用于产生高固体胶体二氧化硅的方法
【专利说明】用于产生高固体胶体二氧化硅的方法
[0001] 发明背景
[0002] 本发明涉及可用于产生稳定的高固体胶体二氧化硅的物质组合物、方法和设备以 及其用途。如美国专利 6, 486, 216、6, 361，653、5, 840, 158、6, 361，652、6, 372, 805 和美国 公开专利申请2011/0250341Al所述，胶体二氧化硅是其中悬浮有二氧化硅微粒的水性体 系。已发现胶体二氧化硅根据颗粒尺寸可用于包括硅片和无碳复写纸的制造的许多应用领 域，用作抗污剂（anti-soilant)、润滑剂、高温粘合剂、研磨剂、吸湿剂和抗磨剂。特别地， 如例如美国专利 4,753,710、4,913,775、4,388，150、4,385,961、5，182,062 和 5,098,520 所述，已发现胶体二氧化娃在造纸工业中，尤其是在增强纸衆的助留助滤（retentionand drainage)方面的多个应用中尤其有用。
[0003] 遗憾的是，胶体二氧化硅的性质使其具有多个限制性约束。当使用胶体二氧化硅 时，有两个因素是非常重要的：平均颗粒尺寸（通常以表面积来测量）和水性体系中颗粒所 占的百分比（固体％)。对于给定应用，存在胶体二氧化硅将最有效的理想颗粒尺寸。通 常，使用者在该颗粒尺寸下将优选使用尽可能高的固体％。然而，应用该理想颗粒尺寸通常 是不切实际的，因为胶体二氧化硅在该尺寸下在高固体％下不能稳定足够长的时间。
[0004] 胶体二氧化硅的稳定性是非常重要的。如果胶体不稳定，则其仅可在非常狭窄的 时间窗口中使用。这种狭窄在存储成本、制备成本、仪器要求、和不断替换不再稳定的胶体 的需要等方面向使用者强加了很大的成本和不便。胶体二氧化硅的稳定性与固体％和颗 粒尺寸二者呈反比。因此，给定颗粒尺寸的二氧化硅胶体将仅在通常低于理想量的特定固 体％下稳定显著时间段（例如，> 3至6个月）。当胶体的固体％超过该水平时，不同微粒 上的硅烷醇基团彼此相互作用并形成互锁复合物，使得水性体系变为对其预期用途不再有 效的高粘度淤渣（sludge)。此外，其他因素也可损害微粒的稳定性。因此，常常迫使使用者 在固体％低于他们想要的固体％的更稳定的胶体二氧化硅，或者他们必须使用具有期望固 体％但是与期望相比较不稳定的胶体二氧化硅中进行选择。
[0005] 因此，明确需要并使用产生稳定的高固体胶体二氧化硅的改进方法。除非本身有 具体指定，否则该部分中描述的技术不旨在承认本文所提及的任何专利、公开或其他信息 是关于本发明的"现有技术"。此外，该部分不应解释为意指已进行了研究或者不存在其他 如37C.F.R. §I. 56(a)所限定的相关信息。
[0006] 发明简述
[0007] 本发明的至少一个实施方案涉及用于改善胶体二氧化硅的性能的方法。所述方法 包括以下步骤：提供胶体二氧化硅，以及从胶体中分离带电颗粒。进行分离至使得带电颗粒 与二氧化硅上的硅烷醇基团之间引起交联的相互作用减少的程度，但不至使得硅醇烷基团 之间引起交联的相互作用增加的程度。分离使胶体的颗粒尺寸增加了至少5%，而不损害胶 体的S值或稳定性。
[0008] 所述胶体可应用于造纸体系并且其在其应用中可与未经历分离的类似胶体至少 同样有效。经分离的颗粒可以是在基于尾料（heel)或树脂的形成过程期间引入到胶体中 的颗粒。胶体颗粒的表面积可为约700m2/g至约1100m2/g，并且SiO2固体含量重量百分比 可为至少15。分离可使用其中过滤至少部分为超滤的稀释过滤过程完成。稀释可在与过滤 不同的时间发生和/或可与其至少部分重叠。稀释速率可使得流体在过滤过程中以不比带 电颗粒从胶体滴中解离的净速率快的净速率通过过滤器。所述方法可包括反复稀释然后过 滤胶体，所述稀释的特征在于使固体％降低所述过程开始时存在的固体％的30%至80%， 所述过滤（除最后的过滤步骤之外）包括使固体％恢复至所述过程开始时存在的固体％的 10%至60%之内。在流体通过过滤器的速率减慢之前不能开始稀释。胶体可作为助留助滤 程序的一部分应用于造纸过程和/或可在添加或不添加促凝剂的情况下与聚合物絮凝剂 和/或阳离子淀粉结合使用，并且当与未经历分离的类似胶体相比时，没有有效性的损失 或不期望的副作用。杂质从胶体中移除的程度可通过使其与胶体的电导率变化的测量结果 相关联来测量。可进行杂质移除直至胶体体系的电导率为4000yS/cm至7000yS/cm。
[0009] 另外的特征和优点在本文中进行了描述，并且通过以下详述将变得明显。
