JP4846193B2 - Easily dispersible precipitated silica cake and method for producing the same - Google Patents

Easily dispersible precipitated silica cake and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沈澱法(湿式法)で得られる沈降シリカよりなる新規な沈降シリカケーク、及び極性溶媒中に該沈降シリカケークを分散した沈降シリカ分散液に関する。詳しくは、一次粒子径が小さいにも拘わらず、水等の極性溶媒に分散する際の分散性に著しく優れた沈降シリカケーク、及び該沈降シリカケークを分散した沈降シリカ分散液を提供するものである。
【0002】
【従来技術】
シリカ分散液は、インクジェット記録シートをはじめ、紙、フィルム・樹脂・ガラス等にガスバリヤ性、耐食性、親水性、光沢性、吸液性等を付与するための各種コーティング剤や半導体ウェハーやIC絶縁膜の研磨剤、エマルジョンの安定剤等として使用される。
【0003】
従来、上記用途に好適に使用されるシリカ分散液としては、コロイダルシリカが代表的であった。コロイダルシリカは、珪酸ナトリウム溶液を原料とし、イオン交換樹脂等によって脱ナトリウム化し、適度に濃縮した後、アンモニア等によるpH調整で安定化するという工程で製造されるため、シリカが安定に且つ高度に分散したシリカ分散液を調製することができる。
【0004】
ところが、近年のシリカ分散液の需要の増大に伴い、生産性の低いコロイダルシリカに代わる、生産性の高いシリカ分散液の製造方法についての開発が望まれるようになってきた。
【0005】
また、前述したシリカ分散液の用途の一つであるインクジェット記録シートにおいて、シリカ分散液は、紙などの支持体の片面または両面にインク吸収層を形成するための塗工液原料として使用されている。一般的にインクジェット記録シートのインク吸収層に求められる特性としては、透明性、吸液性が共に高いことが挙げられる。しかしながら、前述のコロイダルシリカを塗工液原料としたインク吸収層は、透明性は高いが、吸液性が低いという問題があった。
【0006】
かかる要望に対して、珪酸アルカリ水溶液と酸とを反応せしめてシリカ粒子を析出させる、いわゆる「沈澱法」で製造される沈降シリカは生産性、吸液性に優れるため、上記分散液の材料として着目されるところである。
【0007】
上記沈降シリカを使用して該シリカ粒子が高度に分散された透明性の高い分散液を製造するためには、一次粒子径の小さい、すなわち、比表面積が高いシリカ粒子を使用することが必要である。しかし、沈降シリカは、強い凝集力を持つため、特に、比表面積の高い沈降シリカを使用した場合、凝集粒子の凝集構造が硬くなるので、極性溶媒中において、微細な凝集粒子の状態まで微粒化させることは困難である。
【0008】
そのため、上記分散性を向上させる目的で、反応、ろ過、洗浄を経て得られる沈降シリカを乾燥することなく水性ケークとして回収することにより凝集性を緩和し、該ケークの状態で沈降シリカ粒子を極性溶媒に分散させて分散性を改良しようとする試みが成され、提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0009】
しかしながら、上記方法によっても、比表面積が高い沈降シリカを対象とする場合には、高い分散性を有する沈降シリカケークを得ることは工業的に困難であり、沈降シリカが高度に分散した分散液を得るために、多大の時間と労力を必要とするばかりでなく、未だ、満足できる分散状態が達成できていないのが現状である。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−142827号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、比表面積が高い沈降シリカであるにも拘わらず、極性溶媒中への分散性が著しく向上した沈降シリカケーク、及び該沈降シリカケークを分散することによって沈降シリカが高度に分散した沈降シリカ分散液を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、沈降シリカの反応を一定の条件に制限することによって、シリカ一次粒子径が微細であるにもかかわらず、凝集構造が弱く、容易に分散できるシリカケークを得ることに成功し、本発明を完成するに至った。
