硅溶膠、制備其的設(shè)備和方法和其在造紙中的應(yīng)用
【專利說明】硅溶膠、制備其的設(shè)備和方法和其在造紙中的應(yīng)用 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及具有低S-值和高固體含量的膠態(tài)二氧化硅，其制備及其在紙張生產(chǎn) 中的應(yīng)用。當(dāng)用于紙張生產(chǎn)時，本發(fā)明的膠態(tài)二氧化硅顯示了好的保留和排水性能，以致于 它們與常規(guī)的膠態(tài)二氧化硅相比可以以更低的量使用。本發(fā)明還涉及制備所述活化的膠態(tài) 二氧化硅的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 膠態(tài)二氧化硅（亦稱硅溶膠或二氧化硅水溶膠）為含很小的二氧化硅顆粒的水性 體系，這些體系尤其依賴于顆粒大小而應(yīng)用于各種領(lǐng)域中。在紙張的生產(chǎn)中，含非常小的、 膠態(tài)的陰離子二氧化硅顆粒的二氧化硅基溶膠在最近二十年被越來越多地應(yīng)用。膠態(tài)二 氧化硅據(jù)此與陽離子或兩性聚合物組合作為添加劑用于原料，主要用于改進紙張生產(chǎn)中的 保留和脫水。膠態(tài)二氧化硅的制備和應(yīng)用例如被公開在歐洲專利0041056, PCT公布號WO 86/00100 和 TO 86/05826,美國專利號 5, 603, 805、6, 372, 089 和 6, 486, 216 中，所有這些文 獻的內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。
[0003] 可用于紙張生產(chǎn)的膠態(tài)二氧化硅屬于具有離散的膠體顆粒的類型，該膠體顆粒通 常具有約4-約7nm的顆粒大小、約300-約1000 mVg的比表面積和約20-約40%的S-值。 膠態(tài)二氧化娃產(chǎn)品可從各種供應(yīng)商如Nalco Chemical Company和EKA Nobel，AB商購。
[0004] 例如，美國專利號5, 603, 805公開了具有在15-40%范圍內(nèi)的S-值的、包含陰離子 二氧化硅顆粒的硅溶膠，所述二氧化硅顆粒是非鋁改性的，并具有在300-700m2/g范圍內(nèi)的 比表面積。該專利中公開的硅溶膠具有約5-7. 5wt%的SiO2含量。
[0005] 目前，制備硅溶膠的方法主要采用連續(xù)式的生產(chǎn)方法。例如，美國專利號 5, 503, 820公開了一種制備低濃度聚硅酸鹽微膠體的方法和相應(yīng)的設(shè)備。在該專利的設(shè) 備中，水溶性硅酸鹽溶液和強酸被同時供應(yīng)至混合裝置中。待硅酸鹽與強酸在該混合裝置 中反應(yīng)完全后，將所得混合物輸送至接收罐中。與此同時，將作為稀釋劑的水也供至該接 收罐中，從而對所得混合物進行稀釋，得到最終經(jīng)稀釋的膠態(tài)二氧化硅產(chǎn)品。美國專利號 5, 853, 616也公開了類似的膠態(tài)二氧化硅生產(chǎn)裝置。
[0006] 雖然上述裝置能夠使原料混合地比較均勻，并且連續(xù)地生產(chǎn)膠體態(tài)二氧化硅產(chǎn) 品，但產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的不穩(wěn)定性。這樣的產(chǎn)品對于為更快和更大的造紙機供應(yīng)膠態(tài)二 氧化硅來說，是不能接受的。另外，在這些生產(chǎn)裝置中，在每次反應(yīng)后采用腐蝕性較強的氫 氧化鈉來沖洗反應(yīng)容器，從而會對反應(yīng)容器造成腐蝕，增加運行成本，同時也會對帶來環(huán)境 問題。
[0007] 仍需要具有高固體含量和低S-值的膠態(tài)二氧化硅。另外，雖然存在許多用來在造 紙中改進保留和排水性能的多組分程序，但是仍需要用來改進保留和排水性能的新程序， 特別是在正建造的更快且更大的造紙機中。另外，亟需一種能夠以穩(wěn)定的方式生產(chǎn)高固體 含量和低S-值同時具有改進保留和排水性能的活化膠態(tài)二氧化硅的新型生產(chǎn)設(shè)備。
