聚丙烯酰胺對(duì)草酸鈣結(jié)晶的調(diào)控作用

孫海波（大慶煤化公司聚合物一廠聚合物研究所，黑龍江 大慶 163000）

草酸鈣一般情況下呈白色晶體粉末狀，弱酸性，與水和醋酸不相溶，溶于濃鹽酸或濃硝酸，遇灼燒會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣或氧化鈣，并具有一定的毒性。在自然界礦物的形成均可通過(guò)特殊的反應(yīng)介質(zhì)、細(xì)胞或有機(jī)質(zhì)在動(dòng)物體、微生物及植物體內(nèi)完成，生物礦化是經(jīng)過(guò)界面分子識(shí)別、細(xì)胞加工、有機(jī)大分子預(yù)組織、生長(zhǎng)調(diào)控等措施完成的，而有機(jī)基質(zhì)中無(wú)機(jī)礦物的生長(zhǎng)及成型則是通過(guò)立體學(xué)匹配、經(jīng)典匹配、幾何匹配等措施完成的，通過(guò)各種措施促使生物礦物具有更優(yōu)異的物理性能和形貌。近幾年，相關(guān)研究人員受生物礦化的啟示，以有機(jī)大分子作為模板，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行分子操縱，將各種無(wú)機(jī)功能材料合成為有機(jī)材料和生物，本文的研究主要是以聚丙烯酰胺為模板，制定草酸鈣有機(jī)晶體。

圖1 聚丙烯酰胺分子結(jié)構(gòu)式

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑：本次試驗(yàn)中所需試劑為草酸鉀、氯化鈣、聚丙烯酰胺及二次蒸餾水。

1.2 儀器：本次試驗(yàn)中所需儀器為掃描電子顯微鏡、X射線粉末衍射儀、pH儀器及生化培養(yǎng)箱。

X射線粉末衍射儀的測(cè)試條件為：采用配有40KV，20mA的石墨彎晶單色器進(jìn)行Cu靶Ka輻射；掃射狹縫為：DS，1°，RS，0,15mmol/L，1°，X射線掃面范圍為2θ為6°-65°。隨后采用X射線粉末衍射光譜進(jìn)行分析，首先制定一水草酸鈣和二水草酸鈣的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)曲線，然后計(jì)算二水草酸鈣的質(zhì)量百分含量。

1.3 試驗(yàn)方法

首先準(zhǔn)備不同濃度的聚丙烯酰胺各20.0ml，不斷的攪拌聚丙烯酰胺溶液，在攪拌下均勻加入1.0ml濃度為25.0mmol/L的草酸鉀溶液，攪拌2min使聚丙烯酰胺與次酸鉀溶液均勻相溶，隨后加入1.0ml濃度為25.0mmol/L的氯化鈣溶液，均勻攪拌后加入二次蒸餾水對(duì)混合溶液進(jìn)行稀釋，直至混合溶液容量至25.0ml，最后將其放入溫度為37℃的生化培養(yǎng)箱中，使其靜置生長(zhǎng)1天。1天后就會(huì)有晶體出現(xiàn)，將晶體取出在干燥的環(huán)境下首先用一般顯微鏡進(jìn)行觀察，隨后用掃描電子顯微鏡和X射線粉末衍射觀察各個(gè)晶體的特征。

2 結(jié)果和討論

2.1 草酸鈣與聚丙烯酰胺濃度的關(guān)系

當(dāng)草酸鈣的濃度為1.0mmol/L，不添加聚丙烯酰胺及任何化學(xué)溶液時(shí)，草酸鈣會(huì)生成聚集狀、拉長(zhǎng)六邊形的叉生草酸鈣晶體，通過(guò)在X射線粉末衍射定量計(jì)算及光譜對(duì)照所生成的晶體特征只類似于一水草酸鈣晶體特征。實(shí)驗(yàn)表明，在上述混合溶液中加入不同濃度的聚丙烯酰胺后，草酸鈣晶體的尺寸、晶相及晶狀都會(huì)隨之發(fā)生變化，此結(jié)果可以說(shuō)明聚丙烯酰胺的濃度對(duì)草酸鈣結(jié)晶有一定的調(diào)控作用。首先在以上溶液中加入濃度為5.0g/L的聚丙烯酰胺后，六邊形的一水草酸鈣晶體的棱角變得圓鈍，并且晶狀變得如花生狀。發(fā)生此變化主要是因?yàn)榫郾０钒l(fā)生水解形成羧酸根離子，離子間相互排斥使聚丙烯酰胺分子呈舒展?fàn)顟B(tài)，從而使聚丙烯酰胺分子與一水草酸鈣中的鈣離子發(fā)生發(fā)應(yīng)，使一水草酸鈣的鈣離子離解平衡，并不斷的溶解鈣離子，被溶解的鈣離子沉積在一水草酸鈣表面，從而產(chǎn)生棱角圓鈍的六邊形晶體。由于聚丙烯酰胺發(fā)生水解后可抑制二水草酸鈣晶體正電荷晶面的生長(zhǎng)，而未被水解的聚丙烯酰胺則會(huì)沉積在一水草酸鈣不帶電荷的晶面，并抑制其正常生長(zhǎng)，未被抑制的晶面則會(huì)正常生長(zhǎng)，從而形成花生狀的一水草酸鈣。用X射線粉末衍射定量計(jì)算其結(jié)果為，添加聚丙烯酰胺溶液所形成的一水草酸鈣晶體衍射峰比未添加聚丙烯酰胺的晶體衍射峰強(qiáng)度大。

