JP2003501335A5

JP2003501335A5 - 高表面積及び高活性の安定なシリカゾル

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Publication number: JP2003501335A5
Application number: JP2001501559A
Authority: JP
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2019-06-02

Description

【特許請求の範囲】
【請求項１】２０乃至５０のＳ−値を有する安定なコロイド状シリカの調製方法であって、当該シリカが７００ｍ ² ／ｇ乃至１１００ｍ ² ／ｇの表面積を有し、：
（ａ）水と、ＳｉＯ₂とアルカリ金属酸化物のモル比が１５：１乃至１：１の範囲にあり且つｐＨが１０以上の珪酸アルカリ金属塩と、酸、当該酸に対応する塩及びそれらの混合物よりなる群から選ばれる化合物とを含有し、当初は前記珪酸アルカリ金属塩と前記化合物とが重量比で６３：１以上の割合で存在する開始組成物を調製すると共に、当該開始組成物の温度を３２℃（９０°Ｆ）未満に維持し；
（ｂ）前記開始組成物に、ＳｉＯ₂量が４．０乃至８．５重量％で且つ温度を３２℃（９０°Ｆ）未満に維持した水性の珪酸組成物を、ゆっくりと連続的に、当該珪酸組成物の２分の１から４分の３まで添加し；
（ｃ）前記組成物を４６乃至５２℃（１１５乃至１２５°Ｆ）にゆっくりと昇温し、その温度を珪酸組成物の添加が完了するまで維持し；
（ｄ）必要に応じて、前記組成物を５２℃（１２５°Ｆ）未満で１時間維持し；
（ｅ）加熱を停止し、必要に応じて前記安定なコロイド状シリカのＳｉＯ₂を基準とする固形分が７重量％乃至２０重量％になるまで前記組成物から水を除去することを特徴とする、安定なコロイド状シリカの調製方法。
【請求項２】工程（ｂ）において、前記温度を１６乃至３２℃（６０乃至９０°Ｆ）の範囲に維持する請求項１の方法。
【請求項３】工程（ｄ）において、前記温度を４６乃至５２℃（１１５乃至１２５°Ｆ）の範囲に維持する請求項１の方法。
【請求項４】工程（ｅ）において、固形分が１０重量％以上になるまで前記組成物から水を除去することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】２０乃至５０のＳ−値を有する安定なコロイド状シリカの調製方法であって、当該シリカが７００ｍ ² ／ｇ乃至１１００ｍ ² ／ｇの表面積を有し、：
（ａ）反応槽に、水素型でのイオン交換容量が４０％以上である陽イオン交換樹脂を充填し、当該反応槽は前記コロイド状シリカを前記イオン交換樹脂から分離する手段を有し；
（ｂ）前記反応槽に、ＳｉＯ₂とアルカリ金属酸化物のモル比が１５：１乃至１：１の範囲にあり且つｐＨが１０．０以上の水性珪酸アルカリ金属塩を充填し；
（ｃ）前記反応槽の内容物を、当該内容物のｐＨが８．５乃至１１．０の範囲になるまで攪拌し；
（ｄ）前記珪酸アルカリ金属塩を追加して、前記反応槽の内容物のｐＨを１０．０より大きくなるように調整し；
（ｅ）生成したコロイド状シリカを、前記イオン交換樹脂から分離して、前記反応槽から取り出すことを特徴とする、安定なコロイド状シリカの調製方法。
【請求項６】前記コロイド状シリカを前記イオン交換樹脂から分離する手段は、前記反応槽の底部付近に設けられたスクリーンからなる請求項５の方法。
【請求項７】工程（ｃ）において、前記内容物のｐＨが９．２乃至１０．０である請求項５の方法。
【請求項８】工程（ａ）において、前記珪酸アルカリ金属塩中のアルカリ金属イオンに対する前記陽イオン交換樹脂中の水素イオンのモル比が、４０乃至１００％の範囲にある請求項５の方法。
【請求項９】工程（ｃ）において、前記反応槽の内容物が１０乃至３８℃（５０乃至１００°Ｆ）に維持される請求項５の方法。
【請求項１０】工程（ｃ）において、前記内容物のｐＨが９．２乃至１０．５の範囲にある請求項５の方法。
【請求項１１】工程（ｄ）において、前記反応槽の内容物のｐＨを１０．４乃至１０．７に調整する請求項５の方法。
【請求項１２】セルロースシートの作製方法であって：
ａ．セルロース繊維を０．０１乃至１．５重量％含有するセルロース紙料を調製し；
ｂ．前記紙料に対して、
（ｉ）前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００００５乃至１．２５重量％の安定なコロイド状シリカであって、