[0008] 發(fā)明概述
[0009] 本發(fā)明的一個目的是提供具有高固體含量和低S-值的膠態(tài)二氧化硅。
[0010] 本發(fā)明的另一個目的是提供制備本發(fā)明的膠態(tài)二氧化硅的方法。
[0011] 本發(fā)明的另一個目的是提供生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備，該設(shè)備包括：反應(yīng) 容器；通過膠態(tài)二氧化硅管線與所述反應(yīng)容器流體連通的用于提供膠態(tài)二氧化硅的膠態(tài)二 氧化硅儲罐；通過活化劑管線與所述反應(yīng)容器流體連通的用于提供活化劑的活化劑儲罐； 和用于通過終止劑管線提供終止劑的終止劑源。
[0012] 本發(fā)明的另一目的是提供一種通過本發(fā)明的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備來 生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的方法，該方法包括：開啟膠態(tài)二氧化硅儲罐以通過膠態(tài)二氧化 硅管線向反應(yīng)容器供應(yīng)膠態(tài)二氧化硅；開啟活化劑儲罐以通過活化劑管線向所述反應(yīng)容器 供應(yīng)膠態(tài)二氧化硅；使所述膠態(tài)二氧化硅與所述活化劑接觸一段足以將所述膠態(tài)二氧化硅 原料轉(zhuǎn)化成活化的膠態(tài)二氧化硅的時間；然后開啟終止劑源以通過終止劑管線供應(yīng)終止劑 來終止反應(yīng)。
[0013] 本發(fā)明的又一個目的是提供使用本發(fā)明的膠態(tài)二氧化硅作為水性體系，尤其是紙 張生產(chǎn)中的水性體系的化學(xué)添加劑的方法。
[0014] 本發(fā)明的又一個目的是提供改進紙張生產(chǎn)中膠態(tài)二氧化硅的保留和排水性能的 方法。
[0015] 通過采用本發(fā)明的生產(chǎn)膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備和生產(chǎn)膠態(tài)二氧化硅的方法，獲得了 質(zhì)量穩(wěn)定的活化的膠態(tài)二氧化硅，該經(jīng)活化的膠態(tài)二氧化硅具有高固體含量和低S-值，同 時在造紙工程中提供了改進的保留和排水性能。
[0016] 與此同時，通過采用本發(fā)明的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備，能夠質(zhì)量穩(wěn)定地 生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅，并且該設(shè)備能夠與下游生產(chǎn)設(shè)備，例如造紙裝置，進行方便的連 接，從而提高了整體生產(chǎn)效率。
[0017] 本發(fā)明的這些及其它實施方案對閱讀了以下一些實施方案的詳細描述的本領(lǐng)域 技術(shù)人員和其它人員來說將是顯而易見的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，此概述和以下詳細描述僅舉例 說明了各種實施方案的一些實例，并且不意圖限制所要求保護的本發(fā)明。
【附圖說明】
[0018] 圖1是根據(jù)本發(fā)明第一方面的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備的示意圖。
[0019] 圖2是根據(jù)本發(fā)明第一方面的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備的流程示意圖。
[0020] 圖3是根據(jù)本發(fā)明第二方面的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備的示意圖。
[0021] 圖4是根據(jù)本發(fā)明第二方面的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備的流程示意圖。
