製備高固體含量漿液的方法
2023-04-30 00:42:31 2
專利名稱：製備高固體含量漿液的方法
技術領域：
本發明涉及製備高固體含量顏料漿液的方法，特別是涉及製備用於造紙工業的高固體含量的二氧化鈦顏料漿液的方法。
長期以來，造紙工業使用二氧化鈦顏料來增強各種紙張產品的光學性能，如亮度和不透光性。傳統上，最廣泛應用的二氧化鈦顏料是幹磨的銳鈦型二氧化鈦，通常製成高固體含量的漿液。該顏料主要是由鈦鹽，如硫酸鈦的水溶液經控制水解而製成的，經過過濾和洗滌，煅燒，並乾燥該顏料使其全部形成銳鈦型的晶形。為了用於造紙工業，再將煅燒的顏料進一步幹磨以打碎過大的和結塊的顆粒，然後將經煅燒及幹磨過的顏料分散於水中，其加入量應足以形成固體含量為60%到80%(重量)的漿液。
金紅石型二氧化鈦顏料也被應用於造紙業，而且隨著由上述所謂「硫酸鹽法」生產的銳鈦型二氧化鈦顏料產量的減少使用金紅石型二氧化鈦顏料變得更加普遍了。通常，金紅石型顏料是通過在氣相中氧化四氯化鈦來製備的。所得到的氧化產物是含有大量過大的，砂礫質的二氧化鈦顆粒的粗的二氧化鈦顏料。為使這些粗產品可以做為顏料使用，還要進行溼磨、水力分級、乾燥，最終再經幹磨以製得具有均勻晶體結構的顏料產品。當用於造紙時，將這種乾燥並磨細的顏料產品分散於水中，加入量應足以形成固體含量範圍與上述所披露的銳鈦型顏料相同的漿液。
製備高固體含量漿液所用的二氧化鈦顏料不論是經上述的硫酸鹽法還是經氧化法製得的，這些漿液一般需由乾燥的，精選的顏料製備，即，由那種經過乾燥和幹磨操作的顏料製備。美國專利No.3，758，322披露了一個不使用精選的成品顏料的例子。該專利描述了一種製備高固體含量漿液的方法，該方法用一種加工過程中的粗二氧化鈦顏料的低固體含量的漿液，這種顏料只經過溼法研磨和除砂步驟(如分級)而無需其它。所述方法包括凝聚無砂質的、低固體含量的顏料漿液，在真空下使該凝聚的顏料漿液脫水，然後使脫水的顏料再漿化以形成固體含量不少於60%(重量)的漿液，儘管該方法由於省去了成本高且費時的二氧化鈦研磨步驟而被認為更經濟，但還有其自身的缺點。其中之一是增加了成本，這是指為利用常規真空過濾技術進行過濾而凝聚該顏料所造成的時間及材料的消耗。另一缺點是產率較低，這是由於要生產用於製備最終漿液的高固體含量的濾餅所需的脫水周期較長而造成的。
下面披露的本發明省去了生產用於製備最終漿液的高固體含量的濾餅所需的凝聚步驟並縮補了脫水周期，從而克服了上述缺點。
本發明提供了一種以經濟有效的方式生產未經處理的、非凝聚的金紅石二氧化鈦顏料的高固體含量漿液的方法。概括說來，構成本發明的方法包括以下步驟1.製備含有水、第一分散劑和未經處理的、非凝聚的二氧化鈦顏料的水溶漿;2.將步驟1中的水溶漿在高壓下脫水以形成一含有未經處理的、非凝聚的顏料的溼濾餅;且3通過加入第二分散劑使步驟2中的溼濾餅再漿液化，得到以固體含量不少於70%(重量)為特徵的顏料漿液。
本發明提供了一種用於造紙工業和塗料生產的高固體含量的顏料漿液的製備方法，更廣義上說，本發明提供了一種製備高固體含量的二氧化鈦顏料漿液，特別是未經處理的、非凝聚的二氧化鈦顏料漿液的方法。貫穿本文始終及權利要求中所使用的「未經處理的」一詞是指那些未覆蓋任何水合金屬氧化物，如氧化矽、氧化鈦、氧化鋁及同類物的表面層的二氧化鈦顏料顆粒。