【0013】
即ち、本発明は、電解質(塩基性物質を除く)又は鉱酸が投入されていない初期反応液に対して、反応液のpHを7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持し、且つ、反応温度を92〜98℃に保持しながら、珪酸アルカリと鉱酸とを該反応液に同時に添加して、反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度が50g/L以下となるように沈降シリカを生成せしめ、該沈降シリカを上記反応液より湿潤状態で分離することにより製造された、BET比表面積が220m/g以上の沈降シリカの水性ケークであって、シリカ濃度5重量%の水性分散液となるようにイオン交換水中で分散した後に、シリカ濃度が1.5重量%となるように希釈した該分散液の光散乱指数(n値)が2以上であることを特徴とする易分散性沈降シリカケーク(以下、単に「シリカケーク」ともいう)である。
【0014】
また、本発明は上記易分散性沈降シリカケークを製造する方法を提供する。
【0015】
即ち、本発明によれば、電解質(塩基性物質を除く)又は鉱酸が投入されていない初期反応液に対して、反応液のpHを7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持し、且つ、反応温度を92〜98℃に保持しながら、珪酸アルカリと鉱酸とを該反応液に同時に添加して、反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度が50g/L以下となるように沈降シリカを生成せしめ、該沈降シリカを上記反応液より湿潤状態で分離することを特徴とする易分散性沈降シリカケークの製造方法が提供される。
【0016】
更に、本発明は、上記易分散性沈降シリカケークを使用して調製される、沈降シリカを高分散した沈降シリカ分散液をも提供する。
【0017】
即ち、本発明によれば、極性溶媒中に上記易分散性沈降シリカを分散せしめた分散液であって、該分散液中のシリカ粒子の平均粒子径が300nm以下であり、且つ、500nm以上の凝集粒子の割合が5体積%以下であることを特徴とする沈降シリカ分散液が提供される。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明において、沈降シリカは、沈殿法によって製造されるシリカを総称するものである。
【0019】
一般に、沈澱法では、珪酸アルカリ水溶液と鉱酸とを反応せしめて、反応液中にシリカを析出させ、引き続いて、析出したシリカをろ過、水洗することによって沈降シリカケークを回収する。本発明では、このように反応、ろ過、洗浄して回収される沈降シリカの含水固形物であって、乾燥することなく含水したままの状態を「水性ケーク」又は「ケーク」と称する。
【0020】
本発明のシリカケークを構成する沈降シリカは、BET比表面積が220m/g以上、好ましくは、240〜400m/gの範囲であり、さらに好ましくは、250〜350m/gの範囲である。
【0021】
上記BET比表面積が220m/g未満の沈降シリカよりなるシリカケークは、分散は比較的容易であるものの、かかるBET比表面積に相当する粒子径では、後述する実施例にも示すように、透明性の高い沈降シリカ分散液を製造することが困難である。
【0022】
尚、BET比表面積とは、S.Brunaure、P.H.Emmett、E.TellerによるJ.Am.Chem.Soc., 60, 309 (1938)に記載された多分子層吸着理論を応用して測定される比表面積であり、シリカの平均一次粒子径に相当すると考えられる。例えば、粉体工学会他編「改訂増補 粉体物性図説」(1985)にもあるように、一次粒子を球形と仮定すれば、比表面積と一次粒子の平均径には下記式(1)の関係があり、比表面積が大きいほど平均一次粒子径は微小となる。
【0023】
D=6/(S・ρ) (1)
(ここで、Dは平均一次粒子径、Sは比表面積、ρは粒子の密度を示す。)
本発明のシリカケークは、上記した比較的大きいBET比表面積を有していながら、極性溶媒に分散した場合に極めて良好な分散性を示すことを特徴とする。
【0024】
即ち、本発明のシリカケークは、後述の方法でシリカ濃度5重量%の水性分散液となるようにイオン交換水中で微粒化した後に、シリカ濃度が1.5重量%となるように希釈した該分散液の光散乱指数(n値)が2以上、好ましくは、2.1以上、さらに好ましくは、2.2以上である。
