硅溶胶、制备其的设备和方法和其在造纸中的应用
【专利说明】硅溶胶、制备其的设备和方法和其在造纸中的应用 发明领域
[0001] 本发明涉及具有低S-值和高固体含量的胶态二氧化硅，其制备及其在纸张生产 中的应用。当用于纸张生产时，本发明的胶态二氧化硅显示了好的保留和排水性能，以致于 它们与常规的胶态二氧化硅相比可以以更低的量使用。本发明还涉及制备所述活化的胶态 二氧化硅的设备和方法。
【背景技术】
[0002] 胶态二氧化硅（亦称硅溶胶或二氧化硅水溶胶）为含很小的二氧化硅颗粒的水性 体系，这些体系尤其依赖于颗粒大小而应用于各种领域中。在纸张的生产中，含非常小的、 胶态的阴离子二氧化硅颗粒的二氧化硅基溶胶在最近二十年被越来越多地应用。胶态二 氧化硅据此与阳离子或两性聚合物组合作为添加剂用于原料，主要用于改进纸张生产中的 保留和脱水。胶态二氧化硅的制备和应用例如被公开在欧洲专利0041056, PCT公布号WO 86/00100 和 TO 86/05826,美国专利号 5, 603, 805、6, 372, 089 和 6, 486, 216 中，所有这些文 献的内容通过引用结合在本文中。
[0003] 可用于纸张生产的胶态二氧化硅属于具有离散的胶体颗粒的类型，该胶体颗粒通 常具有约4-约7nm的颗粒大小、约300-约1000 mVg的比表面积和约20-约40%的S-值。 胶态二氧化娃产品可从各种供应商如Nalco Chemical Company和EKA Nobel，AB商购。
[0004] 例如，美国专利号5, 603, 805公开了具有在15-40%范围内的S-值的、包含阴离子 二氧化硅颗粒的硅溶胶，所述二氧化硅颗粒是非铝改性的，并具有在300-700m2/g范围内的 比表面积。该专利中公开的硅溶胶具有约5-7. 5wt%的SiO2含量。
[0005] 目前，制备硅溶胶的方法主要采用连续式的生产方法。例如，美国专利号 5, 503, 820公开了一种制备低浓度聚硅酸盐微胶体的方法和相应的设备。在该专利的设 备中，水溶性硅酸盐溶液和强酸被同时供应至混合装置中。待硅酸盐与强酸在该混合装置 中反应完全后，将所得混合物输送至接收罐中。与此同时，将作为稀释剂的水也供至该接 收罐中，从而对所得混合物进行稀释，得到最终经稀释的胶态二氧化硅产品。美国专利号 5, 853, 616也公开了类似的胶态二氧化硅生产装置。
[0006] 虽然上述装置能够使原料混合地比较均匀，并且连续地生产胶体态二氧化硅产 品，但产品的质量有很大的不稳定性。这样的产品对于为更快和更大的造纸机供应胶态二 氧化硅来说，是不能接受的。另外，在这些生产装置中，在每次反应后采用腐蚀性较强的氢 氧化钠来冲洗反应容器，从而会对反应容器造成腐蚀，增加运行成本，同时也会对带来环境 问题。
[0007] 仍需要具有高固体含量和低S-值的胶态二氧化硅。另外，虽然存在许多用来在造 纸中改进保留和排水性能的多组分程序，但是仍需要用来改进保留和排水性能的新程序， 特别是在正建造的更快且更大的造纸机中。另外，亟需一种能够以稳定的方式生产高固体 含量和低S-值同时具有改进保留和排水性能的活化胶态二氧化硅的新型生产设备。
[0008] 发明概述
[0009] 本发明的一个目的是提供具有高固体含量和低S-值的胶态二氧化硅。
[0010] 本发明的另一个目的是提供制备本发明的胶态二氧化硅的方法。
[0011] 本发明的另一个目的是提供生产活化的胶态二氧化硅的设备，该设备包括：反应 容器；通过胶态二氧化硅管线与所述反应容器流体连通的用于提供胶态二氧化硅的胶态二 氧化硅储罐；通过活化剂管线与所述反应容器流体连通的用于提供活化剂的活化剂储罐； 和用于通过终止剂管线提供终止剂的终止剂源。
[0012] 本发明的另一目的是提供一种通过本发明的生产活化的胶态二氧化硅的设备来 生产活化的胶态二氧化硅的方法，该方法包括：开启胶态二氧化硅储罐以通过胶态二氧化 硅管线向反应容器供应胶态二氧化硅；开启活化剂储罐以通过活化剂管线向所述反应容器 供应胶态二氧化硅；使所述胶态二氧化硅与所述活化剂接触一段足以将所述胶态二氧化硅 原料转化成活化的胶态二氧化硅的时间；然后开启终止剂源以通过终止剂管线供应终止剂 来终止反应。
