硅石基溶胶的制作方法

专利名称：硅石基溶胶的制作方法
技术领域：
本发明一般性涉及适合用于造纸的硅石基溶胶。更具体说，本发明涉及硅石基溶胶和硅石基颗粒，它们的生产方法和它们在造纸中的用途。本发明的方法提供了硅石基颗粒和具有高滤水和保留性能、高稳定性和高固体含量的含有硅石基颗粒的溶胶。
背景在造纸领域中，含有纤维素纤维以及任选的填料和添加剂的水性分散体(称为纸料)给入到流浆箱(headbox)中，它将纸料排出到成形网上。水从纸料中经成形网滤出，以使得在网上形成湿纸幅(paper of wet web)，和纸幅在造纸机的干燥段进一步脱水和干燥。通常将滤水和保留助剂引入到纸料中，以便有利于滤水和增加细颗粒至纤维素纤维上的吸收，以致它们能够保留在网上的纤维内。
硅石基颗粒与带电有机聚合物象阴离子和阳离子丙烯酰胺型聚合物以及阳离子和两性淀粉一起，广泛用作滤水和保留助剂。在U.S.专利Nos.4,388,150；4,961,825；4,980,025；5,368,833；5,603,805；5,607,552；和5,858,174；以及国际专利申请WO97/18351中公开了这种添加剂体系。这些体系属于目前使用的最有效的滤水和保留助剂。
适合用作滤水和保留助剂的硅石基颗粒正常以水性胶态分散体，即所谓的溶胶的形式供应。工业上使用的溶胶通常具有大约7-15wt％的硅石含量，含有比表面积为至少300m2/g的颗粒。具有更高比表面积的硅石基颗粒的溶胶通常是更稀的，以改进储存稳定性和避免凝胶形成。
理想的是，能够提供具有进一步改进的滤水和保留性能和甚至更佳的稳定性的硅石基溶胶和颗粒。还理想的是，能够提供用于制备具有改进的滤水、保留和稳定性能的硅石基溶胶和颗粒的方法。仍理想的是，能够提供具有改进滤水和/或保留的造纸工艺。
本发明根据本发明，提供了适合用作在水纯化中的絮凝剂和用作在造纸中的滤水和保留助剂的硅石基溶胶和颗粒。根据本发明的硅石基溶胶和颗粒表现了在长时间内的良好稳定性，显著高的表面积稳定性和避免凝胶形成的高稳定性，因此，它们能够在高比表面积和高硅石浓度下制备和装运。该溶胶在高硅石浓度的储存中具有保持高比表面积的改进能力。硅石基溶胶和颗粒进一步得到了非常良好或改进的滤水和保留性，当与阴离子、阳离子和/或两性有机聚合物联合使用时。据此本发明使得可能增加造纸机的速度和使用低剂量的添加剂来获得相应的滤水和/或保留效果，从而产生了改进的造纸工艺和经济效益。本发明因此涉及硅石基颗粒和含有硅石基颗粒的水溶胶，这里还称为硅石基溶胶，和它们的生产方法，如在所附权利要求中进一步定义的那样。
如进一步在所附权利要求书中定义的那样，本发明还涉及硅石基溶胶和颗粒，优选结合这里所述的有机聚合物，作为在造纸中的滤水和保留助剂的用途。这里所使用的术语“滤水和保留助剂”是指一种或多种组分(助剂、试剂或添加剂)，当被加入到造纸原料中时，获得与没有添加这些组分时相比的更佳滤水和/或保留性。本发明进一步涉及用于从含有纤维素纤维和任选的填料的水性分散体生产纸的方法，它包括将硅石基颗粒和至少一种带电有机聚合物加到悬浮液中，悬浮液在网上成形和滤水。本发明因此涉及如进一步在所附权利要求书中定义的方法。
根据本发明的硅石基溶胶是含有阴离子硅石基颗粒，即以硅石(SiO2)或硅酸为基础的颗粒的水溶胶。颗粒优选是胶态的，即在粒度的胶态范围内。硅石基溶胶能够具有在10-45％，适宜20-40％和优选25-35％范围内的S-值。S-值能够如Iler & Dalton in J.Phys.Chem.60(1956)，955-957描述的那样进行测量和计算。S-值表示聚集或微凝胶形成的程度，低的S-值体现了较高聚集度。
硅石基颗粒能够具有从10∶1到40∶1，适宜从12∶1到35∶1和优选从15∶1到30∶1范围内的SiO2与M2O的摩尔比，其中M是碱金属离子(例如，Li，Na，K)和/或铵。硅石基溶胶能够具有至少10.0，适宜至少10.5，优选至少10.6和最优选至少10.7的pH值。该pH值能够高达大约11.5，适宜至高11.0。