【0025】
尚、上記n値は、分散液中のシリカの分散状態を表す指標であり、分散性が向上するに連れてこの値は大きくなる。従って、n値が大きいほど微細な分散状態であると考えられるので、シリカケークがもつ凝集構造の壊れ易さの指標となる。
【0026】
上記n値は、Journal of Ceramic Society ofJapan,101〔6〕,707−712(1993)に記載の方法に準じて測定した値である。即ち、市販の分光光度計を用いて、光の波長(λ)が460nm〜700nmの範囲の分散液のスペクトルを測定することにより、吸光度(τ)を求め、log(λ)に対してlog(τ)をプロットし、下記式(2)を用いて直線の傾き(−n)を最小二乗法で求める。
【0027】
τ=αλ−n (2)
(ここで、τは吸光度、αは定数、λは光の波長、そしてnは光散乱指数を示す。)
また、上記n値の測定において、沈降シリカの水性ケークより調製されるシリカ濃度5重量%の水性分散液は、該水性ケークに上記シリカ濃度となるようにイオン交換水を加え、プロペラミキサーで撹拌して予備分散を行い、得られたスラリーを、高圧ホモジナイザーを用いて処理圧力78MPaで一回処理して微粒化することにより得られたものである。
【0028】
前記したように、沈降シリカ分散液の透明性を向上せしめるためには、高い比表面積を有する沈降シリカを使用することが必要であるが、前記のように、比表面積が220m/g以上の沈降シリカは一次粒子の凝集性が極めて高く、従来のシリカケークにおいては、分散性の不足により、前記n値は高々1.6程度である。
【0029】
これに対して、本発明のシリカケークのn値は2以上という、極めて高い分散性を示す。そして、かかる高いn値を示すシリカケークにより、極性溶媒に分散した際、極めて透明性の高い安定したシリカ分散液を得ることができる。
【0030】
本発明のシリカケークの他の構成は、特に制限されないが、水分含有率が83〜93重量%の範囲であることが、シリカ分散液を製造する場合、極性溶媒中への分散がよりし易いので好ましい。さらに好適には、85〜92重量%である。
【0031】
さらに、シリカケークを水に分散して5重量%の分散液とした際のpH値が、3〜7の範囲にあるものは、シリカケークの分散性をより向上することができ好ましい。より好適には、pHが3.5〜6.5である。
【0032】
本発明のシリカケークの製造方法は特に制限されるものではないが、代表的な製造方法を例示すれば、下記の方法が挙げられる。
【0033】
即ち、本発明によれば、電解質(塩基性物質を除く)又は鉱酸が投入されていない初期反応液に対して、反応液のpHを7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持し、且つ、反応温度を92〜98℃に保持しながら、珪酸アルカリと鉱酸とを該反応液に同時に添加して、反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度が50g/L以下となるように沈降シリカを生成せしめ、該沈降シリカを上記反応液より湿潤状態で分離することを特徴とする易分散性沈降シリカケークの製造方法が提供される。
【0034】
上記製造方法において、珪酸アルカリとしては、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム等が使用できるが、工業用原料としては珪酸ナトリウムが一般的である。また、珪酸アルカリの化学式は、Mをアルカリ金属(NaやK)とすると、一般にMO・xSiOと表記される。xはSiO/MOのモル比である。
【0035】
本発明のシリカケークの製造方法に使用する珪酸アルカリのSiO/MOのモル比xは特に限定されないが、一般的には2〜4、好ましくは、3.0〜3.5のモル比のものが好適に使用できる。また、珪酸アルカリの使用時の濃度も特に限定されるものではなく、工業用として入手可能なものをそのまま反応液に添加することもできるし、適度に希釈して使用することも可能である。珪酸アルカリ中の使用時のSiO濃度で50〜300g/Lが一般的な目安である。
【0036】
前記鉱酸としては、硫酸、塩酸、硝酸等が使用できるが、工業用としては、一般に硫酸が使用される。鉱酸の濃度についても特に限定されず、工業用として入手可能なものをそのまま反応液に添加することもできるし、適度に希釈して使用することも可能である。
【0037】