当該安定なコロイド状シリカのＳ−値が２０乃至５０であり、固形分重量％が７乃至２０重量％シリカであり、
当該安定なコロイド状シリカ中のシリカ粒子が、７００ｍ ² ／ｇを超えて９７０ｍ ² ／ｇ未満の表面積を有し、
当該コロイド状シリカ中のシリカ粒子の表面積が、当該コロイド状シリカを室温で３０日以上の期間熟成させた時でも、７００ｍ ² ／ｇ以上の範囲にあり続け、
当該安定なコロイド状シリカのＳ−値が、当該コロイド状シリカを室温で３０日以上の期間熟成させた時でも、２０乃至５０の範囲にあり続け、
当該安定なコロイド状シリカが、アルミニウムを含まないもの、及び
（ｉｉ）前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００１乃至０．５重量％の分子量が５００，０００ダルトンより大きく実質的に水溶性の高分子フロック剤
を添加し；及び
ｃ．前記紙料を脱水してセルロースシートを得ることを特徴とする、セルロースシートの作製方法。
【請求項１３】前記紙料に前記高分子フロック剤を添加する前に、当該紙料にカチオン凝集剤を添加する付加的工程をさらに有する請求項１２の方法。
【請求項１４】セルロースシートの作製方法であって：
ａ．セルロース繊維を０．０１乃至１．５重量％含有するセルロース紙料を調製し；
ｂ．前記紙料に対して、
（ｉ）前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００００５乃至１．２５重量％の安定なコロイド状シリカであって、当該安定なコロイド状シリカのＳ−値が２０乃至５０であり、固形分重量％が７乃至２０重量％シリカであり、
当該安定なコロイド状シリカ中のシリカ粒子が、７００ｍ ² ／ｇを超えて９７０ｍ ² ／ｇ未満の表面積を有し、
当該コロイド状シリカ中のシリカ粒子の表面積が、当該コロイド状シリカを室温で３０日以上の期間熟成させた時でも、７００ｍ ² ／ｇ以上の範囲にあり続け、
当該安定なコロイド状シリカのＳ−値が、当該コロイド状シリカを室温で３０日以上の期間熟成させた時でも、２０乃至５０の範囲にあり続け、
当該安定なコロイド状シリカが、アルミニウムを含まないもの、及び
（ｉｉ）前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００５乃至５．０重量％のカチオン性澱粉
を添加し；及び
ｃ．前記紙料を脱水してセルロースシートを得ることを特徴とする、セルロースシートの作製方法。
【請求項１５】前記紙料に対して、分子量が５００，０００ダルトンより大きく実質的に水溶性の高分子フロック剤を、前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００１乃至０．５重量％添加する中間工程ｂ（ｉｉｉ）をさらに有する請求項１４の方法。
【請求項１６】抄紙機上で抄紙される紙料の排水を増加させる方法であって：
ａ．抄紙される紙料を抄紙機上に置く前に、当該紙料に対して、
（ｉ）前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００００５乃至１．２５重量％の安定なコロイド状シリカであって、当該安定なコロイド状シリカのＳ−値が２０乃至５０であり、固形分重量％が７乃至２０重量％シリカであり、当該安定なコロイド状シリカ中のシリカ粒子が、７００ｍ ² ／ｇを超えて９７０ｍ ² ／ｇ未満の表面積を有し、
当該コロイド状シリカ中のシリカ粒子の表面積が、当該コロイド状シリカを室温で３０日以上の期間熟成させた時でも、７００ｍ ² ／ｇ以上の範囲にあり続け、
当該安定なコロイド状シリカのＳ−値が、当該コロイド状シリカを室温で３０日以上の期間熟成させた時でも、２０乃至５０の範囲にあり続け、
当該安定なコロイド状シリカが、アルミニウムを含まないもの、及び
（ｉｉ）前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００１乃至０．５重量％の高分子フロック剤を添加し；
ｂ．当該紙料を前記抄紙機上に置き；及び
ｃ．当該紙料を抄紙状態とすることで、前記抄紙機上の当該紙料からの排水速度を増加させる方法。
【請求項１７】工程ｂにおいて前記紙料を前記抄紙機上に置く前に、当該紙料に対して、さらにカチオン性澱粉を、前記紙料中の繊維の乾燥重量を基準にして０．００５乃至５．０重量％添加する工程を有する請求項１６の方法。

