CN1047102A - 制备高固体含量浆液的方法 - Google Patents

Abstract

将含有20％至50％(重量)的未经处理的，非凝聚的二氧化钛颜料的高分散性浆液在超大气压力下脱水，制得湿滤饼，上述浆液的pH值低于4.0或高于8.0，在该滤饼中加入分散剂使其再浆液化，从而制备一种固体含量为70％到80％(重量)的二氧化钛颜料浆液。这种高固体含量的浆液最好由金红石型二氧化钛颜料来制备。

Description

本发明涉及制备高固体含量颜料浆液的方法，特别是涉及制备用于造纸工业的高固体含量的二氧化钛颜料浆液的方法。

长期以来，造纸工业使用二氧化钛颜料来增强各种纸张产品的光学性能，如亮度和不透光性。传统上，最广泛应用的二氧化钛颜料是干磨的锐钛型二氧化钛，通常制成高固体含量的浆液。该颜料主要是由钛盐，如硫酸钛的水溶液经控制水解而制成的，经过过滤和洗涤，煅烧，并干燥该颜料使其全部形成锐钛型的晶形。为了用于造纸工业，再将煅烧的颜料进一步干磨以打碎过大的和结块的颗粒，然后将经煅烧及干磨过的颜料分散于水中，其加入量应足以形成固体含量为60%到80%（重量）的浆液。

金红石型二氧化钛颜料也被应用于造纸业，而且随着由上述所谓“硫酸盐法”生产的锐钛型二氧化钛颜料产量的减少使用金红石型二氧化钛颜料变得更加普遍了。通常，金红石型颜料是通过在气相中氧化四氯化钛来制备的。所得到的氧化产物是含有大量过大的，砂砾质的二氧化钛颗粒的粗的二氧化钛颜料。为使这些粗产品可以做为颜料使用，还要进行湿磨、水力分级、干燥，最终再经干磨以制得具有均匀晶体结构的颜料产品。当用于造纸时，将这种干燥并磨细的颜料产品分散于水中，加入量应足以形成固体含量范围与上述所披露的锐钛型颜料相同的浆液。

制备高固体含量浆液所用的二氧化钛颜料不论是经上述的硫酸盐法还是经氧化法制得的，这些浆液一般需由干燥的，精选的颜料制备，即，由那种经过干燥和干磨操作的颜料制备。美国专利No.3，758，322披露了一个不使用精选的成品颜料的例子。该专利描述了一种制备高固体含量浆液的方法，该方法用一种加工过程中的粗二氧化钛颜料的低固体含量的浆液，这种颜料只经过湿法研磨和除砂步骤（如分级）而无需其它。所述方法包括凝聚无砂质的、低固体含量的颜料浆液，在真空下使该凝聚的颜料浆液脱水，然后使脱水的颜料再浆化以形成固体含量不少于60%（重量）的浆液，尽管该方法由于省去了成本高且费时的二氧化钛研磨步骤而被认为更经济，但还有其自身的缺点。其中之一是增加了成本，这是指为利用常规真空过滤技术进行过滤而凝聚该颜料所造成的时间及材料的消耗。另一缺点是产率较低，这是由于要生产用于制备最终浆液的高固体含量的滤饼所需的脱水周期较长而造成的。

下面披露的本发明省去了生产用于制备最终浆液的高固体含量的滤饼所需的凝聚步骤并缩补了脱水周期，从而克服了上述缺点。

本发明提供了一种以经济有效的方式生产未经处理的、非凝聚的金红石二氧化钛颜料的高固体含量浆液的方法。概括说来，构成本发明的方法包括以下步骤：1.制备含有水、第一分散剂和未经处理的、非凝聚的二氧化钛颜料的水溶浆;2.将步骤1中的水溶浆在高压下脱水以形成一含有未经处理的、非凝聚的颜料的湿滤饼;且3通过加入第二分散剂使步骤2中的湿滤饼再浆液化，得到以固体含量不少于70%（重量）为特征的颜料浆液。

本发明提供了一种用于造纸工业和涂料生产的高固体含量的颜料浆液的制备方法，更广义上说，本发明提供了一种制备高固体含量的二氧化钛颜料浆液，特别是未经处理的、非凝聚的二氧化钛颜料浆液的方法。贯穿本文始终及权利要求中所使用的“未经处理的”一词是指那些未覆盖任何水合金属氧化物，如氧化硅、氧化钛、氧化铝及同类物的表面层的二氧化钛颜料颗粒。

