合成的硅灰石粉末燃烧方法:燃料的作用

文摘

这项工作的目的已经被溶液燃烧合成的硅灰石的方法。这个工作已经获得的新奇的结晶相而不需要热治疗后合成。为此,尿素作为燃料。硝酸钙被选为来源的钙和硅胶作为硅的来源。的燃料的量对燃烧过程的影响研究。燃烧反应是紧随其后的是数字测温的温度。获得的产品通过扫描电子显微镜(SEM), x射线衍射(XRD)和比表面积。结果表明,燃烧合成纳米粉的特点是提供了一个高的表面积。当过量尿素,wollastonite-2M得到submicronic结构。

1。介绍

材料用于替换或补充生活功能的组织被称为生物材料。达到一个理想的生物材料的要求,它必须具有生物亲和性,可降解和生物活性等。的领域之一是使用生物材料在骨替代或再生,而最常使用脚手架。在这种情况下,除了生物材料的固有属性,这些必须osteoconductors和osteoinducers。同时,他们必须存在一个相互联系的网络是至关重要的细胞营养的开孔率,扩散和迁移组织血管化和提供机械支持直到形成新的组织(1]。

各种各样的材料,如金属(2)、陶瓷(3),天然和合成聚合物(4,他们的组合5)一直在探索替代和修复受损骨骼组织。广泛受到关注的发展生物活性材料,包括钙磷酸盐、硅酸盐、眼镜等组织再生中使用的应用程序(5,6]。已经被更多的关注在硅酸钙陶瓷材料,特别是硅灰石(卡西欧₃),作为生物材料用于骨再生,因为它好在体外生物活性。很多作者研究能力诱导形成羟磷灰石层的表面在体外条件时沉浸在模拟体液(SBF)与离子浓度、pH值、温度几乎等于人类血浆(7- - - - - -13]。

它是由德阿扎和Luklinska[演示14),德阿扎、水平和德阿扎(15,16吴,et al。17)材料含有钙和硅原子的成分,哪些是免费的P HA层表面原子也可以生产。Fiocco et al。9)提出,Mg原子可以进一步增强硅酸钙材料的生物活性。

一般来说,钙硅酸盐高温合成,900到1100°C。由固态硅灰石可以合成路线(18),溶胶凝胶(19),或共沉淀法20.),但这些方法需要高能量和很长时间形成的产品。

溶液燃烧合成(SCS)被广泛用于合成submicronic氧化物陶瓷粉末。这在于合成一个放热氧化还原反应,与硝酸盐分解(氧化剂)和燃料的氧化。维护所需的热演化是大于燃烧过程;因此,系统变得自我维持的。放热反应的化学能释放提供了自发的合成(20.- - - - - -22]。SCS已经成为一个优秀的技术合成,这是由于其固有的优越品质,包括更好的同质性、成分控制、降低加工温度,和单步操作,导致高反应性粉末(20.,23- - - - - -25]。最终产品通常是晶体材料毫微米集群和有一个很大的比表面积的结果在合成过程中产生大量的气体。这个高体积的气体产生高的多孔聚结。点火温度(T_搞笑)明显低于燃烧温度(T_c),结果在最后形成固相(23]。

Chakradhar et al。26)准备大孔纳米晶体硅灰石(卡西欧₃)陶瓷粉末通过一个简单的、低温启动、自动传输的,燃烧过程的解决方案。的阶段β卡西欧₃和α卡西欧₃之后才得到加热在950°C和1200°C,分别。黄和张22]合成了硅灰石(α卡西欧₃)由citrate-nitrate凝胶燃烧方法使用柠檬酸作为燃料和硝酸为氧化剂。的形成α卡西欧₃观察后煅烧粉2 h的650°C。

这项工作的目的是获得β卡西欧₃通过燃烧合成不需要使用进一步加热治疗。为此,Ca(没有₃)₂和胶体SiO₂被雇佣为前体和尿素作为燃料。燃料的燃烧量的影响过程和产品的特性进行了研究。

2。材料和方法

四水硝酸钙(Ca(没有₃)_2·4 h₂O)(霓虹灯有限公司由拉级,97%),胶体SiO₂(Sigma-Aldrich有限公司50 wt %的水),尿素(NH)₂CONH₂)(Sigma-Aldrich,有限公司,由拉级,99.5%),和硝酸(HNO₃有限公司)(西格玛奥德里奇,境年级70%)被用作原材料。获得所需的大量的试剂5克的产品被溶解在去离子水的50毫升。

