專利名稱：不含穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅水合膠體分散體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不含穩(wěn)定劑的煙化(fumed)二氧化硅水合膠體分散體和生產(chǎn)煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法。
顆粒度極細(xì)的煙化二氧化硅有許多應(yīng)用，使用這種煙化二氧化硅的水合膠體分散體尤為方便。這樣的應(yīng)用包括紙張涂層、制造光學(xué)纖維和石英器皿的溶膠-凝膠工藝，以及用于熱絕緣。煙化二氧化硅水合膠體分散體也用于磨光和拋光工藝。在許多場合為了貯存和運(yùn)輸之需要，使煙化二氧化硅與水一起形成水合膠體分散體，來增濃煙化二氧化硅是很適宜的。
煙化二氧化硅一般是由氯硅烷(如四氯化硅)在氫氧焰中的汽相水解而產(chǎn)生的?？偡磻?yīng)是
用此方法可形成了亞微米級的煙化二氧化硅熔球顆粒。這些顆粒相互碰撞和熔合，結(jié)果形成長度約為0.1-0.5微米的三維支鏈狀的聚集體。由于冷卻迅速，限制了顆粒的增長，使煙化二氧化硅肯定是無定形的。這些聚集體再形成粒度為0.5-44微米(美國325號篩)更大的聚結(jié)體。煙化二氧化硅一般純度都很高，總雜質(zhì)含量通常低于100ppm。這樣高的純度使得煙化二氧化硅水合分散體對于許多應(yīng)用來講都特別有利。
在許多應(yīng)用中，另一個需要考慮的問題是要把細(xì)砂粒(grit)從煙化二氧化硅的水合膠體分散體中除去，因?yàn)樯傲Ｊ请s質(zhì)的主要來源。砂粒對分散體的許多應(yīng)用可能也有妨礙。例如，在乳膠凝結(jié)時，砂粒將會導(dǎo)致橡膠結(jié)構(gòu)中形成缺陷，又如在半導(dǎo)體單晶體拋光時，砂粒能引起擦傷。因此通常要求水合分散體具有很高的純度。一種增加純度的方法-過濾法，是將煙化二氧化硅的水合膠體分散體通過一種過濾器，這樣可除去砂粒和其它雜質(zhì)。為使煙化二氧化硅水合膠體分散體為可過濾的，膠體分散體的粘度必須足夠的低，膠體分散體必須是非脹流性的(non-dilatant)，以保證膠體分散體能夠穿過所需的過濾器。對于本發(fā)明的目的來說，非脹流性分散體是一種可以穿過孔徑為1000微米或更小的過濾器的分散體。
如上所述，分散體通過過濾器的能力也與分散體的粘度有關(guān)。過濾器越細(xì)，也就是說過濾器的孔徑越小，為了通過這種過濾器，煙化二氧化硅的水合膠體分散體的粘度也應(yīng)該越低。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，為提高純度，煙化二氧化硅的水合膠體分散體應(yīng)該通過孔眼盡可能細(xì)的過濾器。因此，生產(chǎn)具有低粘度的煙化二氧化硅水合膠體分散體通常是有利的。對于本發(fā)明的目的來說，低粘度就是低于大約1000厘泊的粘度。
此外，為有效進(jìn)行上列的各項(xiàng)應(yīng)用以及其他可能的應(yīng)用，煙化二氧化硅的水合膠體分散體不能膠凝成固體。煙化二氧化硅水合膠體分散體抗膠凝的能力通常稱之為水合膠體分散體的穩(wěn)定性。較穩(wěn)定的水合膠體分散體發(fā)生膠凝現(xiàn)象要比較不穩(wěn)定的水合膠體分散體發(fā)生膠凝現(xiàn)象來得晚。
為了增加膠體分散體的穩(wěn)定性，通常要向煙化二氧化硅的水合膠體分散體中加入一種例如堿那樣的穩(wěn)定劑。因此，一般公知的穩(wěn)定的煙化二氧化硅水合膠體分散體實(shí)際上就是含有穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅的水合膠體分散體。已知的煙化二氧化硅水合膠體分散體中煙化二氧化硅的含量為30%(重)、40%(重)、甚至高達(dá)70%(重)。例如Loftman的美國專利2984629(下簡稱Loftman專利)公開一種煙化二氧化硅和堿的水合膠體分散體，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度為40%。Diether的英國專利1326574(下簡稱Diether專利)公開一種煙化二氧化硅和穩(wěn)定劑的水合膠體分散體，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度為70%。Diether專利的穩(wěn)定劑也是堿。