[0010] 发明详述
[0011] 提供以下定义以确定本申请中特别是权利要求中使用的术语应如何解释。定义的 结构仅为了方便，而不旨在将任何定义限制至任何特定的分类。
[0012] "胶体"或"胶体体系"意指包含基本上均匀分散在另一物质中的超小颗粒的物质， 胶体由两个独立相组成：分散相（或内相）和其中分散有分散相颗粒的连续相（或分散介 质），分散相颗粒可以是固体、液体或气体，分散相颗粒的直径为约1纳米至1，〇〇〇, 〇〇〇纳 米，分散相颗粒或滴很大程度上受胶体中存在的表面化学影响。
[0013] "胶体二氧化硅"意指这样的胶体，其中主要的分散相颗粒包含含硅分子，该 定义一般包括以下参考书的全部教导：RalphK.Iler的TheChemistryofSilica： Solubility,Polymerization,ColloidandSurfacePropertiesandBiochemistryof Silica,JohnWileyandSons，Inc.，（1979)，并且还特别地包括第312至599页的全部教 导，一般来说，当颗粒的直径大于IOOnm时，其被称为溶胶、水溶胶或纳米颗粒。
[0014] "胶体稳定性"意指胶体组分保持胶体状态并且不会交联、分成重力分离相，和 /或换句话说不能维持胶体状态的倾向，RalphK.Iler的TheChemistryofSilica： Solubility,Polymerization,ColloidandSurfacePropertiesandBiochemistryof Silica,JohnWileyandSons，Inc.，（1979)中阐明了其精确的公认范围和用于测量其的 方案。
[0015] "微粒"意指胶体体系的分散相颗粒，一般来说，微粒是指直径为Inm至IOOnm的颗 粒，因为其小于可见光的波长，所以其太小而不能被裸眼看到。
[0016] "S值"意指胶体材料的微聚集程度的度量，其可通过测量胶体体系的粘度获 得并且通常与胶体最终产物的性能有关，RalphK.Iler的TheChemistryofSilica： Solubility,Polymerization,ColloidandSurfacePropertiesandBiochemistryof Silica,JohnWileyandSons，Inc.，（1979)中阐明了其精确的公认范围和用于测量其的 方案。
[0017] "固体％ "意指水性体系中连续相的含二氧化硅颗粒按重量计的部分。
[0018] "硅烷醇"意指具有Si-O-H连接的含硅分子上的官能团。
[0019] "分离"意指将物质的混合物转变为两种或更多种不同的产物混合物的传质过程， 所述产物混合物中的至少一种富集混合物成分的一种或更多种，所述分离包括但不限于例 如以下的过程：吸附、离心、气旋分离、基于密度的分离、色谱、结晶、倾析、蒸馏、干燥、电泳、 淘析、蒸发、提取、浸析提取、液液萃取、固相萃取、浮选、溶解气浮选、泡沫浮选、絮凝、过滤、 网眼过滤、膜过滤、微滤、超滤、纳滤、反渗透、分馏、分级冷冻、磁性分离、沉淀、重结晶、沉 降、重力分离、筛选、汽提、升华、气液分离、风选、区域精炼及其任意组合。
[0020] "超滤"意指这样的过滤过程：其中静水压力迫使滤液紧靠半透膜，悬浮固体和高 分子量溶质被保留，而水和低分子量溶质通过膜；其用于工业和研究中以纯化和浓缩大分 子（IO3Da至IO6Da)溶液，其包括但不限于微滤、纳滤或气体分离，其可以以错流模式或死 端模式应用，并且超滤中的分离可经历浓差极化，科学参考：CRCPressLLC出版的Munir Cheryan的UltrafiltrationandMicrofiltrationHandbook，第二版，（1998)中阐明了 用于应用超滤以及对其进行分类的精确的公认范围和方案。
[0021] "滴"意指由连续相液体围绕的大量分散相物质，其可以是悬浮固体或分散液体。
[0022] "颗粒尺寸"意指单一滴的表面积。
[0023] "稀释过滤"意指其中经历过滤过程的材料还通过向材料中添加液体而被稀释的 过程，稀释过滤可以是同时的（过滤和稀释同时发生）、阶段的（稀释和过滤相继发生）和 /或二者均有，并且可具有一个或更多个相对速率（与通过稀释过程添加液体相比，通过过 滤过程可更快、更慢和/或与其相同的速率从材料中移除液体）。
[0024] "界面"意指在液体体系的两个或更多个相之间形成边界的表面。
[0025] "造纸过程"意指由纸浆制造纸产品的方法中的任意部分，其包括