寸、形貌、比表面积和孔径尺寸.本文主要研究上述因素对微球特征的影响.
2.1 微球的形貌与尺寸 2.1.1 质量比m(HA)/m(明胶比)不同m(HA)/m(明胶)制备的微球样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图 1所示，可以看出，各样品均为分散良好的微球，而且随着m(HA)/m(明胶)的减少，球的直径变小.微球平均直径测量结果见表 1.
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图 1 不同m(HA)/m(明胶)微球的形貌 Figure 1 Morphology of microspheres with different m(HA)/m(gelatin): (a) 4:1; (b) 3.5:1; (c) 3:1 |
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表 1 不同m(HA)/m(明胶)微球的平均直径 Table 1 Average diameter of microspheres with different m(HA)/m(gelatin) |
影响微球大小的主要因素是分散相和连续相的粘度之比(η分散相/η连续相)[17].成球时油相温度一定时，随着m(HA)/m(明胶)降低，分散相(浆料)的粘度降低，更易于在剪切力作用下分散为更小的液滴，所形成的微球直径也更小.
2.1.2 油温改变油温时所制备的样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图 2所示.微球直径测量结果见表 2.油温70~80 ℃时，微球大小比较均匀，平均直径也较大，见图 2(a)和2(b)；油温在90 ℃时，微球直径变小，形状不规则的颗粒较多.微球之间有粘结、团聚现象，见图 2(c).不同油温下HA微球的平均直径(50个球平均)测量结果见表 2.
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图 2 油温对微球形貌和尺寸的影响(m(HA)/m(明胶)=4:1) Figure 2 Effect of oil temperature on the particle size and morphology of microspheres: (a) 70 ℃; (b) 80 ℃; (c) 90 ℃ |
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表 2 不同油温下微球的平均直径 Table 2 Average diameter of microspheres at different oil temperatures |
油温变化直接影响分散相和连续相的粘度.m(HA)/m(明胶)比例一定时，随着油温升高，连续相和分散相(浆料)的粘度均降低，使分散相更易于分散为更小的液滴，形成直径更小的微球.然而, 如果油温过高，分散相(浆料)的粘度过低，微球会变形、粘连，形貌变差.
2.1.3 搅拌速度不同搅拌速度所制备样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图 3所示.搅拌速度200 r/min时，球的直径较大且直径相差比较悬殊，微球之间有粘连，非球形颗粒也较多，见图 3(a)；随着搅拌速度增加，微球直径减小，大小趋于均匀，分散性好，见图 3(b)和3(c).因为浆料是借助于搅拌剪切力的作用在油中分散形成小液滴，当分散相和连续相的黏度之比一定时，随着搅拌速度的增加，剪切力增大，容易形成直径更小、大小更均匀、分散性更好的微球.不同搅拌速度所制备的微球直径的测量结果见表 3.
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图 3 搅拌速度对微球形貌和尺寸的影响(m(HA)/m(明胶)=3.5:1，油温80 ℃) Figure 3 Effect of stirring rate on the particle size and morphology of microspheres: (a) 200 r/min; (b) 400 r/min; (c) 600 r/min |
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表 3 不同搅拌速度微球的平均直径 Table 3 Average diameter of microspheres at different stirring rate |
改变搅拌时间所制备的样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图 4所示.搅拌时间为5 min时，微球直径较大，且大小不均匀，有较多粘连团聚现象，见图 4(a)；搅拌时间增加到10 min时，微球大小趋于均匀，直径减小，分散性增加，见图 4(b).搅拌时间增加到15 min时，产物中出现较多直径低于100 μm的小球，见图 4(c).随着搅拌时间的增加，微球直径有逐渐减小的趋势.改变搅拌时间所制备的样品的直径测量结果见表 4.
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图 4 搅拌时间对微球形貌和尺寸的影响(m(HA)/m(明胶)=3.5:1，油温80 ℃，搅拌速度400 r/min) Figure 4 Effect of stirring time on the particle size and morphology of microspheres: (a) 5 min; (b) 10 min; (c) 15 min |
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表 4 不同搅拌时间微球的平均直径 Table 4 Average diameter of microspheres at different stirring time |
综上所述，m(HA)/m(明胶)比例、油温、搅拌速度和搅拌时间均影响微球直径、形貌和分散性，通过控制这些因素，可以制备出合适尺寸、形貌和分散性良好的羟基磷灰石微米球.
2.2 SEM分析按照m(HA)/m(明胶)=3.5:1、搅拌速度400 r/min、油温80 ℃、搅拌时间10 min制备HA/明胶微球，经程序升温制度，在1 250 ℃焙烧30 min后，所得多孔微球样品的SEM照片如图 5所示.持续缓慢升温使明胶缓慢分解，微球烧结，不仅微球的形貌和分散性保存完好，见图 5(a)，而且明胶分解后在微球表面和内部留下大量微孔隙，见图 5(b)，形成多孔微球.
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图 5 微球样品的SEM照片 Figure 5 SEM photographs of microspheres |
微球比表面积和孔径分析结果见表 5.随着m(HA)/m(明胶)比例的增加，微球的比表面积减小，但孔径变化不大.微球中明胶的比例增加，烧结后微球中的孔隙率增加，微球的比表面积也随着增加.
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表 5 微球的比表面积与孔径 Table 5 Specific surface area and pore size of microspheres |
XRD分析结果显示，自制微球原料为低结晶度HA(图 6(a))，其(002) 面衍射峰清晰尖锐，但(211)、(112) 和(300) 峰合并为1个宽峰.在1 250 ℃焙烧30 min后，微球样品的XRD分析结果见图 6(b)，可以看出，经过缓慢程序升温制度烧结以后，不仅微球的主要结晶相依然为HA，而且经过高温下的重结晶，原料中2θ=30°~35°的宽峰分离形成尖锐清晰的(211)、(112) 和(300)3个衍射峰，显示微球主要是由结晶良好HA微晶组成.此外，XRD谱图分析还检测出少量的α-Ca3(PO4)2.
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图 6 原料和微球样品的XRD分析结果 Figure 6 XRD spectrogram of raw material and microsphere |
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表 6 微球对F-的平衡吸附容量与去除率 Table 6 Equilibrium adsorption capacity and removal rate of F- by microspheres |
当水中F-质量浓度为20 mg/L，吸附达到平衡时，微球对F-吸附容量达到1.9 mg/g以上(表 6).因此较少的投放量即可以大大降低水中F的质量浓度，达到饮用水中F-含量的国家标准(WHO的饮用水氟含量的建议值为1.5 mg/L，我国饮用水卫生标准规定为1.0 mg/L).
3 结论采用沉淀法制备纳米HA粉体；用非均相悬浮法制备HA/明胶微球；然后通过焙烧除去明胶，形成平均直径约150~500 μm、具有良好球形形貌和分散性的多孔HA微球.结果表明，通过改变m(HA)/m(明胶)比例、油温、搅拌速度和搅拌时间，可以控制微球直径、比表面积和分散性.所制备的微球对水中的F-具有良好的吸附性能.
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