可是，一般公知的不含堿或不含穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅水合膠體分散體中，如果煙化二氧化硅的重量百分濃度大于30%，這將是一種不穩(wěn)定的膠體分散體，它很快發(fā)生膠凝。另外，在一般公知的水合膠體分散體中，當(dāng)水合膠體分散體的煙化二氧化硅的重量濃度接近30%時，水合膠體分散體的粘度和脹流性將增加到這樣的程度，使水合膠體分散體通過過濾器以除去雜質(zhì)的操作變得很困難。
可是某些應(yīng)用則需要不含堿和/或穩(wěn)定劑且煙化二氧化硅的重量百分濃度大于35%的水合膠體分散體?？墒?，迄今為止，已知的生產(chǎn)無穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅的重量百分濃度大于30%的煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法中，所生產(chǎn)的水合膠體分散體都是不穩(wěn)定的，能迅速地發(fā)生膠凝。例如Bihuniak的美國專利4，042，361(下簡稱Bihuniak專利)公開一種不穩(wěn)定的不含堿或穩(wěn)定劑的水合膠體分散體其中煙化二氧化硅的重量百分濃度最高為45%。正如Bihunniak專利所公開的，這種膠體分散體的不穩(wěn)定性在幾分鐘內(nèi)就能測量到，因此對于大多數(shù)應(yīng)用場合，這種分散體難以運(yùn)輸和不能應(yīng)用。即使對于Bihuniak的發(fā)明目的來講，他本人也承認(rèn)使用煙化二氧化硅的水合膠體分散體的二氧化硅濃度最多只能為30%。
本發(fā)明提供一種穩(wěn)定的，非脹流性的，低粘度的，可過濾的煙化二氧化硅水合膠體分散體，這種分散體不含堿或穩(wěn)定劑，且其中的煙化二氧化硅重量百分濃度至少為35%。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的各種問題。
本發(fā)明的另一方面是生產(chǎn)不含穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法，此方法包括使煙化二氧化硅與水在混合器中混合，煙化二氧化硅的用量應(yīng)使與水混合的煙化二氧化硅的重量百分濃度要高于最終分散體所需的煙化二氧化硅的濃度;然后再加一定量的水來稀釋所得到的混合物，以使最終得到的水合膠體分散體含有所需的煙氣化二氧化硅濃度。上述混合物也可以進(jìn)行過濾，以除去砂粒和聚結(jié)體。
為生產(chǎn)煙化二氧化硅水合膠體分散體，對于具有任何比表面的煙化二氧化硅都可以使用本發(fā)明的方法。但是根據(jù)本發(fā)明，為生產(chǎn)煙化二氧化硅的重量濃度至少為35%的水合膠體分散體，煙化二氧化硅較好應(yīng)具有不大于75米2/克的比表面，更好應(yīng)具有10-75米2/克的比表面，最好應(yīng)具有35-60米2/克的比表面。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，煙化二氧化硅水合膠體是穩(wěn)定的，非脹流性的，且它的粘度很低。對于本發(fā)明的目的來說，“穩(wěn)定”是指分散體在至少2小時內(nèi)不會發(fā)生膠凝。一般情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法所生產(chǎn)的煙化二氧化硅水合膠體分散體在至少一天內(nèi)是穩(wěn)定的，較好情況下在幾天內(nèi)是穩(wěn)定的，更好的情況下在幾周至數(shù)月的時間也是穩(wěn)定的。如前如述，對于本發(fā)明的目的來說，“非脹流性”是指在不發(fā)生膠凝的情況下，分散體穿過孔徑為1000微米或更小的過濾器的能力。一般情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法所生產(chǎn)的煙化二氧化硅水合膠體分散體會穿過孔徑為250微米或更小的過濾器，較好情況下會穿過孔徑為25微米或更小的過濾器，更好的情況下會穿過孔徑為10微米或更小的過濾器。根據(jù)本發(fā)明的方法所生產(chǎn)的煙化二氧化硅水合膠體分散體的“低粘度”在一般情況下將低于1000厘泊，在較好情況下，將低于250厘泊。
特別是對于煙化二氧化硅的重量百分濃度至少為35%的煙化二氧化硅水合膠體分散體而言，本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)是，這些分散體在數(shù)天至數(shù)周的時間內(nèi)是穩(wěn)定的，而且是非脹流性的，低粘度的。非脹流性和低粘度就可以保證煙化二氧化硅重量濃度至少為35%的煙化二氧化硅水合膠體分散體易于穿過過濾器。
本發(fā)明方法的再一優(yōu)點(diǎn)是，在煙化二氧化硅水合膠體分散體膠凝之后，一般在數(shù)星期之后，通過搖動或攪拌，仍可以使發(fā)生膠凝的分散體再液化，重新供使用。
