超細水合高嶺土顏料、製造該顏料的方法、和在光澤漆配製物中使用該顏料的方法

2023-05-26 15:33:46 2

專利名稱：超細水合高嶺土顏料、製造該顏料的方法、和在光澤漆配製物中使用該顏料的方法
技術領域：
本發明大體上涉及超細高嶺土顏料、由灰色原高嶺土製造超細高嶺土顏料、和在漆料組合物中使用該超細高嶺土顏料。
背景技術：
高嶺土是由含鋁礦物(例如長石)的風化形成的微細的、通常為白色的粘土，並主要由高嶺石構成。高嶺石通常表示為化學式Al4Si4O10(OH)8、Al2O3·2SiO2·2H2O和/或Al2Si2O5(OH)4中的一種或多種。高嶺土是如今開採的許多工業礦物之一。在喬治亞州(USA)、埃及、巴西、英國、昆士蘭(澳大利亞)、韓國、中國和烏克蘭發現其礦藏。
一般而言，來自不同國家、甚至相同國家內不同礦床的高嶺土，由於高嶺石性質的許多差異而在許多方面不同。這類性質的例子包括結晶度、粗度、亮度、二氧化鈦和氧化鐵之類的其他化合物的含量、粒度、粒子形狀、尺寸和/或形狀分布。性質差異導致所得高嶺土產品的性能差異。例如，結晶度影響所得產品的所得亮度、白度、不透明度、光澤度、和粘度。要指出的是，不透明度和光澤度是應用性能參數，而其他所列參數是顏料品質參數。粒度、形狀和分布影響所得產品的平滑度、光學性能和流動性能。平滑度和光學性能是應用性能參數，而流動性能是顏料品質參數。
高嶺土基產品被用在許多用途中，包括漆、紙塗料、農業組合物、玻璃纖維產品、聚合物和橡膠組合物、陶瓷用途、催化劑載體、藥品、化妝品、電部件、粘合劑、助濾劑、等等。具有離散性質的某些級別的高嶺土理想地適用於選擇的用途。因此，為了使所得高嶺土級別的質量最佳，對原高嶺土進行加工以產生特需級別的高嶺土。
漆料工業供應消費者導向的溶劑和乳液型產品。溶劑或所謂的「油基」漆是相對簡單的體系，容易配製但消費者難以使用。溶劑漆含有粘合劑(樹脂油)、溶劑(稀釋劑)、乾燥劑和顏料。醇酸漆是最常用的油基漆類型，且許多油基漆因此通常被稱作醇酸漆。醇酸只是合成樹脂的名稱，通常含有植物油，用作粘合劑。乳液或所謂的「乳膠」漆是除一種或多種顏料外還含有膠乳表面活性劑、保護膠體、乳化劑和水的複雜混合物。隨著它們在二戰後的引入，乳膠漆在市場上已經被廣泛接受。乳膠漆現在在室內和室外漆貿易銷售中佔據主要地位。
室內和室外漆通常具有類似配方。但重要的差別在於，與室內漆相比，室外級漆料含有相對較多的粘合劑和著色顏料以及相對較少的體質顏料。這是因為漆膜完整性和整體耐久性在室外漆中比在室內級中更重要。因此，室外漆需要改進的顏料和體質顏料。
發明概要下文列出本發明的簡要概述以提供對本發明的一些方面的基本理解。該概述不是本發明的全面綜述。這既不是要確定本發明的關鍵或重要要素也不是要描繪本發明的範圍。相反，本概述的唯一目的是作為下列詳述的前言以簡化形式闡述本發明的一些原理。
本發明提供了具有高表面積、細粒度分布、低吸油性和高GE亮度值中的至少一項的超細高嶺土顏料。因為不對天然高嶺土原材料進行選擇性絮凝，製造超細高嶺土顏料時的浪費減輕。此外，在製造超細高嶺土顏料的同時作為副產物製成的未使用的粗粒顏料可有利地用在紙塗料用途中。由於超細高嶺土顏料的高表面積、細粒度分布、低吸油性和高GE亮度值，它們理想地適用於漆料配製物，尤其是光澤漆組合物。
本發明的一方面涉及方法本發明的另一方面涉及為了實現前述和相關目的，本發明包括下文充分描述並在權利要求書中特別指出的特徵。下列描述和附圖詳細闡述了本發明的某些示例性方面和實施方案。這些代表了本發明的原理的各種利用方式中的一部分。根據結合附圖理解的本發明的下列詳述，本發明的其他目的、優點和新穎特徵變得顯而易見。
附圖簡述

圖1是根據本發明加工高嶺土的系統和方法的一個方面的流程圖。
圖2是根據本發明自動化加工高嶺土的系統的另一方面的示意圖。
發明詳述本發明的方法能夠由灰色原高嶺土有效製造超細水合高嶺土。超細水合高嶺土有利地用在漆料組合物中。本發明的方法還能夠以製造超細高嶺土的副產物形式製造用於紙用途的粗粒工程高嶺土。超細高嶺土顏料具有下列特徵——低吸油性、高亮度、高表面積、至少96重量％的粒子具有大約1微米或更小的尺寸，和至少97重量％的粒子具有大約2微米或更小的尺寸。粗粒工程高嶺土具有下列特徵——低表面積、至少80重量％的粒子具有大約2微米或更小的尺寸和窄的粒度分布。
本發明的方法包括以依序的方式對灰色原高嶺土進行浮選然後高速離心以提供超細高嶺土。任選在浮選之前進行除粗砂(degritting)，並任選在浮選之後和在高速離心之前進行臭氧化。在一個實施方案中，灰色原高嶺土或已除粗砂的灰色原高嶺土不進行選擇性絮凝。依序是指浮選和離心以所列的順序進行，但任選地，可以在這兩個依序的操作之前、之中和/或之後進行其他操作(例如除粗砂和/或臭氧化和/或精製)。
可以進行本發明的方法的原高嶺土包含超大量的灰色或硬高嶺土，任選地，次要量的細白色高嶺土，和任選地，少量非高嶺土粒子。通常，灰色高嶺土具有高鐵含量。非高嶺土粒子包括二氧化鈦、石英、各種含鐵礦物、雲母和非高嶺土質粘土，例如膨潤土和綠坡縷石。超大量包括至少75重量％，次要量包括低於50重量％，少量包括低於10重量％。在另一實施方案中，原高嶺土含有至少大約80重量％灰色或硬高嶺土和低於大約20重量％細白色高嶺土。在再一實施方案中，原高嶺土含有至少大約90重量％灰色或硬高嶺土和低於大約10重量％細白色高嶺土。
