穩定的含水膠態二氧化矽產品及其製備和使用方法與流程

2023-04-30 04:18:34

本發明的至少一個實施方案涉及具有高固體含量和低粘度同時保持高表面積和增強的穩定性的膠態二氧化矽溶膠。其還涉及包括半間歇添加用於製成這樣的膠態二氧化矽溶膠的新方法以及這樣的膠態二氧化矽溶膠在造紙中的用途。本發明的至少一個實施方案涉及含水膠態二氧化矽產品，使用含水膠態二氧化矽產品的方法，以及生產含水膠態二氧化矽產品的方法。所述含水膠態二氧化矽產品是穩定的，並且粘度比認為膠態二氧化矽固體濃度為16重量％至18重量％(即，16重量％至18重量％的SiO2固體)且通過常規生產方法生產的產品可達到的粘度低。

背景技術：

本發明涉及具有高固體含量和低粘度同時保持高表面積和增強的穩定性的膠態二氧化矽溶膠。其還涉及包括半間歇添加用於製成這樣的膠態二氧化矽溶膠的新方法以及這樣的膠態二氧化矽溶膠在造紙中的用途。本發明的膠態二氧化矽溶膠獨特地表現出約16重量％至約18重量％的SiO2固體的高固體含量，且粘度為約4cPs至20cPs，同時所述膠態二氧化矽溶膠仍保持高表面積和增強的穩定性而不用例如鋁來改性表面。此外，通過新的半間歇法製備本發明的膠態溶膠，所述新的半間歇法不同於例如美國專利第6,372,806和6,372,089號中所述的常規二氧化矽溶膠法。此外，本發明的膠態二氧化矽溶膠在許多造紙配料中有利地表現出優良的活性。本發明的二氧化矽溶膠尤其可在造紙工業領域中用作例如保留和脫水助劑。

相比之下，本發明提供了穩定的膠態二氧化矽溶膠組合物，其SiO2固體的濃度為約16重量％至約18重量％並且具有約4cps至約20cps的低粘度，這並不在以上參考專利的教導當中。本發明提供了具有高表面積和增強穩定性的穩定二氧化矽膠體溶膠，而沒有如美國專利5,368,833所述的那樣用鋁對表面進行改性。

技術實現要素：

在第一示例性實施方案中，本公開內容涉及穩定的含水膠態二氧化矽產品。膠態二氧化矽溶膠可以以約16重量％至約18重量％的SiO2固體濃度生產並儲存，並在室溫下保持穩定至少30天，通常至少180天。含水膠態二氧化矽產品的粘度為約4cps至約20cps且S值為26％至40％。膠態二氧化矽固體的比表面積為700m2/g至850m2/g。

在第二示例性實施方案中，本公開內容涉及生產含水膠態二氧化矽產品的方法。所述方法包括，首先，向反應容器中裝入陽離子交換樹脂(其具有至少40％，優選至少50％的其氫形式的離子交換容量)，其中反應容器具有例如在該反應容器底部附近的篩，用於使在過程期間形成的膠態二氧化矽與離子交換樹脂分離。第二，向反應容器中裝入水並攪拌反應容器的內容物。第三，調節所述反應容器的內容物的溫度至70華氏度至200華氏度，優選100華氏度至160華氏度。第四，在攪動下向所述水和陽離子交換樹脂中添加第一量的鹼金屬矽酸鹽，從而形成包含第一部分的含水膠態二氧化矽產品的第一中間體組合物。第五，在0至90分鐘之後，在攪動下向所述第一中間體組合物中添加第二量的鹼金屬矽酸鹽，從而形成包含第二部分的含水膠態二氧化矽產品的第二中間體組合物。在約0分鐘至24小時之後，使第一部分和第二部分的含水膠態二氧化矽產品從第二中間體組合物中分離，從而產生含水膠態二氧化矽產品。鹼金屬矽酸鹽的第一量和第二量構成了總量，其中第一量為總量的60重量％至95重量％。第一中間體組合物的溫度為70華氏度至200華氏度，且pH為8至14。以足以允許第一添加持續1至45分鐘的第一速率添加第一量的鹼金屬矽酸鹽。第二中間體組合物的溫度為70華氏度至200華氏度，且pH為9至11。以足以允許第二添加持續5至120分鐘的第二速率添加第二量的鹼金屬矽酸鹽。

在第三示例性實施方案中，本公開內容涉及製造纖維素板的方法。該方法包括製備包含0.01重量％至1.5重量％的纖維素纖維的纖維素配料。向纖維素配料中添加一定量的如第一示例性實施方案中所述的含水膠態二氧化矽產品。含水膠態二氧化矽產品的量足以使纖維素配料中膠態二氧化矽固體的濃度達到按纖維乾重計為約0.00005重量％至約1.5重量％。向纖維素配料中添加一定量的水溶性聚合物絮凝劑。水溶性聚合物絮凝劑的量足以使纖維素配料中水溶性聚合物絮凝劑的濃度達到按纖維乾重計為約0.001重量％至約5重量％。所述水溶性聚合物絮凝劑的分子量為 500,000至30,000,000道爾頓。然後使纖維素配料脫水以獲得纖維素板。

