专利名称：含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅的水合胶体分散体的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有酸和稳定剂的烟化(fumed)二氧化硅水合胶体分散体。也公开了生产这种烟化二氧化硅水合胶体分散体的方法。
颗粒度极细的烟化二氧化硅有许多应用，使用这种烟化二氧化硅的水合胶体分散体尤为方便。这样的应用包括防滑地板蜡、泡沫橡胶胶乳、纸张涂层、制造光学纤维和石英器皿的溶胶-凝胶工艺，以及用于热绝缘。烟化二氧化硅水合胶体分散体也用于磨光和抛光工艺。在许多场合，为了贮存和运输之需要，使烟化二氧化硅与水一起形成水合胶体分散体，来增浓烟化二氧化硅是很适宜的。
烟化二氧化硅一般是由氯硅烷(如四氯化硅)在氢氧焰中的汽相水解而产生的。总反应是
用此方法可形成了亚微米级的烟化二氧化硅熔球颗粒。这些颗粒相互碰撞和熔合，结果形成长度约为0.1-0.5微米的三维支链状的聚集体。由于冷却迅速，限制了颗粒的增长，使烟化二氧化硅肯定是无定形的。这些聚集体再形成粒度为0.5-44微米(美国325号筛)更大的聚结体。烟化二氧化硅一般纯度都很高，总杂质含量通常低于100ppm。这样高的纯度使得烟化二氧化硅水合分散体对于许多应用来讲都特别有利。
在许多应用中，另一个需要考虑的问题是要把细砂粒(grit)从烟化二氧化硅的水合胶体分散体中除去，因为砂粒是杂质的主要来源。砂粒对分散体的许多应用可能也有妨碍。例如，在乳胶凝结时，砂粒将会导致橡胶结构中形成缺陷，又如在半导体单晶体抛光时，砂粒能引起擦伤。因此通常要求水合分散体具有很高的纯度。一种增加纯度的方法-过滤法，是将烟化二氧化硅的水合胶体分散体通过一种过滤器，这样可除去砂粒和其它杂质。为使烟化二氧化硅水合胶体分散体为可过滤的，胶体分散体的粘度必须足够的低，胶体分散体必须是非胀流化的(non-dilatant)，以保证胶体分散体能够穿过所需的过滤器。对于本发发明的目的来说，非胀流性分散体是一种可以穿过孔径为1000微米或更小的过滤器的分散体。
如上所述，分散体通过过滤器的能力也与分散体的粘度有关。过滤器越细，也就是说过滤器的孔径越小，为了通过这种过滤器，烟化二氧化硅的水合胶体分散体的粘度也应该越低。正如本领域技术人员所理解的那样，为提高纯度，烟化二氧化硅的水合胶体分散体应该通过孔眼尽可能细的过滤器。因此，生产具有低粘度的烟化二氧化硅水合胶体分散体通常是有利的。对于本发明的目的来说，低粘度就是低于大约1000厘泊的粘度。
此外，为有效进行上列的各项应用以及其他可能的应用，烟化二氧化硅的水合胶体分散体不能胶凝成固体。烟化二氧化硅水合胶体分散体抗胶凝的能力通常称之为水合胶体分散体的稳定性。较稳定的水合胶体分散体发生胶凝现象要比较不稳定的水合胶体分散体发生胶凝现象来得晚。
本发明是一种含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体，此分散体包含分散在水中的浓度至少40%(重量)的烟化二氧化硅、占烟化二氧化硅重量的0.0025%-0.50%的酸和足够量的稳定剂，以使分散体的PH值升至大约7-12。
也公开了生产含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅的水合胶体分散体，特别是烟化二氧化硅的浓度至少为40%的水合胶体分散体的方法。根据本发明，生产了一种稳定的，非胀流性的，低粘度的，可过滤的烟化二氧化硅的水合胶体分散体，方法是在混合器中先使烟化二氧化硅分散在酸-水溶液中，烟化二氧化硅的量应使初始分散体中的烟化二氧化硅的重量浓度高于最终分散体中所需要的烟化二氧化硅的浓度;然后用补充量的水稀释混合器中的初始分散体，以使所得到的最终分散体含有所需要的烟化二氧化硅的浓度，最后加入稳定剂，将含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体最终分散体的PH值调节到7-12之间，最好调节到7.5-11之间。这样得到的最终分散体也可以进行过滤，以除去砂粒和聚结体。
烟化二氧化硅在酸-水溶液中润湿和混合要比在纯水中快。酸的加入也会降低混合器中烟化二氧化硅水合胶体分散体的粘度，因为分散体的PH值是由于加入稳定剂才由酸性调节到碱性的。粘度降低有助于防止分散体出现胶凝现象，因为分散体的PH值是由稳定剂来升高的。
为了生产烟化二氧化硅的水合胶体分散体，对于具有任何比表面的烟化二氧化硅，都可以使用本发明的方法。但是根据本发明，为了生产烟化二氧化硅的重量百分浓度至少为40%的烟化二氧化硅水合胶体分散体，烟化二氧化硅的比表面积较好应小于75米2/克，更好应为10-75米2/克，最好应为35-60米2/克。