從下述本發(fā)明更詳細(xì)的說明可以更明顯看出本發(fā)明的更多優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，混合器加水(最好為去離子水)至混合器總體積的50%。所使用的混合器最好是高切變混合器，能夠生成例如本領(lǐng)域公知的分散體。開始加入混合器的水量顯然是可以改變的。但是正如從下述的說明所明顯地看到的那樣，混合器必須留有空間，以供加入煙化二氧化硅和補(bǔ)充水之用。所選定的起始水量通常是根據(jù)要加入的煙化二氧化硅的量和煙化二氧化硅水合膠體分散體中所需要的煙化二氧化硅最終濃度而定。例如，如果煙化二氧化硅水合膠體分散體所需要的煙化二氧化硅的最終重量百分濃度是50%，和向混合器要加入100磅的煙化二氧化硅，
則起始水量就應(yīng)是使混合器中煙化二氧化硅的重量百分濃度大于50%的水量。在本發(fā)明的方法中，稀釋前混合器中分散體的煙化二氧化硅的重量百分濃度，至少要比煙化二氧化硅水合膠體分散體所需要的煙化二氧化硅最終濃度大5%。此后，混合器中的膠體分散體再加水稀釋，使水合膠體分散體中煙化二氧化硅的最終重量百分濃度為50%。
在混合器加入適量水后，向混合器的水中加入煙化二氧化硅。加入煙化二氧化硅的方式可以是，在開動混合器的情況下，將煙化二氧化硅混入水中，也可以是先將煙化二氧化硅加入水中，然后才開動混合器。煙化二氧化硅也可以分多次每次加一定量的方式來加入，在每兩次加料的時間間隔內(nèi)開動混合器。
正如前面所討論的那樣，對于具有任何比表面的煙化二氧化硅，都可以使用本發(fā)明的方法。為了生產(chǎn)煙化二氧化硅的重量百分濃度至少為35%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，使用的煙化二氧化硅較好的比表面是不大于75米2/克，更好的比表面是10-75米2/克，最好的比表面是35-60米2/克。
向混合器一次加入或每次加入煙化二氧化硅后，混合器中煙化二氧化硅的水合膠體分散體將立即增稠，但當(dāng)混合器繼續(xù)開動后，煙化二氧化硅水合膠體分散體又會變稀。
當(dāng)混合器中煙化二氧化硅水合膠體分散體的煙化二氧化硅的重量百分濃度提高到所需要的煙化二氧化硅最終重量百分濃度以上時，繼續(xù)開動混合器，直到混合器中分散體變稀為止。如前所述，在本發(fā)明的方法中，混合器中的分散體在稀釋前的煙化二氧化硅濃度至少要比煙化二氧化硅水合膠體分散體中所需要的煙化二氧化硅最終濃度大5%。然后，向混合器加補(bǔ)充量的水。最好這種補(bǔ)充水亦是去離子水。然后開動混合器，使補(bǔ)充水混入混合器內(nèi)的膠體分散體中。所補(bǔ)加的水量應(yīng)是使混合器中煙化二氧化硅水合膠體分散體的煙化二氧化硅重量濃度降低到所需要的最終濃度的水量。在達(dá)到所需要的煙化二氧化硅最終重量濃度之后，煙化二氧化硅水合膠體分散體可以用本領(lǐng)域中公知的任何一種方式從混合器中移出、貯存或供運(yùn)輸?shù)陌b。如果需要，煙化二氧化硅水合膠體分散體也可通過過濾器，以除去砂粒和任何聚結(jié)的煙化二氧化硅顆粒。
本發(fā)明的方法非常適于生產(chǎn)不含穩(wěn)定劑的任何煙化二氧化硅重量百分濃度的煙化二氧化硅水合膠體分散體。但是，對于生產(chǎn)無穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅的重量百分濃度至少為35%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，本發(fā)明方法特別有用，因?yàn)槠駷橹惯@種穩(wěn)定的分散體尚未生產(chǎn)過。本發(fā)明的煙化二氧化硅水合膠體分散體至少在數(shù)天內(nèi)是穩(wěn)定的。
本發(fā)明的效果和優(yōu)點(diǎn)可通過下述的實(shí)例作進(jìn)一步的說明。
下面的實(shí)例將具體地說明生產(chǎn)煙化二氧化硅的重量百分濃度分別為40%、45%、50%和65%的煙化二氧化硅水合膠體分散體的各種方法?？墒?，顯然為生產(chǎn)不同的煙化二氧化硅濃度的煙化二氧化硅水合膠體分散體在這些實(shí)例中所使用的煙化二氧化硅的量和水量都是可以變化的。
實(shí)例1本實(shí)例描述了使用100加侖容積的能形成分散體的高切變混合器，來生產(chǎn)煙化二氧化硅的重量百分濃度為40%的煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法。