附圖說明

在閱讀以下詳細說明和附圖之後，本公開內容的優勢對於相關領域的普通技術人員將變得更易於顯見，其中：

圖1是示出了與對照樣品相比，併入有本公開內容的發明性含水膠態二氧化矽產品的三批樣品的首程灰分留著率改善的圖。

具體實施方式

儘管涵蓋總發明構思的實施方案可採取多種形式，但下文將描述多個實施方案，應理解本公開內容僅被認為是範例，並且總發明構思不旨在局限於公開的實施方案。

除非另有說明，否則本文所使用的所有百分數、份和比例按總產品的重量計。除非另有說明，否則有關所列成分的所有重量均基於活性物質水平，並因此不包括可包含於市售材料中的溶劑或副產物。

除非另有說明或通過其中進行引用的上下文清楚地暗示與此相反，否則本發明關於單數特徵或限制的所有提及將包括對應的複數特徵或限制，反之亦然。

除非另有說明或通過其中進行引用的上下文清楚地暗示與此相反，否則本文所使用的方法或過程步驟的全部組合可以以任意順序進行。

本文所公開的所有範圍和參數(包括但不限於百分數、份和比例)應理解為涵蓋其中採用並包含的任何和所有子範圍，以及在端點之間的每個數。例如，指定範圍「1至10」應當被認為包括最小值1與最大值10之間(包括1和10)的任何和所有子範圍；即，以最小值1或更大值開始(例如1至6.1)並且以最大值10或更小值結束(例如2.3至9.4、3至8、4至7)的所有子範圍，以及最後是包含在該範圍內的各個數1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。

本文可使用序數(例如，第一、第二、第三等)以描述可能類似的本公開內容的多個方面。例如，可使用序數定義兩個添加步驟(例如，「第一添加」和「第二添加」)。當使用時，使用序數以區別一個要素與另一個類似命名的要素，從而使得在提及類似命名的要素時是清楚的。除非通過 本公開內容的上下文明確定義，否則序數不應解釋為必要地限制要素的順序。

本公開內容的組合物和產品的多個實施方案還可基本上不包含本文所述的任意任選的成分或特徵，條件是剩餘的組合物或產品仍包含全部所需的如本文所述的成分或特徵。在本文中，除非另有說明，否則術語「基本上不包含」意指選擇的組合物或產品包含少於功能量的任選成分，通常包含少於約1重量％的這樣的任選成分，包括少於約0.5重量％，包括少於約0.1重量％，並且還包括0重量％的這樣的任選成分。

組合物和產品可包含以下、由以下組成，或基本上由以下組成：本文所述的產品的所需要素，以及本文所述的或另外可用於產品應用的任意附加的或任選的要素。

除非另有說明，否則如本文所使用的術語「含水」旨在解釋為意指「包含水」或「在水中」的改性劑，與「包含油」或「在油中」相反。為了本公開內容的目的，「水」是指液態水。含水組合物可以是液態水、具有液態水作為溶劑的溶液，或固體在液態水中的漿料。顯然，二氧化矽溶膠是含水組合物，因為其包含在液態水中的膠態二氧化矽固體。

除非另有說明，否則如本文所使用的術語「膠體」旨在解釋為包含基本上均勻地分散在另一種物質中的超小顆粒的物質。膠體由兩個獨立相組成：分散相(或內相)和其中分散有分散相顆粒的連續相(或分散介質)。分散相顆粒可以是固體、液體或氣體。分散相顆粒的直徑可為約1納米至1,000,000納米。膠體可大致上受分散相顆粒中存在的表面化學影響。膠體的示例性實施方案是含水膠態二氧化矽產品。分散相顆粒的示例性實施方案是膠態二氧化矽固體。

除非另有說明，否則如本文所使用的術語「膠態二氧化矽」旨在解釋為其中主要分散相顆粒包含含矽分子的膠體。該定義一般包括以下參考書的全部教導：Ralph K.Iler的The Chemistry of Silica：Solubility，Polymerization，Colloid and Surface Properties and Bioch emistry of Silica，John Wiley and Sons，Inc.，(1979)，並且特別地包括第312至599頁的全部教導。當顆粒直徑大於100nm時，則顆粒可稱為「溶膠」、「二氧化矽溶膠」、「水溶膠」或「納米顆粒」。

除非另有說明，否則如本文所使用的術語「產品」旨在解釋為由化學反應或其一系列化學反應產生的並且能夠在製造工藝中用作成分的物質。 如本文所使用，「產品」一般是由化學反應或其一系列化學反應獲得的一部分組合物。

除非另有說明，否則如本文所使用的術語「含水膠態二氧化矽產品」(或「AqCSP」)旨在解釋為在液相中具有分散的二氧化矽顆粒/聚集體的均勻混合物，其由化學反應或其一系列化學反應產生，並且能夠在製造工藝中(特別是造紙工藝中)用作成分。在某些實施方案中，「含水膠態二氧化矽產品」是二氧化矽溶膠。

除非另有說明，否則如本文所使用的術語「二氧化矽溶膠」旨在解釋為包含膠態二氧化矽顆粒或聚集體的均勻含水混合物組合物。

在上述定義或本申請其他地方陳述的描述與通常使用的、字典中的或通過引用併入本申請中的資料中所陳述的意思(明確的或暗示的)不一致的情況下，本申請和權利要求術語特別地應理解為根據本申請中的定義或描述來解釋，而不應根據常用定義、字典定義或通過引用併入的定義來解釋。鑑於以上內容，在術語僅能通過字典解釋來理解的情況下，如果術語由Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，第5版，(2005)，(Wiley，John&Sons，Inc.出版)定義，則該定義將控制該術語在權利要求書中的定義方式。