本發明的方法可應用的未經處理的、非凝聚的二氧化鈦顏料包括任何二氧化鈦顏料，不論是銳鈦型，金紅石型還是它們的混合物，也不論它們是以何種方法，例如是上述提到的硫酸鹽法還是氣相氧化法生產的。在一優選的實施例中，本發明的方法詳述了用由氣相氧化四氯化鈦製得的未經處理的，非凝聚金紅石型二氧化鈦顏料來製備高固體含量的漿液的方法。
根據本發明，將用於製備高固體含量顏料漿液的未經處理的、非凝聚的二氧化鈦顏料，進行溼磨，隨後進行水力分級以製得粒子大小基本上均勻的顏料。總之，這是通過首先將原始的未經處理的二氧化鈦顏料分散在水中形成原始顏料漿液而實現的，這些顏料含有大量過大的，凝聚的顏料顆粒，當其一離開煅燒器或氧化器後就被分散於水中，形成原始顏料漿液。特別是，分散於水中的未經處理的顏料的量要足以形成含顏料重量為約20%到約50%的原始顏料漿液。
一旦製成原始漿液，就將它進行溼磨並進行水力分級，以打碎其中過大的凝聚顏料顆粒使其分散，形成含有均一顆粒大小的顏料漿液。漿液的溼磨可由迄今為止本領域普通技術人員所應用的任何已知方法來完成。用於打碎凝聚顏料顆粒的一個特別有用的方法是砂磨，該操作在皮爾著的《化學工程手冊》，第四版(1963)第8節，第41頁中有全面的描述。水力分級也可應用已知的和常規的方法和技術，例如水力旋流器來實現。美國專利3，130，157舉出了一個水力旋流器的例子及它的應用。
為使在上述溼法研磨和水力分級的漿液中的未經處理的顏料維持在高度分散的狀態，保證後續的加壓過濾漿液成功。通常要在漿液中加入第一分散劑，該分散劑可在原始漿液的溼磨及水力分級以前加入，也可在其後加入。概括說來，用來作為第一分散劑的分散劑物質可以包括任何已知的鹼金屬磷酸鹽化合物，如六甲基磷酸鈉，鈉和鉀的多聚磷酸鹽，焦磷酸鈉，及同類物。作為第一分散劑加入到原漿液中這類分散劑物質的量大體上為原始漿液重量的0.01%到2.0%。通常分散劑物質的加入量最好是從約0.1%到1.0%(重量)。
除了加入上述分散劑以外，為使漿液的PH值保持在4.0以下，或者8.0以上，必要時可以加入無機酸如鹽酸或硫酸，也可以加入無機鹼如氨、鹼金屬或鹼土金屬的氫氧化物，碳酸鹽或碳酸氫鹽化合物。這些有用的無機鹼的代表例包括，如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、氫氧化鈣、碳酸鈉、碳酸氫鈉及同類物。通常，無論鹽酸還是硫酸都可以用來將漿液的PH值維持在4.0以下，而用於維持漿液PH在8.0以上的優選的鹼是鹼金屬氫氧化物，如氫氧化鈉。
為保證未經處理的顏料處在非凝聚狀態，必須維持漿液的PH值低於4.0，或高於8.0。正如上述披露的，如果用加壓過濾的方法來對上述漿液進行必要的脫水的話，那麼這一條件則被認為是非常重要的。另一方面，如果用常規的真空過濾如用真空轉鼓機來從低固體含量漿液製備高固體含量的濾餅時，通常需要將漿液的PH值維持在4.0到8.0之間。在這一PH值範圍內，漿液中的顏料粒子表面基本上不攜帶離子電荷。結果，顏料顆粒將易於聚集，使得含有顏料顆粒的漿液在真空過濾條件下更容易脫水。在本發明的實施過程中，漿液的PH值最好保持在3.5以下，或8.5以上。