原高嶺土包含下述粒子——其中至少大約70重量％具有大約2微米或更小的粒度，至少大約30重量％具有大約0.3微米或更小的粒度，二氧化鈦含量為大約1重量％至大約3重量％，且表面積為至少大約18平方米/克。在另一實施方案中，原高嶺土包含下述粒子——其中至少大約80重量％具有大約2微米或更小的粒度，至少大約35重量％具有大約0.3微米或更小的粒度，二氧化鈦含量為大約1.5重量％至大約2.5重量％，且表面積為至少大約20平方米/克。
在加工原高嶺土之前，通過將原高嶺土與水和，任選地，分散劑混合，可以形成漿液。本發明的一個優點在於，在通過高速離心將水合高嶺土超細流與粗粒高嶺土分離之前可能不需要分散劑。因此，在一個實施方案中，在通過高速離心將水合高嶺土超細流與粗粒高嶺土分離之前不使用分散劑。
分散劑可以是有機分散劑或無機分散劑。無機分散劑通常包括磷酸鹽。磷酸鹽的例子包括無機聚磷酸鹽和焦磷酸鹽(其實際上是一種多磷酸鹽)，例如六偏磷酸鈉(SHMP)、三聚磷酸鈉(STPP)和焦磷酸四鈉(TSPP)。
有機分散劑通常包括基於氨的分散劑、磺酸鹽/酯分散劑、羧酸分散劑、和聚合分散劑，例如聚丙烯酸鹽/酯分散劑，以及在高嶺土顏料加工中慣用的其他有機分散劑。
原高嶺土任選經過除粗砂。原高嶺土作為可能含粗砂的礦石存在，粗砂由相對較大的粒子構成。粗砂是不合意的並因此被去除。所得已除粗砂的原高嶺土主要由通常具有微粒(slimes)(小於0.3微米)直至大約15微米的寬範圍尺寸的高嶺土粒子構成。
除粗砂使用篩、砂箱、重力沉降或水力旋流器中的一種或多種以任何傳統方式進行。可以使用溼法或幹法除粗砂。例如，通過將原高嶺土與水混合併使成漿的混合物通過篩，例如325目篩或200目篩，由此除粗砂。任選地，還在漿液中添加粘土分散劑以提供附加流動性以促進除粗砂過程。粘土分散劑的例子包括基於氨的分散劑、基於磷酸鹽/酯的分散劑、磺酸鹽/酯分散劑、羧酸分散劑、和聚合分散劑，例如聚丙烯酸鹽/酯分散劑，以及高嶺土顏料加工中使用的其他有機分散劑。漿液中所用分散劑的量通常為原高嶺土重量的大約0.01％至大約1％。
在將原高嶺土除粗砂之後，對所得已除粗砂的原高嶺土進行浮選。浮選用於將二氧化鈦含量降至低於大約1重量％和/或將氧化鐵含量降至低於大約1.5重量％。在另一實施方案中，浮選將二氧化鈦含量降至低於大約0.7重量％和/或將氧化鐵含量降至低於大約1.25重量％。在再一實施方案中，浮選將二氧化鈦含量降至低於大約0.5重量％和/或將氧化鐵含量降至低於大約1重量％。在再一實施方案中，浮選將二氧化鈦含量降至低於大約0.4重量％和/或將氧化鐵含量降至低於大約0.75重量％。可以將已除粗砂的原礦在浮選之前離心分離以控制粒度分布，從而使以後的高速離心操作產生不要求進一步離心操作的所需粗粒度分布。
浮選以任何傳統方式進行，包括溼浮選、超浮選(ultraflotation)、泡沫浮選、TREP浮選(二氧化鈦去除和提取法)等。在Mathur，S.，「KaolinFlotation」，Journal of Colloid and Interface Science，256，第153-158頁，2002中描述了一般的浮選方法，其在這方面經引用併入本文。超浮選涉及與脂肪酸和所選浮選油一起使用微粒試劑以從不純粘土漿液中去除二氧化鈦。超浮選的一個特徵是以稀漿液形式回收純化高嶺土，然後將其脫水。泡沫浮選通過根據礦物類型的差異將某些礦物粒子與漿液中的其他粒子分離來發揮作用。這種加工通常取決於添加選擇性粘附到要浮選的礦物粒子上的試劑，這樣，附有試劑的粒子與其他粒子相比對空氣泡具有更高親合力，並可以作為泡沫去除。TREP浮選包括在高強度磨機中使用促集劑(例如脂肪酸促集劑、妥爾油促集劑、或異羥肟酸鹽/酯(hydroxamate)促集劑)和金屬鹽調節高嶺土。然後添加分散劑，例如丙烯酸鹽/酯分散劑。任選地，還可以單獨或與浮選結合地使用磁選或選擇性絮凝以改進亮度。
浮選可以使用已除粗砂的原高嶺土和水的漿液於任何合適的固含量、pH值和溫度進行。在一個實施方案中，在浮選過程中，滿足至少一個下列參數固含量為大約10％至大約50％，pH值為大約5至大約11，溫度為大約10℃至大約90℃。在另一實施方案中，在浮選過程中，滿足至少一個下列參數固含量為大約20％至大約40％，pH值為大約6至大約10，溫度為大約20℃至大約60℃。
在本發明的方法中，不要求原高嶺土的選擇性絮凝為原高嶺土提供離散粒度/粒度分布。在選擇性絮凝中，使用帶電無機或有機分子，以根據礦物類型的差異將礦物彼此選擇性絮凝。原高嶺土的選擇性絮凝在一些情況下對所得高嶺土顏料的亮度和/或粘度具有有害影響。在一個實施方案中，本發明的方法不包括原高嶺土的選擇性絮凝。在另一實施方案中，本發明的方法在高速離心(下述)結束之前不包括高嶺土的選擇性絮凝。在再一實施方案中，本發明的方法不包括將原高嶺土分層。
在浮選之後，任選對加工中的高嶺土進行臭氧化。臭氧化包括使用臭氧氧化漂白，以漂白可能存在的組分，例如有機變色劑。臭氧不僅用於破壞相當大部分的變色有機物，還通過氧化破壞有機分散劑(如果存在這類化合物的話)。但是，臭氧不會破壞無機分散劑。