[0013] 本发明的又一个目的是提供使用本发明的胶态二氧化硅作为水性体系，尤其是纸 张生产中的水性体系的化学添加剂的方法。
[0014] 本发明的又一个目的是提供改进纸张生产中胶态二氧化硅的保留和排水性能的 方法。
[0015] 通过采用本发明的生产胶态二氧化硅的设备和生产胶态二氧化硅的方法，获得了 质量稳定的活化的胶态二氧化硅，该经活化的胶态二氧化硅具有高固体含量和低S-值，同 时在造纸工程中提供了改进的保留和排水性能。
[0016] 与此同时，通过采用本发明的生产活化的胶态二氧化硅的设备，能够质量稳定地 生产活化的胶态二氧化硅，并且该设备能够与下游生产设备，例如造纸装置，进行方便的连 接，从而提高了整体生产效率。
[0017] 本发明的这些及其它实施方案对阅读了以下一些实施方案的详细描述的本领域 技术人员和其它人员来说将是显而易见的。然而，应当理解，此概述和以下详细描述仅举例 说明了各种实施方案的一些实例，并且不意图限制所要求保护的本发明。
【附图说明】
[0018] 图1是根据本发明第一方面的生产活化的胶态二氧化硅的设备的示意图。
[0019] 图2是根据本发明第一方面的生产活化的胶态二氧化硅的设备的流程示意图。
[0020] 图3是根据本发明第二方面的生产活化的胶态二氧化硅的设备的示意图。
[0021] 图4是根据本发明第二方面的生产活化的胶态二氧化硅的设备的流程示意图。
[0022] 图5是根据本发明第一方面的生产活化的胶态二氧化硅的设备的一种实施方式 的俯视图。 具体实施方案
[0023] 对于以下定义的术语，除非在权利要求书中或者在说明书的其它部分中给出了不 同的定义，应该应用这些定义。
[0024] 所有数值在本文中被假定被术语"约"修饰，无论是否被明确指出。术语"约"一 般是指本领域技术人员将认为与所提及的值等价（即具有相同功能或结果）的数值范围。 在许多情况下，术语"约"可以包括圆整至最接近有效数字的数值。
[0025] 重量百分数，百分重量，重量％等是同义词，并且是指物质的浓度，为该物质的重 量除以所述组合物的重量并乘以100。
[0026] 通过端点叙述的数值范围包括包含在该范围内的所有数值（例如1-5包括1，1. 5， 2,2· 75,3,3· 80,4 和 5)。
[0027] 在本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式"一个"、"一种"和"所述"包括 复数指示物，除非内容清楚地另外指示。因此，例如，提及含有"一种化合物"的组合物包括 两种或更多种化合物的混合物。在本说明书和所附权利要求书中使用的术语"或"通常以 包括"和/或"的含义使用，除非所述内容清楚地另外指示。
[0028] 本文中使用的术语"固体含量"是指胶态二氧化硅的SiO2含量，除非另有说明。
[0029] 本文中使用的术语"室温"是指23°C。
[0030] 在一个方面中，本发明涉及生产活化的胶态二氧化硅的方法，包括使胶态二氧化 硅原料与活化剂接触一段足以将所述胶态二氧化硅原料转化成活化的胶态二氧化硅的时 间。
[0031] 参考图1，在本发明的一方面中，本发明的生产活化的胶态二氧化硅的设备100包 括：反应容器109 ;通过胶态二氧化硅管线108与所述反应容器109流体连通的用于提供胶 态二氧化硅的胶态二氧化硅储罐103 ;通过活化剂管线107与所述反应容器109流体连通 的用于提供活化剂的活化剂储罐102 ;和通过终止剂管线106与所述反应容器109流体连 通的用于提供终止剂的终止剂源101。
[0032] 在上述方面的实施方式中，对于反应容器109的形状没有特别限定。该反应容器 可以采用圆柱形、立方形、锥形等各种结构。反应容器的大小和容积可以根据所需要的活化 的胶态二氧化硅的需要量以及成本在宽范围中改变。