在至少一個實施方案中，膠態二氧化矽溶膠獨特地表現出約16重量％至約18重量％的SiO2固體的高固體含量，且粘度為約4cP至約20cP，同時所述膠態二氧化矽溶膠仍保持高表面積和增強的穩定性而不用例如鋁來改性表面。此外，本發明的膠體溶膠通過新的半間歇法製備，所述新方法不同於例如美國專利5,368,883、6,372,806和6,372,089中所述的常規二氧化矽溶膠法。此外，本發明的膠態二氧化矽溶膠在許多造紙配料中有利地表現出優良的活性。本發明的二氧化矽溶膠尤其可在造紙工業等領域中用作例如保留和脫水助劑。

至少一個實施方案為膠態二氧化矽溶膠的穩定組合物，其SiO2固體濃度為約16重量％至約18重量％且具有約4cps至20cps的低粘度，其不是根據以上提及專利的教導完成的。特別地，所述溶膠可排除鋁的存在而仍具有與美國專利5,368,833中所述的那些溶膠一樣高的或比其更高的表面積，並且/或與美國專利5,368,833中所述的那些溶膠一樣穩定或比其更穩定。

至少一個實施方案涉及含水膠態二氧化矽產品。所述含水膠態二氧化 矽產品包含水和16重量％至18重量％的膠態二氧化矽固體。所述含水膠態二氧化矽產品的粘度為約4cps至約20cps，且S值為26％至40％。所述膠態二氧化矽固體的比表面積為700m2/g至850m2/g。

至少一個實施方案涉及生產含水膠態二氧化矽產品的方法。所述方法包括，首先，向反應容器裝入陽離子交換樹脂(其具有至少40％，優選至少50％的其氫形式的離子交換容量)，其中反應容器具有例如在該反應容器底部附近的篩，用於使在過程期間形成的膠態二氧化矽與離子交換樹脂分離。第二，向反應容器裝入水並攪拌反應容器的內容物。第三，調節所述反應容器的內容物的溫度至70華氏度至200華氏度，優選100華氏度至160華氏度。第四，在攪動下向所述水和陽離子交換樹脂中添加第一量的鹼金屬矽酸鹽，從而形成包含第一部分的含水膠態二氧化矽產品的第一中間體組合物。第五，在0至90分鐘之後，在攪動下向所述第一中間體組合物中添加第二量的鹼金屬矽酸鹽，從而形成包含第二部分的含水膠態二氧化矽產品的第二中間體組合物。在約0分鐘至24小時之後，使第一部分和第二部分的含水膠態二氧化矽產品從第二中間體組合物中分離，從而產生含水膠態二氧化矽產品。鹼金屬矽酸鹽的第一量和第二量構成總量，其中第一量為總量的60重量％至95重量％。第一中間體組合物的溫度為70華氏度至200華氏度，且pH為8至14。以足以允許第一添加持續1至45分鐘的第一速率添加第一量的鹼金屬矽酸鹽。第二中間體組合物的溫度為70華氏度至200華氏度，且pH為9至11。以足以允許第二添加持續5至120分鐘的第二速率添加第二量的鹼金屬矽酸鹽。

至少一個實施方案涉及製造纖維素板的方法。該方法包括製備包含0.01重量％至1.5重量％的纖維素纖維的纖維素配料。向纖維素配料中添加一定量的如第一示例性實施方案中所述的含水膠態二氧化矽產品。含水膠態二氧化矽產品的量足以使纖維素配料中膠態二氧化矽固體的濃度達到按纖維乾重計為約0.00005重量％至約1.5重量％。向纖維素配料中添加一定量的水溶性聚合物絮凝劑。水溶性聚合物絮凝劑的量足以使纖維素配料中水溶性聚合物絮凝劑的濃度達到按纖維乾重計為約0.001重量％至約5重量％。所述水溶性聚合物絮凝劑的分子量為500,000至30,000,000道爾頓。然後使纖維素配料脫水以獲得纖維素板。

至少一個實施方案涉及具有某些化學和物理特性的含水膠態二氧化矽產品。雖然本領域的技術人員將容易地認識到第二示例性實施方案的方法可用於生產第一示例性實施方案，但是第一示例性實施方案不應解釋為 局限於第二示例性實施方案的方法。換言之，可通過與第二實施方案的那些不同的方法生產含水膠態二氧化矽產品。

在至少一個實施方案中，含水膠態二氧化矽產品以以下濃度包含膠態二氧化矽固體：含水膠態二氧化矽產品的16重量％至18重量％，或16重量％至17重量％，或17重量％至18重量％。在某些示例性實施方案中，含水膠態二氧化矽產品以以下濃度包含膠態二氧化矽固體：至少16重量％，或至少16.2重量％，或至少16.5重量％，或至少16.6重量％，或至少16.7重量％，或至少16.8重量％，或至少16.9重量％，或至少17重量％，多至18重量％。