本发明方法的优点在于，最终所得到的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体是稳定的，非胀流性的。对于本发明的目的来讲，“稳定”是指分散体在至少一天内不会发生胶凝。一般情况下，根据本发明方法所生产的烟化二氧化硅的水合胶体分散体在至少一周内是稳定的，较好情况下在数周内是稳定的，更好情况下在数月至数年的时间内也是稳定的。如前所述，对于本发明的目的来讲，“非胀流性”是指在不发生胶凝的情况下分散体穿过孔径为1000微米或更小的过滤器的能力。一般情况下，根据本发明方法所生产的烟化二氧化硅水合胶体分散体会穿过孔径为250微米或更小的过滤器，较好情况下会穿孔径为25微米或更小的过滤器，更好情况下会穿过孔径为10微米或更小的过滤器。根据本发明方法所生产的烟化二氧化硅水合胶体分散体的“低粘度”在一般情况下将低于1000厘泊，在较好的情况下，将低于250厘泊。
本发明的另一个优点是，烟化二氧化硅的重量百分浓度至少是40%的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体在数月至数年的时间内是稳定的，而且是非胀流性的，低粘度的。低粘度和非胀流性可以保证水合胶体分散体易于穿过孔径很细的过滤器。
本发明的更多优点从下面对本发明所作的更详细的说明来看将是很明显的。
根据本发明，混合器加一定量的水(最好是去离子水)，一般加水至混合器总体积的50%，然后向水中加酸。最好所使用的混合器是能够形成本领域公知的分散体的高切变的混合器。所用的酸可以是无机酸或有机酸，例如盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸或马来酸。向水中加入的酸量是以向水中将要加入以形成最终水合胶体分散体的烟化二氧化硅的量为基准的。一般向水中加入的酸量是待要向水中加入的烟化二氧化硅重量的0.0025-0.50%之间，最好是在0.02-0.15%之间。在将酸加入水中后，开动混合器，以使酸和水混合形成水-酸溶液。
开始加入混合器的水量显然是可以改变的。但是正由下列的说明所明显地看到的那样，混合器必须留有空间，以供加入烟化二氧化硅和补充水之用。所选定的起始水量通常是根据要加入的烟化二氧化硅的量和烟化二氧化硅水合胶体分散体中所需要的烟化二氧化硅最终浓度而定。例如，如果烟化二氧化硅水合胶体分散体中所需要的烟化二氧化硅的最终重量百分浓度是50%，和向混合器要加入100磅的烟化二氧化硅，则起始水量就应是使混合器中烟化二氧化硅的重量百分浓度大于50%的水量。在本发明的方法中，稀释前混合器中分散体的烟化二氧化硅的重量百分浓度，至少要比烟化二氧化硅水合胶体分散体中所需要的烟化二氧化硅最终浓度大5%。此后，混合器中水合胶体分散体再加入补充量的水进行稀释，以使水合胶体分散体中烟化二氧化硅水所需要的最终重量百分浓度为50%。
在混合器加水后，向水中加酸，然后向混合器中的酸-水溶液加入烟化二氧化硅。加入烟化二氧化硅的方式可以是，在开动混合器的情况下，使烟化二氧化硅混入酸-水混合物中，也可以是先将烟化二氧化硅加入酸-水混合物中，然后才开动混合器。烟化二氧化硅也可以分多次每次加一定量的方式来加入，在每两次加料之间开动混合器。
正如前面所讨论的那样，对于具有任何比表面的烟化二氧化硅都可以使用本发明的方法。为了生产烟化二氧化硅的重量百分浓度至少为40%的烟化二氧化硅水合胶体分散体，使用的烟化二氧化硅的比表面较好地应小于75米2/克，更好地应是10-75米2/克，最好地应是35-60米2/克。
向混合器一次加入或每次加入烟化二氧化硅后，混合器中烟化二氧化硅的水合胶体分散体将立即增稠，但当混合器继续开动后，烟化二氧化硅的水合胶体分散体又会变稀。
当混合器中烟化二氧化硅水合胶体分散体的烟化二氧化硅的重量百分浓度提高到所需要的烟化二氧化硅最终浓度以上时，就开动混合器，直到混合器中分散体变稀为止。如前所述，在本发明的方法中，混合器中的分散体在稀释前的烟化二氧化硅的浓度至少要比烟化二氧化硅水合胶体分散体中所需要的烟化二氧化硅最终浓度大5%。然后向混合器加补充量的水，以稀释混合器中的分散体。最好这种补充水亦是去离子水。然后开动混合器，使补充水与混合器中的水合胶体分散体相混合。所补加的水量要考虑到向分散体加入稳定剂，和应是使混合器中烟化二氧化硅水合胶体分散体的烟化二氧化硅的重量浓度降低到所需要的最终浓度的水量。
