本發(fā)明屬于無機(jī)材料強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備無機(jī)多孔納米材料的方法。
背景技術(shù)：
羥基磷灰石納米的成孔工藝是過去十年間研究的主要熱點(diǎn)，也仍然是目前研制工作中的難點(diǎn)，特別是控制孔隙率及孔徑尺寸，達(dá)到“優(yōu)質(zhì)、高效、簡單、低廉”的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更為重要。目前制備羥基磷灰石納米材料的方法很多，如水熱反應(yīng)法、添加造孔劑法、氣體分解法、浸漬法、微波工藝法和水熱熱壓法等。這些合成方法無法同時(shí)滿足合成產(chǎn)物顆粒均勻、良好的球形結(jié)構(gòu)、高純度和高產(chǎn)率的要求。因此，人們一直在尋找一種快速、簡易和綠色的方法制備羥基磷灰石納米材料。
超聲波是一種高頻機(jī)械波，頻率范圍在15～60kHz的超聲，常被用于過程強(qiáng)化和引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。早在上個(gè)世紀(jì)20年代Loomis等就發(fā)現(xiàn)超聲波可以加速化學(xué)反應(yīng)、提高生物活性，但當(dāng)時(shí)未引起化學(xué)家的注意，加之超聲技術(shù)水平特別是超聲發(fā)生器研制水平落后，影響和限制了超聲波在化學(xué)、化工的應(yīng)用與研究。到了八十年代中期，隨著功率超聲設(shè)備的普及和發(fā)展，聲化學(xué)的研究蓬勃發(fā)展起來。目前，如何盡快把聲化學(xué)的研究成果從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用工業(yè)化生產(chǎn)，己成為世界各國研究的熱點(diǎn)，特別是關(guān)美、法、英、日、俄等國家在工業(yè)化方面己取得－些進(jìn)展。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，大量的研究報(bào)道見十九世紀(jì)九十年代以后，其中云南大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、華南理工大學(xué)等在超聲應(yīng)用等方面做了很多工作。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備無機(jī)多孔納米材料的方法，制備出的合成產(chǎn)物顆粒具有尺寸均勻、良好的球形結(jié)構(gòu)、高純度和高產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：本多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備無機(jī)多孔納米材料的方法，，依次包括以下步驟：
a、羥基磷灰石納米材料制備過程參數(shù)：分別稱取23.616g Ca(NO3)2?4H2O和7.924g(NH4)2HPO4，用去離子水溶解，容量瓶定容，準(zhǔn)確配制成0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液以及0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液，并用氨水將兩溶液的pH均調(diào)節(jié)到10.2左右；然后在室溫下，利用分液漏斗將100mL0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液緩慢滴加到裝有100mL0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液的燒杯中，同時(shí)用磁力攪拌器不斷攪拌進(jìn)行反應(yīng)；滴加完畢后，將裝有反應(yīng)溶液的燒杯移置多頻復(fù)合超聲實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行超聲作用時(shí)間為1～3h，反應(yīng)溫度為30～50℃，經(jīng)干燥后即得尺寸均勻、分散性好、高純度和高產(chǎn)率的多孔羥基磷灰石納米；
所述的多頻復(fù)合超聲實(shí)驗(yàn)裝置：由槽式超聲設(shè)備和探頭式超聲裝置組合而成，其中槽式超聲設(shè)備的底面、兩個(gè)側(cè)面都可以發(fā)出不同頻率的超聲波，即槽式超聲設(shè)備總共有三個(gè)不同率的超聲波進(jìn)行調(diào)換，探頭式超聲裝置只有一個(gè)頻率的超聲波，探頭式超聲裝置和槽式超聲設(shè)備可以同時(shí)相向發(fā)出超聲波，以致形成多個(gè)頻率超聲波作用于多孔羥基磷灰石納米；
b、采用超聲空化強(qiáng)度測定儀觀察超聲空化效應(yīng)，研究多頻復(fù)合超聲作用下的羥基磷灰石納米材料顆粒的均勻度、純度、產(chǎn)率、孔隙率與超聲參數(shù)（頻率、功率、強(qiáng)度）、工藝過程條件（溫度、時(shí)間等）之間的關(guān)系，找到多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備羥基磷灰石納米材料的最佳工藝參數(shù)；
c、采用透射電鏡、氮?dú)馕娇讖椒治鰞x、X射線粉末衍射儀、傅里葉紅外光譜儀等對所得納米材料的微觀形貌、孔徑分布、物相、表面官能團(tuán)進(jìn)行表征；
d、對多頻復(fù)合超聲制備過程所應(yīng)用的最佳參數(shù)和工藝條件進(jìn)行合理假設(shè)，運(yùn)用傳遞原理，建立多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備羥基磷灰石納米材料過程數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。
作為優(yōu)選，所述的槽式超聲設(shè)備的超聲波頻率為30～50KHz，功率為200～400W，探頭式超聲裝置的超聲波頻率為20～25KHz，功率為400～600W。