含水膠態二氧化矽產品的粘度是可以對含水膠態二氧化矽產品的製造者和使用者來說重要的參數。含水膠態二氧化矽產品需要相對容易地流動通過陽離子樹脂床和管以便可用於製造工藝。根據本公開內容的第一示例性實施方案，含水膠態二氧化矽產品的粘度為約4cps至約20cps。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品的粘度為至少約4cps，且高至20cps，或高至18cps，或高至15cps，或高至12cps，或高至10cps，或高至8cps。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品的粘度為4cps至18cps，或4cps至15cps，或4cps至10cps。

含水膠態二氧化矽產品的S值是可被監測並報告給含水膠態二氧化矽產品的使用者的另一個參數。S值是膠體材料微聚集程度的量化。可以在Ralph K.Iler的The Chemistry of Silica：Solubility，Polymerization，Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica，John Wiley and Sons，Inc.，(1979)中發現S值的準確定義。根據本公開內容的第一示例性實施方案，含水膠態二氧化矽產品的S值為26％至40％。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品的S值為至少26％，或至少27％，或至少28％，或至少29％，且高至40％，或高至39％，或高至38％，或高至37％，或高至36％，或高至35％，或高至34％，或高至33％，或高至32％，或高至31％，或高至30％。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品的S值為28％至40％，或29％至39％。

含水膠態二氧化矽產品中膠態二氧化矽固體的比表面積是可被監測並報告給含水膠態二氧化矽產品的使用者的參數。比表面積以物質按重量或質量計的面積(例如，m2/g)為單位報告。本公開內容的第一示例性實施方案包含比表面積為700m2/g至850m2/g的膠態二氧化矽固體。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品包含比表面積為至少700m2/g，或 至少750m2/g，或至少800m2/g，且高至850m2/g的膠態二氧化矽固體。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品的膠態二氧化矽固體的比表面積為750m2/g至850m2/g，或800m2/g至850m2/g。

可認為含水膠態二氧化矽產品至少30天是穩定的。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品至少60天，或至少90天，或至少120天，或至少180天是穩定的，並且在某些實施方案中，多至360天或更久是穩定的。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品30天至360天，或60天至360天，或90天至360天，或120天至360天，或180天至360天是穩定的。所謂「穩定的」，其意指含水膠態二氧化矽產品保持其與膠態二氧化矽固體的重量百分數、粘度、S值和比表面積中的一者或更多者相關的物理和化學特性至少在本文所限定的最寬泛水平，即使在不再攪動含水膠態二氧化矽產品的情況下也是如此。換言之，含水膠態二氧化矽產品基本上不會劣化或失去其用於製造工藝(如造紙工藝)的能力。

有時向含水膠態二氧化矽產品中添加鋁或含鋁化合物以處理膠態二氧化矽固體的表面積，從而使含水膠態二氧化矽產品穩定。本文公開的含水膠態二氧化矽產品的實施方案一般不含鋁並且不需要經鋁或含鋁化合物處理來保持其穩定性。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品不含鋁並且至少30天，或至少60天，或至少90天，或至少120天，或至少180天，且多至360天是穩定的。在某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品30天至360天，或60天至360天，或90天至360天，或120天至360天，或180天至360天是穩定的。術語「不含鋁」指含水膠態二氧化矽產品包含不多於痕量的鋁或鋁化合物，例如，少於500ppm的鋁。

在含水膠態二氧化矽產品的某些實施方案中，含水膠態二氧化矽產品還包含鹼金屬或含鹼金屬化合物。鹼金屬或含鹼金屬化合物可為鹼金屬離子、鹼金屬氧化物、鹼金屬矽酸鹽、鹼金屬鹽的形式，或本領域技術人員已知的另外的形式。如本文所述，用於製造含水膠態二氧化矽產品的某些實施方案的合適的含鹼金屬化合物是鹼金屬矽酸鹽。可存在於含水膠態二氧化矽產品中的鹼金屬的示例性實施方案包括鈉、鉀、鋰及其組合。含水膠態二氧化矽產品的某些實施方案還包含含鈉化合物。

在還包含鹼金屬或含鹼金屬化合物的含水膠態二氧化矽產品的實施方案中，鹼金屬或含鹼金屬化合物可以以足以提供以下二氧化矽與鹼金屬的摩爾比的量存在於含水膠態二氧化矽產品中：即，5∶1至50∶1，或5∶1至30∶1，或5∶1至25∶1，或5∶1至20∶1，或5∶1至15∶1。在某些實施方案 中，含水膠態二氧化矽產品的SiO2與鹼金屬的摩爾比為至少8∶1且高至50∶1，或高至30∶1，或高至25∶1，或高至20∶1，或高至15∶1。

含水膠態二氧化矽產品的某些實施方案的pH為9至11。含水膠態二氧化矽產品的pH還可為10至11。

至少一個實施方案涉及生產含水膠態二氧化矽產品的方法。在一個實施方案中，可使用上述方法的任一種來生產本公開內容的第一示例性實施方案的含水膠態二氧化矽產品。然而，不限於上述方法，只要生產上述含水膠態二氧化矽產品即可。此外，因為以兩步來進行鹼金屬矽酸鹽的添加，所以生產含水膠態二氧化矽產品的方法可描述為與「間歇」相對的「半間歇」。