然後再將高度分散的，經溼磨且水力分級的顏料漿液進行脫水。該脫水過程用力過濾設備在超大氣壓力下完成，從而得到高固體含量的溼濾餅。用來製取高固體含量溼濾餅的壓力過濾設備並不構成本發明的一部分，可用任何已知的壓力過濾設備來進行。這些設備包括例如各種類型和結構的間歇操作壓濾機，皮爾著的《化學工程師手冊》(1963)第四版第19節，第62-73頁對此有完整的描述。一種特別有用的壓力過濾器是由B.C.Hoesch工業公司生產的豎式壓濾機。這種特殊的壓濾機將傳統壓濾機理想的特點與轉鼓過濾機和帶式過濾機的優點結合起來，並實現了全部自動化。
無論在實施本發明時採用的壓力過濾設備的型式和結構如何，該設備都將在高於大氣壓的壓力下操作。就本發明而言，典型的操作壓力在從約50psi到250psi的範圍之內，即約3.5到17.5kg/cm2，最好是從約100psi到225psi，即約7到15.8kg/cm2。
一旦將含水的漿液引入壓濾機，它就要在該壓濾機中在上述的超大氣壓力下停留一段時間以充分形成固體含量不少於70%(重量)的溼濾餅。通常，得到這樣一種溼濾餅所需時間約為10到30分鐘。該時間表示了一個典型的過濾周期，這一周期包括裝料，擠壓、乾燥和溼濾餅從壓濾機中卸出的全過程，當然，該時間可隨下列因素的不同而有所改變，這些因素包括原始含水漿液的顏料含量，壓濾機所用的壓力，以及最終溼濾餅所需的特定的固體含量，這種最終溼濾餅經過再漿液化便可製成特殊的高固體含量的漿液成品。但是，本領域裡的普通工人可很容易地確定要獲得具有高固體含量的溼濾餅所需的精確時間。
上述提到的溼濾餅的固體含量不少於70%(重量)特別地應在70%到80%(重量)之間，然後將其再漿液化以製成所希望的最終的漿液產品。概括說來，在機械攪拌的條件下，通過在溼濾餅中加入第二分散劑，便可使溼濾餅再漿液化。適於用作第二分散劑的物質可以是任何一種可用於此目的水溶性有機分散劑物質。因此，這些物質包括，例如取代的脂肪酸及其鹼金屬鹽和酸式鹽，多元醇，脂肪醇胺及同類物。這些物質的具有代表性並非限制性的例子包括檸檬酸、酒石酸及它們的鈉鹽和鉀鹽、山梨糖醇、甘露糖醇、單乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇及同類物。如果需要的話，還可用這些物質兩種或兩種以上的混合物。
加入到濾餅中分散劑的量，以最終高固體含量漿液產品中二氧化鈦顏料的重量為基準，在從0.1%到5%的範圍內，最好是在0.3%到1.5%(重量)之間。
正如上述所披露的，往由本發明的壓力過濾步驟回收的溼濾餅內加入第二分散劑，即可製成最終的高固體含量的漿液產品。在本發明的這個方面，最終的高固體含量漿液產品中所含固體的量與製備漿液所用的溼濾餅中所含的固體的量大體相同。但是，一般在加入第二分散劑時，還要在溼濾餅中加入水以進一步將最終漿液產品的固體含量調整到所需的預定值。一旦已知溼濾餅的固體含量和所希望的最終漿液產品的固體含量，本領域裡的任何普通的技術人員便可輕易確定完成該調整所需加入的水量。但是，在任何情況下，都不要加入過量的水使最終漿液產品中固體的量低於70%(重量)。根據本發明，最終漿液產品中所含固體的量最好是在70%到80%(重量)之間。