これに対して本発明は、製紙へ適用するのに有用であり、２０乃至５０のＳ−値を有し、７００ｍ ² ／ｇ乃至１１００ｍ ² ／ｇの表面積を有する安定なコロイド状シリカの調製方法を提供する。上記特許による教示に反し、本発明は、表面にアルミニウムを添加しないで安定なままでいられるコロイド状シリカの調製方法を提供するものであり、有利である。

発明の要約
本発明は、７００ｍ²／ｇより大きい、好ましくは７５０ｍ²／ｇより大きい、最も好ましくは８００ｍ²／ｇより大きい表面積を有し、２０乃至５０、好ましくは２０乃至４０のＳ‐値を有する、安定なコロイド状シリカに関する。本発明のコロイド状シリカは、安定性を得るためにアルミニウムのような表面処理剤による表面処理を必要としない。

本発明は、２０乃至５０のＳ−値を有し、７００ｍ ² ／ｇ乃至１１００ｍ ² ／ｇの表面積を有する本発明のコロイド状シリカの調製方法を提供する。一つの方法は、（ａ）水と、ＳｉＯ₂とアルカリ金属酸化物のモル比が１５：１乃至１：１の範囲にあり且つｐＨが１０以上の珪酸アルカリ金属塩と、酸（及び／又は、当該酸に対応する塩）を含有し、当初は珪酸アルカリ金属塩と酸とが重量比で６３：１以上の割合で存在する開始組成物（又はヒール）を調製すると共に、当該開始組成物の温度を３８℃（１００°Ｆ）未満、好ましくは２９℃（８５°Ｆ）未満、代表的には１６乃至２９℃（６０乃至８５°Ｆ）の範囲に維持し；（ｂ）開始組成物に、代表的にはＳｉＯ₂量が５．０乃至７．２重量％、好ましくは６．０乃至６．８重量％で且つ温度を３８℃（１００°Ｆ）未満、代表的には約１６乃至２９℃（６０乃至８５°Ｆ）の範囲に維持した水性の珪酸組成物を、ゆっくりと連続的に、当該珪酸組成物の２分の１から４分の３まで添加し；（ｃ）その後、前記組成物をゆっくりと昇温、例えば、約１０乃至３５分間かけて４６乃至５２℃（１１５乃至１２５°Ｆ）に昇温し、その温度を珪酸組成物の添加が完了するまで維持し；（ｄ）必要に応じて、その組成物の温度を５２℃（１２５°Ｆ）未満、代表的には４６乃至５２℃（１１５乃至１２５°Ｆ）で１時間維持し；（ｅ）その後、加熱を停止し、得られた組成物から必要に応じて水を、前記安定なコロイド状シリカのＳｉＯ₂を基準とする固形分が７重量％乃至２０重量％、代表的には１１重量％以上になるまで除去する。また、本発明の水性コロイド状シリカゾルを調製するための、もう一つの方法は、珪酸アルカリ金属塩の反応を開始させるために陽イオン交換樹脂の使用を必須とする（後述する実施例３を参照）。その反応は、コロイド状シリカを製造するための重合の最中に珪酸アルカリ金属塩を陽イオン交換樹脂に対して添加する速度（例えば、０乃至３０分、代表的には１５分未満）、及び、添加する割合によって調節される。珪酸アルカリ金属塩中のアルカリ金属イオンに対する陽イオン交換樹脂中の水素イオンのモル比は、４０乃至１００％、好ましくは５０乃至１００％の範囲とされる。本発明の、このもう一つの態様でコロイド状シリカを形成する際の温度は、一般的に１０乃至３８℃（５０乃至１００°Ｆ）、好ましくは２１乃至３２℃（７０乃至９０°Ｆ）の範囲とされる。本発明の方法のこの態様において、コロイド状シリカ製造物の熱処理（すなわち後処理）は任意である。

