CN101637434B

CN101637434B - 核壳型CaCO3/SiO2牙膏磨擦剂的制备方法

Info

Publication number: CN101637434B
Application number: CN200910070251A
Authority: CN
Inventors: 王吉会; 李英; 董青
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: CN101637434A

Abstract

本发明公开了一种核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的制备方法。首先是制备出粒径为3～15μm的球形碳酸钙粒子，然后以球形碳酸钙粒子为模板、正硅酸乙酯为硅源，在氨水的催化作用下通过溶胶-凝胶方法将二氧化硅包覆在球形碳酸钙粒子表面，最终获得单分散的、核壳型CaCO₃/SiO₂复合结构粒子。步骤主要分为球形碳酸钙粒子的制备和核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的制备。本发明的有益效果在于，核壳型CaCO₃/SiO₂球形粒子作为牙膏磨擦剂使用时具有与氟化物的相容性好、去污效果和摩擦能力与市售的SiO₂磨擦剂牙膏相当的优势。

Description

核壳型CaCO3/SiO2牙膏磨擦剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种核壳结构牙膏磨擦剂的制备方法。

背景技术

磨擦剂是牙膏中含量最多的成分、主要起到清洁牙齿但又不磨损牙齿的作用。限于多种因素，目前绝大多数的牙膏都是用单一成分的磨擦剂制成，如碳酸钙、二氧化硅、氢氧化铝、磷酸氢钙、焦磷酸钙等。我国广泛使用轻质碳酸钙作为牙膏磨擦剂；在美国和欧洲等国家较广泛采用的是二氧化硅或磷酸氢钙磨擦剂^[1]。由于单一磨擦剂的综合性能(主要体现在清洁能力、成本、与氟化物的相容性、对牙齿的磨损度等)不足，近年来开始利用混合磨擦剂或磨擦剂复配等方法来制备牙膏。如某高效脱敏牙膏所使用的磨擦剂就是由42％的方解石粉(碳酸钙)和5％的沉淀水合二氧化硅混合而成的^[2]。该牙膏的磨擦值降低了40％，减少了对牙齿的磨损；但该牙膏中碳酸钙与氟化钠相容性的问题依然存在。又如利用二水磷酸氢钙与6％SiO₂复配而制成的牙膏^[3]，虽然其对牙齿的磨损很小，但牙膏存在发黄变质等现象。

牙膏磨擦剂的另一发展方向，是对价格低廉的碳酸钙磨擦剂进行形态和表面的调控与修饰，从而提高碳酸钙磨擦剂在牙膏中的耐酸性及与氟化物的相容性并降低其对牙面的磨损。在形态方面，以碳酸钠和氯化钙为反应物，分别利用聚苯乙烯-丙烯酸和聚苯乙烯磺酸钠的调控作用合成出粒径为2～8μm的球形碳酸钙粒子，但并未对球形碳酸钙粒子进行表面修饰^[4-5]。在表面修饰方面，可将硬脂酸钠等疏水性物质涂覆在碳酸钙粒子的表面，以改善与牙膏中氟化物的相容性；但该方法对碳酸钙与氟化物相容性问题的解决仍不理想^[6]。将硅酸盐加入到碳酸钙悬浮溶液中，制备出由二氧化硅壳和碳酸钙芯组成的颗粒^[7]，但该方法制备温度较高、壳层较薄，与氟化物的相容性也不高。有人提出利用2％或4％的硅酸盐溶液并通入CO₂气体对碳酸钙进行表面处理，可提高碳酸钙粒子的耐酸性及其与氟化物的相容性^[8]。