臭氧化以任何合適的方式進行。例如，可以以每噸高嶺土大約0.1至大約20磅臭氧的劑量進行臭氧化。在另一實施方案中，以每噸高嶺土大約0.5至大約10磅臭氧的劑量進行臭氧化。臭氧可以作為向上通過漿液的氣泡流施用。這可以是分批法或連續法，其中臭氧氣泡在管道或其他導管(例如混合和填充柱)中與漿液流對流通過。
在臭氧化之後，對臭氧化高嶺土進行任選的分層。分層可以包括溼磨、漿液研磨、溼研碎等等。這類分層法包括使用研磨介質和水。將高嶺土與研磨介質和水混合以形成漿液，並輸送(例如通過泵送)通過分層設備。通常，在分層過程中漿液中的高嶺土固含量為大約5重量％至大約50重量％。
在臭氧化之後，使用高速離心將任選臭氧化的高嶺土分成兩股流。要指出的是，高速離心在浮選之後進行。離心將高嶺土分成粗粒流(至少大約70重量％粒子具有2微米或更小的尺寸)和細粒流(至少大約80重量％粒子具有1微米或更小的尺寸)。在另一實施方案中，粗粒流中至少大約80重量％粒子具有2微米或更小的尺寸，細粒流中至少大約85重量％粒子具有1微米或更小的尺寸。在再一實施方案中，粗粒流中至少大約90重量％粒子具有2微米或更小的尺寸，細粒流中至少大約90重量％粒子具有1微米或更小的尺寸。
儘管不希望受制於任何理論，但相信使用高速離心產生了超細粒度分布，還去除了著色雜質，並由此將產品亮度提高至超過大約91GEB。
本文所述的所有粒度均通過傳統沉降技術使用Micromeretics，Inc.’sSEDIGRAPH5100分析器分析而測定。以微米為單位的粒度作為「e.s.d.」(當量球徑)記錄。將粒子用分散劑在水中製漿，並在攪拌下泵送通過檢測器以使鬆散附聚物分散。
離心可以進行一次以上，但至少一次離心處理是高速離心處理。在高速離心處理中，離心機可以以高於大約1,000至大約10,000的「g」力操作。在另一實施方案中，高速離心處理中的離心機可以以大約2,000至大約7,500的「g」力操作。在再一實施方案中，高速離心處理中的離心機可以以大約2,500至大約5,000的「g」力操作。離心機的例子包括Bird無孔轉鼓機、高速離心機、臥式三相離心機等等。
然後對細粒流進行精製，這可以包括絮凝、漂白、過濾、乾燥、摻合和粉碎中的至少一種，以提供超細高嶺土。絮凝包括將一種礦物與相同類型的礦物分離，例如將超細高嶺土粒子與細或粗高嶺土粒子分離。絮凝使用離子材料進行，例如酸。硫酸是廉價和廣泛可得的酸。
通常，漂白包括提高高嶺土的亮度。漂白包括使粗粒高嶺土流與適量的亞硫酸氫鹽(連二亞硫酸鹽)鹽、高錳酸鉀、氧氣、鹼金屬重鉻酸鹽、鹼金屬氯酸鹽、鹼金屬亞氯酸鹽、過硫酸銨和可溶過氧化物(例如過氧化鈉和過氧化氫)、次氯酸鈉等中的一種或多種接觸。
可以使用過濾以實現提高固含量(例如提高固含量至大約55％或更高)和充分去除大於2微米的粒子中的至少一個。提高固含量在一些情況下提高了後續噴霧乾燥操作的效率。過濾可以以任何合適的方式進行，並通常使用轉鼓真空過濾器進行。
將高嶺土乾燥，例如噴霧乾燥，以降低高嶺土的含溼量。將高嶺土乾燥有利於後續任選的粉碎操作。高嶺土以任何合適的技術乾燥。將高嶺土乾燥的例子包括噴霧乾燥、急驟乾燥、旋轉乾燥、或其他聚集技術。這些乾燥技術是粘土工業中已知的。在一個實施方案中，在乾燥之後，超細高嶺土具有小於大約1.5重量％的含溼量。在另一實施方案中，在乾燥之後，超細高嶺土具有小於大約1重量％的含溼量。在再一實施方案中，在乾燥之後，超細高嶺土具有小於大約0.5重量％的含溼量。
摻合包括將高嶺土與其他微粒物質混合，例如不同批的高嶺土、二氧化鈦、其他粘土、碳酸鈣、煅燒高嶺土等，以獲得具有最終用戶或後來用戶所需性質的混合物。
粉碎可以以任何合適的方式進行。在一個實施方案中，將超細高嶺土至少粉碎一次。在另一實施方案中，將超細高嶺土在至少兩個分離的操作中粉碎(兩次粉碎)。粉碎可以弄碎可能存在的任何附聚物。這種附聚物可能在乾燥過程中形成，其改變了通過高速離心和其他工藝操作獲得的粒度。
超細高嶺土顏料產品具有許多合意的性質。例如，超細高嶺土顏料產品具有下列一項或多項至少大約97重量％的粒子具有2微米或更小的尺寸，至少大約96重量％的粒子具有1微米或更小的尺寸，至少大約89重量％的粒子具有0.5微米或更小的尺寸，至少大約67％的粒子具有0.3微米或更小的尺寸，表面積為至少大約23平方米/克，大約0.75重量％或更少的二氧化鈦，大約1.5重量％或更少的氧化鐵，且亮度為大約91或更高。在另一實施方案中，超細高嶺土顏料產品具有下列一項或多項至少大約98重量％的粒子具有2微米或更小的尺寸，至少大約97重量％的粒子具有1微米或更小的尺寸，至少大約90重量％的粒子具有0.5微米或更小的尺寸，至少大約70％的粒子具有0.3微米或更小的尺寸，表面積為至少大約25平方米/克，大約0.5重量％或更少的二氧化鈦，大約1.25重量％或更少的氧化鐵，且亮度高於92。在再一實施方案中，超細高嶺土顏料產品具有下列一項或多項至少大約99重量％的粒子具有2微米或更小的尺寸，至少大約98重量％的粒子具有1微米或更小的尺寸，至少大約92重量％的粒子具有0.5微米或更小的尺寸，至少大約72％的粒子具有0.3微米或更小的尺寸，表面積為至少大約26平方米/克，大約0.4重量％或更少的二氧化鈦，大約1重量％或更少的氧化鐵，且亮度為大約93或更高。