一度、上記方法によりヒールを調製したら、組成物の温度を８５°Ｆ（約２９℃）以下、代表的には８０°Ｆ（約２７℃）以下、そして通常であれば６０乃至８５°Ｆ（約１６乃至約２９℃）の範囲に下げる。この点につき珪酸又はポリ珪酸は、組成物に対してゆっくりと、例えば、全所要時間を約４時間かけて添加する。本発明に好適な珪酸は、上記したアルカリ水ガラスの希釈溶液を陽イオン交換するなどの従来公知の方法により調製することができる。代表的には、希釈溶液はＳｉＯ₂を基準とする固形分を３乃至９重量％含有し、特に５．０乃至７．２重量％、好ましくは６．０乃至６．８重量％含有する。代表的な市販の調製品は米国特許第３，５８２，５０２号及び第２，２４４，３３５号に概説されており、それらの開示事項は参照されて本文の一部をなす。珪酸アルカリ金属塩と酸の重量比は変更可能であり、代表的にはその比を６３：１以上にする。珪酸又はポリ珪酸の約２分の１乃至４分の３までは、組成物をかき混ぜながら、ゆっくりと且つ連続的に組成物中に添加され、その間は組成物の温度を８５°Ｆ（約２９℃）未満、代表的には約６０乃至８５°Ｆ（約１６乃至約２９℃）に維持し続ける。その後、組成物の温度をゆっくりと昇温、例えば、１０乃至３５分間かけて１１５乃至１２５°Ｆ（約４６乃至約５２℃）まで昇温し、この温度範囲を珪酸又はポリ珪酸の残部を組成物に対して添加しきるまで保持する。その後必要に応じて、組成物の温度を１２５°Ｆ（約５２℃）未満、代表的には１１５乃至１２５°Ｆ（約４６乃至約５２℃）に約１時間維持する。もし必要であれば、その後で公知の手順により、組成物の固形分量が７重量％以上、代表的には１１重量％以上になるまで組成物から水を除去することができる。

ここにおいて有用な非イオン性、カチオン性、アニオン性のビニルポリマーフロック剤は、一般的に５００，０００ダルトン（約８３０２７０×１０ ^-２４ｇ）以上の分子量を有し、好ましくは１，０００，０００ダルトン（約１６６０５４０×１０ ^−２４ｇ）以上の分子量を有するであろう。ここにおいて有用な水溶性又は水分散性フロック剤は、５，０００，０００以上の分子量を有していても良く、例えば、１０，０００，０００乃至３０，０００，０００の範囲、又は、それ以上である。本発明に好適なポリマーは、系に適用した時に完全に水溶性であっても良く、又は、わずかに分岐（２次元的）していても良く、ポリマーが水に分散可能な限り、わずかに架橋（３次元的）していても良い。完全に水溶性のポリマーを使用するのが好ましいが、ＷＯ９７／１６５９８に記述されているような分散性ポリマーを採用しても良い。有用なポリマーは、Langley et. Al., 米国特許第４，７５３，７１０において定義されているような意味で実質的に線状であっても良い。分子量の上限は、抄紙紙料中での生成物の溶解性又は分散性により支配される。

