用于產(chǎn)生高固體膠體二氧化硅的方法
【專利說明】用于產(chǎn)生高固體膠體二氧化硅的方法
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 本發(fā)明涉及可用于產(chǎn)生穩(wěn)定的高固體膠體二氧化硅的物質(zhì)組合物、方法和設(shè)備以 及其用途。如美國專利 6, 486, 216、6, 361，653、5, 840, 158、6, 361，652、6, 372, 805 和美國 公開專利申請2011/0250341Al所述，膠體二氧化硅是其中懸浮有二氧化硅微粒的水性體 系。已發(fā)現(xiàn)膠體二氧化硅根據(jù)顆粒尺寸可用于包括硅片和無碳復(fù)寫紙的制造的許多應(yīng)用領(lǐng) 域，用作抗污劑（anti-soilant)、潤滑劑、高溫粘合劑、研磨劑、吸濕劑和抗磨劑。特別地， 如例如美國專利 4,753,710、4,913,775、4,388，150、4,385,961、5，182,062 和 5,098,520 所述，已發(fā)現(xiàn)膠體二氧化娃在造紙工業(yè)中，尤其是在增強(qiáng)紙衆(zhòng)的助留助濾（retentionand drainage)方面的多個應(yīng)用中尤其有用。
[0003] 遺憾的是，膠體二氧化硅的性質(zhì)使其具有多個限制性約束。當(dāng)使用膠體二氧化硅 時，有兩個因素是非常重要的：平均顆粒尺寸（通常以表面積來測量）和水性體系中顆粒所 占的百分比（固體％)。對于給定應(yīng)用，存在膠體二氧化硅將最有效的理想顆粒尺寸。通 常，使用者在該顆粒尺寸下將優(yōu)選使用盡可能高的固體％。然而，應(yīng)用該理想顆粒尺寸通常 是不切實際的，因為膠體二氧化硅在該尺寸下在高固體％下不能穩(wěn)定足夠長的時間。
[0004] 膠體二氧化硅的穩(wěn)定性是非常重要的。如果膠體不穩(wěn)定，則其僅可在非常狹窄的 時間窗口中使用。這種狹窄在存儲成本、制備成本、儀器要求、和不斷替換不再穩(wěn)定的膠體 的需要等方面向使用者強(qiáng)加了很大的成本和不便。膠體二氧化硅的穩(wěn)定性與固體％和顆 粒尺寸二者呈反比。因此，給定顆粒尺寸的二氧化硅膠體將僅在通常低于理想量的特定固 體％下穩(wěn)定顯著時間段（例如，> 3至6個月）。當(dāng)膠體的固體％超過該水平時，不同微粒 上的硅烷醇基團(tuán)彼此相互作用并形成互鎖復(fù)合物，使得水性體系變?yōu)閷ζ漕A(yù)期用途不再有 效的高粘度淤渣（sludge)。此外，其他因素也可損害微粒的穩(wěn)定性。因此，常常迫使使用者 在固體％低于他們想要的固體％的更穩(wěn)定的膠體二氧化硅，或者他們必須使用具有期望固 體％但是與期望相比較不穩(wěn)定的膠體二氧化硅中進(jìn)行選擇。
[0005] 因此，明確需要并使用產(chǎn)生穩(wěn)定的高固體膠體二氧化硅的改進(jìn)方法。除非本身有 具體指定，否則該部分中描述的技術(shù)不旨在承認(rèn)本文所提及的任何專利、公開或其他信息 是關(guān)于本發(fā)明的"現(xiàn)有技術(shù)"。此外，該部分不應(yīng)解釋為意指已進(jìn)行了研究或者不存在其他 如37C.F.R. §I. 56(a)所限定的相關(guān)信息。
[0006] 發(fā)明簡述
[0007] 本發(fā)明的至少一個實施方案涉及用于改善膠體二氧化硅的性能的方法。所述方法 包括以下步驟：提供膠體二氧化硅，以及從膠體中分離帶電顆粒。進(jìn)行分離至使得帶電顆粒 與二氧化硅上的硅烷醇基團(tuán)之間引起交聯(lián)的相互作用減少的程度，但不至使得硅醇烷基團(tuán) 之間引起交聯(lián)的相互作用增加的程度。分離使膠體的顆粒尺寸增加了至少5%，而不損害膠 體的S值或穩(wěn)定性。
[0008] 所述膠體可應(yīng)用于造紙體系并且其在其應(yīng)用中可與未經(jīng)歷分離的類似膠體至少 同樣有效。經(jīng)分離的顆?？梢允窃诨谖擦希╤eel)或樹脂的形成過程期間引入到膠體中 的顆粒。膠體顆粒的表面積可為約700m2/g至約1100m2/g，并且SiO2固體含量重量百分比 可為至少15。分離可使用其中過濾至少部分為超濾的稀釋過濾過程完成。稀釋可在與過濾 不同的時間發(fā)生和/或可與其至少部分重疊。稀釋速率可使得流體在過濾過程中以不比帶 電顆粒從膠體滴中解離的凈速率快的凈速率通過過濾器。所述方法可包括反復(fù)稀釋然后過 濾膠體，所述稀釋的特征在于使固體％降低所述過程開始時存在的固體％的30%至80%， 所述過濾（除最后的過濾步驟之外）包括使固體％恢復(fù)至所述過程開始時存在的固體％的 10%至60%之內(nèi)。在流體通過過濾器的速率減慢之前不能開始稀釋。膠體可作為助留助濾 程序的一部分應(yīng)用于造紙過程和/或可在添加或不添加促凝劑的情況下與聚合物絮凝劑 和/或陽離子淀粉結(jié)合使用，并且當(dāng)與未經(jīng)歷分離的類似膠體相比時，沒有有效性的損失 或不期望的副作用。雜質(zhì)從膠體中移除的程度可通過使其與膠體的電導(dǎo)率變化的測量結(jié)果 相關(guān)聯(lián)來測量。可進(jìn)行雜質(zhì)移除直至膠體體系的電導(dǎo)率為4000yS/cm至7000yS/cm。