圖2 一水草酸鈣的晶體變化模擬圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，向溶液中不斷的增加聚丙烯酰胺的濃度，二水草酸鈣的含量也會(huì)隨之增加，聚丙烯酰胺在抑制一水草酸鈣生長(zhǎng)的同時(shí)促進(jìn)了二水草酸鈣的形成，引起這種變化的主要原因是，隨著聚丙烯酰胺濃度的增加，溶液中的羧基根離子增加，并不斷的與鈣離子發(fā)生反應(yīng)，從而形成較多的核位點(diǎn)，在核位點(diǎn)基礎(chǔ)上會(huì)形成較多尺寸小表面的晶體，在反應(yīng)過(guò)程中這些晶體會(huì)聚集在一起，降低表面能，增加其穩(wěn)定性，從而誘導(dǎo)生成二水草酸鈣。

2.2 p H對(duì)晶體形成的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，在不同的pH下草酸鈣晶體的晶狀和晶相都會(huì)隨之發(fā)生變化，在pH=5時(shí)，有橢圓形、球狀聚集體的一水草酸鈣晶體和四角雙錐形二水草酸鈣晶體，各種晶體的比例為5:4:1，當(dāng)pH逐漸增大，其晶體也逐漸形成為二水草酸鈣晶體，在pH=12時(shí)，聚丙烯酰胺在強(qiáng)堿的作用下會(huì)加速水解，水解過(guò)程中形成大量的聚陰離子，所產(chǎn)生的陰離子與一水草酸鈣正電荷的晶面發(fā)生較強(qiáng)的靜電作用，阻礙一水草酸鈣生長(zhǎng)位點(diǎn)的晶體生長(zhǎng)，從而促進(jìn)二水草酸鈣晶體的生成。聚丙烯酰胺水解生成的聚陰離子增加了水界面和聚合物鈣離子的濃度，從而增加了水界面處草酸鈣過(guò)飽和度，進(jìn)而加強(qiáng)形成高能態(tài)的二水草酸鈣。

2.3 草酸鈣過(guò)飽和度對(duì)晶體形成的影響

在濃度為5.0g/L的聚丙烯酰胺基礎(chǔ)上，逐漸增加草酸鈣的過(guò)飽和度，數(shù)據(jù)顯示晶體的數(shù)量會(huì)隨草酸鈣過(guò)飽和度的增加而增加，所形成晶體的尺寸、晶相、晶狀都會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)X射線粉末衍射圖譜定量計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)草酸鈣的過(guò)飽和度分別為0.5mmol/L、1.0mmol/L、2.0mmol/L時(shí)，二水草酸鈣晶體的含量為5%、31%、45%。在聚丙烯酰胺的作用下，草酸鈣通常是在聚丙烯酰胺鏈表面的化學(xué)微環(huán)境里發(fā)生反應(yīng)并成核，當(dāng)草酸鈣的過(guò)飽和度增加時(shí)，成核速率也會(huì)隨之增加，但成核活化能會(huì)隨之減少，這種反應(yīng)在一定程度上會(huì)增加溶液中草酸鈣晶體的數(shù)量，使聚丙烯酰胺水溶液中含有兩種形式的鈣離子：一種是溶液中游離的鈣離子，另一種是在聚丙烯酰胺和水界面被束縛的鈣離子，向溶液中加入草酸鈣溶液，草酸鈣分子與游離的鈣離子發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)生成穩(wěn)定的一水草酸鈣晶體，當(dāng)草酸鈣分子與被束縛的鈣離子發(fā)生反應(yīng)時(shí)，由于界面上所存在的草酸鈣過(guò)飽和度較高，因此更容易生成亞穩(wěn)定的二水草酸鈣晶體。當(dāng)草酸鈣的濃度為0.5mmol/L時(shí)，會(huì)生成橢圓形和聚集狀的一水草酸鈣及四角雙錐形的小尺寸二水草酸鈣晶體，當(dāng)草酸鈣的過(guò)飽和度逐漸增加為1.0mmol/L時(shí)，則會(huì)生成花生狀的一水草酸鈣的晶體和少量花狀的二水草酸鈣聚集體，并且二水草酸鈣晶體的尺寸明顯增加，當(dāng)草酸鈣的過(guò)飽和度逐漸增加為2.0mmol/L時(shí)，二水草酸鈣的晶體逐漸增加，出現(xiàn)少量十字狀二水草酸鈣晶體，并且晶體厚度增加。通過(guò)X射線粉末衍射定量計(jì)算，當(dāng)草酸鈣過(guò)飽和度逐漸增加，一水草酸鈣的面峰逐漸減弱，從而促進(jìn)了二水草酸鈣的形成。

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