（実施例１）
（本発明のコロイド状シリカゾルの調製）
２８５．８ポンド（約１２９．６ｋｇ）の軟水を、再循環ポンプを備える反応機に充填し、１分間当たり５０ガロンの速度（ｇｐｍ）（約１８９．３Ｌ／分）で再循環を開始する。５．６３ポンド（約２．６ｋｇ）の９５重量％硫酸溶液を、必要に応じて７５°Ｆ（約２３．９℃）未満に降温するように反応機の内容物を冷却しながら、ゆっくりと反応機に添加する。反応機の内容物を５分間循環させた後、Ｎａ₂Ｏに対するＳｉＯ₂のモル比が３．２６で、ｐＨが１１．２の珪酸ナトリウムを２８９．５ポンド（約１３１．３ｋｇ）添加する。反応機温度が８１°Ｆ（約２７．２℃）を超えないように冷却を行う。珪酸ナトリウムを添加後に水性珪酸の添加を開始し、３１６９．１ポンド（約１４３７．５ｋｇ）の水性珪酸（ＳｉＯ₂固形分が６．４０重量％である）を、１３．２０ポンド／分（約６．０ｋｇ／分）（又は１．５２ガロン／分（約５．８Ｌ／分））の速度で、温度を８０°Ｆ（約２６．７℃）に維持しながら添加する。７５％の珪酸（２３７６．８ポンド（約１０７８．１ｋｇ））を充填した時点（おおよそ３．０時間）で、ゆっくりと０．７°Ｆ／分（約−１７．４℃／分）の速度で温度が１２０°Ｆ（約４８．９℃）に達するまで昇温する。組成物を加熱しながら珪酸の添加を続行する。組成物の温度が１００°Ｆ（約３７．８℃）に達するまでの所要時間は１０分間であり、１１５°Ｆ（約４６．１℃）に達するまでの経過時間は３６分間である。全ての珪酸を添加した後、組成物の温度を１２０°Ｆ（約４８．９℃）に１時間（すなわち、珪酸添加が完了した後に計時を開始する）維持する。その後、温度を１１８乃至１２２°Ｆ（約４７．８乃至５０．０℃）に維持して、組成物の固形分濃度を増大させるために、組成物を限外濾過する。シリカの濃度が１４．８乃至１６．６重量％、好ましくは１５．０重量％に達した時に、限外濾過を停止する。

（実施例２）
１５１．２ｇの脱イオン水及び４．０ｇの硫酸ナトリウムを丸底フラスコに充填し、硫酸ナトリウムが溶解するまでかき混ぜる。混合しながら、１２４．８ｇの珪酸ナトリウムをフラスコに添加する。フラスコの内容物を８０°Ｆ（約２６．７℃）に加熱する。合計で１７２０ｇの珪酸（比重が１．０３９である）を、７．２ｇ／分の速度で４時間かけてフラスコに添加する。８６０ｇの又は２分の１の珪酸を添加した後でフラスコの内容物を加熱し、最終温度を１２０°Ｆ（約４８．９℃）とする。組成物を加熱しながら珪酸を添加し続ける。その後、温度を１１８乃至１２２°Ｆ（約４７．８乃至５０．０℃）に維持する。４時間目の最終添加後に、反応フラスコを室温まで冷却し、組成物の固形分濃度を増大させるために、３５０ｇの組成物に限外濾過を行う。除去した水の測定量が１６６．８２ｇに達した時点で限外濾過を停止する。最終組成物の固形分は、１６．１２重量％である。