表面積通過本領域公知的BET法使用N2作為被吸附物測定。或者使用基於ASTM D-1483-84的Gardner Coleman吸油試驗測定表面積，其測量每100克高嶺土吸收的油的克數。使用TAPPI標準方法，T524，進行亮度測量，並記為「GE亮度」或「GEB值」。
然後對粗粒流進行精製，包括漂白、過濾、鬆化、噴霧乾燥和摻合中的至少一種。摻合包括將粗粒高嶺土與其他微粒物質(例如不同批的高嶺土、二氧化鈦、其他粘土、碳酸鈣、煅燒高嶺土等)混合，以獲得具有最終用戶或後來用戶所需性質的混合物。
粗粒高嶺土顏料產品具有許多使其特別可用於紙塗料用途的合意性質。例如，粗粒高嶺土顏料產品具有下列一項或多項至少大約95重量％的粒子具有5微米或更小的尺寸，至少大約80重量％的粒子具有2微米或更小的尺寸，至少大約20重量％的粒子具有0.3微米或更小的尺寸，表面積為大約14至大約20平方米/克，含有大約1重量％或更少的二氧化鈦，大約1.5重量％或更少的氧化鐵，且亮度為大約85或更高。在另一實施方案中，粗粒高嶺土顏料產品具有下列一項或多項至少大約96重量％的粒子具有5微米或更小的尺寸，至少大約90重量％的粒子具有2微米或更小的尺寸，至少大約25重量％的粒子具有0.3微米或更小的尺寸，表面積為大約15至大約19平方米/克，含有大約0.75重量％或更少的二氧化鈦，大約1.25重量％或更少的氧化鐵，且亮度為大約87.5或更高。
一般而言，可以在本發明的方法之前或之後使用一個或多個傳統粘土加工步驟，例如壓碎、研碎、分級、分層、磁選、絮凝/過濾、熱處理等。
壓碎將高嶺土巖石弄碎成砂礫；也就是直徑小於大約10釐米的高嶺土巖石。研碎包括加工原高嶺土以獲得所需粒度分布。研碎可以通過幹磨、幹球磨、幹研碎等等進行。
高嶺土含有天然分離的板狀高嶺土粒子以及「冊狀體」，「冊狀體」包含高嶺土片晶堆疊體。這些堆疊體集中在尺寸為大約2微米或更大的粒子中。這些冊狀體的分層包括提供剛好足以將構成冊狀體的高嶺土片晶分開而不會使高嶺土片晶進一步斷裂的衝擊能。分層可以包括溼磨、漿液研磨、溼研碎等等。這種任選分層過程包括使用研磨介質和水。將高嶺土與研磨介質和水混合以形成漿液，並輸送(例如通過泵送)通過分層設備。通常，在分層過程中，漿液中的高嶺土固含量為大約5重量％至大約50重量％。
任選對高嶺土進行一個或多個熱處理。當加熱高嶺土時，其產生一系列特性變化，這可被包括差熱分析(DTA)在內的多種方法檢出。熱處理可用於形成偏高嶺土、部分煅燒高嶺土和煅燒高嶺土中的一種或多種，這取決於熱處理的溫度/持續時間。熱處理在惰性氣氛、氧化氣氛和還原氣氛之一下進行。
例如，在大約450℃至大約65℃加熱充足時間之後，高嶺土發生強吸熱脫水反應，這產生了向被稱作偏高嶺土的材料的轉化。偏高嶺土態方便地通過酸溶解度確定，因為粘土中的氧化鋁幾乎完全可溶於強無機酸。
煅燒破壞水合高嶺土的結晶度並使高嶺土基本無定形。煅燒在加熱之後在大約700至大約1200℃進行充足時間。可以使用商業立式和臥式迴轉煅燒窯製造偏高嶺土、部分煅燒高嶺土和/或煅燒高嶺土。控制操作以避免在足以形成不需要的富鋁紅柱石(3Al2O3·SiO2)的高溫下煅燒。
參看圖1，顯示了超細高嶺土加工方法100的各個方面的高層次圖。在操作102中，任選將至少含有超大部分灰色高嶺土的原高嶺土除粗砂，以從灰色原高嶺土中去除相對較大的粒子。在從灰色原高嶺土中去除相對較大的粒子之後，操作104包括浮選以減少已除粗砂的高嶺土中二氧化鈦和/或氧化鐵的量。操作106包括任選將高嶺土臭氧化。在臭氧化後，操作108包括將高嶺土高速離心，並由此將高嶺土分成兩種不同級別/流體。對通過操作108製成的粗粒流進行附加加工，例如精製，然後用在紙用途110中。在操作112中，對來自操作108的細粒流進行精製，例如浮選、漂白、過濾、和噴霧乾燥，以製造超細高嶺土流。任選對超細高嶺土進行粉碎116以提供超細高嶺土顏料116。
參看圖2，顯示了將灰色原高嶺土加工成超細高嶺土的系統200。系統200包括用於將原高嶺土除粗砂的除粗砂系統202、浮選系統204、臭氧化系統206和高速離心系統208中的一個或多個，其中至少一個連接到測試器210和處理器-控制器212上。除粗砂系統202通過從原高嶺土中去除大粗砂來加工灰色原高嶺土，浮選系統204降低已除粗砂的高嶺土的二氧化鈦和/或氧化鐵含量，臭氧化系統206將高嶺土工藝流中的物類氧化，高速離心系統208將兩個截然不同的高嶺土流彼此分離(細粒和粗粒流)。測試器210可以是測量與被加工的高嶺土有關的至少一個參數(例如粒度分布、表面積、亮度、白度、粗度、溼分的百分含量、例如二氧化鈦的特定化學品的百分含量等)或與除粗砂系統202、浮選系統204、臭氧化系統206和高速離心系統208中的任何系統有關的任何參數(例如粒度和/或使用高速離心系統208的「g」力)的任何設備。
在除粗砂系統202、浮選系統204、臭氧化系統206和高速離心系統208中的任何系統操作的同時，測試器210測試被加工的高嶺土。例如，在除粗砂系統202、浮選系統204或臭氧化系統206操作的同時，可以提取高嶺土樣品並進行測試以測定粒度分布之類的參數。測試器210將測試生成的數據發送給處理器-控制器212，其適合從測試器210接受這類高嶺土參數數據。或者，測試器210可以測量除粗砂202、浮選系統204、臭氧化系統206和離心系統208的參數，並將與該參數有關的數據發送給處理器-控制器。