近几年随着溶胶-凝胶技术的发展，核壳结构材料因核、壳尺寸和成分的可调节性而得到了迅速的发展。如将纳米碳酸钙加入到浓度为5％～70％的硅酸钠水溶液中进行超声分散，经硅酸盐发生水解-缩合反应生成溶胶，从而沉积在纳米碳酸钙表面、形成具有核-壳结构的纳米CaCO₃/SiO₂复合粒子^[9]；还有在碳酸钙悬浮液中加入硅酸盐，同时通入含有CO₂的窑气进行碳化，硅酸盐水解析出的硅溶胶包覆于纳米碳酸钙表面，从而形成核壳型的二氧化硅包覆纳米碳酸钙粒子^[10]。但上述两方法中的纳米碳酸钙由于团聚问题严重，还需要在制备中加入偶联剂或亲油性诱导剂和有机活化剂等才能改善其分散性，以便作为功能性填料用于涂料、橡胶和塑料等领域。如能利用二氧化硅包覆微米级球形碳酸钙颗粒、直接制备出单分散的、CaCO₃/SiO₂核-壳复合结构粒子用于牙膏磨擦剂则是目前最为理想的解决方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种核壳型二氧化硅包覆微米级球形碳酸钙颗粒的牙膏磨擦剂制备方法，从而克服碳酸钙磨擦剂与氟化物相容性差、对牙齿磨损严重的缺陷，以达到在牙膏制作中替代成本较高的二氧化硅磨擦剂的目的。

本发明的技术方案说明如下：首先是制备出粒径为3～15μm的球形碳酸钙粒子，然后以球形碳酸钙粒子为模板、正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，在氨水的催化作用下通过溶胶-凝胶方法将二氧化硅包覆在球形碳酸钙粒子表面，最终获得单分散的、核壳型CaCO₃/SiO₂复合结构粒子。

核壳型二氧化硅包覆微米级球形碳酸钙颗粒的牙膏磨擦剂制备，以聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、氯化钙、无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸乙酯以及氨水为原料，具体制备方法及步骤如下：

步骤一：球形碳酸钙粒子的制备

(1)将聚苯乙烯磺酸钠(简写为PSSS，分子量为200000)溶解于蒸馏水中，配制成浓度为0.5～15g/L的PSSS溶液。

(2)在速度为200～1000转/分的搅拌下，将20～50ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为9.0～10。

(3)在速度为200～1000转/分的搅拌下，再加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液20～50ml；持续搅拌溶液1～15min，然后在室温下静置24～48h形成球形碳酸钙粒子，取出沉淀物、过滤，用蒸馏水洗涤3～5次，90～100℃烘干1～2h。

在碱性环境中，氯化钙将与碳酸钠反应生成碳酸钙，进而碳酸钙在PSSS溶液的调节下得到分散性高、圆度好、粒度为3～15μm的球形碳酸钙粒子，备用于步骤二。

步骤二：核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的制备

(1)称取步骤一制备的球形碳酸钙粒子2～10g，加入到20～150ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液5～30ml，超声分散30～60min形成悬浮液，并在50～70℃的恒温水浴中保温1～10min。

(2)在速度200～1000转/分的搅拌下，于1～2h内缓慢滴加4～30ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为9.0～10。

(3)继续搅拌反应3～6h后，将反应物沉淀取出，用蒸馏水洗涤3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h，可得粒度为5～20μm、SiO₂壳层厚度为0.5～1.0μm的核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的球形粒子。

在碱性条件下，十六烷基三甲基溴化铵吸附在碳酸钙上形成有机/无机复合模板，正硅酸乙酯在其上发生水解、缩聚，从而将SiO₂壳层包覆于碳酸钙表面。

上述制备技术方案中所用的聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、氯化钙、无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸乙酯及氨水等原料均为分析纯；溶液的搅拌是利用电动搅拌器实现的。

本发明的有益效果在于：核壳型CaCO₃/SiO₂球形粒子作为牙膏磨擦剂使用时具有与氟化物的相容性好、去污效果和摩擦能力与市售的SiO₂磨擦剂牙膏相当的优势。具体实验数据如下：

(1)与氟化物的相容性将同样质量的CaCO₃磨擦剂、SiO₂磨擦剂和核壳型CaCO₃/SiO₂粒子，在37℃的条件下放入到一定浓度的氟化钠溶液浸泡7天。之后利用离子色谱法检测溶液中氟离子的剩余浓度，并以(未反应氟离子浓度/原始氟离子浓度)×100％表示与氟化物的相容性。该数值越大，表示与氟化物的相容性越好。CaCO₃、SiO₂和核壳型CaCO₃/SiO₂粒子与氟化物的相容性依次为22％、99.5％和93％。说明核壳型CaCO₃/SiO₂粒子与氟化物具有很好的相容性。

(2)去污能力利用发明的核壳型CaCO₃/SiO₂粒子为磨擦剂配制成牙膏，并与市售的SiO₂磨擦剂牙膏一起对染色的蛋壳进行了去污能力检测。结果表明，两者的去污能力相当。

