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(shuō)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(shí)，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(lái)越多地應(yīng)用。膠態(tài)二 氧化硅據(jù)此與陽(yáng)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(jìn)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(hào)WO 86/00100 和 TO 86/05826,美國(guó)專利號(hào) 5, 603, 805、6, 372, 089 和 6, 486, 216 中，所有這些文 獻(xiàn)的內(nèi)容通過(guò)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(gòu)。
[0004] 例如，美國(guó)專利號(hào)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(guó)專利號(hào) 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(qiáng)酸被同時(shí)供應(yīng)至混合裝置中。待硅酸鹽與強(qiáng)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(shí)，將作為稀釋劑的水也供至該接 收罐中，從而對(duì)所得混合物進(jìn)行稀釋，得到最終經(jīng)稀釋的膠態(tài)二氧化硅產(chǎn)品。美國(guó)專利號(hào) 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(duì)于為更快和更大的造紙機(jī)供應(yīng)膠態(tài)二 氧化硅來(lái)說(shuō)，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(qiáng)的氫 氧化鈉來(lái)沖洗反應(yīng)容器，從而會(huì)對(duì)反應(yīng)容器造成腐蝕，增加運(yùn)行成本，同時(shí)也會(huì)對(duì)帶來(lái)環(huán)境 問(wèn)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(lái)在造 紙中改進(jìn)保留和排水性能的多組分程序，但是仍需要用來(lái)改進(jìn)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(jī)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(shí)具有改進(jìn)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(gè)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(gè)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(gè)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(guò)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(chǔ)罐；通過(guò)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(chǔ)罐； 和用于通過(guò)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(guò)本發(fā)明的生產(chǎn)活化的膠態(tài)二氧化硅的設(shè)備來(lái) 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(chǔ)罐以通過(guò)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(chǔ)罐以通過(guò)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(shí)間；然后開啟終止劑源以通過(guò)終止劑管線供應(yīng)終止劑 來(lái)終止反應(yīng)。
[0013] 本發(fā)明的又一個(gè)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(gè)目的是提供改進(jìn)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(guò)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(shí)在造紙工程中提供了改進(jìn)的保留和排水性能。
[0016] 與此同時(shí)，通過(guò)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(jìn)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(shí)施方案對(duì)閱讀了以下一些實(shí)施方案的詳細(xì)描述的本領(lǐng)域 技術(shù)人員和其它人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，此概述和以下詳細(xì)描述僅舉例 說(shuō)明了各種實(shí)施方案的一些實(shí)例，并且不意圖限制所要求保護(hù)的本發(fā)明。
【附圖說(shuō)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(shí)施方式 的俯視圖。 具體實(shí)施方案
[0023] 對(duì)于以下定義的術(shù)語(yǔ)，除非在權(quán)利要求書中或者在說(shuō)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(yǔ)"約"修飾，無(wú)論是否被明確指出。術(shù)語(yǔ)"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(jià)（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(yǔ)"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(guò)端點(diǎn)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(shuō)明書和所附權(quán)利要求書中使用的單數(shù)形式"一個(gè)"、"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(shuō)明書和所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語(yǔ)"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(yǔ)"固體含量"是指膠態(tài)二氧化硅的SiO2含量，除非另有說(shuō)明。
[0029] 本文中使用的術(shù)語(yǔ)"室溫"是指23°C。
[0030] 在一個(gè)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(shí) 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(guò)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(chǔ)罐103 ;通過(guò)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(chǔ)罐102 ;和通過(guò)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(shí)施方式中，對(duì)于反應(yīng)容器109的形狀沒(méi)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(guò)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(chǔ)罐303 ;通過(guò)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(chǔ)罐302 ;和通過(guò)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(shí)施方式中，對(duì)于反應(yīng)容器307的形狀沒(méi)有特別限定。該反應(yīng)容器 可以采用圓柱形、錐形、延長(zhǎng)管形等各種結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該反應(yīng)容器為延長(zhǎng)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(shí)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(gè)或多個(gè)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(dòng)隔膜泵、離心泵等。在本發(fā)明的各種實(shí)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(gè)或多個(gè) 中可安裝計(jì)量設(shè)備，用來(lái)控制各管線中原料的加入量。所述計(jì)量設(shè)備包括但不限于流量計(jì)、 砰等。
[0036] 在本發(fā)明的一種實(shí)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(jìn)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(jìn)一步的 實(shí)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(jìn)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(guò)采用這樣的設(shè)計(jì)方 式，各原料的供應(yīng)互不干擾，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便。
[0037] 在本發(fā)明的另一種實(shí)施方式中，二氧化硅管線108和活化劑管線107各自的進(jìn)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(jìn)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(shuō)的反應(yīng)容器側(cè)面的下部，是指反應(yīng)容器側(cè)面長(zhǎng)度 1/2處至反應(yīng)容器底端的位置。終止劑管線106的進(jìn)料口可以在上述區(qū)間內(nèi)的任意位置設(shè) 置。通過(guò)采用這樣的實(shí)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(shí)、更有效地終止反應(yīng)容器中進(jìn)行的反應(yīng)。在這樣的實(shí)施方式中，二氧化硅管線108 和活化劑管線107各自的進(jìn)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(shí)施方式中，用于儲(chǔ)存膠態(tài)二氧化硅原料、活化劑原料和終止劑 原料的儲(chǔ)罐可以為本領(lǐng)域常用的原料儲(chǔ)罐。該儲(chǔ)罐的大小沒(méi)有特別限制，例如可以為幾十 升、幾百升、或甚至幾噸的儲(chǔ)罐。在本發(fā)明的一種特定的實(shí)施方式中，膠態(tài)二氧化硅儲(chǔ)罐可 以為1噸的規(guī)格，而活化劑儲(chǔ)罐可以為200升的規(guī)格。各種儲(chǔ)罐的材料是對(duì)各儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存 的原料來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(shí)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(lái)說(shuō)，所述管線的材料是對(duì)管線中輸送 的原料來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(lái)具體選擇。在一種特定的實(shí)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(shí)施方式中，通過(guò)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(lái)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(chǔ)存在終止劑儲(chǔ)罐 中?；蛘?，所述終止劑源可以來(lái)自實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的水