解决方案在80°C和均质搅拌干去除多余的水分。包含解决方案引入的烧杯马弗炉预热到600°C。放置在炉时,混合解决方案很快就开始沸腾,进行脱水,大规模膨胀产生泡沫。整个过程需要不到15分钟的火焰持续时间近一分钟。as-synthesized产品通常是大量的,蓬松的泡沫状占领大量的质量。由此产生的软手动结块是容易地在一个玛瑙研钵和研杵到细粉和特点。

2.1。描述

准备的粉末的相组成是由x射线衍射(XRD);力量D8)使用nickel-filtered CuK_α辐射。强度被step-scanning收集从10°到60°(2θ)步长为0.02°1 s的每个步骤和计算时间。傅里叶变换红外光谱得到使用400红外光谱谱仪光谱。样本准备在溴化钾(KBr)球团质量在KBr (ca。2%)。准备样品的红外光谱400至4000厘米⁻¹都被记录下来。的比表面积_打赌)的粉末是由氮吸收(尽快2020分析器,微粒学)。当量直径(d_打赌)测量计算粒子的表面积(S_打赌)值通过以下关系: 在哪里ρ的理论密度粉(2.8克/厘米吗³硅灰石)。场发射扫描电镜(FESEM s - 4700、日立、日本)被用来描述燃烧产物的微观结构及形貌进行了表征,事先涂上金、溅射。温度的测量粉末混合物的双色高温计(妊娠和分娩综合管理模型IGAR 12-LO)可测量温度范围在500°C - 2200°C。附近的高温计被打开的门反应堆炉。用玻璃纤维光学(指导)是专注于样品。理论上最大火焰温度计算尿素作为燃料的燃烧反应和不同比例的燃料和氧化剂。这是来自燃烧焓计算反应(ΔH°)和产品(热容C_p在恒压下。

3所示。结果与讨论

硅灰石的合成燃烧反应可以表示为(2): 在哪里是一个系数,定义了燃料的总量。这是在合成与释放的总能量。系数的值1、2和3为样本:意味着所需的尿素是燃料氧化剂的化学计量比,考虑硝酸铝作为唯一的氧化剂。或3意味着燃料的数量是两次,三次,分别在化学计量;在这种情况下燃料过剩,相应数量的HNO₃添加平衡其他燃料。

在文献[可用热力学数据27)在表列出各种反应物和产物1。在绝热条件下,火焰温度(T_f)燃烧系统对不同内容的燃料是由方程计算(3): 在哪里是由 ,ΔH_298年°的标准生成焓,C_p是反应产物的热容在恒定的压力,然后呢T_广告绝热火焰温度,在开氏温标(K)。

典型的温度剖面的溶液燃烧合成卡西欧₃如图1。最初,它是观察到短恒温区域称为地区样品的温度低于最低温度范围的高温计。在这段时间里,水是部分蒸发。之后,突然增加的温度发生了一个最大值(T_马克斯),合成终止与缓慢冷却。

测量(T_c)和计算火焰的温度(T_f这个反应的不同燃料和氧化剂比例如表所示2。所有的资料,发现在最初的瞬间,温度验证了高温计500°C,尽管炉在600°C,和这种差异的温度有关,最初,样品在温度低于最低温度测量高温计,500°C。这一时期也仍然保持自由水蒸发的特点在示例。当材料还没有到达炉温度,燃烧的开始。这增加迅速从温度低于500°C的最大燃烧。

测量的温度远低于相应的计算温度。最主要的原因是,此外,高温计用于测量面积的测量直径约2毫米,这意味着它的措施不仅燃烧前沿温度还预热、冷却。总之,温度测量对应的面积测量的平均值。

最高燃烧温度观察当过量()使用的燃料。温度的急剧增加的点火燃烧反应。最高温度称为燃烧温度,达到最高温度后,样品迅速冷却。它可以观察到,测量了在不同燃烧温度的依赖比,增加燃料提供了样品的燃烧温度的增加。

x射线衍射分析燃烧产品获得不同数量的尿素如图2。它可以观察到当 ,粉显示可怜的结晶度和形成阶段α′ca₂SiO₄(JCPDS文件没有。00-036-0642),γca₂SiO₄(JCPDS文件没有。00-049-1672),曹(JCPDS文件不。01-075-0264)、SiO₂(JCPDS文件没有。01-082-1564);也许,起始材料并没有如预期的反应,因此没有形成一个理想的阶段,造成SiO的形成₂阶段。