硅石基溶胶应该适宜具有至少3wt％的硅石含量，但更适宜的是，硅石含量是在10-30wt％和优选12-20wt％的范围内。为了简化装运和减少运输成本，一般优选装运高浓度硅石基溶胶，但当然是可行的，通常优选在使用前用水稀释和混合硅石基溶胶和颗粒以显著降低硅石含量，例如，到至少0.05wt％和优选在0.05-5wt％范围内的硅石含量，以便改进与配料组分的混合。硅石基溶胶的粘度能够根据例如溶胶的硅石含量来改变。通常，粘度是至少5cP，正常在5-40cP，适宜6-30cP和优选7-25cP的范围内。适宜对具有至少10wt％的硅石含量的溶胶进行测量的该粘度能够用已知技术，例如使用Brookfield LVDV II+粘度计来测量。本发明的优选硅石基溶胶是稳定的。这意味着，当经受在黑暗和非搅拌条件下在20℃储存或老化一个月时，这些硅石基溶胶表现了粘度的仅轻微增加，若有的话。
存在于溶胶中的硅石基颗粒优选具有在大约20nm以下和优选在大约1到大约10nm范围内的平均粒度。如在硅石化学中常见的那样，粒度指初级颗粒的平均尺寸，这些初级颗粒可以是聚集或非聚集的。硅石基颗粒的比表面积适宜是至少300m2/g SiO2，优选至少550m2/g。一般，比表面积可至高到大约1050m2/g和适合地至高到1000m2/g。在本发明的优选实施方案中，比表面积是在550-725m2/g，优选575-700m2/g的范围内。在本发明的另一个优选实施方案中，比表面积是在775-1050m2/g的范围内。在适当去除或调节存在于样品中的会干扰滴定的任何物质，象铝和硼物质之后，比表面积能够通过已知方式，例如用Sears在AnalyticalChemistry28(1956)12，1981-1983中和在U.S.专利No.5,176,891中描述的方法用NaOH滴定来测量。这里使用的术语“比表面积”代表硅石基颗粒的平均比表面积和以平方米/每克硅石表示(m2/g SiO2)。
在本发明的优选实施方案中，硅石基溶胶因此具有在20-40％范围内的S-值，7-25cP的粘度，至少10.6的pH，在15-30范围内的SiO2与M2O的摩尔比，至少10wt％的硅石含量，以及含有比表面积在550-1050m2/g范围内的胶态阴离子硅石基颗粒。具有15-20wt％的硅石含量的根据本发明的硅石基溶胶通常含有比表面积在550-725m2/g范围内的颗粒，而具有10-15wt％的硅石含量的根据本发明的硅石基溶胶通常含有比表面积在775-1050m2/g范围内的颗粒。
在本发明的优选实施方案中，硅石基溶胶基本上不含铝，即不含添加的含有铝的改性剂。在本发明的另一优选实施方案中，硅石基溶胶基本上不含硼，即不含添加的含有硼的添加剂。然而少量的这些元素能够存在于用于制备硅石基溶胶和颗粒的起始原料中。在本发明的又一优选实施方案中，硅石基溶胶使用各种元素，例如铝和/或硼来改性，它们能够存在于水相和/或硅石基颗粒中。如果使用铝，溶胶能够具有在1∶4-1∶1500，适宜1∶8-1∶1000和优选1∶15-1∶500的范围内的Al2O3与SiO2的摩尔比。如果使用铝和硼，Al与B的摩尔比能够是在100∶1-1∶100，适宜50∶1-1∶50的范围内。
根据本发明的硅石基溶胶和颗粒能够从普通硅酸盐水溶液象碱水玻璃，例如钾或钠水玻璃，优选钠水玻璃起始来生产。在硅酸盐乳液或水玻璃中的SiO2与M2O的摩尔比适宜是在1.5∶1-4.5∶1，优选2.5∶1-3.9∶1的范围内，其中M是碱金属，例如钠、钾、铵、或它们的混合物。适合使用稀释的硅酸盐溶液或水玻璃，它们能够具有大约3-大约12wt％，优选大约5-大约10wt％的SiO2含量。通常具有大约13或在13以上的pH的硅酸盐溶液或水玻璃被酸化成大约1-大约4的pH。酸化能够用已知的方式通过加入无机酸，例如硫酸、盐酸和磷酸，或任选与已知适合用于水玻璃的酸化的其它化学品，例如硫酸铵和二氧化碳来进行。