專利名稱：用于助留劑系統(tǒng)的合成礦物微粒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成礦物。更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)合成微粒的方法及用這樣的微粒提高所制得的紙制品的質(zhì)量。甚至更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及尤其適用于造紙方法中的合成微粒，在這些造紙方法中留著、排水和紙張組織很重要。
造紙者一直探索進(jìn)一步改善留著系統(tǒng)使最終紙制品中填料和漿粕細(xì)骨料的留著率達(dá)到最大的能力。在過(guò)去的幾年里，為滿足這種需要已研制出無(wú)機(jī)微粒助留劑系統(tǒng)。微粒留著系統(tǒng)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中包括比造紙機(jī)的紙頁(yè)成形部有更高的留著水平、改善的紙張組織和更好的排水。這些優(yōu)點(diǎn)使造紙者能制造高質(zhì)量的有附加值的產(chǎn)品，能在更高效率水平上操作造紙方法，并能通過(guò)操作更干凈的工作場(chǎng)所而改善環(huán)境條件。更干凈的工作環(huán)境、現(xiàn)高的機(jī)器速度和更好質(zhì)量的紙張組織使造紙者有可能節(jié)約可計(jì)成本。
對(duì)于造紙者雖然現(xiàn)有幾種微粒系統(tǒng)可資利用，但在商業(yè)上基本上取得成功并現(xiàn)被廣泛使用的只有兩個(gè)系統(tǒng)，包括膨潤(rùn)土基系統(tǒng)和硅膠基系統(tǒng)。膨潤(rùn)土是在世界各地的礦床層中發(fā)現(xiàn)的一種天然生成的粘土。膨潤(rùn)土主要由硅鋁酸鹽構(gòu)成，并含有少量的其它元素例如鈣、鎂和鐵。膨潤(rùn)土基系統(tǒng)尤其適用于磨木造紙系統(tǒng)。硅膠基系統(tǒng)是很小粒徑即1nm到2nm的微粒狀硅石的特殊形式。這些微粒互相連接成鏈或網(wǎng)絡(luò)形成稱為微膠(microcel)的三維結(jié)構(gòu)。硅膠系統(tǒng)尤其應(yīng)用于不含磨木漿的紙廠。硅膠與其它微粒相比價(jià)格昂貴，故它們?cè)谀ツ驹旒堉袥](méi)有得到廣泛的應(yīng)用。
已發(fā)現(xiàn)是新的且未被現(xiàn)有技術(shù)預(yù)計(jì)到的是一種人造膨潤(rùn)土型無(wú)機(jī)微粒的生產(chǎn)方法及把這樣的微粒進(jìn)一步用于那些留著、排水、紙張組織和節(jié)約可計(jì)成本的可能性很重要的造紙方法中。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種微粒助留劑系統(tǒng)，它能用于造紙方法中從而把填料和紙漿細(xì)骨料的留著率、排水及紙張組織達(dá)到最大。本發(fā)明的另一目的是提供一種與硅膠基系統(tǒng)相比能節(jié)約成本的人造膨潤(rùn)土型無(wú)機(jī)微粒。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種用于改善紙制品質(zhì)量的方法。
本發(fā)明的這些以及其它的目的通過(guò)下面所給的進(jìn)一步詳細(xì)介紹將很清楚。
國(guó)際公開(kāi)號(hào)WO 92/20862揭示的方法通過(guò)分別向造紙配料中加入一種陽(yáng)離子聚合物和一種無(wú)定形金屬硅酸鹽并使添加之間充分混合而改善紙和紙制品的生產(chǎn)。這些組分的添加次序不十分重要，然而最佳的添加次序是在最后的高剪切成分之前添加聚合物。接著在所得混合物送進(jìn)造紙機(jī)的網(wǎng)前箱之前加入無(wú)定形金屬硅酸鹽，而不使混合物經(jīng)受任何進(jìn)一步大的剪切。根據(jù)該發(fā)明的方法制造的產(chǎn)品適用于在用液體漿生產(chǎn)紙中提高留著率、排水、紙張組織。