在加入补充水后，向烟化二氧化硅水合胶体分散体加入一种象碱或胺之类的稳定剂，稳定剂的加入量应能调节最终分散体的PH值到7-12，最好到7.5-11。最终分散体特定PH值的选定将依赖于烟化二氧化硅水合胶体分散体的具体应用而定。合适的稳定剂包括碱或胺之类的物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铵、三乙胺和二甲基乙醇胺、但不限于这些物质。
在加稳定剂后，烟化二氧化硅水合胶体分散体，可以用本领域所公知的任何一种方式从混合器中移出、贮存或供运输的包装。如果需要，烟化二氧化硅水合胶体分散体也可通过过滤器，以除去砂粒和任何聚结的烟化二氧化硅颗粒。
本发明的方法可以生产具有任何浓度的烟化二氧化硅的，稳定的，非胀流性的，低粘度的，高纯度的和可过滤的，含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体。特别值得指出的是，本发明方法可以制备烟化二氧化硅重量百分浓度至少为40%，最好为40-65%的水合胶体分散体。这样得到的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体是非胀流性的，低粘度的，在数月乃至一年多的时间内都是稳定的。
本发明的效果和优点，可通过下列实例作进一步说明。下列的实例具体地说明烟化二氧化硅的重量百分浓度分别是40%和65%的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体的生产方法。可是，显然为了生产具有不同的重量百分浓度，例如浓度值为45%，50%，55%和60%的烟化二氧化硅的水合胶体分散体，这些实例中所使用的烟化二氧化硅、酸、稳定剂和水的量都可以改变。
实例1本实例描述了使用容积为100加仑能形成分散体的高切变混合器，来制备烟化二氧化硅的重量百分浓度为40%的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体的方法。
向高切变混合器中加入40加仑的水和1.35磅37%的盐酸溶液，所加入的盐酸量是尔后要向混合器加入的烟化二氧化硅重量的0.27%。为了在混合器中形成烟化二氧化硅的重量百分浓度为60%的烟化二氧化硅水合胶体分散体，向混合器慢慢加入500磅比表面为50米2/克的烟化二氧化硅，每次加烟化二氧化硅100磅，同时开动混合器。为了形成烟化二氧化硅的重量百分浓度为41%的烟化二氧化硅水合胶体分散体，此刻在开动混合器的条件下，再向混合器慢慢地加入47加仑的补充水。为了调节分散体的PH值约为10.4，向此烟化二氧化硅水合胶体分散体加入足够量氢氧化铵，本例中氢氧化铵的加量约为2.8加仑的30%的氢氧化铵溶液。在加入氢氧化铵后，所得到的烟化二氧化硅水合胶体分散体的烟化二氧化硅重量百分浓度为40%，为了除去砂粒或聚结颗粒，这种烟化二氧化硅水合胶体分散体也可以进行过滤。对这种水合胶体分散体所进行的过滤会使烟化二氧化硅的重量百分浓度减少大约0.5%。经过滤的或未经过滤的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体，可以用本发明的领域所公知的任一种方法进行贮存和供运输的包装。
实例2本实例描述使用容积为100加仑能形成分散体的高切变混合器，来生产烟化二氧化硅的重量百分浓度为65%的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体的方法。
向高切变混合器中加26加仑的水，和加入1.35磅37%的盐酸溶液，所加的盐酸量是尔后要向混合器加入烟化二氧化硅重量的0.27%。为了在混合器中形成烟化二氧化硅的重量百分浓度为70%的烟化二氧化硅水合胶体分散体，向混合器慢慢地加入500磅比表面为50米2/克的烟化二氧化硅，每次加烟化二氧化硅100磅，同时开动混合器。为了形成烟化二氧化硅的重量百分浓度为66.5%的烟化二氧化硅水合胶体分散体，此刻在开动混合器的条件下，向混合器慢慢地加入4.2加仑的补充水。为了调节分散体的PH值到大约10.4，向烟化二氧化硅的这种水合胶体分散体加入足够量的氢氧化铵，本例中的氢氧化铵加量是2.8加仑的30%的氢氧化铵溶液。在加入氢氧化铵后，所得到的烟化二氧化硅水合胶体的分散体的烟化二氧化硅的重量百分浓度为65%，为了除去砂粒或聚结颗粒，这样的水合胶体分散体也可以进行过滤。对这种水合胶体分散体进行过滤会使烟化二氧化硅的重量百分浓度减少大约0.5%。经过滤过的或未经过滤过的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体，可以用本领域所公知的任何一种方式进行贮存或供运输的包装。