当加入无机酸时，酸化适宜用两步来进行，第一步到大约8-9的pH，因此使得在进一步酸化到大约1-大约4的pH之前，发生一定的熟化，即颗粒生长。然而，优选的是，酸化通过酸阳离子交换剂来进行，除此之外，该交换剂得到了更稳定的产物。酸化优选用强酸阳离子交换树脂，例如磺酸型的来进行。优选的是，酸化到大约2-4的pH，更优选大约2.2-3.0的pH。所获产物，即酸溶胶或聚硅酸含有正常在1000m2/g以上和通常在大约1300m2/g上下的高比表面积的硅石基颗粒。
酸溶胶然后进行碱化，这里称之为第一碱化步骤。第一碱化步骤能够通过加入普通碱，例如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵和它们的混合物和/或以上定义的硅酸盐水溶液来进行。具有以上定义的SiO2与M2O摩尔比的钾和钠水玻璃，尤其钠水玻璃适合用于碱化步骤。用于第一碱化步骤的水玻璃溶液的SiO2含量适合在大约3-大约35wt％范围内和优选在5-30wt％的范围内。第一碱化通常进行到至少6，适宜至少7和优选至少7.5的pH，该pH通常高达10.5，适合达到10.0。第一碱化进一步适合进行到SiO2与M2O的最终摩尔比是在大约20∶1-大约80∶1，优选30∶1-70∶1的范围内，其中M如上所定义。在如上定义的溶胶的制备中，微凝胶化的程度能够受几种方式的影响，并能够被控制到所需值。微凝胶的程度能够受盐含量、在酸溶胶的制备中和在第一碱化步骤中的浓度调节的影响，因为在该步骤中，当最小用于溶胶的稳定性越过时(在大约5的pH)，微凝胶的程度受到影响。通过延长在该越过阶段的时间，微凝胶的程度能够被调节到所需的值。尤其适合的是，通过调节在第一碱化步骤中的干燥含量即SiO2含量来控制微凝胶的程度，其中高干燥含量产生低S-值。通过保持在第一碱化步骤中的SiO2含量在4.5-8wt％的范围内，S-值能够被控制到例如10-45％的所需值。为了获得具有在20-40％范围内的S-值的溶胶，在第一碱化步骤中SiO2含量适合保持在5.0-7.5wt％的范围内。
存在于在第一碱化步骤中获得的碱化溶胶中的硅石基颗粒然后进行颗粒生长，以便获得具有更低的比表面积和高稳定性的颗粒。应当适宜进行颗粒生长方法以提供比表面积为至少300m2/g和优选至少550m2/g和至多大约1050m2/g和适合至多1000m2/g的硅石基颗粒。在本发明的优选实施方案中，进行颗粒生长方法以提供在550-725m2/g范围内的比表面积。在本发明的另一个优选实施方案中，进行颗粒生长方法以提供在775-1050m2/g范围内的比表面积。表面积的下降能够通过在室温下储存较长的时间，一天到大约两天两夜或优选通过热处理来获得。在热处理中，能够调节时间和温度以便在较高的温度下使用较短的时间。即便当然可以在非常短的时间内使用相当高的温度，从实践的观点来看，更适合在较长的时间内使用较低的温度。在热处理中，碱化溶胶应该适宜在至少30℃，适宜35-95℃和优选40-80℃的温度下加热。热处理应适宜进行至少10分钟，适合15-600分钟和优选20-240分钟。
在颗粒生长步骤和任选的冷却之后，所获硅石溶胶再次进行碱化，这里称之为第二碱化步骤。第二碱化步骤能够通过加入普通碱，例如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵和它们的混合物和/或如上所定义的硅酸盐水溶液来进行。具有如上定义的SiO2与M2O的摩尔比的钾和钠水玻璃，尤其钠水玻璃适合用于第二碱化步骤。用于第二碱化步骤的水玻璃溶液的SiO2含量适合在大约3-大约35wt％的范围内和优选在5-30wt％的范围内。第二碱化通常进行到至少10.0，适宜至少10.5，优选至少10.6和最优选10.7的pH，该pH能够高达大约11.5，适合达到11.0。第二碱化适合进一步进行到SiO2与M2O的最终摩尔比是在大约10∶1-大约40∶1，适宜12∶1-35∶1，优选15∶1-30∶1的范围内，其中M如上所定义。