本发明的方法可应用的未经处理的、非凝聚的二氧化钛颜料包括任何二氧化钛颜料，不论是锐钛型，金红石型还是它们的混合物，也不论它们是以何种方法，例如是上述提到的硫酸盐法还是气相氧化法生产的。在一优选的实施例中，本发明的方法详述了用由气相氧化四氯化钛制得的未经处理的，非凝聚金红石型二氧化钛颜料来制备高固体含量的浆液的方法。

根据本发明，将用于制备高固体含量颜料浆液的未经处理的、非凝聚的二氧化钛颜料，进行湿磨，随后进行水力分级以制得粒子大小基本上均匀的颜料。总之，这是通过首先将原始的未经处理的二氧化钛颜料分散在水中形成原始颜料浆液而实现的，这些颜料含有大量过大的，凝聚的颜料颗粒，当其一离开煅烧器或氧化器后就被分散于水中，形成原始颜料浆液。特别是，分散于水中的未经处理的颜料的量要足以形成含颜料重量为约20%到约50%的原始颜料浆液。

一旦制成原始浆液，就将它进行湿磨并进行水力分级，以打碎其中过大的凝聚颜料颗粒使其分散，形成含有均一颗粒大小的颜料浆液。浆液的湿磨可由迄今为止本领域普通技术人员所应用的任何已知方法来完成。用于打碎凝聚颜料颗粒的一个特别有用的方法是砂磨，该操作在皮尔著的《化学工程手册》，第四版（1963）第8节，第41页中有全面的描述。水力分级也可应用已知的和常规的方法和技术，例如水力旋流器来实现。美国专利3，130，157举出了一个水力旋流器的例子及它的应用。

为使在上述湿法研磨和水力分级的浆液中的未经处理的颜料维持在高度分散的状态，保证后续的加压过滤浆液成功。通常要在浆液中加入第一分散剂，该分散剂可在原始浆液的湿磨及水力分级以前加入，也可在其后加入。概括说来，用来作为第一分散剂的分散剂物质可以包括任何已知的碱金属磷酸盐化合物，如六甲基磷酸钠，钠和钾的多聚磷酸盐，焦磷酸钠，及同类物。作为第一分散剂加入到原浆液中这类分散剂物质的量大体上为原始浆液重量的0.01%到2.0%。通常分散剂物质的加入量最好是从约0.1%到1.0%（重量）。

除了加入上述分散剂以外，为使浆液的PH值保持在4.0以下，或者8.0以上，必要时可以加入无机酸如盐酸或硫酸，也可以加入无机碱如氨、碱金属或碱土金属的氢氧化物，碳酸盐或碳酸氢盐化合物。这些有用的无机碱的代表例包括，如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠及同类物。通常，无论盐酸还是硫酸都可以用来将浆液的PH值维持在4.0以下，而用于维持浆液PH在8.0以上的优选的碱是碱金属氢氧化物，如氢氧化钠。

为保证未经处理的颜料处在非凝聚状态，必须维持浆液的PH值低于4.0，或高于8.0。正如上述披露的，如果用加压过滤的方法来对上述浆液进行必要的脱水的话，那么这一条件则被认为是非常重要的。另一方面，如果用常规的真空过滤如用真空转鼓机来从低固体含量浆液制备高固体含量的滤饼时，通常需要将浆液的PH值维持在4.0到8.0之间。在这一PH值范围内，浆液中的颜料粒子表面基本上不携带离子电荷。结果，颜料颗粒将易于聚集，使得含有颜料颗粒的浆液在真空过滤条件下更容易脱水。在本发明的实施过程中，浆液的PH值最好保持在3.5以下，或8.5以上。

然后再将高度分散的，经湿磨且水力分级的颜料浆液进行脱水。该脱水过程用力过滤设备在超大气压力下完成，从而得到高固体含量的湿滤饼。用来制取高固体含量湿滤饼的压力过滤设备并不构成本发明的一部分，可用任何已知的压力过滤设备来进行。这些设备包括：例如各种类型和结构的间歇操作压滤机，皮尔著的《化学工程师手册》（1963）第四版第19节，第62-73页对此有完整的描述。一种特别有用的压力过滤器是由B.C.Hoesch工业公司生产的竖式压滤机。这种特殊的压滤机将传统压滤机理想的特点与转鼓过滤机和带式过滤机的优点结合起来，并实现了全部自动化。

无论在实施本发明时采用的压力过滤设备的型式和结构如何，该设备都将在高于大气压的压力下操作。就本发明而言，典型的操作压力在从约50psi到250psi的范围之内，即约3.5到17.5kg/cm²，最好是从约100psi到225psi，即约7到15.8kg/cm²。