在至少一個實施方案中，在攪動下且在70華氏度至200華氏度的溫度下向水和部分地再生的陽離子交換樹脂中添加第一量的鹼金屬矽酸鹽，從而形成包含第一部分的含水膠態二氧化矽產品的第一中間體組合物。第一中間體組合物的pH為8至14，或8至12，或9至11，並且在某些情況下，其pH為至少8，或至少9，或至少10，且高至14，或高至13，或高至12，或高至11。以足以允許所述添加持續以下時長的速率向水和陽離子交換樹脂中添加第一量的鹼金屬矽酸鹽：1至45分鐘，或2至30分鐘，並且在某些實施方案中，至少1分鐘，或至少2分鐘，且長至45分鐘，或長至30分鐘，或長至20分鐘，或長至10分鐘。

在添加第一量的鹼金屬矽酸鹽之後，在攪動下且在70華氏度至200華氏度的溫度下向第一中間體組合物中添加第二量的鹼金屬矽酸鹽，從而形成包含第二部分的含水膠態二氧化矽產品的第二中間體組合物。可在剛完成第一量的鹼金屬矽酸鹽的添加之後(例如，0分鐘)，直至第一量添加之後的90分鐘內的任意時間添加第二量。第二中間體組合物的pH為8至11，或9至11。以足以允許所述添加持續以下時長的第二速率添加第二量的鹼金屬矽酸鹽：5至120分鐘，或10至60分鐘，並且在某些實施方案中，至少5分鐘，或至少10分鐘，或至少15分鐘，長至120分鐘，或長至90分鐘，或長至60分鐘，或長至45分鐘，或長至30分鐘。

在生產含水膠態二氧化矽產品的方法的某些實施方案中，允許攪動第二中間體組合物0分鐘至24小時，並且在某些實施方案中，至少0分鐘，或至少15分鐘，或至少30分鐘，長至24小時，或長至18小時，或長至12小時，或長至6小時，或長至3小時，或長至2小時。在生產含水膠態二氧化矽產品的方法的某些實施方案中，可以以本領域技術人員已知的 任一種或多種方式攪動第一或第二中間體組合物或二者，包括但不限於葉輪或槳式混合、再循環、空氣噴射、振蕩、搖晃容器，及其組合。

在攪動0分鐘至24小時之後，使第一部分和第二部分的含水膠態二氧化矽產品從第二中間體組合物中分離，從而產生含水膠態二氧化矽產品。在某些實施方案中，使用過濾進行從第二中間體組合物中分離含水膠態二氧化矽產品。

在至少一個實施方案中，使用另一種類型的構造並布置成從液體載體介質中移出懸浮材料的液/固分離裝置進行過濾。這可通過任意過濾裝置完成，例如篩、割縫篩管(slotted pipe)/穿孔管、膜或類似的粗濾裝置、或其組合。代表性實例包括但不限於砂濾器、濾紙、膜濾器、RO、NF、UF、MF、浸入式過濾器、壓濾器、(離心機、旋流器、水力旋流器、靜電除塵器、重力分離器、除霧器、篩選器、疏水器、吸收器、吸附器、生物過濾器、結晶器、減溼器、蒸餾柱、乾燥機、蒸發器、萃取器、增溼器、離子交換柱、剝離器)、及其任意組合。在至少一個實施方案中，過濾器包括公開於以下論文中的一種或更多種過濾技術：WJ Koros等的Terminology for Membranes and Membrane Processes，Journal of Membrane Science，第120卷，第149至159頁(1996)。在至少一個實施方案中，過濾器包括以下網站中描述的任一種或更多種化學分離方法：http：//encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/SepaSeparationsChem.html(如2013年10月17日所訪問)和域以下網站中描述的任一種或更多種機械方法：http：//encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsMechanical/SeSeparationsMechanic.html(如2013年10月17日所訪問)。膜濾器可由聚合物材料、陶瓷材料、鋼材料或玻璃材料製成。

根據一個實施方案，在生產例如含水膠態二氧化矽產品的方法中，鹼金屬矽酸鹽的第一量和第二量構成總量，其中第一量為總量的60重量％至95重量％，或65重量％至90重量％，或70重量％至80重量％，並且在某些實施方案中，為總量的至少60重量％，或至少65重量％，或至少70重量％，多至95重量％，或多至90重量％，或多至85重量％，或多至80重量％，或多至75重量％。

一般地，在第二示例性實施方案的方法中添加的鹼金屬矽酸鹽(其第一量和第二量二者)選自矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鋰及其組合。在某些實施方案中，鹼金屬矽酸鹽為矽酸鈉。雖然第一量和第二量的鹼金屬矽酸鹽通 常為相同的組合物(例如，通常具有相同的化學組成、相同的物理特性、相同的雜質等)，但是理論上第一量和第二量可以是具有不同物理或化學特性的組合物。例如，第一量為矽酸鈉而第二量為矽酸鉀。在某些實施方案中，第一量和第二量的鹼金屬矽酸鹽為相同的組合物。例如，第一量為矽酸鈉且第二量為相同類型的矽酸鈉。

