CN1155269A - 用于助留剂系统的合成矿物微粒 - Google Patents

Abstract

本发明中描述了一种新颖产物和制备人造膨润土型无机微粒的方法。根据本发明制备的合成微粒尤其适用于那些留着率、排水、纸张组织和节约可计成本的可能性很重要的造纸方法中。

Description

用于助留剂系统的合成矿物微粒

本发明涉及合成矿物。更确切地说，本发明涉及一种生产合成微粒的方法及用这样的微粒提高所制得的纸制品的质量。甚至更确切地说，本发明涉及尤其适用于造纸方法中的合成微粒，在这些造纸方法中留着、排水和纸张组织很重要。

造纸者一直探索进一步改善留着系统使最终纸制品中填料和浆粕细骨料的留着率达到最大的能力。在过去的几年里，为满足这种需要已研制出无机微粒助留剂系统。微粒留着系统有几个优点，其中包括比造纸机的纸页成形部有更高的留着水平、改善的纸张组织和更好的排水。这些优点使造纸者能制造高质量的有附加值的产品，能在更高效率水平上操作造纸方法，并能通过操作更干净的工作场所而改善环境条件。更干净的工作环境、现高的机器速度和更好质量的纸张组织使造纸者有可能节约可计成本。

对于造纸者虽然现有几种微粒系统可资利用，但在商业上基本上取得成功并现被广泛使用的只有两个系统，包括膨润土基系统和硅胶基系统。膨润土是在世界各地的矿床层中发现的一种天然生成的粘土。膨润土主要由硅铝酸盐构成，并含有少量的其它元素例如钙、镁和铁。膨润土基系统尤其适用于磨木造纸系统。硅胶基系统是很小粒径即1nm到2nm的微粒状硅石的特殊形式。这些微粒互相连接成链或网络形成称为微胶(microcel)的三维结构。硅胶系统尤其应用于不含磨木浆的纸厂。硅胶与其它微粒相比价格昂贵，故它们在磨木造纸中没有得到广泛的应用。

已发现是新的且未被现有技术预计到的是一种人造膨润土型无机微粒的生产方法及把这样的微粒进一步用于那些留着、排水、纸张组织和节约可计成本的可能性很重要的造纸方法中。

因此，本发明的一个目的是提供一种微粒助留剂系统，它能用于造纸方法中从而把填料和纸浆细骨料的留着率、排水及纸张组织达到最大。本发明的另一目的是提供一种与硅胶基系统相比能节约成本的人造膨润土型无机微粒。本发明进一步的目的是提供一种用于改善纸制品质量的方法。

本发明的这些以及其它的目的通过下面所给的进一步详细介绍将很清楚。

国际公开号WO 92/20862揭示的方法通过分别向造纸配料中加入一种阳离子聚合物和一种无定形金属硅酸盐并使添加之间充分混合而改善纸和纸制品的生产。这些组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。接着在所得混合物送进造纸机的网前箱之前加入无定形金属硅酸盐，而不使混合物经受任何进一步大的剪切。根据该发明的方法制造的产品适用于在用液体浆生产纸中提高留着率、排水、纸张组织。

U.S.Pat No.3,784,422揭示了在一种水介质中硅酸钠和硫酸铝的反应。对所得的沉淀接着进行过滤、冲洗和干燥。根据该发明的方法制造的产品适用作颜料、湿度调节剂并尤其适用作橡胶补强材料和造纸中的填料。

U.S.Pat.No.4,213,874揭示了一种制造具有提高了的离子交换性的细分散、无定形、沉淀的碱金属硅铝酸盐的方法。该发明的产品具有与已知的晶态沸石碱交换剂或吸收剂相等的碱或离子交换能力，它们适用于水软化和洗涤添加剂。

已发现是新的且未被现有技术所预料到的是一种人造膨润土型无机微粒的生产方法及把这样的微粒进一步用于那些留着率、排水、纸张组织和节约可计成本的可能性很重要的造纸方法中。

根据本发明的用作造纸中的助留剂的合成微粒是硅铝酸盐、硅磷铝酸盐和硅硼铝酸盐。

硅铝酸盐是通过溶液沉淀法，利用一种硅酸盐和一种铝(III)的可溶性盐而制备的。硅磷铝酸盐是通过溶液沉淀法，利用一种硅酸盐、一种铝(III)盐和一种磷酸盐的可溶性盐而制备的。硅硼铝酸盐是通过溶液沉淀法，利用一种硅酸盐、一种铝(III)盐和一种硼酸盐的可溶性盐而制备的。