高切變混合器先加入40加侖的水。為了在混合器中形成煙化二氧化硅的重量百分濃度為60%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，向混合器慢慢加入500磅比表面為50米2/克的煙化二氧化硅，每次加入100磅，同時開動混合器。為了使混合器中煙化二氧化硅水合膠體分散體稀釋到所需要的40%煙化二氧化硅的重量百分濃度，在開動混合器的情況下，向混合器中慢慢地加入50加侖的補(bǔ)充水。這種煙化二氧化硅水合膠體分散體也可以過濾，以除去任何砂粒或聚結(jié)顆粒。對膠體分散體進(jìn)行過濾，會使煙化二氧化硅的重量百分濃度減少大約0.5%。不含穩(wěn)定劑的經(jīng)過濾的或未經(jīng)過濾的煙化二氧化硅水合膠體分散體都是穩(wěn)定的，非脹流性的，并且可以用本領(lǐng)域所公知的任何一種方式進(jìn)行貯存和/或供運(yùn)輸?shù)陌b。這種煙化二氧化硅的重量百分濃度為40%的煙化二氧化硅水合膠體分散體在數(shù)天至數(shù)周的時間內(nèi)是穩(wěn)定的。
實(shí)例2本實(shí)例描述了使用容積為100加侖，能形成分散體的高切變混合器，來生產(chǎn)煙化二氧化硅的重量百分濃度為45%的煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法。
高切變混合器先加入40加侖的水。為了在混合器中形成煙化二氧化硅的重量濃度為60%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，向混合器慢慢地加入500磅比表面為50米2/克的煙化二氧化硅，每次加煙化二氧化硅100磅，同時開動混合器。為使混合器中煙化二氧化硅水合膠體分散體稀釋到所需要的45%的煙化二氧化硅重量濃度，在開動混合器的情況下，慢慢地向混合器加入33加侖的補(bǔ)充水。為除去砂粒或聚結(jié)顆粒，這種煙化二氧化硅水合膠體分散體也可以過濾。對這種膠體分散體進(jìn)行過濾，會使煙化二氧化硅的重量百分濃度減少大約0.5%。這種不含穩(wěn)定劑的經(jīng)過濾的或未經(jīng)過濾的煙化二氧化硅水合膠體分散體是穩(wěn)定的，非脹流性的，并且可以用本領(lǐng)域所公知的任何一種方式進(jìn)行貯存和/或供運(yùn)輸?shù)陌b。這種煙化二氧化硅的重量百分濃度為45%的煙化二氧化硅水合膠體分散體在幾天至數(shù)周的時間內(nèi)是穩(wěn)定的。
實(shí)例3本實(shí)例描述了使用容積為100加侖，能形成分散體的高切變混合器來生產(chǎn)煙化二氧化硅的重量濃度為50%的煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法。
高切變混合器先加入32加侖的水。為在混合器中形成煙化二氧化硅的重量百分濃度為65%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，向混合器慢慢地加入500磅比表面積為50米2/克的煙化二氧化硅，每次加入煙化二氧化硅為100磅，同時開動混合器。為使混合器中的煙化二氧化硅水合膠體分散體稀釋到所需要的50%煙化二氧化硅重量百分濃度，在開動混合器的情況下，向混合器慢慢加入28加侖的補(bǔ)充水。為了除去砂?；蚓劢Y(jié)顆粒，這種煙化二氧化硅水合膠體分散體也可以過濾。對這種膠體分散體進(jìn)行過濾，會使煙化二氧化硅的重量百分濃度減少大約0.5%。這種不含穩(wěn)定劑的，經(jīng)過濾的或未經(jīng)過濾的煙化二氧化硅水合膠體分散體是穩(wěn)定，非脹流性的，并且可以用本領(lǐng)域所公知的任何一種方式進(jìn)行貯存和/或供運(yùn)輸?shù)陌b。這種煙化二氧化硅重量百分濃度為50%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，在至少一天的時間內(nèi)是穩(wěn)定的。
實(shí)例4
依照實(shí)例1、實(shí)例2和實(shí)例3所描述的相同方法，可以生產(chǎn)煙化二氧化硅重量百分濃度為65%的煙化二氧化硅水合膠體分散體。為形成煙化二氧化硅的重量百分濃度70%的分散體，先向混合器加26加侖的水，再加500磅比表面為50米2/克的煙化二氧化硅，然后加6加侖的補(bǔ)充水進(jìn)行稀釋。最終所得到的煙化二氧化硅的重量百分濃度為65%的煙化二氧化硅水合膠體分散體將是穩(wěn)定的，并且是非脹流性的。
為了得到穩(wěn)定的非脹流性的煙化二氧化硅的重量百分濃度為35%、55%和60%的煙化二氧化硅水合膠體分散體，改變開始向混合器加入的水量、向混合器加入的煙化二氧化硅的量和用以稀釋混合器中分散體所加的補(bǔ)充水量，這樣就可以獲得相似的結(jié)果。