雖然起始成分(即，鹼金屬矽酸鹽、陽離子交換樹脂、水等)的品質可在含水膠態二氧化矽產品中提供一些變化，但是所述方法出乎意料地生產了具有對造紙工業特別有益的特性的含水膠態二氧化矽產品(例如，作為保留和脫水助劑)。鹼金屬矽酸鹽可以是任意數量的常規材料，如水玻璃。在鹼金屬矽酸鹽中，SiO2與Na2O、或K2O、或Li2O、或Na2O、Na2O和Li2O之組合的摩爾比可以為15∶1至1∶1，並且優選為2.5∶1至3.9∶1。這樣的鹼金屬矽酸鹽溶液的pH通常將超過10，通常為至少11。這樣的鹼金屬可包含雜質，包括但不限於鋁、鐵、鈣、鎂、氯和硫酸根離子。所述鹼金屬矽酸鹽中包含的固體以SiO2計可以為約15重量％至40重量％。

用於生產含水膠態二氧化矽產品的水沒有特別限制，並且可以是任意合理的軟淡水(即，不是滷水且電導率小於2000μS/cm)。在某些實施方案中，水是自來水、井水、蒸餾水、去離子水或純淨水、或其任意組合。

用於第二示例性實施方案的方法中的陽離子交換樹脂沒有特別限制。在某些實施方案中，陽離子交換樹脂優選為弱酸陽離子樹脂，包括但不限於IRC84SP。

在某些實施方案中，可在再生之後再次使用來自之前的生產步驟的陽離子交換樹脂。可使用有機或無機酸使陽離子交換樹脂再生。可用於使陽離子交換樹脂再生的酸的示例性實施方案包括但不限於以下：硫酸、鹽酸、磷酸或這樣的材料如二氧化碳、及其組合。合適的有機酸的實例包括但不限於：乙酸、甲酸和丙酸。在某些實施方案中，無機鹽和有機鹽可用作弱酸以使樹脂再生或者用於降低膠態二氧化矽產品的粘度。合適的鹽的實例包括但不限於：硫酸鈉、乙酸鈉、硫酸鉀、乙酸鉀、磷酸三鈉和磷酸一氫鈉。

雖然陽離子交換樹脂具有沒有特別限制的氫形式的離子交換容量，但是在某些實施方案中，陽離子交換樹脂的氫形式的離子交換容量為40％至100％，或50％至100％，或60％至100％，並且在某些實施方案中為至少40％，或至少50％，或至少60％。

出人意料地，根據第二實施方案的方法顯示出能夠生產如下的含水膠態二氧化矽產品：具有16重量％至18重量％的膠態二氧化矽固體，粘度為4cps至20cps，S值為26％至40％，並且其中膠態二氧化矽固體的比表面積為700m2/g至850m2/g，全都未使用矽酸或超濾。

在第二示例性實施方案的某些實施方案中，上述第一或第二中間體組合物、含水膠態二氧化矽產品中的任一者或全部的pH為8至11，並且所述pH還可為9至11。

在第二示例性實施方案的某些實施方案中，第一和第二中間體組合物的溫度為100華氏度至160華氏度。

在第二示例性實施方案的某些實施方案中，添加鹼金屬矽酸鹽的第一速率足以允許添加第一量的鹼金屬矽酸鹽持續1至45分鐘。在第二示例性實施方案的某些實施方案中，添加鹼金屬矽酸鹽的第二速率足以允許添加第二量的鹼金屬矽酸鹽持續5至120分鐘。

本文所述的含水膠態二氧化矽產品可用於若干製造工藝中的任一個或更多個，包括但不限於以下：造紙工藝，例如保留和排水、漿料脫水；水處理和廢水處理工藝，例如汙泥脫水、含水礦物漿料的淨化和脫水、煉廠破乳等；食品和飲料工藝，例如啤酒、葡萄酒、果汁和糖的淨化。本文所述的含水膠態二氧化矽產品特別適用於造紙工藝。

可根據如Gary A.Smook的Handbook for Pulp and Paper Technologists，Angus Wilde Publicatiosn Inc.，(2001)中描述的使用膠態二氧化矽的方法和工藝中的任一者、一些或全部來使用所述方法。此外，可在造紙工藝的溼端向纖維素配料中添加含水膠態二氧化矽產品，從而提高纖維素配料中填料(「灰分」)的保留，並因此提高纖維素板中填料(「灰分」)的保留，同時還有助於從纖維素配料排出水。

本公開內容的至少一個實施方案涉及製造纖維素板的方法。該方法包括製備基於纖維素配料的總重量包含0.01重量％至1.5重量％的纖維素纖維的纖維素配料(即，包含水)。向纖維素配料中添加一定量的本文所述的含水膠態二氧化矽產品和一定量的水溶性聚合物絮凝劑。添加到纖維素配料中的含水膠態二氧化矽產品的量足以使纖維素配料中膠態二氧化矽固體的濃度達到按纖維乾重計為約0.00005重量％至約1.5重量％。換言之，對於纖維素配料中每100磅纖維(乾重)，將存在0.00005磅至1.5磅的膠態二氧化矽固體。添加到纖維素配料中的水溶性聚合物絮凝劑的量足 以使纖維素配料中水溶性聚合物絮凝劑的濃度達到按纖維乾重計為約0.001重量％至約5重量％。所述水溶性聚合物絮凝劑的分子量為500,000至30,000,000道爾頓。然後以本領域技術人員已知的方式使纖維素配料脫水從而獲得纖維素板。或者，可替代合成聚合物絮凝劑或除合成聚合物絮凝劑之外以基於配料中纖維乾重的約0.005重量％至約5.0重量％的量向所述配料中添加陽離子澱粉。更優選地，以基於配料中纖維乾重的約0.5重量％至約1.5重量％的量添加所述澱粉。在又一個實施方案中，可替代所述絮凝劑和/或所述澱粉，或者除了所述絮凝劑和/或所述澱粉之外，以基於造紙配料中纖維乾重的約0.005重量％至約1.25重量％的量向所述配料中添加促凝劑。優選地，以基於配料中纖維乾重的約0.025重量％至約0.5重量％的量添加促凝劑。