为了生产烟化二氧化硅的重量百分浓度分别为45%、50%、55%和60%的含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体，依照例1和例2的程序，改变加入混合器的起始水量、加入混合器的酸量和补充水量，可以获得类似的结果。
在不违背本发明构思的情况下，显然可以对上述实例作出许多修改和变化。但应当理解这里所描述的本发明的实施型式只是例证性的，而不是限制本发明的范围。本发明包括了在本权利要求范围内所作出的一切修改。
权利要求
1.胶体分散体，其特征在于，此分散体包含分散在水中的浓度至少为40%(重量)的烟化二氧化硅、占烟化二氧化硅重量的0.0025%-0.50%的酸和足够量的稳定剂，以使分散体的PH值升至大约7.0-12.0。
2.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度大约为40-65%。
3.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度约为40%。
4.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度约为45%。
5.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度约为50%。
6.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度约为55%。
7.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度约为60%。
8.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中烟化二氧化硅的重量百分浓度约为65%。
9.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，酸是选自无机酸和有机酸。
10.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，酸是选自由盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸和马来酸所组成的一组酸。
11.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，酸是盐酸。
12.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，其中酸的量是占烟化二氧化硅重量的0.02%-0.15%。
13.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，稳定剂是选自碱和胺一类的化合物。
14.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，稳定剂是选自由氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铵、三乙胺和二甲基乙醇胺组成的一组物质。
15.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，稳定剂是氢氧化铵。
16.权利要求11的胶体分散体，其特征在于，稳定剂是氢氧化铵。
17.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，稳定剂的加入量应使分散体的PH值增到7.5-11。
18.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，烟化二氧化硅的比表面小于约75米2/克。
19.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，烟化二氧化硅的比表面约为10-75米2/克。
20.权利要求1的胶体分散体，其特征在于，烟化二氧化硅的比表面约为50米2/克。
全文摘要
公开含有酸和稳定剂的烟化二氧化硅水合胶体分散体，此分散体的烟化二氧化硅的重量百分浓度至少约为40％。也公开了生产这种水合胶体分散体的方法。
文档编号D06M13/325GK1045754SQ9010152
公开日1990年10月3日 申请日期1990年3月21日 优先权日1989年3月21日
发明者丹尼斯·G·米勒, 威廉·F·莫尔 申请人:卡伯特公司