制备本发明的合成微粒的优选方法是利用强力搅拌，在室温下把反应物混在一起的溶液沉淀法。反应物通常为从约1到约10重量百分比的水溶液。下面描述根据本发明所用的特定反应物的优选量。硅铝酸盐微粒：

根据本发明制备的硅铝酸盐微粒具有下述通式：

       M_x/n ⁺ⁿ[Al_xSi_yO_2x+y]^-x·zH₂O

式中该方法可得的x和y值为从x/y＝0.4到x/y＝0.7。根据所使用的具体的造纸配料不同，x/y的最佳值可以改变。硅磷铝酸盐微粒：

根据本发明制备的硅磷铝酸盐微粒具有下述通式：

        M_wAl_xSi_yP_zO_{(1/2w+3/2x+2y+5/2z)}

        式中M＝H，Li，Na，K

先把磷酸盐和硅酸盐溶液混合在一起，然后再与硫酸铝溶液混合以生成沉淀产物。在其中反应物摩尔比为约0.70Al/0.62Si/0.36P时硅磷铝酸盐微粒为优选，根据所使用的具体造纸配料不同，摩尔比可以改变。硅硼铝酸盐微粒：

根据本发明制备的硅硼铝酸盐微粒具有下述通式：

       MwAl_xSi_yB_zO_{(1/2y+3/2x+2y+3/2z)}

       式中M＝H，Li，Na，K

先把硼酸盐和硅酸盐溶液混合在一起，然后再与硫酸铝溶液混合以生成沉淀产物。在其中反应物摩尔比为约1.0Al/1.0Si/0.71B时，硅硼铝酸盐为优选，根据所使用的具体造纸配料不同，摩尔比可以有所改变。

根据在Coulter N4粒度分析仪上的测量结果，本发明的合成矿物微粒产物的粒径范围为从约30到约3000纳米，更典型地从约50到约500纳米。本发明的干燥产物的比表面积(BET)范围为从约50到500m²/g，更典型地为约100m²/g。根据在Coulter Delsa上的测量结果，本发明产物的颗粒电荷为从约-50到约0毫伏，更典型地从约-40到-20毫伏。

本发明的合成微粒在使用填料(包括但并不限于粘土和碳酸钙)的化学和机械纸浆进行的造纸中可以用作助留剂。本发明的产物比硅胶助留剂便宜，并能在造纸厂中现场制备。因而人们可以定做产品，即改变x和y值或x、y和z值以满足造纸者的特殊需要。产物能以“沉淀态”使用而不需把沉淀产物与反应溶液分离或进行洗涤或干燥。

下述实施例是为了进一步描述本发明，应当懂得本发明并不局限于此。在所附权利要求书中对本发明的范围有更准确的定义。实施例I硅铝酸盐

向装备有磁力搅拌器的一只200ml烧杯中加入64ml的5重量百分比的Na₂SiO₃·5H₂O水溶液。向搅拌过的硅酸盐溶液快速加入50ml的5重量百分比的Al₂(SO₄)₃·18H₂O水溶液。两个反应物温度都是室温。混合物再另外搅拌1分钟后停止反应。得到一种含有微粒的浑浊浆体，经观察为微细的白色沉淀。利用X射线荧光对所得的沉淀进行化学分析表明产物为NaAlSi₂O₆。实施例II硅硼铝酸盐

向装备有磁力搅拌器的一只100ml烧杯中加入16ml的5重量百分比的Na₂SiO₃·5H₂O水溶液。然后在搅拌上述溶液的同时加入27ml的5重量百分比的Na₂B₄O₇·10H₂O水溶液。搅拌1分钟后，在快速搅拌下快速加入25ml 5重量百分比的Al₂(SO₄)₃溶液。混合物再另外搅拌1分钟后停止反应。得到一种含有微粒的浑浊浆体，经观察为微细的白色沉淀。利用X射线荧光对所得的沉淀进行化学分析表明产物为Na_6.5Al₇Si_6.6B_4.8O₃₄。实施例III硅磷铝酸盐

向装备有磁力搅拌器的150ml烧杯中加入30.1ml的2.23重量百分比的Na₂SiO₃·5H₂O溶液。在搅拌上述溶液的同时加入20.9ml3.44重量百分比的Na₃PO₄·12H₂O溶液。在搅拌1分钟后快速加入29.9ml 7.07重量百分比的Al₂(SO₄)₃·18H₂O水溶液。浆液另外搅拌一分钟后停止反应。得到一种含有微粒的浆体，经观察为微细的白色沉淀。利用X射线荧光对所得的沉淀进行化学分析表明产物为Na₄Al₇Si_6.3P_3.2O₃₃。实施例IV