在製造纖維素板的方法的某些實施方案中，向纖維素配料中添加含水膠態二氧化矽產品。

適用於根據第三示例性實施方案的某些實施方案的水溶性聚合物絮凝劑的非限制性實例包括：陽離子、陰離子、兩性和兩性離子聚合物。陽離子水溶性聚合物絮凝劑的實例包括：陽離子化澱粉以及包含以下單體的均聚物和共聚物：二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯(「DMAEM」)、二甲基氨基乙基丙烯酸酯(「DMAEA」)、二乙基氨基乙基丙烯酸酯(「DEAEA」)、二乙基氨基乙基甲基丙烯酸酯(「DEAEM」)、或用硫酸二甲酯或氯甲烷形成的其季銨形式；曼尼希反應改性的聚丙烯醯胺；二烯丙基環己胺鹽酸鹽(「DACHA鹽酸」)；二烯丙基二甲基氯化銨(「DADMAC」)；甲基丙烯醯胺基丙基三甲基氯化銨(「MAPTAC」)；和烯丙基胺。

在某些實施方案中，添加到纖維素配料中的含水膠態二氧化矽產品的量足以使膠態二氧化矽固體的濃度達到纖維素配料中按纖維乾重計為0.00005重量％至1.5重量％，或0.0005重量％至1重量％，或0.005重量％至0.05重量％，並且在某些實施方案中，在纖維素配料中達到按纖維乾重計為至少0.00005重量％，或至少0.0005重量％，或至少0.005重量％，或至少0.05重量％，多至0.5重量％，或多至1重量％，或多至1.5重量％。

當對纖維素配料中、進而纖維素板中的填料留著率進行測定時，首程灰分留著率(「first pass ash retention」或「FPAR」)是對造紙者來說重要的參數。添加到纖維素配料中的含水膠態二氧化矽產品使首程灰分留著率增大，而不會不利地影響從纖維素配料中排出水。實際上，已經發現本公 開內容的含水膠態二氧化矽產品有助於從纖維素配料中排出水。

此外，首程灰分留著率可用於計算首程灰分留著率替代比，其為當使用本公開內容的含水膠態二氧化矽產品時與當使用採用本領域已知的間歇法(如美國專利6,372,089和6,372,806)生產的含水膠態二氧化矽產品時相比，達到等同的首程灰分留著率所需微粒劑量的量之比。首程灰分留著率替代比示於以下方程式1：

如可以從方程式1推導且如圖1所示，當FPAR替代比小於1時，示出了改善的首程灰分留著率。對於使用「間歇」的含水膠態二氧化矽產品並達到90％的首程灰分留著率的纖維素板來說，基於幹纖維素纖維，達到90％FPAR所需的微粒劑量為每噸纖維素配料約1.6磅微粒。在某些實施方案中，以按纖維乾重計相同的膠態二氧化矽固體量併入有本公開內容的含水膠態二氧化矽產品的纖維素板顯示能夠在纖維素配料中每噸纖維乾重約0.9磅至約1.2磅的微粒下達到90％的FPAR。因此，在某些實施方案中，併入有本發明的含水膠態二氧化矽產品的纖維素板的FPAR替代比為約0.5至約0.8。

實施例

參照以下實施例可更好地理解前述內容，示出以下實施例是為了舉例說明的目的，而不旨在限制本發明的範圍。特別地，所述實施例示出了本發明固有原理的代表性實例，並且這些原理不嚴格地限於這些實施例中所述的具體條件。因此，應理解，本發明涵蓋本文所述實施例的各種變化和修改，並且這樣的變化和修改可以在不背離本發明的精神和範圍並且不減少其預期優點的情況下做出。因此，這樣的變化和修改旨在包括在所附權利要求的範圍內。

實施例1：

製備本發明的膠態二氧化矽溶膠。使用如下所述的實驗室規模的半間歇工序製備本發明的含水膠態二氧化矽產品(表1中的樣品7至15)。向反應容器中裝入600mL呈其鈉形式的IRC84SP離子交換樹 脂(可得自於Dow)。按照製造商的用於使樹脂再生為氫形式的工序使得再生完成至少40％。用水將樹脂衝洗乾淨並排出水。向容器中裝入190克至380克水並開始混合容器的內容物以使樹脂懸浮。接下來，將反應器的內容物加熱至100華氏度至160華氏度。向反應容器中(經約2至20分鐘的時間)裝入186克至505克矽酸鈉(SiO2與Na2O的摩爾比為3.26且pH為11.2)。在1分鐘至45分鐘之後，向反應容器中(經約5至30分鐘的時間)裝入13克至160克矽酸鈉。將反應容器中的內容物再攪拌10至108分鐘。然後，從反應容器中移出內容物並通過濾袋使膠態二氧化矽產品與離子交換樹脂分離。