（実施例３）
（本発明のコロイド状シリカゾルの調製）
２８５ポンド（約１２９．３ｋｇ）の軟水を、再循環ポンプを備える反応機に充填し、５０ｇｐｍ（約１８９．３Ｌ／分）の速度で再循環を開始する。５．６３ポンド（約２．６ｋｇ）の９５重量％硫酸溶液を、必要に応じて７５°Ｆ（約２３．９℃）に降温するように反応機の内容物を冷却しながら、ゆっくりと反応機に添加する。反応機の内容物を５分間循環させた後、Ｎａ₂Ｏに対するＳｉＯ₂のモル比が３．２６で、ｐＨが１１．２の珪酸ナトリウムを２９０ポンド（約１３１．５ｋｇ）添加する。反応機温度が８１°Ｆ（約２７．２℃）を超えないように冷却を行う。珪酸ナトリウムを添加後に水性珪酸の添加を開始し、３２２５ポンド（約１４６２．８ｋｇ）の水性珪酸（ＳｉＯ₂固形分が６．３７重量％、粘度が２．９センチポイズ、比重が１．０３８８及び、ｐＨが２．７６である）を、１３．４ポンド／分（約６．１ｋｇ／分）の速度で、温度を８０°Ｆ（約２６．７℃）に維持しながら添加する。７５％の珪酸（２４１９ポンド（約１０９７．２ｋｇ））を充填した時点（おおよそ３．０時間）で、ゆっくりと０．７°Ｆ／分（約−１７．４℃／分）の速度で温度が１２０°Ｆ（約４８．９℃）に達するまで昇温する。組成物を加熱しながら珪酸の添加を続行する。組成物の温度が１００°Ｆ（約３７．８℃）に達するまでの所要時間は４０分間であり、１１５°Ｆ（約４６．１℃）に達するまでの経過時間は５７分間である。全ての珪酸を添加した後、組成物の温度を１２０°Ｆ（約４８．９℃）に１時間（すなわち、珪酸添加が完了した後に計時を開始する）維持する。その後、温度を１１８乃至１２２°Ｆ（約４７．８乃至５０．０℃）に維持して、組成物の固形分濃度を増大させるために、組成物を限外濾過する。シリカの濃度が１４．８乃至１６．６重量％、好ましくは１５．０重量％に達した時に、限外濾過を停止する。

１４６９ポンド（約６６６．３ｋｇ）の水を反応槽に充填し、反応槽の内容物の混合を開始し、樹脂を縣濁させる。次に、反応機の内容物を７５°Ｆ（約２３．９℃）に加熱する。５６４ポンド（約２５５．８ｋｇ）の水で希釈した１２３１ポンド（約５５８．４ｋｇ）の珪酸（Ｎａ₂Ｏに対するＳｉＯ₂のモル比が３．２６で、ｐＨが１１．２である）を、反応槽に充填する（１０分間かけて充填する）。反応槽の内容物のｐＨ及び電気伝導度を、ｐＨが９．８に達し、電気伝導度が５８００μｍｈｏ（μＳ）に達するまでは、約１０分間ごとに監視する。反応機の内容物に、（上記したような）珪酸ナトリウムを１５０ポンド添加し、ｐＨを約１０．６に上げる。容器の内容物を約２０分間攪拌し、その後、反応槽の内容物を底部からスクリーンを通して取り出した。少量の水を樹脂に通し水洗して残留生成物を取り出し、生成物に混合した。

上記データから分かるように、本発明の対象である材料は２ｌｂｓ／トン（約０．９ｋｇ／トン）の活性量で、おおよそ６０〜７０％の向上を示し、この合成酸紙料中においてフロック化の程度を増大させた。
Ｂ（２）．アルカリ性紙料の保持向上
同様の方法により、「標準アルカリ性合成紙料」について材料をテストした。ＦＢＲＭ実験も同様に行い、結果は以下のように集約される。

このテストに用いた紙料は、軟木が１３％、堅木が４９．４％、粉砕木材が６．０％及び、損紙が３１．６％から構成されるアルカリ性紙料である。澱粉（スタロックカチオン性澱粉）を、４０ｌｂｓ／トン（約１８．１ｋｇ／トン）添加した。フロック剤は、１０モル％のカチオン性ポリアクリルアミド（ｃＰＡＭ）からなるものであった。それを０．６ｌｂｓ／トン（約０．３ｋｇ／トン）添加した。添加の手順は以下の通りである。