處理器-控制器212分析這類數據，並根據該分析，將信號發送給除粗砂系統202、浮選系統204、臭氧化系統206和離心系統208中的任何系統，以繼續該過程、改變該過程或終止該過程。為便於這種分析，可以將數據儲存或存儲器214與處理器-控制器212連接，以使處理器-控制器212可以將測試器210發送的數據與儲存的數據進行比較。處理器-控制器212可以將信號發送給測試器210以進行試驗。處理器-控制器212改變該過程的方式的例子包括提高或降低高速離心系統208中的「g」力；提高或降低浮選系統204中的溫度；提高或降低除粗砂系統202、浮選系統204、臭氧化系統206和/或離心系統208中的任何系統所需的功/能；繼續操作或終止除粗砂系統202、浮選系統204或臭氧化系統206中的任何系統，以獲得所需的某種粒度分布；等等。因此，系統200可以提供實時分析和實時反饋，因此可以實時改變高嶺土的加工以立即適應現有需要。
本發明進一步涉及漆料組合物，其含有主要量的漆料載體和次要量的本文所述的超細水合高嶺土。主要量包括至少50％(佔乾漆膜的體積百分比)，而次要量包括低於50％(佔乾漆膜的體積百分比)。漆料載體可以是乳膠漆載體、油基漆載體、醇酸漆載體、丙烯酸類漆載體、苯乙烯漆載體和/或環氧漆載體中的任一種。漆料載體含有適用於形成漆膜的組分。最通常地，本文所述的超細水合高嶺土充當顏料增量劑或顏料。
可以以任何合適的方式製造漆料組合物。例如，可以將各組分合併和混合。可以將各組分一次性或連續合併。
在一個實施方案中，本發明的漆料組合物含有50％至大約99.99％(佔乾漆膜的體積百分比)的漆料載體和大約0.01％至大約49％(佔乾漆膜的體積百分比)的超細水合高嶺土。在另一實施方案中，本發明的漆料組合物含有大約60％至大約99.9％(佔乾漆膜的體積百分比)漆料載體和大約0.1％至大約40％(佔乾漆膜的體積百分比)的超細水合高嶺土。在再一實施方案中，本發明的漆料組合物含有大約70％至大約99％(佔乾漆膜的體積百分比)的漆料載體和大約1％至大約30％(佔乾漆膜的體積百分比)的超細水合高嶺土。
在一個實施方案中，本文所述的超細水合高嶺土可以用作顏料增量劑，並使用二氧化鈦作為漆料組合物中的顏料。在另一實施方案中，本發明的漆料組合物含有50％至大約99.9％(佔乾漆膜的體積百分比)的漆料載體，大約0.1％至大約40％(佔乾漆膜的體積百分比)的二氧化鈦，和大約0.1％至大約40％(佔乾漆膜的體積百分比)的超細水合高嶺土。在再一實施方案中，本發明的漆料組合物含有大約60％至大約98％(佔乾漆膜的體積百分比)的漆料載體，大約1％至大約30％(佔乾漆膜的體積百分比)的二氧化鈦，和大約1％至大約30％(佔乾漆膜的體積百分比)的超細水合高嶺土。在再一實施方案中，在漆料組合物中，本文所述的超細水合高嶺土可以與其他顏料增量劑(例如粘土、碳酸鹽、滑石和矽石中的一種或多種)一起用作顏料增量劑，並使用或不使用二氧化鈦作為顏料。
漆料配製物中的一個參數是顏料體積濃度(下文稱作PVC)。PVC是漆料配製物設計中的控制係數，因為漆料性質通常受到體積而非重量影響的控制。下列公式將PVC定義為乾燥漆膜的體積百分比％PVC＝100×V顏料/V總其中V顏料是顏料和乾燥漆膜中其他非揮發物的體積，V總是V顏料加上漆料載體/樹脂的體積。臨界顏料體積濃度(下文稱作CPVC)是指由於粘合劑相對於顏料不足而在乾燥漆膜中產生空氣界面時的PVC。公知的是，許多漆料體積性能在CPVC處急劇變化。通常，PVC和CPVC之間的關係是非線性的。在許多情況下，根據相同的比顏料體積濃度(下文稱作RPVC)適當地比較不同漆料。RPVC通過下列公式定義RPVC＝PVC/CPVC通常，室外或室內光澤漆具有小於大約1的RPVC。
CPVC與顏料粒子「吸收」的粘合劑的量相反地相關。一種測量顏料或增量劑的吸收勢的技術是測定與給定重量的顏料形成糊狀物所需的亞麻籽油的量。這可以被稱作吸油。本文所用的術語「吸油」是指ASTM D281中所述的程序。一般而言，用相同量的高吸油體質顏料取代低吸油體質顏料之一導致該漆料的CPVC降低。這又限制了可用在外部配製物中的PVC的範圍以及可用的體質顏料的量。
具有低於臨界的PVC的漆料，例如半光澤和高光澤漆，在幹膜中沒有夾帶的空氣。整個固體表面被粘合劑潤溼，並僅通過顏料和顏料增量劑粒子獲得不透明性。在任何給定的粒子濃度下，通過確保顏料和顏料增量劑粒子的最大表面暴露於光，可改進或優化不透明性。使用本發明的超細水合高嶺土作為粒度與顏料類似的顏料增量劑，有利於顏料粒子的合意間隔，防止了顏料粒子附聚，並確保最大地暴露於光。
在高於CPVC時，漆料被視為無光澤的。通過85度光澤或通稱為平光光澤的手段，測定無光澤度。低於CPVC，漆料是光澤的，並被視為半光澤或高光澤。光澤度通常在60°或20°角測量。
本發明的超細水合高嶺土的結構(PSD，表面積)有利於保光性和有效的顏料間隔。在一個實施方案中，本發明的超細水合高嶺土具有與二氧化鈦類似的尺寸，併合意地嵌入分散的二氧化鈦粒子/附聚物之間。換言之，超細水合高嶺土增量劑通常充當顏料增量劑，且特別充當TiO2顏料間隔物，其使例如TiO2的顏料表面最大地暴露於光，從而產生較高的不透明性。