作為優(yōu)選，所述的槽式超聲設(shè)備的超聲波頻率為40KHz，功率為300W，探頭式超聲裝置的超聲波頻率為23KHz，功率為450W。
作為優(yōu)選，所述的槽式超聲設(shè)備的底面、兩個(gè)相對設(shè)置的側(cè)面上均設(shè)有頻率可調(diào)節(jié)的超聲波發(fā)生器，其中設(shè)有超聲波發(fā)生器的一個(gè)側(cè)面上設(shè)有探頭式超聲裝置，所述的探頭式超聲裝置包括設(shè)置于側(cè)壁上的能夠產(chǎn)生超聲波的探頭。
作為優(yōu)選，所述的超聲作用時(shí)間為2h，反應(yīng)溫度為35℃。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：多頻復(fù)合超聲技術(shù)能顯著地增加空化事件，減少駐波所造成的死角，提高聲化學(xué)產(chǎn)額，因此利用多頻復(fù)合超聲形成的空化場將范圍擴(kuò)大、增加有效作用空間和增強(qiáng)空化效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到羥基磷灰石納米材料的制備，能夠制備出合成產(chǎn)物顆粒具有尺寸均勻、良好的球形結(jié)構(gòu)、高純度和高產(chǎn)率。
具體實(shí)施方式：本方案依次包括以下步驟：a、羥基磷灰石納米材料制備過程參數(shù)：分別稱取23.616g Ca(NO3)2?4H2O和7.924g(NH4)2HPO4，用去離子水溶解，容量瓶定容，準(zhǔn)確配制成0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液以及0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液，并用氨水將兩溶液的pH均調(diào)節(jié)到10.2左右；然后在室溫下，利用分液漏斗將100mL0.060mol/L的(NH4)2HPO4溶液緩慢滴加到裝有100mL0.100mol/L的Ca(NO3)2溶液的燒杯中，同時(shí)用磁力攪拌器不斷攪拌進(jìn)行反應(yīng)；滴加完畢后，將裝有反應(yīng)溶液的燒杯移置多頻復(fù)合超聲實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行超聲作用時(shí)間為1～3h，反應(yīng)溫度為30～50℃，經(jīng)干燥后即得尺寸均勻、分散性好、高純度和高產(chǎn)率的多孔羥基磷灰石納米；
具體地說，多頻復(fù)合超聲實(shí)驗(yàn)裝置：由槽式超聲設(shè)備和探頭式超聲裝置組合而成，其中槽式超聲設(shè)備的底面、兩個(gè)側(cè)面都可以發(fā)出不同頻率的超聲波，即槽式超聲設(shè)備總共有三個(gè)不同率的超聲波進(jìn)行調(diào)換，探頭式超聲裝置只有一個(gè)頻率的超聲波，探頭式超聲裝置和槽式超聲設(shè)備可以同時(shí)相向發(fā)出超聲波，以致形成多個(gè)頻率超聲波作用于多孔羥基磷灰石納米；
b、采用超聲空化強(qiáng)度測定儀觀察超聲空化效應(yīng)，研究多頻復(fù)合超聲作用下的羥基磷灰石納米材料顆粒的均勻度、純度、產(chǎn)率、孔隙率與超聲參數(shù)（頻率、功率、強(qiáng)度）、工藝過程條件（溫度、時(shí)間等）之間的關(guān)系，找到多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備羥基磷灰石納米材料的最佳工藝參數(shù)；
c、采用透射電鏡、氮?dú)馕娇讖椒治鰞x、X射線粉末衍射儀、傅里葉紅外光譜儀等對所得納米材料的微觀形貌、孔徑分布、物相、表面官能團(tuán)進(jìn)行表征；
d、對多頻復(fù)合超聲制備過程所應(yīng)用的最佳參數(shù)和工藝條件進(jìn)行合理假設(shè)，運(yùn)用傳遞原理，建立多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備羥基磷灰石納米材料過程數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。
具體地說，槽式超聲設(shè)備的超聲波頻率為40KHz，功率為300W，探頭式超聲裝置的超聲波頻率為23KHz，功率為450W。
具體地說，槽式超聲設(shè)備的底面、兩個(gè)相對設(shè)置的側(cè)面上均設(shè)有頻率可調(diào)節(jié)的超聲波發(fā)生器，其中設(shè)有超聲波發(fā)生器的一個(gè)側(cè)面上設(shè)有探頭式超聲裝置，探頭式超聲裝置包括設(shè)置于側(cè)壁上的能夠產(chǎn)生超聲波的探頭。
本技術(shù)將應(yīng)用多頻復(fù)合超聲協(xié)同強(qiáng)化制備羥基磷灰石納米材料，該技術(shù)是國際上公認(rèn)的“綠色”技術(shù)，它的推廣和應(yīng)用對保護(hù)環(huán)境具有十分重要的意義。在生產(chǎn)過程中超聲制備工藝流程簡單、低溫工作、操作方便。是一個(gè)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保事業(yè)和諧發(fā)展的綠色工程。
本方案中的方法可以達(dá)到以下目的：
（1）經(jīng)多頻復(fù)合超聲技術(shù)協(xié)同強(qiáng)化制備羥基磷灰灰石納米材料、整體操作成本低、低溫、無污染、節(jié)約能源、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)方法制備能更好地發(fā)揮作其為功能性材料方面的作用、拓寬使用范圍、降低毒副作用，增進(jìn)人體身體健康。
（2）本方案產(chǎn)品生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生廢氣、廢渣等污染物，不會(huì)對環(huán)境造成污染和危害；減少能源損耗，降低生產(chǎn)成本。
本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。