一旦将含水的浆液引入压滤机，它就要在该压滤机中在上述的超大气压力下停留一段时间以充分形成固体含量不少于70%（重量）的湿滤饼。通常，得到这样一种湿滤饼所需时间约为10到30分钟。该时间表示了一个典型的过滤周期，这一周期包括装料，挤压、干燥和湿滤饼从压滤机中卸出的全过程，当然，该时间可随下列因素的不同而有所改变，这些因素包括原始含水浆液的颜料含量，压滤机所用的压力，以及最终湿滤饼所需的特定的固体含量，这种最终湿滤饼经过再浆液化便可制成特殊的高固体含量的浆液成品。但是，本领域里的普通工人可很容易地确定要获得具有高固体含量的湿滤饼所需的精确时间。

上述提到的湿滤饼的固体含量不少于70%（重量）特别地应在70%到80%（重量）之间，然后将其再浆液化以制成所希望的最终的浆液产品。概括说来，在机械搅拌的条件下，通过在湿滤饼中加入第二分散剂，便可使湿滤饼再浆液化。适于用作第二分散剂的物质可以是任何一种可用于此目的水溶性有机分散剂物质。因此，这些物质包括，例如取代的脂肪酸及其碱金属盐和酸式盐，多元醇，脂肪醇胺及同类物。这些物质的具有代表性并非限制性的例子包括：柠檬酸、酒石酸及它们的钠盐和钾盐、山梨糖醇、甘露糖醇、单乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇及同类物。如果需要的话，还可用这些物质两种或两种以上的混合物。

加入到滤饼中分散剂的量，以最终高固体含量浆液产品中二氧化钛颜料的重量为基准，在从0.1%到5%的范围内，最好是在0.3%到1.5%（重量）之间。

正如上述所披露的，往由本发明的压力过滤步骤回收的湿滤饼内加入第二分散剂，即可制成最终的高固体含量的浆液产品。在本发明的这个方面，最终的高固体含量浆液产品中所含固体的量与制备浆液所用的湿滤饼中所含的固体的量大体相同。但是，一般在加入第二分散剂时，还要在湿滤饼中加入水以进一步将最终浆液产品的固体含量调整到所需的预定值。一旦已知湿滤饼的固体含量和所希望的最终浆液产品的固体含量，本领域里的任何普通的技术人员便可轻易确定完成该调整所需加入的水量。但是，在任何情况下，都不要加入过量的水使最终浆液产品中固体的量低于70%（重量）。根据本发明，最终浆液产品中所含固体的量最好是在70%到80%（重量）之间。

除了上述的作为第二分散剂的分散剂材料以外，同时还可以在高固体含量的浆液中加入其它物质。这类物质包括各种杀菌剂，杀真菌剂，螯合剂及同类物。在本发明的高固体含量的浆液中，这些物质的量应为浆液重量的0.1%到5%。

下面的例子将对本发明进行进一步的非限定性的描述和说明。下面所提到的所有组分和百分数如无其它说明均为重量比。

实施例

根据本发明，按下述方法制备高固体含量的颜料浆液。

把由四氯化钛（TiCl₄）的气相氧化法生产的，原始的未经处理的金红石型二氧化钛颜料分散到水中，由此制得高度分散的低固体含量的浆料。在水中要加入足够的原始颜料使得到的粗颜料浆液中固体含量达32%到35%（重量）。为促进原始颜料在水中的分散，可同时在其中加入六甲基磷酸钠。为防止原始颜料凝聚，应加入氢氧化钠将浆液的PH值调整到10左右，随后再对浆液进行湿磨和水力分级。

然后将该浆液间歇地泵入Hoesch PF1-2.5型竖式压力过滤器中，在125psig（7.8kg/cm²）的压力下，以10磅/小时/平方英尺（48.8kg/hour/m²）的普通过滤速率脱水，所用的过滤器是由B.C.Hoesch工业公司生产的，总过滤面积为27平方英尺（2.5m²）。连续对浆液脱水，直到得到5680磅（2573Kg）的湿滤饼为止。从压力过滤器中回收的湿滤饼的固体含量为78.9%（重量）。

将此滤饼转移到1000加仑的高速分散器中，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）浓度为50%的柠檬酸和4.0磅（1.8Kg）由道化学公司生产的杀菌剂Dowcil。然后再将湿滤饼和上述添加物高速搅拌大约20分钟，便可得到一种可流动的、可泵送的、高固体含量的成品浆液。

对上述成品浆液的分析表明，其中固体含量为71%（重量），粘度为658厘泊（用3号测杆以100rpm的速度在布克辐尔德型RVT粘度计上测得），PH值为10.3，电阻率为400（欧姆-厘米）。此浆液掺到纸浆中并涂覆于纸表面时，具有良好的亮度和不透光性。