除了上述的作為第二分散劑的分散劑材料以外，同時還可以在高固體含量的漿液中加入其它物質。這類物質包括各種殺菌劑，殺真菌劑，螯合劑及同類物。在本發明的高固體含量的漿液中，這些物質的量應為漿液重量的0.1%到5%。
下面的例子將對本發明進行進一步的非限定性的描述和說明。下面所提到的所有組分和百分數如無其它說明均為重量比。
實施例根據本發明，按下述方法製備高固體含量的顏料漿液。
把由四氯化鈦(TiCl4)的氣相氧化法生產的，原始的未經處理的金紅石型二氧化鈦顏料分散到水中，由此製得高度分散的低固體含量的漿料。在水中要加入足夠的原始顏料使得到的粗顏料漿液中固體含量達32%到35%(重量)。為促進原始顏料在水中的分散，可同時在其中加入六甲基磷酸鈉。為防止原始顏料凝聚，應加入氫氧化鈉將漿液的PH值調整到10左右，隨後再對漿液進行溼磨和水力分級。
然後將該漿液間歇地泵入Hoesch PF1-2.5型豎式壓力過濾器中，在125psig(7.8kg/cm2)的壓力下，以10磅/小時/平方英尺(48.8kg/hour/m2)的普通過濾速率脫水，所用的過濾器是由B.C.Hoesch工業公司生產的，總過濾面積為27平方英尺(2.5m2)。連續對漿液脫水，直到得到5680磅(2573Kg)的溼濾餅為止。從壓力過濾器中回收的溼濾餅的固體含量為78.9%(重量)。
將此濾餅轉移到1000加侖的高速分散器中，其中已加入了576磅(261kg)的水，44磅(20kg)的2-氨基-2-甲基-1-丙醇13磅(6Kg)濃度為50%的檸檬酸和4.0磅(1.8Kg)由道化學公司生產的殺菌劑Dowcil。然後再將溼濾餅和上述添加物高速攪拌大約20分鐘，便可得到一種可流動的、可泵送的、高固體含量的成品漿液。
對上述成品漿液的分析表明，其中固體含量為71%(重量)，粘度為658釐泊(用3號測杆以100rpm的速度在布克輻爾德型RVT粘度計上測得)，PH值為10.3，電阻率為400(歐姆-釐米)。此漿液摻到紙漿中並塗覆於紙表面時，具有良好的亮度和不透光性。
從上例可見，本發明提供了一種經濟有效地製備高固體含量漿液的方法。而且，從上可清楚地看到製備高固體含量的漿液簡便易行，無須將初始漿料聚集，也不需要象先有技術那樣為獲得所需的固體濃度進行長時間的過濾操作。
儘管用最佳實施例詳細描述了本發明，但是，只要不脫離上述本發明的範圍和實質，不超出權利要求的範疇仍可對其進行修改和完善。
權利要求
1.一種製備高固體含量顏料漿液的方法，包括提供一種含有水，第一分散劑和未經處理的、非凝聚的二氧化鈦顏料的高分散性顏料漿液，保持該漿液的PH值，使其足以防止所述的二氧化鈦顏料凝聚；將上述高分散性顏料漿液在超大氣壓力下進行脫水，使其完全形成含有未經處理的、非凝聚顏料的溼濾餅；在上述溼濾餅中加入第二分散劑使其再漿液化，從而得到顏料固體含量不少於70%(重量)的顏料漿液。
2.按權利要求1所述的方法，其中在所述的高度分散性顏料漿液中所述第一分散劑的含量為0.01%到2.0%(重量)。
3.按權利要求2所述的方法，其中所述的第一分散劑是一種鹼金屬的多聚磷酸鹽。
4.按權利要求1所述的方法，其中在所述的高度分散的顏料漿液中還含有包括鹼金屬氫氧化物的一種鹼，其量應足以使漿液的PH值保持在8.0以上，或者含有一種從鹽酸和硫酸中選出的無機酸，其量應足以使漿液的PH值維持在4.0以下。