U.S.Pat No.3,784,422揭示了在一種水介質(zhì)中硅酸鈉和硫酸鋁的反應(yīng)。對(duì)所得的沉淀接著進(jìn)行過(guò)濾、沖洗和干燥。根據(jù)該發(fā)明的方法制造的產(chǎn)品適用作顏料、濕度調(diào)節(jié)劑并尤其適用作橡膠補(bǔ)強(qiáng)材料和造紙中的填料。
U.S.Pat.No.4,213,874揭示了一種制造具有提高了的離子交換性的細(xì)分散、無(wú)定形、沉淀的堿金屬硅鋁酸鹽的方法。該發(fā)明的產(chǎn)品具有與已知的晶態(tài)沸石堿交換劑或吸收劑相等的堿或離子交換能力，它們適用于水軟化和洗滌添加劑。
已發(fā)現(xiàn)是新的且未被現(xiàn)有技術(shù)所預(yù)料到的是一種人造膨潤(rùn)土型無(wú)機(jī)微粒的生產(chǎn)方法及把這樣的微粒進(jìn)一步用于那些留著率、排水、紙張組織和節(jié)約可計(jì)成本的可能性很重要的造紙方法中。
根據(jù)本發(fā)明的用作造紙中的助留劑的合成微粒是硅鋁酸鹽、硅磷鋁酸鹽和硅硼鋁酸鹽。
硅鋁酸鹽是通過(guò)溶液沉淀法，利用一種硅酸鹽和一種鋁(III)的可溶性鹽而制備的。硅磷鋁酸鹽是通過(guò)溶液沉淀法，利用一種硅酸鹽、一種鋁(III)鹽和一種磷酸鹽的可溶性鹽而制備的。硅硼鋁酸鹽是通過(guò)溶液沉淀法，利用一種硅酸鹽、一種鋁(III)鹽和一種硼酸鹽的可溶性鹽而制備的。
制備本發(fā)明的合成微粒的優(yōu)選方法是利用強(qiáng)力攪拌，在室溫下把反應(yīng)物混在一起的溶液沉淀法。反應(yīng)物通常為從約1到約10重量百分比的水溶液。下面描述根據(jù)本發(fā)明所用的特定反應(yīng)物的優(yōu)選量。硅鋁酸鹽微粒根據(jù)本發(fā)明制備的硅鋁酸鹽微粒具有下述通式Mx/n+n[AlxSiyO2x+y]-x·zH2O式中該方法可得的x和y值為從x/y＝0.4到x/y＝0.7。根據(jù)所使用的具體的造紙配料不同，x/y的最佳值可以改變。硅磷鋁酸鹽微粒根據(jù)本發(fā)明制備的硅磷鋁酸鹽微粒具有下述通式MwAlxSiyPzO(1/2w+3/2x+2y+5/2z)式中M＝H，Li，Na，K先把磷酸鹽和硅酸鹽溶液混合在一起，然后再與硫酸鋁溶液混合以生成沉淀產(chǎn)物。在其中反應(yīng)物摩爾比為約0.70Al/0.62Si/0.36P時(shí)硅磷鋁酸鹽微粒為優(yōu)選，根據(jù)所使用的具體造紙配料不同，摩爾比可以改變。硅硼鋁酸鹽微粒根據(jù)本發(fā)明制備的硅硼鋁酸鹽微粒具有下述通式MwAlxSiyBzO(1/2y+3/2x+2y+3/2z)式中M＝H，Li，Na，K先把硼酸鹽和硅酸鹽溶液混合在一起，然后再與硫酸鋁溶液混合以生成沉淀產(chǎn)物。在其中反應(yīng)物摩爾比為約1.0Al/1.0Si/0.71B時(shí)，硅硼鋁酸鹽為優(yōu)選，根據(jù)所使用的具體造紙配料不同，摩爾比可以有所改變。
根據(jù)在Coulter N4粒度分析儀上的測(cè)量結(jié)果，本發(fā)明的合成礦物微粒產(chǎn)物的粒徑范圍為從約30到約3000納米，更典型地從約50到約500納米。本發(fā)明的干燥產(chǎn)物的比表面積(BET)范圍為從約50到500m2/g，更典型地為約100m2/g。根據(jù)在Coulter Delsa上的測(cè)量結(jié)果，本發(fā)明產(chǎn)物的顆粒電荷為從約-50到約0毫伏，更典型地從約-40到-20毫伏。
本發(fā)明的合成微粒在使用填料(包括但并不限于粘土和碳酸鈣)的化學(xué)和機(jī)械紙漿進(jìn)行的造紙中可以用作助留劑。本發(fā)明的產(chǎn)物比硅膠助留劑便宜，并能在造紙廠中現(xiàn)場(chǎng)制備。因而人們可以定做產(chǎn)品，即改變x和y值或x、y和z值以滿足造紙者的特殊需要。產(chǎn)物能以“沉淀態(tài)”使用而不需把沉淀產(chǎn)物與反應(yīng)溶液分離或進(jìn)行洗滌或干燥。