如果需要，根据本发明的方法还能够包括浓缩在第二碱化步骤后获得的硅石基溶胶。作为选择或另外，在第一碱化后但在颗粒生长或热处理步骤之前获得的碱化溶胶，或者在颗粒生长或热处理步骤之后但在第二碱化之前获得的溶胶能够进行浓缩。浓缩能够用已知方式，例如通过渗透方法、蒸发和超滤来进行。浓缩适合进行到获得至少10wt％，优选10-30wt％，和更优选12-20wt％的硅石含量。
如果需要，硅石基溶胶和颗粒能够通过加入例如含有铝和/或硼的化合物来改性。适合的含铝化合物包括铝酸盐象铝酸钠和铝酸钾，适宜的是铝酸钠。含铝化合物适合以水溶液的形式使用。适合的含硼化合物包括硼酸，硼酸盐象硼酸钠和硼酸钾，适宜的是硼酸钠，四硼酸盐象四硼酸钠和四硼酸钾，适宜的是四硼酸钠，以及偏硼酸盐象偏硼酸钠和偏硼酸钾。含硼化合物适宜以水溶液的形式使用。
当在本方法中使用含铝化合物时，适宜在第二碱化步骤之前或之后，将它添加到进行颗粒生长或热处理的溶胶中。作为选择，或者另外，在颗粒生长或热处理步骤之前，能够将含铝化合物添加到硅酸盐溶液中被酸化，添加到酸溶胶中或者添加剂到在第一碱化步骤中获得的碱化溶胶中。含铝化合物能够在酸化步骤中与酸混合加入和在任一碱化步骤中与碱或硅酸盐溶液混合加入。含铝化合物适合以使得所获溶胶具有如上定义的Al2O3与SiO2的摩尔比的量添如。
当在本方法中使用含硼化合物时，适宜在第二碱化步骤之前或之后将它添加到进行颗粒生长或热处理的溶胶中。作为选择，或者另外，在颗粒生长或热处理步骤之前，能够将含硼化合物加到硅酸盐溶液中以酸化，加到酸溶胶中或者在第一碱化步骤中获得的碱化溶胶中。含硼化合物能够在酸化步骤中与酸混合来添加，或者在任一碱化步骤中与碱或硅酸盐溶液混合来添加。含硼化合物适宜以使得所获溶胶具有如上定义的B与SiO2的摩尔比的量来添加。如果同时使用含铝化合物和含硼化合物，它们适合以使得所获溶胶具有如上定义的适宜Al与B的摩尔比的量来添加。
在任何铝和/或硼改性之前，如果溶胶含有过高量的碱金属离子或铵离子，优选通过例如离子交换除去这些离子的至少一部分，以提供SiO2与M2O的最终摩尔比是在如以上定义的所需范围内的硅石基溶胶。
根据本方法，能够制备在任选浓缩后具有10-30wt％，适宜的是12-20wt％的硅石含量，和至少5cP，正常在5-40cP的范围内，适宜为6-30cP和优选7-25cP的粘度的硅石基溶胶，所生产的溶胶表现了良好的储存稳定性，能够储存几个月，而不会明显降低比表面积和没有凝胶形成。
本发明的硅石基溶胶和颗粒适合用作絮凝剂，例如在纸浆和纸的生产中，尤其可作为滤水和保留助剂，以及在水纯化的领域内，用于不同类废水的纯化和用于来自纸浆和纸工业的白水的特殊纯化。硅石基溶胶和颗粒与能够选自阴离子、两性离子、非离子和阳离子聚合物和它们的混合物的有机聚合物(这里也称之为“主聚合物”)一起能够用作絮凝剂，尤其作为滤水和保留助剂。这种聚合物作为絮凝剂和作为滤水和保留助剂的用途在本领域中是众所周知的。聚合物能够由天然或合成来源得到，以及它们能够是线性、支化或交联的。一般适合的主聚合物的实例包括阴离子、两性和阳离子淀粉，阴离子、两性离子和阳离子瓜尔胶，以及阴离子、两性和阳离子丙烯酰胺型聚合物，以及阳离子聚(氯化二烯丙基二甲基铵)、阳离子聚环乙亚胺、阳离子聚胺、聚酰胺胺和乙烯基酰胺型聚合物、蜜胺-甲醛和脲-甲醛树脂。适合的是，硅石基溶胶与至少一种阳离子或两性聚合物，优选阳离子聚合物结合使用。阳离子淀粉和阳离子聚丙烯酰胺是尤其优选的聚合物，它们能够单独、互相一起或与其它聚合物，例如其它阳离子聚合物或阴离子聚丙烯酰胺一起使用。主聚合物的分子量适宜在1,000,000以上，优选在2,000,000以上。上限不是严格要求的；它能够是大约50,000,000，通常30,000,000和适合大约25,000,000。然而，由天然来源得到的聚合物的分子量可以是更高的。