5.按權利要求4所述的方法，其中所述的高度分散性的顏料漿液的PH值應維持在3.5以下，或維持在8.5以上。
6.按權利要求1所述的方法，其中在所述的高度分散性的顏料漿液中含所述的二氧化鈦顏料的量應足以使漿液中的固體含量不少於20%(重量)。
7.按權利要求1所述的方法，其中所述的高度分散性的顏料漿液在不低於50磅/平方英寸(3.5Kg/cm2)的超大氣壓力下進行脫水。
8.按權利要求1所述的方法，其中所述的壓力範圍是50磅(3.5Kg/cm2)到250磅/平方英寸(17.5Kg/cm2)。
9.按權利要求1所述的方法，其中加入所述的溼濾餅中的第二分散劑是從二元脂肪酸和它們的鹼金屬鹽及酸式鹽、多元醇和脂肪醇胺中選出的一種有機物。
10.按權利要求9所述的方法，其中在所述的溼濾餅中所述的第二分散劑的含量為0.1%到5%(重量)。
11.一種製備高固體含量二氧化鈦顏料漿液的方法，包括提供一種含有下列物質的高分散性二氧化鈦顏料的漿液，其中包括水、0.01%到2.0%(重量)的鹼金屬的多聚磷酸鹽、足以使漿液PH值維持在8.5以上所需的鹼金屬氫氧化物和足以使漿液中固體含量不低於20%(重量)的未經處理的非凝聚的二氧化鈦顏料;在不低於50磅/平方英寸的超大氣壓力下過濾所述的顏料漿液，對所述的高分散性的顏料漿液脫水得到含有所述的非凝聚顏料的溼濾餅;且在上述溼濾餅中加入0.1%到5.0%(重量)的第二分散劑，使所述的溼濾餅再漿液化從而得到固體含量不少於70%(重量)的顏料漿液，其中第二分散劑是從取代的脂肪酸以及它們的鹼金屬鹽和酸式鹽，多元醇，脂肪醇胺中選出的。
12.按權利要求11所述的方法，其中在所述的高分散性顏料漿液中所述的二氧化鈦顏料的含量足以使所述的漿液中的固體含量為20%到50%(重量)。
13.按權利要求11所述的方法，其中在所述的高分散性顏料漿液中含的所述的未經處理的、非凝聚的二氧化鈦顏料是未經處理的金紅石型二氧化鈦顏料。
14.按權利要求11所述的方法，其中在所述的溼濾餅中的所述的第二分散劑的含量為0.3%到1.5%(重量)。
15.按權利要求11所述的方法，將其中所述的高分散性顏料漿液在50磅/平方英寸(3.5Kg/cm2)到250磅/平方英寸(17.5Kg/cm2)的超大氣壓力下進行過濾脫水。
16.按權利要求11所述的方法，其中加入到所述的溼濾餅中的第二分散劑是脂肪醇胺。
17.按權利要求16所述的方法，其中所述的第二分散劑是2-氨基-2-甲基-1丙醇。
18.按權利要求1所述的方法製備的一種高固體含量的顏料漿液。
全文摘要
將含有20％至50％(重量)的未經處理的，非凝聚的二氧化鈦顏料的高分散性漿液在超大氣壓力下脫水，製得溼濾餅，上述漿液的pH值低於4.0或高於8.0，在該濾餅中加入分散劑使其再漿液化，從而製備一種固體含量為70％到80％(重量)的二氧化鈦顏料漿液。這種高固體含量的漿液最好由金紅石型二氧化鈦顏料來製備。
文檔編號C09D17/00GK1047102SQ9010251
公開日1990年11月21日 申請日期1990年5月8日 優先權日1989年5月12日
發明者菲力普·邁爾斯·斯託裡 申請人:科爾-麥克基化學公司