下述實(shí)施例是為了進(jìn)一步描述本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)懂得本發(fā)明并不局限于此。在所附權(quán)利要求書中對(duì)本發(fā)明的范圍有更準(zhǔn)確的定義。實(shí)施例I硅鋁酸鹽向裝備有磁力攪拌器的一只200ml燒杯中加入64ml的5重量百分比的Na2SiO3·5H2O水溶液。向攪拌過(guò)的硅酸鹽溶液快速加入50ml的5重量百分比的Al2(SO4)3·18H2O水溶液。兩個(gè)反應(yīng)物溫度都是室溫?；旌衔镌倭硗鈹嚢?分鐘后停止反應(yīng)。得到一種含有微粒的渾濁漿體，經(jīng)觀察為微細(xì)的白色沉淀。利用X射線熒光對(duì)所得的沉淀進(jìn)行化學(xué)分析表明產(chǎn)物為NaAlSi2O6。實(shí)施例II硅硼鋁酸鹽向裝備有磁力攪拌器的一只100ml燒杯中加入16ml的5重量百分比的Na2SiO3·5H2O水溶液。然后在攪拌上述溶液的同時(shí)加入27ml的5重量百分比的Na2B4O7·10H2O水溶液。攪拌1分鐘后，在快速攪拌下快速加入25ml 5重量百分比的Al2(SO4)3溶液?；旌衔镌倭硗鈹嚢?分鐘后停止反應(yīng)。得到一種含有微粒的渾濁漿體，經(jīng)觀察為微細(xì)的白色沉淀。利用X射線熒光對(duì)所得的沉淀進(jìn)行化學(xué)分析表明產(chǎn)物為Na6.5Al7Si6.6B4.8O34。實(shí)施例III硅磷鋁酸鹽向裝備有磁力攪拌器的150ml燒杯中加入30.1ml的2.23重量百分比的Na2SiO3·5H2O溶液。在攪拌上述溶液的同時(shí)加入20.9ml3.44重量百分比的Na3PO4·12H2O溶液。在攪拌1分鐘后快速加入29.9ml 7.07重量百分比的Al2(SO4)3·18H2O水溶液。漿液另外攪拌一分鐘后停止反應(yīng)。得到一種含有微粒的漿體，經(jīng)觀察為微細(xì)的白色沉淀。利用X射線熒光對(duì)所得的沉淀進(jìn)行化學(xué)分析表明產(chǎn)物為Na4Al7Si6.3P3.2O33。實(shí)施例IV用Allied Collid’s Hydrocol O型膨潤(rùn)土和/或Nalco’s 8671型硅膠作為對(duì)照，使用標(biāo)準(zhǔn)Britt Jar技術(shù)對(duì)實(shí)施例I、II和III的產(chǎn)物作為助留劑進(jìn)行評(píng)估。該過(guò)程中，在加有20％的填料、稠度為1％的500ml配料中投配淀粉(Stalok 400)或混凝劑(Percol 368)，必要時(shí)再投配一種聚合物絮凝劑(Percol 175或Nalco 7533)。然后在Britt容器中以2000rpm攪拌絮凝配料15秒以制得微絮凝物。然后在配料中加入5#/噸劑量的微粒并在1000rpm的速度下攪拌混合物。然后從Britt容器中排出溶液，收集頭100ml溶液并分析填料留著率。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)灰化法測(cè)定粘土填料留著率，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)EDTA滴定法測(cè)定碳酸鈣填料留著率。