当结合使用硅石基溶胶和颗粒与上述的主聚合物时，进一步优选使用至少一种低分子量(下文LMW)阳离子有机聚合物，普通称之为和用作阴离子垃圾捕集器(ATC)。ATC在本领域中被称为用于存在于纸料中的有害阴离子物质的中和和/或固定剂，它们与滤水和保留助剂的结合使用经常提供了滤水和/保留性的进一步改进。LMW阳离子有机聚合物能够由天然或合成来源获得，优选是LMW合成聚合物。适合的这种有机聚合物包括LMV高带电的阳离子有机聚合物如聚胺、聚酰胺胺、聚环乙亚胺、以氯化二烯丙基二甲基铵、(甲基)丙烯酰胺和(甲基)丙烯酸酯为基础的均和共聚物。相对于主聚合物的分子量，LMW阳离子有机聚合物的分子量优选是较低的；它通常是至少1,000和优选至少10,000。分子量的上限通常是大约700,000，适宜大约500,000和通常大约200,000。能够与本发明的硅石基溶胶共同使用的聚合物的优选结合物包括LMW阳离子有机聚合物与主聚合物，例如阳离子淀粉和/或阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺的结合物以及阳离子淀粉和/或阳离子丙烯酰胺与阴离子聚丙烯酰胺的结合物。
能够以通常方式和任意次序将根据本发明的滤水和保留助剂的组分加到纸料中。当使用包括硅石基颗粒和有机聚合物，例如主聚合物的滤水和保留助剂时，优选在添加硅石基颗粒之前将聚合物加到纸料中，即便可以使用相反的添加次序。进一步优选的是，在能够选自泵抽、混合、清洗等的剪切阶段之前添加主聚合物，和在该剪切阶段之后添加硅石基颗粒。当使用时，LMW阳离子有机聚合物优选在引入主聚合物之前被引入到纸料中。作为选择，LMW阳离子有机聚合物和主聚合物能够基本上同时、单独或以混合物的形式被引入到纸料中，例如如在U.S专利No.5,858,174中公开的那样，该专利在这里作为参考引入。LMW阳离子有机聚合物和主聚合物优选在引入硅石基溶胶之前被引入到纸料中。
在本发明的优选实施方案中，硅石基溶胶和颗粒与如上所述的至少一种有机聚合物和至少一种铝化合物一起用作滤水和保留助剂。铝化合物能够用于进一步改进包括硅石基颗粒的纸料添加剂的滤水和/或保留性能。适合的铝盐包括明矾，铝酸盐，氯化铝，硝酸铝，聚铝化合物，如聚氯化铝、聚硫酸铝，含量氯根和硫酸根离子的聚铝化合物，聚硅酸-硫酸铝以及它们的混合物。聚铝化合物还可以含有其它阴离子，例如来自磷酸、有机酸如柠檬酸和草酸的阴离子。优选的铝盐包括铝酸钠、明矾和聚铝化合物。铝化合物能够在硅石基颗粒的添加之前或之后添加。作为选择，或者另外，铝化合物能够与硅石基溶胶在基本相同的时间点，单独或以它们的混合物同时添加，例如象U.S.专利No.5,846,384公开的那样，该专利在这里作为参考引入。在许多情况下，通常适宜的是，在本方法的早期，例如在其它添加剂之前，添加铝化合物到纸料中。
把根据本发明的滤水和保留助剂的各组分添加到要脱水的纸料中，其量能够尤其根据组分的类型和数目，配料的类型，填料含量，填料的类型，添加的时刻(point)等在宽限内变化。一般，组分以获得比当没有添加这些组分时相比更优的滤水和/或保留性的量添加。硅石基溶胶和颗粒通常以至少0.001wt％，通常至少0.005wt％的量添加，按照SiO2计算和以干燥纸料物质，即纤维素纤维和任选的填料为基，以及上限通常是1.0wt％，适合的是0.5wt％。主聚合物通常以至少0.001wt％，经常为至少0.005wt％的量添加，基于干燥纸料物质，其上限通常是3wt％，适宜的是1.5wt％。当在本方法中使用LMW阳离子有机聚合物时，它能够以至少0.05wt％的量添加，基于要脱水的纸料干物质。适合的是，该量是在0.07-0.5％的范围内，优选在0.1-0.35％的范围内。当在本方法中使用铝化合物时，引入到要脱水的纸料中的总量取决于所用铝化合物的类型和想要由它获得的其它效果。例如，在本领域中公知的是，利用铝化合物作为松香型施胶剂(sizing agent)的沉淀剂。添加的总量通常是至少0.05％，根据Al2O3计算和以干燥纸料物质为基。适合的是，该量是在0.1-3.0％的范围内，优选在0.5-2.0％的范围内。