[0009] 另外的特征和優(yōu)點在本文中進(jìn)行了描述，并且通過以下詳述將變得明顯。
[0010] 發(fā)明詳述
[0011] 提供以下定義以確定本申請中特別是權(quán)利要求中使用的術(shù)語應(yīng)如何解釋。定義的 結(jié)構(gòu)僅為了方便，而不旨在將任何定義限制至任何特定的分類。
[0012] "膠體"或"膠體體系"意指包含基本上均勻分散在另一物質(zhì)中的超小顆粒的物質(zhì)， 膠體由兩個獨立相組成：分散相（或內(nèi)相）和其中分散有分散相顆粒的連續(xù)相（或分散介 質(zhì)），分散相顆粒可以是固體、液體或氣體，分散相顆粒的直徑為約1納米至1，〇〇〇, 〇〇〇納 米，分散相顆?；虻魏艽蟪潭壬鲜苣z體中存在的表面化學(xué)影響。
[0013] "膠體二氧化硅"意指這樣的膠體，其中主要的分散相顆粒包含含硅分子，該 定義一般包括以下參考書的全部教導(dǎo)：RalphK.Iler的TheChemistryofSilica： Solubility,Polymerization,ColloidandSurfacePropertiesandBiochemistryof Silica,JohnWileyandSons，Inc.，（1979)，并且還特別地包括第312至599頁的全部教 導(dǎo)，一般來說，當(dāng)顆粒的直徑大于IOOnm時，其被稱為溶膠、水溶膠或納米顆粒。
[0014] "膠體穩(wěn)定性"意指膠體組分保持膠體狀態(tài)并且不會交聯(lián)、分成重力分離相，和 /或換句話說不能維持膠體狀態(tài)的傾向，RalphK.Iler的TheChemistryofSilica： Solubility,Polymerization,ColloidandSurfacePropertiesandBiochemistryof Silica,JohnWileyandSons，Inc.，（1979)中闡明了其精確的公認(rèn)范圍和用于測量其的 方案。
[0015] "微粒"意指膠體體系的分散相顆粒，一般來說，微粒是指直徑為Inm至IOOnm的顆 粒，因為其小于可見光的波長，所以其太小而不能被裸眼看到。
[0016] "S值"意指膠體材料的微聚集程度的度量，其可通過測量膠體體系的粘度獲 得并且通常與膠體最終產(chǎn)物的性能有關(guān)，RalphK.Iler的TheChemistryofSilica： Solubility,Polymerization,ColloidandSurfacePropertiesandBiochemistryof Silica,JohnWileyandSons，Inc.，（1979)中闡明了其精確的公認(rèn)范圍和用于測量其的 方案。
[0017] "固體％ "意指水性體系中連續(xù)相的含二氧化硅顆粒按重量計的部分。
[0018] "硅烷醇"意指具有Si-O-H連接的含硅分子上的官能團(tuán)。
[0019] "分離"意指將物質(zhì)的混合物轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N或更多種不同的產(chǎn)物混合物的傳質(zhì)過程， 所述產(chǎn)物混合物中的至少一種富集混合物成分的一種或更多種，所述分離包括但不限于例 如以下的過程：吸附、離心、氣旋分離、基于密度的分離、色譜、結(jié)晶、傾析、蒸餾、干燥、電泳、 淘析、蒸發(fā)、提取、浸析提取、液液萃取、固相萃取、浮選、溶解氣浮選、泡沫浮選、絮凝、過濾、 網(wǎng)眼過濾、膜過濾、微濾、超濾、納濾、反滲透、分餾、分級冷凍、磁性分離、沉淀、重結(jié)晶、沉 降、重力分離、篩選、汽提、升華、氣液分離、風(fēng)選、區(qū)域精煉及其任意組合。
[0020] "超濾"意指這樣的過濾過程：其中靜水壓力迫使濾液緊靠半透膜，懸浮固體和高 分子量溶質(zhì)被保留，而水和低分子量溶質(zhì)通過膜；其用于工業(yè)和研究中以純化和濃縮大分 子（IO3Da至IO6Da)溶液，其包括但不限于微濾、納濾或氣體分離，其可以以錯流模式或死 端模式應(yīng)用，并且超濾中的分離可經(jīng)歷濃差極化，科學(xué)參考：CRCPressLLC出版的Munir Cheryan的UltrafiltrationandMicrofiltrationHandbook，第二版，（1998)中闡明了 用于應(yīng)用超濾以及對其進(jìn)行分類的精確的公認(rèn)范圍和方案。
[0021] "滴"意指由連續(xù)相液體圍繞的大量分散相物質(zhì)，其可以是懸浮固體或分散液體。
[0022] "顆粒尺寸"意指單一滴的表面積。
[0023] "稀釋過濾"意指其中經(jīng)歷過濾過程的材料還通過向材料中添加液體而被稀釋的 過程，稀釋過濾可以是同時的（過濾和稀釋同時發(fā)生）、階段的（稀釋和過濾相繼發(fā)生）和 /或二者均有，并且可具有一個或更多個相對速率（與通過稀釋過程添加液體相比，通過過 濾過程可更快、更慢和/或與其相同的速率從材料中移除液體）。
[0024] "界面"意指在液體體系的兩個或更多個相之間形成邊界的表面。
[0025] "造紙過程"意指由紙漿制造紙產(chǎn)品的方法中的任意部分，其包括