在不違背本發(fā)明構(gòu)思的情況下，顯然可以對上述實(shí)例作出許多修改和變化。但應(yīng)當(dāng)理解這里所描述的本發(fā)明的實(shí)施類型僅僅是例證性的，而不是限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明包括了在本權(quán)利要求范圍內(nèi)所作的一切修改。
權(quán)利要求
1.不含穩(wěn)定劑的水合膠體分散體，其特征在于，它包含重量百分濃度至少為35%的分散在水中的煙化二氧化硅，此分散體是穩(wěn)定的和非脹流性的。
2.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度大約為35-65%。
3.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度大約為35%。
4.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度大約為40%。
5.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度大約為45%。
6.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，其中煙化二氧化硅的重量百分濃度大約為50%。
7.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面小于大約為75米2/克。
8.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面大約為10-75米2/克。
9.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面大約為35-60米2/克。
10.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面約為50米2/克。
11.生產(chǎn)不含穩(wěn)定劑的煙化二氧化硅水合膠體分散體的方法，其特征在于，方法包括將煙化二氧化硅加入水中形成初始分散體，該分散體的煙化二氧化硅的重量百分濃度高于最終分散體中所需要的煙化二氧化硅的重量百分濃度;然后用水稀釋初始分散體，得到所需要的煙化二氧化硅重量百分濃度的最終分散體，最終分散體是穩(wěn)定的和非脹流性的。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，最終分散體中煙化二氧化硅的重量百分濃度至少約為35%。
13.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，最終分散體中煙化二氧化硅的重量百分濃度約為40%。
14.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，最終分散體中煙化二氧化硅的重量百分濃度約為45%。
15.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面約為10-75米2/克。
16.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面約為35-60米2/克。
17.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，煙化二氧化硅的比表面約為50米2/克。
18.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，初始分散體中的煙化二氧化硅的重量百分濃度至少比最終分散體中煙化二氧化硅的重量百分濃度高約5%。
19.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，分散體的粘度約低于1000厘泊。
20.權(quán)利要求1的分散體，其特征在于，分散體的粘度約低于250厘泊。
21.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，最終分散體的粘度約低于1000厘泊。
22.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，最終分散體的粘度約低于250厘泊。
全文摘要
一種煙化二氧化硅重量百分濃度至少為35％的不含穩(wěn)定劑的水合膠體分散體。也公開了制造這種水合膠體分散體的方法。
文檔編號C03C1/00GK1045753SQ9010108
公開日1990年10月3日 申請日期1990年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月21日
發(fā)明者赫克托·科克倫 申請人:卡伯特公司