[0022] 圖5是根據(jù)本發(fā)明第一方面的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備的一種實施方式 的俯視圖。 具體實施方案
[0023] 對于以下定義的術(shù)語，除非在權(quán)利要求書中或者在說明書的其它部分中給出了不 同的定義，應(yīng)該應(yīng)用這些定義。
[0024] 所有數(shù)值在本文中被假定被術(shù)語"約"修飾，無論是否被明確指出。術(shù)語"約"一 般是指本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)為與所提及的值等價（即具有相同功能或結(jié)果）的數(shù)值范圍。 在許多情況下，術(shù)語"約"可以包括圓整至最接近有效數(shù)字的數(shù)值。
[0025] 重量百分?jǐn)?shù)，百分重量，重量％等是同義詞，并且是指物質(zhì)的濃度，為該物質(zhì)的重 量除以所述組合物的重量并乘以100。
[0026] 通過端點敘述的數(shù)值范圍包括包含在該范圍內(nèi)的所有數(shù)值（例如1-5包括1，1. 5， 2,2· 75,3,3· 80,4 和 5)。
[0027] 在本說明書和所附權(quán)利要求書中使用的單數(shù)形式"一個"、"一種"和"所述"包括 復(fù)數(shù)指示物，除非內(nèi)容清楚地另外指示。因此，例如，提及含有"一種化合物"的組合物包括 兩種或更多種化合物的混合物。在本說明書和所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語"或"通常以 包括"和/或"的含義使用，除非所述內(nèi)容清楚地另外指示。
[0028] 本文中使用的術(shù)語"固體含量"是指膠態(tài)二氧化硅的SiO2含量，除非另有說明。
[0029] 本文中使用的術(shù)語"室溫"是指23°C。
[0030] 在一個方面中，本發(fā)明涉及生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的方法，包括使膠態(tài)二氧化 硅原料與活化劑接觸一段足以將所述膠態(tài)二氧化硅原料轉(zhuǎn)化成活化的膠態(tài)二氧化硅的時 間。
[0031] 參考圖1，在本發(fā)明的一方面中，本發(fā)明的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備100包 括：反應(yīng)容器109 ;通過膠態(tài)二氧化硅管線108與所述反應(yīng)容器109流體連通的用于提供膠 態(tài)二氧化硅的膠態(tài)二氧化硅儲罐103 ;通過活化劑管線107與所述反應(yīng)容器109流體連通 的用于提供活化劑的活化劑儲罐102 ;和通過終止劑管線106與所述反應(yīng)容器109流體連 通的用于提供終止劑的終止劑源101。
[0032] 在上述方面的實施方式中，對于反應(yīng)容器109的形狀沒有特別限定。該反應(yīng)容器 可以采用圓柱形、立方形、錐形等各種結(jié)構(gòu)。反應(yīng)容器的大小和容積可以根據(jù)所需要的活化 的膠態(tài)二氧化硅的需要量以及成本在寬范圍中改變。
[0033] 參考圖3,在本發(fā)明的另一方面中，本發(fā)明的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備300 包括：反應(yīng)容器307 ;通過膠態(tài)二氧化硅管線與所述反應(yīng)容器307流體連通的用于提供膠態(tài) 二氧化硅的膠態(tài)二氧化硅儲罐303 ;通過活化劑管線與所述反應(yīng)容器307流體連通的用于 提供活化劑的活化劑儲罐302 ;和通過終止劑管線306與所述反應(yīng)容器307流體連通的用 于提供終止劑的終止劑源301。