在造纸中常用的其它添加剂当然能够与根据本发明的添加剂结合使用，例如干强度剂，湿强度剂，荧光增白剂，染料，胶粘剂象松香型胶粘剂和纤维素反应性胶粘剂，例如烷基和链烯基酮二聚体和酮多聚体，烷基和链烯基丁二酸酐等。纤维素悬浮液或纸料也能够含有普通类型的无机填料，如高岭土、瓷土、二氧化钛、石膏、滑石及天然和合成碳酸钙如白垩、粉状大理石(ground marble)和沉淀碳酸钙。
本发明的方法可用于纸的生产。这里所使用的术语“纸”当然包括不仅纸和它的生产方法，还包括含纤维素纤维的片材或纸幅状产物，例如板和纸板，以及它们的生产方法。该方法能够用于从不同类型的含纤维素的纤维的悬浮液生产纸张，该悬浮液应该适宜含有至少25wt％和优选至少50wt％的这种纤维，基于干物质。该悬浮液能够以来自化学纸浆如硫酸盐纸浆，亚硫酸盐纸浆和有机溶胶纸浆，机械纸浆如预热机械纸浆，化学-热机械纸浆，精制纸浆和细木浆的纤维为基础，以来自硬木和软木的纤维为基础，以及还能够以任选来自脱墨纸浆的再循环纤维和它们的混合物为基础。悬浮液即纸料的pH能够在大约3-大约10的范围内。该pH适合在3.5以上和优选在4-9的范围内。
在以下实施例中进一步解释了本发明，然而，这些实施例不是用来限制本发明。份和％分别为重量份和wt％，除非另有规定。
实施例1如下所述制备标准硅石溶胶762.7g的具有3.3的SiO2与Na2O摩尔比和27.1％的SiO2含量的钠水玻璃用水稀释至3000g，产生了具有6.9wt％的SiO2含量的硅酸盐溶液(I)。2800g的该硅酸盐或水玻璃溶液通过一填充有用氢离子饱和的强阳离子交换树脂的柱子。从离子交换剂中收集到2450g的具有6.5wt％的SiO2含量和2.4的pH的离子交换水玻璃或聚硅酸(II)，将1988g的聚硅酸(II)给入到反应器，用12.3g水稀释。然后在强烈搅拌下加入173.9g的6.9％硅酸盐溶液(I)。所得溶液然后在85℃下加热60分钟，然后冷却到20℃。所获硅石溶胶(1a)具有以下特性溶胶1a(参照)SiO2含量＝7.3wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝40，pH＝10.2，S-值＝29％，粘度＝2.2cP和颗粒的比表面积＝530m2/g。
生产具有以下特性的两种其它硅石溶胶，即溶胶1b和溶胶1c溶胶1b(参照)SiO2含量＝7.3wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝63，pH＝10.0，S-值＝26％，粘度＝2.7cP和颗粒的比表面积＝500m2/g。
溶胶1c(参照)SiO2含量＝5.4wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝35，pH＝9.8，S-值＝32％，粘度＝1.6cP和颗粒的比表面积＝690m2/g。
实施例2以类似于聚硅酸(II)的聚硅酸(用相同离子交换方法生产，具有5.46wt％的SiO2含量)来制备根据本发明的硅石基颗粒的六种溶胶。在强烈搅拌下向102.0kg的聚硅酸添加1.46kg的具有3.3的SiO2/Na2O比率的钠水玻璃，产生了具有54.0的SiO2/Na2O摩尔比的溶液。该溶液在60℃下热处理2小时20分钟，再冷却到20℃，由此产物被浓缩成15.6wt％的SiO2含量。该中间溶胶产物现在被分为六种单独的样品，即a-f。样品a-c进一步用NaOH碱化，样品d-f用水玻璃碱化，以获得SiO2/Na2O摩尔比在21.5和34.0之间和硅石含量为大约15.0wt％的溶胶。所获硅石基颗粒的溶胶具有在表1中列出的特性表1
实施例3