当尿素增加的数量(),完全结晶相wollastonite-2M观察(JCPDS文件没有。00-027-0088),表明温度达到足以获得所需的阶段没有后续煅烧。

进一步提高尿素量()提供的消失wollastonite-2M阶段和阶段α′ca₂SiO₄(JCPDS文件没有。00-036-0642),γca₂SiO₄(JCPDS文件没有。00-049-1672),曹(JCPDS文件不。01-075-0264)、SiO₂(JCPDS文件没有。01-082-1564)。这些阶段高结晶度的高温合成,证实了使用高温计的温度测量(图1)。燃烧温度越高所提供的大量的燃料可能超过了硅灰石的熔化温度(计算温度预测)和液相直接到达。我们可以看到在相图(图3),在一个给定的温度下(T= 1544°C),这个阶段有一个相等的熔点。直接通过液相可能导致降水的同时共存的水晶阶段在达到温度冷却。

图4显示了所有样品的红外光谱。红外光谱分析数据证实,红外光谱的峰值在480 - 1110厘米⁻¹是由于卡西欧₃(9,28]_。∼480厘米的山峰⁻¹可以归因于弯曲振动Si-O-Si债券。这些乐队900 - 1110厘米的范围内⁻¹被分配到Si-O-Si不对称伸缩振动和O-Si-O伸缩振动吸收带(29日,30.]。峰值约1370厘米⁻¹是由于离子的振动(没有₃),硝酸的微量的起始物料的硝酸钙在样例;这个峰值随燃料的数量的增加31日]。乐队在1470厘米⁻¹成立一个示例,显示样本,曹的存在增加数量的燃料,这些乐队逐渐减少32,33]。乐队1644厘米左右⁻¹可以归因于H-O-H债券的弯曲振动在分子水。宽带约3400 - 3600厘米⁻¹是由不同的羟基的伸缩振动和剩下的吸附水。与尿素的增加,因此燃烧温度,这些峰消失。减少可能是由于水分子的释放被困在固体矩阵(26,34,35]。

表3显示了比表面积(SSA)和粒子大小(估计比表面积(d_打赌)的粉末通过燃烧的函数n。的事实是,在燃烧合成、燃烧温度越高,火焰持续时间越长,导致颗粒的粗化。本研究的框架内,当 ,低火焰温度和高气体体积增长和抑制了粒子生成的粉与更高的表面积。随着燃料的数量增加, ,更高的温度在燃烧反应表面积减少由于晶粒生长。相反,当 ,融化和降水的新阶段,可能引起的燃烧温度高,粒径小,比表面积高。

对其产品的观察(图4)表明,所有样品表现出相当凝聚粒子与结节性纳米结构形态。在较高放大(数字4 (b),4 (d),和4 (f)),可以观察到粉末结构submicronically,较小的颗粒烧结在一起,形成较大的颗粒,可由于燃烧温度较高。

图5 (d)显示了一个更大的毛孔,相比,样本数据所示5 (b)和5 (f),这是一个燃烧产物的微观结构的特征由于大量气体的逃逸在燃烧;增加燃料量(数字5 (e)和5 (f))提供了一种减少这些气孔的存在,表明更大颗粒的烧结。

在数据6(一)和6 (b),可以观察到另一种形态的样品了和 ,分别和异构形态是由结晶相(清晰)包围一个非晶相(黑色部分)。的异质性可以证实的x射线分析结果(图2)这些样本的证据的形成不同的阶段。在样本的情况下获得的 ,阶段发现的晶体,这可以解释由于高燃烧温度是获得青睐的离解和分解获得的硅灰石什么时候 。

4所示。结论

水晶卡西欧₃已经被溶液燃烧合成法合成后没有任何热处理。

这是观察到的燃料量显著影响相的组成。

当过量尿素()使用wollastonite-2M是唯一的阶段。

使用化学计量量的燃料()不支持燃烧合成的,因此它是不可能获得材料的结晶阶段。而更高的燃料量()提供了硅酸钙的形成阶段,但它是不可能得到硅灰石。

燃烧合成方法获取submicronic结构化的硅灰石,用尿素作为燃料,是一种有效的方法获得粉末而无需额外的热处理。

数据可用性

热力学数据用于支持本研究的发现已被存入兰格的化学手册院长,1999库10.1080 / 10426919008953291。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由西班牙的经济和竞争力项目mat2013 - 48426 c2 - 1 r和程序科学无国界MEC / MCTI /斗篷/ CNPq / fap(电话号03/2014),没有过程。401220/2014-1。

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