[0034] 在上述方面的實施方式中，對于反應(yīng)容器307的形狀沒有特別限定。該反應(yīng)容器 可以采用圓柱形、錐形、延長管形等各種結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實施方式中，該反應(yīng)容器為延長管 式反應(yīng)容器。該反應(yīng)容器的大小和容積可以根據(jù)所需要的活化的膠態(tài)二氧化硅的需要量以 及成本在寬范圍中改變。
[0035] 在本發(fā)明的各種實施方式中，根據(jù)需要，可以在膠態(tài)二氧化硅管線、活化劑管線和 終止劑管線中的任一個或多個中可安裝輸送裝置，例如圖1中所示的泵104和105。這樣的 輸送裝置可以包括，但不限于，電磁隔膜泵、氣動隔膜泵、離心泵等。在本發(fā)明的各種實施方 式中，根據(jù)需要，還可以在膠態(tài)二氧化硅管線、活化劑管線和終止劑管線中的任一個或多個 中可安裝計量設(shè)備，用來控制各管線中原料的加入量。所述計量設(shè)備包括但不限于流量計、 砰等。
[0036] 在本發(fā)明的一種實施方式中，膠態(tài)二氧化硅管線108、活化劑管線107和終止劑管 線106各自的進料口位于反應(yīng)容器109的頂部且處于同一水平，如圖1所示。在進一步的 實施方式中，二氧化硅管線108、活化劑管線107和終止劑管線106各自的進料口在反應(yīng)容 器109的頂部以所述反應(yīng)容器豎直方向的軸為中心軸向?qū)ΨQ分布。通過采用這樣的設(shè)計方 式，各原料的供應(yīng)互不干擾，且設(shè)計簡便。
[0037] 在本發(fā)明的另一種實施方式中，二氧化硅管線108和活化劑管線107各自的進料 口各自位于反應(yīng)容器109的上部且處于同一水平，而終止劑管線106的進料口位于反應(yīng)容 器109側(cè)面的下部，如圖5所示。這里所說的反應(yīng)容器側(cè)面的下部，是指反應(yīng)容器側(cè)面長度 1/2處至反應(yīng)容器底端的位置。終止劑管線106的進料口可以在上述區(qū)間內(nèi)的任意位置設(shè) 置。通過采用這樣的實施方式，終止劑可以與反應(yīng)容器中的反應(yīng)混合物更加充分地接觸，從 而更及時、更有效地終止反應(yīng)容器中進行的反應(yīng)。在這樣的實施方式中，二氧化硅管線108 和活化劑管線107各自的進料口也可設(shè)置在反應(yīng)容器109的頂部并以所述反應(yīng)容器豎直方 向的軸為中心軸向?qū)ΨQ分布。
[0038] 在本發(fā)明的各種實施方式中，用于儲存膠態(tài)二氧化硅原料、活化劑原料和終止劑 原料的儲罐可以為本領(lǐng)域常用的原料儲罐。該儲罐的大小沒有特別限制，例如可以為幾十 升、幾百升、或甚至幾噸的儲罐。在本發(fā)明的一種特定的實施方式中，膠態(tài)二氧化硅儲罐可 以為1噸的規(guī)格，而活化劑儲罐可以為200升的規(guī)格。各種儲罐的材料是對各儲罐中儲存 的原料來說是惰性的材料。典型地，這樣的材料可以為金屬材料，例如不銹鋼、低碳鋼等，具 體來說，可以為SS304和SS316等；或塑料材料，例如PVC、聚乙烯、聚丙烯等。
[0039] 在本發(fā)明的各種實施方式中，用于輸送膠態(tài)二氧化硅原料、活化劑原料和終止劑 原料的管線可以為本領(lǐng)域中常規(guī)使用的管線。具體來說，所述管線的材料是對管線中輸送 的原料來說惰性的材料。典型地，這樣的材料可以為金屬材料，例如不銹鋼、低碳鋼等，具體 來說，可以為SS304和SS316等；或塑料材料，例如PVC、聚乙烯、聚丙烯等。這些管線的尺 寸可以根據(jù)反應(yīng)速率、產(chǎn)率等因素來具體選擇。在一種特定的實施方式中，所述管線的直徑 可為例如1、1. 2、1. 5、1. 8英寸等。
[0040] 在本發(fā)明的各種實施方式中，通過終止劑管線與反應(yīng)容器連接的終止劑源可以包 括，但不限于：水，例如自來水，地表水，軟化水；氫氧化物，例如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧 化銨等；含鋁的鹽，例如鋁酸鈉等。所述終止劑源可以作為終止劑溶液儲存在終止劑儲罐 中?；蛘?，所述終止劑源可以來自實施本發(fā)明的設(shè)備現(xiàn)場的水