高光澤和半光澤級漆含有著色顏料和體質顏料的混合物，其中二氧化鈦由於其傑出的光學性能而通常被用作著色顏料。對於乳膠漆和醇酸漆，最常用的體質顏料是水合高嶺土和較細級別的碳酸鈣和滑石。乳化漆中的粘合劑由分子量為大約10,000至大約1,000,000的成膜聚合物的小球(通常大約0.1至大約1.0微米直徑)構成。改變膠乳粒度和組成，以實現例如耐久性、光澤度、玻璃化轉變溫度之類性質的改變。目前，丙烯酸類和乙烯基-丙烯酸類樹脂構成乳膠漆中最主要使用的粘合劑。
傳統上，在漆料工業中，超細高嶺土顏料表面積的提高被認為對低PVC和低於CPVC的漆料的光澤性能產生負面影響。但是，本發明人意外地發現，高表面積超細水合高嶺土顏料可以提供與市售任何其他水合高嶺土顏料相同或更好的光澤性能。
該發現背後的原因如下。具有90-91GEB的光澤高嶺土基產品在高嶺土工業中通常使用例如來自East Georgia的第三紀原料製造，並對其進行選擇性絮凝選礦過程。在許多漆料和工業塗料用途中商業可得的顏料中，一種光澤高嶺土產品，可獲自J.M.Huber Corporation的Polygloss90，被認為是通過這種方法製成的，提供了最高的光澤。本發明的超細高嶺土具有比Polygloss90更細的PSD和更高的表面積，並意外地產生了更高的光澤，且不會損害漆膜的遮蔽能力。
下列實施例闡明本發明。除非在下列實施例和說明書的其他地方和權利要求書中另行指明，所有份數和百分比均按重量計，所有溫度都是℃，壓力均等於或接近大氣壓。
實施例1表1顯示了有利於成功實施本發明的灰色原礦的典型特徵。還列出了特定灰色原高嶺土(實施例1)的特徵，其在實施例2和3中用於舉例說明本發明。
表1性質 典型值 實施例1GE亮度80-8582.6最小表面積18(米2/克) 20(米2/克)％TiO21.6-21.81％Fe2O30.7-1.1 0.9粒度，低於該粒度的質量％2微米 80 820.3微米 35 38實施例2對來自實施例1的原礦進行除粗砂、超浮選、臭氧化和高速離心分離以產生細粒流和粗粒流。進行浮選以將TiO2含量降低至低於0.7％。在以18-22％小於0.3微米粒度為目標的條件下進行離心，其通常導致74-78％小於2微米粒度。對粗粒流進一步進行第二離心操作，以回收90％小於2微米的粒子。經過第二離心操作的粗粒流和來自第一離心操作的細粒流的特徵顯示在表2中。
表2性質 離心後的細粒GE亮度 91.2表面積(米2/克)26.2％TiO20.29％Fe2O30.89粒度，低於該粒度的質量％2微米 1000.3微米71實施例3將表2中的超細粒使用硫酸絮凝、漂白並過濾。將濾餅用蘇打灰/聚丙烯酸鹽(酯)磷酸鹽(酯)的特定摻合物分散，並噴霧乾燥。將噴霧乾燥的產品粉碎至6.5Hegman grind。在下表3中提供了本發明的超細產品(UFI)的特徵以及與商品Polygloss90高嶺土顏料的對比。此外，還包括Engelhard Corporation的使用選擇性絮凝法製成的產品ASPSuperfine水合矽鋁酸鹽。
表3性質 Polygloss90UF1 ASP超細表面積(平方米/克) 22 26 22.5TAPPI亮度，％ 90.0 91.791.3粒度分布低於該粒度的質量％2微米 97 99 991微米 96 98 96
0.5微米 86 92 880.3微米 60 72 66實施例4實施例4顯示了溶劑中性基清澈醇酸漆配製物。在光澤漆用途中測試根據實施例3製成的UFI。實施例4至9的漆料配製物基於100加侖體積和每100加侖中原材料的量(單位為磅)。在溶劑漆中，儘管UFI與Polygloss90相比具有較細的粒度和表面積，但對光澤沒有負面影響。
溶劑中性清澈基醇酸漆配製物原料 量加侖VT醇酸樹脂6693 153.8 20.6礦物油精 36.4 5.6Tixogel8.0 0.1乙醇 3.0 0.5混合至光滑卵磷脂52.0 0.2Lo-529 2.0 0.2防泛粉末 6.0 0.5高嶺土 40.0 1.9BYK 3701.0 0.1研磨至7Hegman，然後加入VT醇酸樹脂6693 380.0 51.0VMP 62.0 9.9鈷12％ 1.0 0.1Zirco 24％ 3.0 0.3Exkin#21.0 0.1保持粘性VMP 56.0 8.9總量 755.2 100.0
UFI和Polygloss90的對比光澤度和平光光澤數據性質 Polygloss90 UFI20度光澤度 73.373.560度光澤度 91.791.785度平光光澤 96.196.5實施例5實施例5顯示了室內半光澤乳膠漆配製物。在另一光澤漆用途中測試根據實施例3製成的UFI。在乳膠漆中，與Polygloss90引起的光澤度相比，用UFI具有顯著的光澤度改進。
室內半光澤乳膠漆配製物PVC-22，低VOC原料 量加侖水 145.0 17.4KTPP 1.0 0.1Kathon LX 1.5 0.2Natrosol Plus 330 1.0 0.1Tamol 1124 5.0 0.6Triton CF 10 3.0 0.3AMP 95 2.0 0.3Rhodoline 643 1.0 0.1混合2分鐘，然後加入TiO2-CR 828 240.0 7.2高嶺土 20.0 0.9Attagel 50 5.0 0.3研磨6至7，然後加入水 113.1 13.6UCAR 300 500.0 56.2Strodex PK 90 2.0 0.2氨 2.5 0.3Polyphobe TR 116 1.0 0.1