[0033] 参考图3,在本发明的另一方面中，本发明的生产活化的胶态二氧化硅的设备300 包括：反应容器307 ;通过胶态二氧化硅管线与所述反应容器307流体连通的用于提供胶态 二氧化硅的胶态二氧化硅储罐303 ;通过活化剂管线与所述反应容器307流体连通的用于 提供活化剂的活化剂储罐302 ;和通过终止剂管线306与所述反应容器307流体连通的用 于提供终止剂的终止剂源301。
[0034] 在上述方面的实施方式中，对于反应容器307的形状没有特别限定。该反应容器 可以采用圆柱形、锥形、延长管形等各种结构。在优选的实施方式中，该反应容器为延长管 式反应容器。该反应容器的大小和容积可以根据所需要的活化的胶态二氧化硅的需要量以 及成本在宽范围中改变。
[0035] 在本发明的各种实施方式中，根据需要，可以在胶态二氧化硅管线、活化剂管线和 终止剂管线中的任一个或多个中可安装输送装置，例如图1中所示的泵104和105。这样的 输送装置可以包括，但不限于，电磁隔膜泵、气动隔膜泵、离心泵等。在本发明的各种实施方 式中，根据需要，还可以在胶态二氧化硅管线、活化剂管线和终止剂管线中的任一个或多个 中可安装计量设备，用来控制各管线中原料的加入量。所述计量设备包括但不限于流量计、 砰等。
[0036] 在本发明的一种实施方式中，胶态二氧化硅管线108、活化剂管线107和终止剂管 线106各自的进料口位于反应容器109的顶部且处于同一水平，如图1所示。在进一步的 实施方式中，二氧化硅管线108、活化剂管线107和终止剂管线106各自的进料口在反应容 器109的顶部以所述反应容器竖直方向的轴为中心轴向对称分布。通过采用这样的设计方 式，各原料的供应互不干扰，且设计简便。
[0037] 在本发明的另一种实施方式中，二氧化硅管线108和活化剂管线107各自的进料 口各自位于反应容器109的上部且处于同一水平，而终止剂管线106的进料口位于反应容 器109侧面的下部，如图5所示。这里所说的反应容器侧面的下部，是指反应容器侧面长度 1/2处至反应容器底端的位置。终止剂管线106的进料口可以在上述区间内的任意位置设 置。通过采用这样的实施方式，终止剂可以与反应容器中的反应混合物更加充分地接触，从 而更及时、更有效地终止反应容器中进行的反应。在这样的实施方式中，二氧化硅管线108 和活化剂管线107各自的进料口也可设置在反应容器109的顶部并以所述反应容器竖直方 向的轴为中心轴向对称分布。
[0038] 在本发明的各种实施方式中，用于储存胶态二氧化硅原料、活化剂原料和终止剂 原料的储罐可以为本领域常用的原料储罐。该储罐的大小没有特别限制，例如可以为几十 升、几百升、或甚至几吨的储罐。在本发明的一种特定的实施方式中，胶态二氧化硅储罐可 以为1吨的规格，而活化剂储罐可以为200升的规格。各种储罐的材料是对各储罐中储存 的原料来说是惰性的材料。典型地，这样的材料可以为金属材料，例如不锈钢、低碳钢等，具 体来说，可以为SS304和SS316等；或塑料材料，例如PVC、聚乙烯、聚丙烯等。
[0039] 在本发明的各种实施方式中，用于输送胶态二氧化硅原料、活化剂原料和终止剂 原料的管线可以为本领域中常规使用的管线。具体来说，所述管线的材料是对管线中输送 的原料来说惰性的材料。典型地，这样的材料可以为金属材料，例如不锈钢、低碳钢等，具体 来说，可以为SS304和SS316等；或塑料材料，例如PVC、聚乙烯、聚丙烯等。这些管线的尺 寸可以根据反应速率、产率等因素来具体选择。在一种特定的实施方式中，所述管线的直径 可为例如1、1. 2、1. 5、1. 8英寸等。
[0040] 在本发明的各种实施方式中，通过终止剂管线与反应容器连接的终止剂源可以包 括，但不限于：水，例如自来水，地表水，软化水；氢氧化物，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧 化铵等；含铝的盐，例如铝酸钠等。所述终止剂源可以作为终止剂溶液储存在终止剂储罐 中。或者，所述终止剂源可以来自实施本发明的设备现场的水