用上述离子交换方法生产的和如在实施例2中那样用水玻璃碱化到54.0的SiO2/Na2O摩尔比的聚硅酸(II)在60℃下热处理1小时。向58kg的该产物加入7.25kg的具有3.3的SiO2/Na2O摩尔比和5.5wt％的硅石含量的稀释水玻璃。将所得硅石基颗粒的溶胶，即溶胶3浓缩成15.2wt％的硅石含量，并具有SiO2/Na2O摩尔比＝24，pH＝10.7，S-值＝34％，粘度＝9.0cP和颗粒的比表面积＝760m2/g。
实施例41000g的具有5.5wt％的SiO2含量的聚硅酸(II)与14.5g的具有27.1wt％的SiO2含量和SiO2/Na2O摩尔比＝3.3的水玻璃在强烈搅拌下混合，产生了SiO2/Na2O摩尔比为51和硅石含量为5.8wt％SiO2的产物，该产物在60℃下热处理1.5小时，然后浓缩到16.7wt％SiO2的硅石含量。283g的所获产物与33.0g NaOH混合，产生了硅石基颗粒的溶胶，即溶胶4，其中硅石含量＝15.2wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝21，pH＝10.6，S-值＝32％，粘度＝14.2cP和颗粒的比表面积＝720m2/g。
实施例5按照根据实施例3的通用步骤，只是热处理进行1.25小时，浓缩进行到更高的硅石含量。制备硅石基颗粒的两种溶胶溶胶5a和5b。溶胶5a具有SiO2含量＝18wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝18，pH＝10.7，S-值＝36％，粘度＝18cP和颗粒的比表面积＝700m2/g。溶胶5b具有SiO2含量＝20wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝18.3，pH＝10.7，S-值＝37％，粘度＝31cP和颗粒的比表面积＝700m2/g。
实施例6用购自Akribi，Sweden的动态滤水分析仪(DDA)评价滤水性能，测量当拔出塞子和施加真空于与纸料存在的一侧相反的网架的一侧时，经网架(wire)让设定体积的纸料滤水所用的时间。
所用纸料是以60％的漂白桦木硫酸盐和40％漂白松木硫酸盐的共混物为基础，再加入30％粉状碳酸钙作为填料。纸料体积是800ml，稠度是0.25％，pH大约8.0。通过添加硫酸钠将纸料的导电率调节到0.47mS/cm。
在试验中，硅石基溶胶与阳离子聚合物Raisamyl 142联合使用，该聚合物是具有0.042的取代度的普通中-高度阳离子化的淀粉，以12kg/吨的量加入到纸料中，按基于干纸料体系的干燥淀粉计算。根据实施例1-4的硅石基溶胶在本实施例中进行试验。另外，溶胶6a和6b也进行试验，以用于对比的目的。溶胶6a是商购硅石溶胶，其中S-值＝45％，SiO2含量＝15.0wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝40，粘度＝3.0cP和颗粒的比表面积＝500m2/g。溶胶6b是另一商购硅石溶胶，其中S-值＝36％，SiO2含量＝10.0wt％，SiO2/Na2O摩尔比＝10，粘度＝2.5cP和颗粒的比表面积＝880m2/g。硅石基溶胶以0.5kg/吨的量添加，按SiO2计算和以干纸料体系为基。
纸料在整个试验过程中以1500rpm的速度在隔板式罐(baffled jar)中搅拌，化学品添加如下所述进行i)添加阳离子淀粉到纸料中，随后搅拌30秒钟，ii)添加硅石基溶胶到纸料中，随后搅拌15秒钟，iii)在自动记录滤水时间的同时让纸料滤水。
不同硅石基溶胶的滤水时间表示在表2中表2
实施例7根据实施例6的通用步骤评价滤水性能，只是纸料具有0.3％的稠度和大约8.5的pH。保留性能用浊度计通过测量滤液、通过纸料滤水获得的白水的浊度来评价。