使用常規間歇法製備膠態二氧化矽溶膠。對於使用間歇法產生的比較樣品(樣品1至6)，向反應容器中裝入600mL呈其鈉形式的IRC84SP離子交換樹脂(可得自於Dow)。按照製造商的用於使樹脂再生為氫形式的工序使得所述再生完成至少40％。用水將樹脂衝洗乾淨並排出水。向容器中裝入190克至380克水並開始混合容器的內容物以使樹脂懸浮。接下來，將反應器的內容物加熱至100華氏度至160華氏度。向反應容器中(經約2至20分鐘的時間)裝入266克至532克矽酸鈉(SiO2與Na2O的摩爾比為3.26且pH為11.2)。將反應容器中的內容物再攪拌10至180分鐘。然後，從反應容器中移出內容物並通過濾袋使膠態二氧化矽產品與離子交換樹脂分離。

表1.通過間歇法(樣品1至6)或本發明的半間歇法(樣品7至15)製備的實驗室規模樣品

如可從表1看到的，通過常規間歇法製備的獲得至少16％膠態二氧化矽固體的樣品(例如，樣品1至6)都不能滿足關於粘度所要求的上限。然而，使用本文所述的半間歇法製備的樣品7至15全部出乎意料地獲得了16重量％至18重量％的膠態二氧化矽固體，同時滿足了對粘度(4cP至20cP)、S值(26％至35％)和膠態二氧化矽固體的比表面積(700m2/g至850m2/g)所陳述的要求限制。

實施例2：

對於實施例2，使用以下中試規模的半間歇工序製備本發明的含水膠態二氧化矽產品(表2中的樣品16至29)。向反應容器中裝入185加侖的呈其鈉形式的IRC84SP離子交換樹脂(可得自於Dow)。按照製造商的用於使樹脂再生為氫形式的工序使得所述再生完成至少40％。用水將樹脂衝洗乾淨並排出水。向容器中裝入683磅至1158磅的水並開始混合容器的內容物以使樹脂懸浮。接下來，將反應器的內容物加熱至100華氏度至160華氏度。向反應容器中(經約2至20分鐘的時間)裝入574磅至1320磅的矽酸鈉(SiO2與Na2O的摩爾比為3.26且pH為11.2)。在1至45分鐘之後，向反應容器中(經約5至30分鐘的時間)裝入41磅至417磅的矽酸鈉。將反應容器中的內容物再攪拌10至180分鐘。然後，通過篩從反應容器底部移出內容物。

表2：通過本發明的半間歇法製備的中試規模樣品

如可從表2中看到的，每個中試規模樣品都達到了所要求的參數，即使在高達約18％的膠態二氧化矽固體的情況下亦如此(樣品16)。

實施例3：

將對照樣品和實施例2的樣品17至19用於關於各自的首程灰分留著率的比較實驗。將各樣品投入到纖維素配料中。

如可以看到的，與對照樣品相比，對於樣品17至19中的每一種，使用約0.5至0.8的這麼多的微粒劑量(FPAR替代比)就可以達到90％的首程灰分留著率。這些結果圖示於圖1中。

如可以看到的，與對照樣品相比，使用本發明的生產方法製備的本發明的含水膠態二氧化矽產品提供了更優的結果。

就說明書或權利要求書中使用術語「包括」來說，其旨在以類似於術語「包含」的方式(如該術語在用作權利要求中的過渡詞時被解讀的方式)為包含性的。此外，就使用術語「或」(例如，A或B)來說，其旨在意味著「A或B，或者A和B兩者」。當申請人旨在表示「僅A或B，但不是兩者」時，那麼將採用術語「僅A或B，但不是兩者」。因此，本文中術語「或」的使用是包含性的，而不是排他性使用。此外，就說明書或權利要求書使用術語「在...中」或「至...中」來說，其旨在另外表示「在...上」或「至...上」。

已經至少部分地通過描述其多個示例性實施方案示出了總發明構思。 雖然已經相當詳細地描述了這些示例性實施方案，但是申請人無意將所附權利要求書的範圍約束或者以任何方式限於這些細節。此外，多種發明構思可以彼此組合使用(例如，第一、第二、第三、第四等示例性實施方案中的一個或更多個可以彼此組合使用)。另外，關於特定公開的實施方案所列舉的任何特定要素應當被理解為可與所有公開的實施方案一起使用，除非特定要素的併入將與實施方案的明確方面相矛盾。另外的優點和修改對於本領域技術人員將是易於明顯的。因此，本公開內容在其更廣泛的方面不限於其中所呈現的具體細節、所示出並描述的代表性裝置或說明性實例。因此，在不偏離總發明構思的精神或範圍的情況下，可以偏離這些細節。

本文中提到的所有專利、專利申請、科技論文和任何其他參考資料都通過引用整體併入本文。此外，本發明涵蓋本文中提及的、本文中所述的和/或本文中併入的多個實施方案的一些或所有的任意可能組合。此外，本發明涵蓋還具體地排除本文中提及的、本文中所述的和/或本文中併入的多個實施方案的任一個或一些的任意可能組合。