(3)磨损能力使用摩擦磨损试验机和表面粗糙度测量仪对核壳型CaCO₃/SiO₂粒子为磨擦剂的自制牙膏、及市售的SiO₂磨擦剂牙膏和CaCO₃磨擦剂牙膏与铝片的摩擦磨损性能进行了测定。结果表明，核壳型CaCO₃/SiO₂自制牙膏对铝片的磨损量略大于市售SiO₂磨擦剂牙膏、但仅为CaCO₃磨擦剂牙膏的一半。即使用核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏不会对牙齿造成严重的磨损。

附图说明

图1是PSSS浓度为2g/L时球形碳酸钙粒子的粒径分布曲线。

图2是PSSS浓度为8g/L时球形碳酸钙粒子的粒径分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步的说明，但本发明不限于这些具体的实施例。

实施例1

称取1g PSSS溶解于1000ml蒸馏水中，配制成浓度为1g/L的PSSS溶液。在300转/分的搅拌速度下，将40ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为10。接着在300转/分的搅拌速度下，再次加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液40ml；持续搅拌溶液10min，然后在室温下静置48h。取出沉淀物、过滤，用蒸馏水3～5次，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为13.5μm的球形碳酸钙粒子。

称取上述的球形碳酸钙粒子6g，加入到80ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液20ml，超声分散45min形成悬浮液，并在70℃的恒温水浴中保温5min。接着在300转/分的搅拌速度下，于2h内缓慢滴加20ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为10。继续搅拌反应5h后，将反应物沉淀取出；并用蒸馏水3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为15μm、SiO₂壳层厚度为0.5～1.0μm的、核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂球形粒子。

实施例2

称取2g PSSS溶解于1000ml蒸馏水中，配制成浓度为2g/L的PSSS溶液。在500转/分的搅拌速度下，将25ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为10。接着在500转/分的搅拌速度下，再次加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液25ml；持续搅拌溶液10min，然后在室温下静置24h。取出沉淀物、过滤，用蒸馏水3～5次，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为11.2μm的球形碳酸钙粒子(图1)。

称取上述的球形碳酸钙粒子2g，加入到30ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液10ml，超声分散30min形成悬浮液，并在50℃的恒温水浴中保温5min。接着在500转/分的搅拌速度下，于2h内缓慢滴加5ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为10。继续搅拌反应3h后，将反应物沉淀取出；并用蒸馏水3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为12μm、SiO₂壳层厚度为0.5～0.8μm的、核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂球形粒子。

实施例3

称取4g PSSS溶解于1000ml蒸馏水中，配制成浓度为4g/L的PSSS溶液。在200转/分的搅拌速度下，将30ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为10。接着在200转/分的搅拌速度下，再次加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液30ml；持续搅拌溶液10min，然后在室温下静置24h。取出沉淀物、过滤，用蒸馏水3～5次，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为5.5μm的球形碳酸钙粒子。

称取上述的球形碳酸钙粒子2g，加入到30ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液10ml，超声分散30min形成悬浮液，并在60℃的恒温水浴中保温5min。接着在200转/分的搅拌速度下，于2h内缓慢滴加5ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为10。继续搅拌反应3h后，将反应物沉淀取出；并用蒸馏水3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为6μm、SiO₂壳层厚度为0.5～0.8μm的、核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂球形粒子。

实施例4

称取6g PSSS溶解于1000ml蒸馏水中，配制成浓度为6g/L的PSSS溶液。在600转/分的搅拌速度下，将45ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为9.0。接着在600转/分的搅拌速度下，再加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液45ml；持续搅拌溶液10min，然后在室温下静置48h。取出沉淀物、过滤，用蒸馏水3～5次，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为4.5μm的球形碳酸钙粒子。

称取上述的球形碳酸钙粒子5g，加入到70ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液20ml，超声分散30min形成悬浮液，并在50℃的恒温水浴中保温10min。接着在600转/分的搅拌速度下，于2h内缓慢滴加15ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为9.0。继续搅拌反应4h后，将反应物沉淀取出；并用蒸馏水反复3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为6μm、SiO₂壳层厚度为0.5～1.0μm的、核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂球形粒子。