表1微粒 Percol-175(5磅/噸)磅/噸 紙漿 填料留著百分率無(wú) 0.5牛皮漿碳酸鈣37實(shí)施例-I0.5牛皮漿碳酸鈣75Hydrocol O 0.5牛皮漿碳酸鈣72無(wú) 0.5牛皮漿碳酸鈣40實(shí)施例-II 0.5牛皮漿碳酸鈣79Hydrocol O 0.5牛皮漿碳酸鈣82無(wú) 1.0牛皮漿碳酸鈣54實(shí)施例-III1.0牛皮漿碳酸鈣72Hydrocol O1.0牛皮漿碳酸鈣77上表表明當(dāng)使用該具體配料時(shí)需改善留著率，以及實(shí)施例I、II和III中的本發(fā)明產(chǎn)物在與商業(yè)產(chǎn)品Hydrocol O基本上相同的程度上滿足了這種需要。實(shí)施例V硅鋁酸鹽向裝備有磁力攪拌器的一只200ml燒杯中加入50.0ml的5重量百分比的Na2SiO3·5H2O水溶液。向攪拌過(guò)的硅酸鹽溶液快速加入31.6ml 5重量百分比的Al2(SO4)3·18H2O溶液。兩個(gè)反應(yīng)物溫度都是室溫?；旌衔锪硗鈹嚢?分鐘后停止反應(yīng)。得到一種含有微粒的渾濁漿體，經(jīng)觀察為微細(xì)的白色沉淀。以實(shí)施例IV中所述同樣的方式對(duì)微粒作為助留劑進(jìn)行評(píng)估。
表2微粒 Percol-368 Percol-175留著(5磅/噸)磅/噸 磅/噸 紙漿填料百分率無(wú) 2 1牛皮漿 粘土37實(shí)施例V 2 1牛皮漿 粘土55Hydrocol O 2 1牛皮漿 粘土56Nalco-8671 2 1牛皮漿 粘土32無(wú) 3 2磨木漿 碳酸鈣 49實(shí)施例V 3 2磨木漿 碳酸鈣 72Hydrocol O 3 2磨木漿 碳酸鈣 74Nalco-8671 3 2磨木漿 碳酸鈣 60從上表中可見(jiàn)，對(duì)于相同的配料，本發(fā)明產(chǎn)物作為助留劑的效果基本上與Hydrocol O(天然膨潤(rùn)土)一樣好并且顯著好于Nalco-8671(硅膠)。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)合成礦物微粒的方法，包括在室溫?cái)嚢璧耐瑫r(shí)向一種硅酸鹽水溶液加入一種鋁(III)鹽溶液，其中鋁(III)鹽溶液的濃度為從約1重量百分比到約10重量百分比，且其中硅酸鹽水溶液的濃度為從約1重量百分比到約10重量百分比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中硅酸鹽溶液首先與從約1到約10重量百分比的磷酸鹽水溶液混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中硅酸鹽溶液首先與從約1到約10重量百分比的硼酸鹽水溶液混合。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1、2或3任一項(xiàng)的方法生產(chǎn)的合成礦物微粒。
5.一種造紙方法，包括在造紙機(jī)上利用纖維、填料和其它濕部添加劑以成形紙張，其特征在于使用合成礦物硅鋁酸鹽微粒作為助留劑。
6.一種造紙方法，包括在造紙機(jī)上利用纖維、填料和其它濕部添加劑以成形紙張，其特征在于使用根據(jù)權(quán)利要求1的方法制備的合成礦物硅鋁酸鹽微粒作為助留劑。
7.一種造紙方法，包括在造紙機(jī)上利用纖維、填料和其它濕部添加劑以成形紙張，其特征在于使用選自硅鋁酸鹽、硅硼鋁酸鹽和硅磷鋁酸鹽的合成礦物微粒作為助留劑。
8.一種含有選自硅鋁酸鹽、硅硼鋁酸鹽和硅磷鋁酸鹽的合成礦物微粒的紙張。
全文摘要
本發(fā)明中描述了一種新穎產(chǎn)物和制備人造膨潤(rùn)土型無(wú)機(jī)微粒的方法。根據(jù)本發(fā)明制備的合成微粒尤其適用于那些留著率、排水、紙張組織和節(jié)約可計(jì)成本的可能性很重要的造紙方法中。
文檔編號(hào)C01B35/12GK1155269SQ95194543
公開(kāi)日1997年7月23日 申請(qǐng)日期1995年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月10日
發(fā)明者D·K·德魯蒙德 申請(qǐng)人:礦業(yè)技術(shù)有限公司