从上例可见，本发明提供了一种经济有效地制备高固体含量浆液的方法。而且，从上可清楚地看到制备高固体含量的浆液简便易行，无须将初始浆料聚集，也不需要象先有技术那样为获得所需的固体浓度进行长时间的过滤操作。

尽管用最佳实施例详细描述了本发明，但是，只要不脱离上述本发明的范围和实质，不超出权利要求的范畴仍可对其进行修改和完善。

Claims (18)

1、一种制备高固体含量颜料浆液的方法，包括：提供一种含有水，第一分散剂和未经处理的、非凝聚的二氧化钛颜料的高分散性颜料浆液，保持该浆液的PH值，使其足以防止所述的二氧化钛颜料凝聚；

将上述高分散性颜料浆液在超大气压力下进行脱水，使其完全形成含有未经处理的、非凝聚颜料的湿滤饼；

在上述湿滤饼中加入第二分散剂使其再浆液化，从而得到颜料固体含量不少于70%(重量)的颜料浆液。

2、按权利要求1所述的方法，其中在所述的高度分散性颜料浆液中所述第一分散剂的含量为0.01%到2.0%（重量）。

3、按权利要求2所述的方法，其中所述的第一分散剂是一种碱金属的多聚磷酸盐。

4、按权利要求1所述的方法，其中在所述的高度分散的颜料浆液中还含有包括碱金属氢氧化物的一种碱，其量应足以使浆液的PH值保持在8.0以上，或者含有一种从盐酸和硫酸中选出的无机酸，其量应足以使浆液的PH值维持在4.0以下。

5、按权利要求4所述的方法，其中所述的高度分散性的颜料浆液的PH值应维持在3.5以下，或维持在8.5以上。

6、按权利要求1所述的方法，其中在所述的高度分散性的颜料浆液中含所述的二氧化钛颜料的量应足以使浆液中的固体含量不少于20%（重量）。

7、按权利要求1所述的方法，其中所述的高度分散性的颜料浆液在不低于50磅/平方英寸（3.5Kg/cm²）的超大气压力下进行脱水。

8、按权利要求1所述的方法，其中所述的压力范围是50磅（3.5Kg/cm²）到250磅/平方英寸（17.5Kg/cm²）。

9、按权利要求1所述的方法，其中加入所述的湿滤饼中的第二分散剂是从二元脂肪酸和它们的碱金属盐及酸式盐、多元醇和脂肪醇胺中选出的一种有机物。

10、按权利要求9所述的方法，其中在所述的湿滤饼中所述的第二分散剂的含量为0.1%到5%（重量）。

11、一种制备高固体含量二氧化钛颜料浆液的方法，包括：提供一种含有下列物质的高分散性二氧化钛颜料的浆液，其中包括水、0.01%到2.0%（重量）的碱金属的多聚磷酸盐、足以使浆液PH值维持在8.5以上所需的碱金属氢氧化物和足以使浆液中固体含量不低于20%（重量）的未经处理的非凝聚的二氧化钛颜料;

在不低于50磅/平方英寸的超大气压力下过滤所述的颜料浆液，对所述的高分散性的颜料浆液脱水得到含有所述的非凝聚颜料的湿滤饼;且

在上述湿滤饼中加入0.1%到5.0%（重量）的第二分散剂，使所述的湿滤饼再浆液化从而得到固体含量不少于70%（重量）的颜料浆液，其中第二分散剂是从取代的脂肪酸以及它们的碱金属盐和酸式盐，多元醇，脂肪醇胺中选出的。

12、按权利要求11所述的方法，其中在所述的高分散性颜料浆液中所述的二氧化钛颜料的含量足以使所述的浆液中的固体含量为20%到50%（重量）。

13、按权利要求11所述的方法，其中在所述的高分散性颜料浆液中含的所述的未经处理的、非凝聚的二氧化钛颜料是未经处理的金红石型二氧化钛颜料。

14、按权利要求11所述的方法，其中在所述的湿滤饼中的所述的第二分散剂的含量为0.3%到1.5%（重量）。

15、按权利要求11所述的方法，将其中所述的高分散性颜料浆液在50磅/平方英寸（3.5Kg/cm²）到250磅/平方英寸（17.5Kg/cm²）的超大气压力下进行过滤脱水。

16、按权利要求11所述的方法，其中加入到所述的湿滤饼中的第二分散剂是脂肪醇胺。

17、按权利要求16所述的方法，其中所述的第二分散剂是2-氨基-2-甲基-1丙醇。

18、按权利要求1所述的方法制备的一种高固体含量的颜料浆液。