实施例5

称取8g PSSS溶解于1000ml蒸馏水中，配制成浓度为8g/L的PSSS溶液。在400转/分的搅拌速度下，将50ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为10。接着在400转/分的搅拌速度下，再加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液50ml；持续搅拌溶液10min，然后在室温下静置36h。取出沉淀物、过滤，用蒸馏水3～5次，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为8.2μm的球形碳酸钙粒子(图2)。

称取上述的球形碳酸钙粒子5g，加入到70ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液20ml，超声分散30min形成悬浮液，并在65℃的恒温水浴中保温5min。接着在400转/分的搅拌速度下，于2h内缓慢滴加15ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为10。继续搅拌反应3h后，将反应物沉淀取出；并用蒸馏水3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为10μm、SiO₂壳层厚度为0.5～1.0μm的、核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂球形粒子。

实施例6

称取10g PSSS溶解于1000ml蒸馏水中，配制成浓度为10g/L的PSSS溶液。在800转/分的搅拌速度下，将40ml浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入PSSS溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为10。接着在800转/分的搅拌速度下，再加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液40ml；持续搅拌溶液10min，然后在室温下静置30h。取出沉淀物、过滤，用蒸馏水3～5次，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为5.1μm的球形碳酸钙粒子。

称取上述的球形碳酸钙粒子10g，加入到130ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液30ml，超声分散60min形成悬浮液，并在65℃的恒温水浴中保温10min。接着在800转/分的搅拌速度下，于2h内缓慢滴加30ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为10。继续搅拌反应5h后，将反应物沉淀取出；并用蒸馏水3～5次至中性，再用乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h后即可得到平均粒径为7μm、SiO₂壳层厚度为0.5～1.0μm的、核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂球形粒子。

参考文献

[1]李刚.牙膏磨擦剂的理化特性和常用类型[J]，牙体牙髓牙周病学杂志，2003，13(8)：465-468

[2]王勤，胥莉.牙膏磨料的磨损性[J]，牙膏工业，2003，(3)：17-19.

[3]罗文姗.浅析牙膏中磨擦剂与磨损值的关系[J]，牙膏工业，2004，(2)：42

[4]金达莱等.纳米碳酸钙复合的微球体制备及其尺寸控制[J]，无机化学学报，2004，20(1)：21-25

[5]雷鸣等.单分散球形碳酸钙粒子的简易合成[J]，常熟理工学院学报，2006，20(2)：23-27

[6]专利WO0027338

[7]专利WO9739728

[8]专利WO2003075874

[9]专利CN02115028

[10]专利CN200810033368

Claims

1.核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的制备方法，以聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、氯化钙、无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸乙酯以及氨水为原料，其特征是制备方法及步骤如下：

步骤一：球形碳酸钙粒子的制备

(1)将聚苯乙烯磺酸钠溶解于蒸馏水中，配制成浓度为0.5～15g/L的聚苯乙烯磺酸钠溶液；

(2)在速度为200～1000转/分的搅拌下，将浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液倒入聚苯乙烯磺酸钠溶液中，并加入氨水调节溶液的pH值为9.0～10；

(3)在速度为200～1000转/分的搅拌下，再加入浓度为0.5mol/L的氯化钙溶液20～50ml；持续搅拌溶液1～15min，然后在室温下静置24～48h形成球形碳酸钙粒子，取出沉淀物、过滤，用蒸馏水洗涤3～5次，90～100℃烘干1～2h，

步骤二：核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的制备

(1)称取步骤一制备的球形碳酸钙粒子2～10g，加入到20～150ml的无水乙醇中，并同时加入浓度为5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液5～30ml，超声分散30～60min形成悬浮液，并在50～70℃的恒温水浴中保温1～10min；

(2)在速度为200～1000转/分的搅拌下，于1～2h内缓慢滴加4～30ml的正硅酸乙酯，同时加入氨水调节溶液的pH为9.0～10；

(3)继续搅拌反应3～6h后，将反应物沉淀取出，用蒸馏水洗涤3～5次至中性，再用无水乙醇清洗，90～100℃烘干1～2h，可得粒度为5～20μm、SiO₂壳层厚度为0.5～1.0μm、单分散的核壳型CaCO₃/SiO₂牙膏磨擦剂的球形粒子。

12-4-6与审查电话后将全部CTAB去掉，仅保留十六烷基三甲基溴化铵。