Polyphobe TR 11718.02.0Rhodoline 643 2.0 0.3總量1063.1 100.0對比評價b/t UFI和Polygloss90半光澤漆PVC-22性質UFI Polygloss90粘度KU@77 80 82pH8.3 8.4C.Ratio 3密耳 98.798.5反射比 92.393.1白度 88.288.6黃度 1.6 1.5Hunter L 97.597.6Hunter a -0.9-1.0Hunter b 1.3 1.2光澤度@60度 65.155.2平光光澤@85度 91.888.7光澤度@20度 23.114.7實施例6實施例6顯示了可減水的高光澤醇酸瓷漆配製物。在高光澤漆用途中測試根據實施例3製成的UF1。在可減水的醇酸高光澤瓷漆中，與Polygloss90相比，20度光澤度值顯著改進。
可減水高光醇酸瓷漆配製物PVC-16原料 量 加侖Beckosol 10-060(70％) 72.0 9.0礦物油精 9.3 1.4Bentone SD-1 1.5 0.1充分混合，然後加入LDA 100聚合分散劑 2.0 0.3
Hex-Cem辛酸鈣10％ 3.0 0.4TiO2-R-706 110.0 3.3UFI/Polygloss90 15.0 0.7研磨至7，然後加入Beckosol 10-060(70％) 44.5 5.6礦物油精18.0 2.8充分混合，然後加入Beckosol 10-060(70％) 130.0 16.3礦物油精92.4 14.2辛酸鈷12％ 1.0 0.1辛酸鋯12％ 4.0 0.5Skine#2 1.0 0.1充分混合，然後在攪拌下加入LPR 76，Polysach.Resin 44％ 40.0 4.0水 344.3 41.3混合30分鐘總量888.0 100.0在高光醇酸瓷漆配製物PVC-16中對比評價b/t UFI和Polygloss90性質 UFIPolygloss90粘度KU@7791 92C.Ratio 3密耳92.3 91.9反射比 87.2 87.0白度 77.7 77.3黃度 4.24.3Hunter L 95.9 95.9Hunter a -1.2 -1.2Hunter b 2.72.8光澤度@60度 78.8 75.1平光光澤@85度98.3 97.6光澤度@20度 41.5 31.4
實施例7實施例7顯示了室內/室外光澤漆配製物。在另一高光澤漆用途中測試根據實施例3製成的UF 1。在苯乙烯丙烯酸高光澤水性漆中，UF 1與Polygloss90相比表現出更高的20和60度光澤度值。
室內/室外光澤漆PVC-18.7原料量加侖水 62.6 7.5Kathon LX 1.5％ 1.6 0.2Tamol 1124 5.5 0.6Surfynol 104E 1.0 0.1Igepal CTA-639W 1.0 0.1BYK-022 1.0 0.1混合2分鐘，然後加入Ti Pure-R 706 202.5 6.1高嶺土 14.5 0.7研磨6至7，然後加入丙二醇 30.28 3.5Rhoplex HG-700 618.1 70.0水 21.45 2.6Texanol 21.5 2.7Triton X 4053.5 0.4氨 1.0 0.1在三之後預混合，然後加入水 222.6Acrysol RM 5222.4BYK-024 2.0 0.3總量1031.5100.0在室內/室外光澤漆PVC-18.7中對比評價b/t UFI和Polygloss90
性質 UFI Polygloss90粘度KU@7794 95pH 8.4 8.4C.Ratio 3密耳98.298.2反射比 94.594.5白度 91.091.0黃度 1.1 1.1Hunter L 98.098.0Hunter a -0.8-0.8Hunter b 0.9 0.9光澤度@60度 78.577.8平光光澤@85度93.493.1光澤度@20度 52.351.5實施例8實施例8顯示了光澤白瓷漆配製物。在另一高光澤漆用途中測試根據實施例3製成的UF 1。在另一苯乙烯丙烯酸瓷漆中，通過將漆料的PVC保持相同，將10％TiO2用一定體積量的UF 1增量。與具有100％TiO2的漆料相比，UF 1意外地表現出類似的不透明性和光澤性能。UF 1在漆料中還表現出比Polygloss90高的光澤度。
光澤白瓷漆PVC-17.6對照物100％TiO2通過高嶺土的(-)10％TiO2體積原料 量 加侖 量 加侖水169.2 20.3 169.220.3Kathon LX 1.5％ 3.00.43.0 0.4KTPP 0.50.10.5 0.1Tamol 11243.50.43.5 0.4丙二醇26.0 3.026.0 3.0Surfynol 104H 1.00.11.0 0.1