根据本发明实施例5的硅石基溶胶跟溶胶6a进行对比试验。表3表示了在硅石基颗粒的不同剂量下(kg/ton)获得的滤水时间，根据SiO2计算和以干燥纸料体系为基。只添加阳离子淀粉(12kg/吨，以基于干纸料体系的干燥淀粉计算)获得了15.8秒的滤水时间。
表权利要求
1.含有硅石基颗粒的水溶胶，特征在于它具有10-45％范围内的S-值，在5-40cP范围内的粘度和在10∶1-40∶1范围内的SiO2/M2O摩尔比，其中M是碱金属或铵。
2.含有硅石基颗粒的水溶胶，特征在于它具有在10-45％范围内的S-值，在5-40cP范围内的粘度和至少10wt％的硅石含量。
3.根据权利要求1的水溶胶，特征在于它具有至少10wt％的硅石含量。
4.根据权利要求1、2或3的水溶胶，特征在于硅石基颗粒具有在775-1050m2/g范围内的比表面积。
5.根据权利要求1、2或3的水溶胶，特征在于硅石基颗粒具有在550-725m2/g范围内的比表面积。
6.根据权利要求1-5的任一项的水溶胶，特征在于S-值是在20-40％的范围内。
7.根据权利要求1-6中任一项的水溶胶，特征在于粘度是在7-25cP的范围内。
8.根据权利要求1-7中任一项的水溶胶，特征在于它具有在15∶1-30∶1范围内的SiO2/M2O摩尔比，其中M是碱金属或铵。
9.根据权利要求1-8中任一项的水溶胶，特征在于它具有至少10.6的pH。
10.用于生产硅石基颗粒的方法，特征在于它包括以下步骤(a)将硅酸盐水溶液酸化至1-4的pH以形成酸溶胶，(b)在4.5-8wt％范围内的SiO2含量下碱化酸溶胶至pH为至少7，(c)使碱化溶胶的颗粒生长至少10分钟，和然后(d)碱化所获溶胶到至少10.0的pH。
11.用于生产硅石基颗粒的方法，特征在于它包括以下步骤(a)酸化硅酸盐水溶液至1-4的pH以形成酸溶胶，(b)在4.5-8wt％范围内的SiO2含量下碱化酸溶胶，(c)在至少30℃的温度下热处理碱化溶胶，和然后(d)碱化热处理的溶胶到至少10.0的pH。
12.根据权利要求10或11的方法，特征在于根据(b)和(d)的碱化用硅酸盐水溶液来进行。
13.根据权利要求10、11或12的方法，特征在于根据(c)的颗粒生长和热处理是在35-95℃范围内的温度下进行。
14.根据权利要求10、11、12或13的方法，特征在于根据(c)的颗粒生长和热处理进行20-240分钟。
15.根据权利要求10-14中任一项的方法，特征在于根据(d)的碱化产生了具有在15∶1-30∶1范围内的SiO2/M2O摩尔比和至少10.6的pH，其中M是碱金属或铵。
16.通过根据权利要求10-15的任一项的方法可获得的硅石基颗粒。
17.根据权利要求1-9或16的或者通过根据权利要求10-15中任一项的方法生产的硅石基颗粒在造纸中作为滤水和保留助剂的用途。
18.用于从含有纤维素纤维和任选的填料的水性悬浮液生产纸的方法，包括将硅石基颗粒和至少一种带电有机聚合物加入到悬浮液中，悬浮液在网架上成形和滤水，特征在于硅石基颗粒以根据权利要求1-9中任一项或通过根据权利要求10-15中任一项的方法生产的水溶胶存在。
19.根据权利要求18的方法，特征在于带电有机聚合物是阳离子淀粉或阳离子聚丙烯酰胺。
20.根据权利要求18或19的方法，特征在于在将硅石基颗粒添加到悬浮液中之前，硅石基颗粒用水稀释或与水混合以形成具有0.05-5wt％的硅石含量的水溶胶。
21.根据权利要求18-20中任一项的方法，特征在于硅石基颗粒以0.005-0.5wt％的量加入到悬浮液中，按SiO2计算和以纤维素纤维和任选的填料为基。
全文摘要
本发明涉及含有硅石基颗粒的水溶胶,它具有在10－45%范围内的S－值,在5－40cP范围内的粘度和在10∶1－40∶1范围内的SiO
文档编号C01B33/143GK1349480SQ00807148
公开日2002年5月15日 申请日期2000年4月28日 优先权日1999年5月4日
发明者M·珀森, M·托克兹, M-L·达尔格仁 申请人:阿克佐诺贝尔公司