煅烧温度对氧化镁微观结构和性能的影响*

马安博

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

前 言

镁基骨胶粘剂（Magnesium-based bone adhesive，MBA）的可降解特性、生物相容性及其在与骨组织粘接方面所呈现的粘接特性等[1]引起了学术界浓厚的研究兴趣和医学界对其应用开发的极大关注。

镁基骨胶粘剂主要由重烧氧化镁、磷酸盐及调和液混合制备而成[2]。随着对其应用性能的研究，学者发现氧化镁的晶粒尺寸、粒径、比表面积、活性及相组成等对MBA材料的固化性能、机械强度及生物活性等性能都有较大的影响[3～4]，因此，有关影响氧化镁颗粒微观结构和性能的因素也应引起人们的足够重视。煅烧是改善材料性能的一个重要的途径。目前关于煅烧温度对氧化镁活性的研究比较多，但对于煅烧温度对氧化镁颗粒微观结构和性能的系统研究仍比较少。基于此，本文研究了煅烧温度对氧化镁粒度、比表面积、活性、微观形貌及相结构等性能的影响，从而实现对MBA固化反应速率的控制，为其在临床使用提供理论依据与试验支撑[5]。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料包括医用级氧化镁（MgO）、柠檬酸、酚酞指示剂及去离子水，所用化学药品均为分析纯。试验分别将氧化镁用箱式电阻炉进行不同温度下的煅烧处理，煅烧温度范围为800～1500℃，升温速率9℃/min，保温时间3h，保温后随炉冷却。

1.2 测试方法

采用激光粒度测试仪测试氧化镁煅烧前后的粒度，分散剂为蒸馏水；采用SA3100比表面积-孔隙率分析仪测量不同煅烧温度下氧化镁的比表面积；采用扫描电子显微镜对煅烧前后的氧化镁颗粒表面形貌进行表征；采用XRD-7000型X射线衍射仪对煅烧前后的氧化镁颗粒的相组成进行分析；采用酸碱中和滴定法测量氧化镁的化学活性，酚酞为指示剂。

2 结果与分析

2.1 相组成

图1为氧化镁煅烧前后的XRD衍射图谱，从图中可以看出，四者的XRD图谱都是由氧化镁的衍射峰组成的，没有其他杂质；此外，煅烧前后衍射峰的位置也未发生明显的变化，说明经过煅烧后的氧化镁还是较稳定的；煅烧后氧化镁的衍射峰的强度有所增强，也更尖锐，这说明在经过不同温度的煅烧后氧化镁的晶体结构更完整。

图1 氧化镁煅烧前后的XRD衍射图谱Fig.1 The XRD patterns of the MgO before and after calcination

2.2 形貌分析

图2为氧化镁煅烧前后的SEM图。

图2 氧化镁煅烧前后的SEM图（a-煅烧前，b-1100℃，c-1300℃，d-1500℃）Fig.2 The SEM images of the MgO before and after calcination

从图中可以看出，随着煅烧温度的升高，氧化镁颗粒逐渐变大，且形状变得较为规则，颗粒形态逐渐由不规则的球状结构变成规则的立方结构。氧化镁在煅烧前多为大小不均匀的颗粒；经过不同温度煅烧后，颗粒明显变大且粒度大小逐渐趋于一致，从而使颗粒的比表面积减小。尤其在经1500℃高温煅烧后的氧化镁颗粒大小趋于一致且表面显得非常致密光滑。这是因为随着煅烧温度的升高、扩散、传质等作用增大，小颗粒消失，大颗粒形成。

结合图1、图2对煅烧前后氧化镁的分析，这些变化说明氧化镁煅烧温度越高，粉末颗粒越致密，晶粒粒度增大，相应的内比表面积减小，与水接触面积变小，从而使氧化镁溶解产生的Mg2+减少，导致其水化反应速率减缓，说明氧化镁煅烧温度的提高改变了氧化镁的微观结构[6]。

2.3 粒度分析

图3为氧化镁煅烧前后的粒度，从图3a中可以看出，原始氧化镁粉末粒度很细，其中粒径为2.19μm，最高粒径仅为10μm左右；从图3b中可以看出，氧化镁经1300℃煅烧后粒度明显增大。测得其中平均粒径变为26.13μm，95%的颗粒粒径为几个到几十个微米，最高粒径增至135μm。

图3 氧化镁煅烧前后的粒度（a-煅烧前，b-1300℃煅烧）Fig.3 The particle size of the MgO before and after calcination

在MBA体系中，这种粒度较大且粒径分布不均匀的粉末中，部分过大的氧化镁颗粒不能被水化凝胶膜覆盖，进而不能紧密连接成整体固化，最终可能会影响到骨胶粘剂的力学性能[7]，因此，需对经过高温煅烧后的氧化镁颗粒进行球磨粉碎。氧化镁颗粒磨细后，颗粒粒径范围变窄，细小颗粒填充较粗颗粒间的空隙，从而可使整个固化体更加密实，力学性能得以提高。因此，原料预处理须经过球磨。

2.4 活性分析

图4为不同煅烧温度氧化镁与柠檬酸反应的动力学曲线，具体数值如表1所示。测试原理是基于不同活性氧化镁最先于水反应生成氢氧化镁，而后与柠檬酸的反应速度不同来测定氧化镁的活性[4]。比较在相同加酸量情况下，不同煅烧温度氧化镁的变色时间就能比较出氧化镁的相对活性大小。可以看出，随着煅烧温度升高，指示剂颜色变化的时间逐渐延长，表明氧化镁活性逐渐降低。由于氧化镁晶体的完整和长大，导致其活性降低。活性高的氧化镁与酸的作用速度快，活性低的氧化镁也能与酸作用，只是反应时间长。

图4 不同煅烧温度氧化镁与柠檬酸反应的动力学曲线Fig.4 The kinetic curve of reaction between citric acid and MgO obtained at different calcination temperature

2.5 比表面积分析

图5 不同煅烧温度下氧化镁比表面积曲线Fig.5 The curve of surface area of MgO obtained at different calcination temperature

图5为不同煅烧温度下氧化镁比表面积曲线，图中可以看出，随着煅烧温度升高，氧化镁比表面积逐渐减小。煅烧温度越高，晶体结构越来越完善，氧化镁由亚稳态非晶体转变为结构紧密、晶格完整、缺陷较少的氧化镁晶体，比表面积减小，表面活性逐渐降低，从而使氧化镁参与水化反应的溶解速率变慢。

3 结论

本试验对不同煅烧温度下氧化镁微观结构和性能进行研究，具体得出以下结论：（1）在经过不同温度的煅烧后氧化镁的晶体结构更完整；（2）随着煅烧温度的升高，MgO颗粒逐渐变大，且形状变得较为规则，颗粒形态逐渐由不规则的球状结构变成规则的立方结构；（3）随着煅烧温度升高，指示剂颜色变化的时间逐渐延长，表明氧化镁活性逐渐降低；（4）随着煅烧温度升高，氧化镁比表面积逐渐减小。