BYK-022 1.0 0.1 1.0 0.1Acrysol TT 935 8.0 0.9 8.0 0.9氨 2.0 0.3 2.0 0.3混合2分鐘，然後加入CR 828 225.0 6.8 202.5 6.1水合高嶺土 0.0 0.0 14.50.7研磨6至7，然後加入Stordex PK 901.0 0.1 1.0 0.1Ucar 471 516.1 59.6516.1 59.6Texanol 20.02.5 20.02.5水 20.72.5 20.72.5Synthesizer 160 10.01.1 10.01.1Acrysol RM 5 15.01.7 15.01.7BYK-024 2.0 0.3 2.0 0.3總量 1024.0 100.0 1016.0 100.0在光澤白瓷漆PVC-17.6中對比評價b/t UFI和Polygloss90100％TiO2(-)10％TiO2(-)10％TiO2性質 對比 UFIPolygloss90粘度KU@7796 97 95pH 8.6 8.58.5C.Ratio 3密耳98.0 97.8 97.8反射比 94.4 93.8 93.7白度 91.1 90.1 90.1黃度 0.5 0.70.7Hunter L 97.9 97.8 97.8Hunter a -0.9 -0.9 -0.9Hunter b 0.8 1.01.0光澤度@60度 75.1 75.3 74.6平光光澤@85度93.4 93.4 92.6光澤度@20度 39.2 38.1 37.2
實施例9實施例9顯示了兩部分水性環氧塗料配製物。在另一高光澤漆用途中測試根據實施例3製成的UF 1。在高光澤水性環氧漆配製物中，與Polygloss90相比，UF 1具有改進的20度光澤度值。
兩部分水性環氧塗料PVC-22.7，有效儲存期-6小時部分-A原料 磅 加侖EPI-REZ樹脂3520-WY-55 329.4 36.0水116.3 14.0部分A總量 445.7 50.0部分-B原料 磅 加侖EPI-CURE固化劑8536-MY-60 160 19.3Agitan 7312.0 0.2TiO2-R 900 250 7.5高嶺土-Polygloss90/UFI 30 1.4高速研磨至5至7，然後加入EPI-CURE固化劑8536-MY-60 22.52.7冰醋酸2.3 0.3水155.4 18.7部分B總量 622.2 50.0複合混合物部分-A445.7 50.0部分-B621.9 50.0部分A和B總量 1067.6 100.0在兩部分水性環氧塗料PVC-22.7中對比評價b/t UFI和Polygloss90性質 UFI Polygloss90粘度KU@77 118 119
C.Ratio 3密耳 97.2 97.0反射比90.3 90.2白度81.5 81.7黃度3.94.1Hunter L97.1 97.1Hunter a-1.2 -1.2Hunter b2.52.7光澤度@60度 100100平光光澤@85度 97.3 97.0光澤度@20度 98.8 97.7儘管已經相對於某些實施方案解釋了本發明，但要理解的是，在閱讀說明書的基礎上，本發明的各種修改對於本領域技術人員是顯而易見的。因此，要理解的是，本文公開的本發明旨在覆蓋落在所附權利要求範圍內的修改。
圖2除粗砂系統 浮選系統 臭氧化系統離心系統測試器 處理器控制器存儲器
權利要求
1.加工高嶺土的方法，包括依序地對包含超大量灰色高嶺土的原高嶺土進行浮選以提供二氧化鈦含量降低了的高嶺土；將二氧化鈦含量降低了的高嶺土高速離心以提供粗粒流和細粒流，粗粒流包含其中至少大約70重量％具有2微米或更小粒度的高嶺土，細粒流包含其中至少大約80重量％具有1微米或更小粒度的高嶺土；和將細粒流精製成超細高嶺土顏料。
2.權利要求1的方法，其中高速離心包括使用大約1,000至大約10,000的「g」力。
3.權利要求1的方法，其中原高嶺土包含至少大約75重量％的灰色高嶺土。
4.權利要求1的方法，其中所述浮選將高嶺土的二氧化鈦含量降至低於大約1重量％。
5.權利要求1的方法，其中所述浮選包括泡沫浮選、超浮選和TREP浮選之一。
6.權利要求1的方法，進一步包括在對原高嶺土進行浮選之前將高嶺土除粗砂。
7.超細水合高嶺土，其包含下述粒子其中至少大約97重量％的粒子具有2微米或更小的粒度，至少大約96重量％的粒子具有1微米或更小的粒度，至少大約89重量％的粒子具有0.5微米或更小的粒度，至少大約67重量％的粒子具有0.3微米或更小的粒度，粒子的表面積為至少大約23平方米/克，且粒子亮度為至少大約91。
8.權利要求7的超細水合高嶺土，其中至少大約98重量％的粒子具有2微米或更小的粒度，至少大約97重量％的粒子具有1微米或更小的粒度，至少大約90重量％的粒子具有0.5微米或更小的粒度，至少大約70重量％的粒子具有0.3微米或更小的粒度，且粒子的表面積為至少大約25平方米/克。
9.權利要求7的超細水合高嶺土，其中粒子亮度大於92。
10.漆料組合物，包含主要量的漆料載體；和次要量的權利要求7的超細水合高嶺土。
全文摘要
公開了加工高嶺土以製造超細水合高嶺土的方法。該方法包括如下加工灰色原高嶺土對原高嶺土進行浮選，然後離心分離該高嶺土以提供細粒流，對細粒流進行精製。還公開了灰色原高嶺土的自動化加工系統以製造超細水合高嶺土和含有該超細水合高嶺土的漆料組合物。
文檔編號D21H19/40GK101048468SQ200580036652
公開日2007年10月3日 申請日期2005年8月5日 優先權日2004年8月26日
發明者N·帕特爾, S·馬圖爾, A·科卡尼, K·W·福爾馬 申請人:恩格哈德公司