用Allied Collid’s Hydrocol O型膨润土和/或Nalco’s 8671型硅胶作为对照，使用标准Britt Jar技术对实施例I、II和III的产物作为助留剂进行评估。该过程中，在加有20％的填料、稠度为1％的500ml配料中投配淀粉(Stalok 400)或混凝剂(Percol 368)，必要时再投配一种聚合物絮凝剂(Percol 175或Nalco 7533)。然后在Britt容器中以2000rpm搅拌絮凝配料15秒以制得微絮凝物。然后在配料中加入5^#/吨剂量的微粒并在1000rpm的速度下搅拌混合物。然后从Britt容器中排出溶液，收集头100ml溶液并分析填料留着率。通过标准灰化法测定粘土填料留着率，通过标准EDTA滴定法测定碳酸钙填料留着率。

                     表1微粒       Percol-175(5磅/吨)    磅/吨  纸浆      填料    留着百分率无          0.5    牛皮浆    碳酸钙    37实施例-I    0.5    牛皮浆    碳酸钙    75Hydrocol O  0.5    牛皮浆    碳酸钙    72无          0.5    牛皮浆    碳酸钙    40实施例-II   0.5    牛皮浆    碳酸钙    79Hydrocol O  0.5    牛皮浆    碳酸钙    82无          1.0    牛皮浆    碳酸钙    54实施例-III    1.0    牛皮浆    碳酸钙    72Hydrocol O    1.0    牛皮浆    碳酸钙    77

上表表明当使用该具体配料时需改善留着率，以及实施例I、II和III中的本发明产物在与商业产品Hydrocol O基本上相同的程度上满足了这种需要。实施例V硅铝酸盐

向装备有磁力搅拌器的一只200ml烧杯中加入50.0ml的5重量百分比的Na₂SiO₃·5H₂O水溶液。向搅拌过的硅酸盐溶液快速加入31.6ml 5重量百分比的Al₂(SO₄)₃·18H₂O溶液。两个反应物温度都是室温。混合物另外搅拌1分钟后停止反应。得到一种含有微粒的浑浊浆体，经观察为微细的白色沉淀。以实施例IV中所述同样的方式对微粒作为助留剂进行评估。

                     表2微粒       Percol-368 Percol-175            留着(5磅/吨)    磅/吨     磅/吨  纸浆    填料    百分率无          2           1    牛皮浆  粘土    37实施例V     2           1    牛皮浆  粘土    55Hydrocol O  2           1    牛皮浆  粘土    56Nalco-8671  2           1    牛皮浆  粘土    32无          3           2    磨木浆  碳酸钙  49实施例V     3           2    磨木浆  碳酸钙  72Hydrocol O  3           2    磨木浆  碳酸钙  74Nalco-8671  3           2    磨木浆  碳酸钙  60

从上表中可见，对于相同的配料，本发明产物作为助留剂的效果基本上与Hydrocol O(天然膨润土)一样好并且显著好于Nalco-8671(硅胶)。

Claims (8)

1.一种生产合成矿物微粒的方法，包括：在室温搅拌的同时向一种硅酸盐水溶液加入一种铝(III)盐溶液，其中铝(III)盐溶液的浓度为从约1重量百分比到约10重量百分比，且其中硅酸盐水溶液的浓度为从约1重量百分比到约10重量百分比。

2.根据权利要求1的方法，其中硅酸盐溶液首先与从约1到约10重量百分比的磷酸盐水溶液混合。

3.根据权利要求1的方法，其中硅酸盐溶液首先与从约1到约10重量百分比的硼酸盐水溶液混合。

4.一种根据权利要求1、2或3任一项的方法生产的合成矿物微粒。

5.一种造纸方法，包括在造纸机上利用纤维、填料和其它湿部添加剂以成形纸张，其特征在于使用合成矿物硅铝酸盐微粒作为助留剂。

6.一种造纸方法，包括在造纸机上利用纤维、填料和其它湿部添加剂以成形纸张，其特征在于使用根据权利要求1的方法制备的合成矿物硅铝酸盐微粒作为助留剂。

7.一种造纸方法，包括在造纸机上利用纤维、填料和其它湿部添加剂以成形纸张，其特征在于使用选自硅铝酸盐、硅硼铝酸盐和硅磷铝酸盐的合成矿物微粒作为助留剂。

8.一种含有选自硅铝酸盐、硅硼铝酸盐和硅磷铝酸盐的合成矿物微粒的纸张。