以下に、本発明のシリカケークの製造方法について、より詳細に説明する。なお、下記においては、珪酸アルカリと鉱酸とが同時に添加される前の反応液を初期反応液と呼称する。
【0038】
本発明のシリカケークの製造に際しては、まず、反応槽に初期反応液を仕込み、プロペラ羽根等を使用して撹拌しつつ、ヒーターによる外部加熱や内部加熱、あるいは、スチームの導入等によって、90℃以上の温度(後述の、珪酸アルカリと鉱酸との反応時に保持されるべき温度)にあらかじめ調節する。
【0039】
上記初期反応液は、適度な濃度の珪酸アルカリ水溶液でもよいし、水酸化ナトリウム、アンモニア水、アミン類等の塩基性物質で適度にpHを調節したアルカリ性水溶液、好ましくは、pH値を7.5〜11.5の範囲内の一定値(後述の、珪酸アルカリと鉱酸との反応時に保持されるべきpH値)にあらかじめ調節したアルカリ水溶液、あるいは、水であってもよい。一般的には、適度な濃度の、例えばSiO濃度で1〜50g/L程度の濃度に調整した、珪酸アルカリ水溶液を初期反応液とするほうが、pH値を一定値に維持しやすい傾向があり、又、使用する鉱酸が少量ですむので、好ましい。また、沈澱法による沈降シリカの製造方法において一般に実施されているように、電解質、一般には硫酸ナトリウムを初期反応液に添加することも可能であるが、電解質は凝集剤として作用し、又、BET比表面積を低下させやすいので、本発明のようにBET比表面積が高く、且つ、分散性の良好な沈降シリカケークを製造する上では、使用しないほうが好ましい。尚、初期反応液を適度な濃度の珪酸アルカリ水溶液とした場合には、珪酸アルカリと鉱酸を同時に添加し始める前にpH値等を調節する目的で鉱酸を投入しておくことも可能であるが、鉱酸を投入すると、初期反応液中の珪酸アルカリと該投入された鉱酸との中和反応によって少量のシリカや前述の電解質が生成し、本発明の目的とする分散性の良好な沈降シリカケークが生成しにくくなるため、初期反応液は、鉱酸を投入されていない珪酸アルカリ水溶液であることが好ましい。
【0040】
反応液の撹拌は、反応液中の内容物の濃度分布や析出固形分の偏析を回避できるという意味で均一性を保持できる限り、特に制限されない。プロペラ羽根、タービン羽根、パドル翼を有する一般撹拌機、ディスパーミキサー等の高速回転遠心放射型撹拌機、ホモジナイザー、ホモミキサー、ウルトラミキサー等の高速回転せん断型撹拌機、コロイドミル、プラネタリミキサー等の分散機によって撹拌、もしくは、混合すればよい。また、液体搬送用のポンプ等を使用して、反応液の一部を抜き取り、別の位置から再投入するといった反応液の循環による撹拌も採用できる。
【0041】
本発明では、所定の温度、所定の濃度の初期反応液を均一に撹拌しながら、珪酸アルカリと鉱酸とを同時に添加して中和反応によって沈降シリカを生成させる操作を行うことが重要である。そして、この操作の際に、反応温度を90℃以上とし、且つ、pHを7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持することも、また、重要である。
【0042】
本発明の第一の特徴は、反応温度を上記のように90℃以上に保持することである。反応温度が90℃より低いと、得られる沈降シリカケークの分散性が低くなり、後述する分散性の指標(n値)が2より小さくなる。上記反応温度は特に、92〜98℃が実施する上では好適な温度範囲であり、さらには、93〜97℃が好ましい。
【0043】
本発明の第二の特徴は、pHを上記のように7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持することである。pH値が大きく変動すると、やはり、得られる沈降シリカケークの分散性が劣ったものとなる。とはいえ、一定値とは、多少の変動は許容されるものであり、pHの変動幅は、±0.3以内が好ましく、±0.2以内がより好ましい。反応液のpH値が7.5を下回ると、反応液がゲル化しやすい等、反応が不安定になるし、11.5を超える条件は生産性が低下する。より好ましいpH値の範囲は、8〜11であり、さらに好ましくは、pHを一定値に保持しやすい9〜11である。
【0044】
本発明の第三の特徴は、反応液のpHを上記のような一定値に保持する手段として、珪酸アルカリと鉱酸とを同時に反応液に添加する操作が採用されることである。pHを一定値に保持する手段として、緩衝剤、水酸化ナトリウム等のアルカリ、珪酸アルカリと同時に添加される鉱酸とは別の鉱酸、等を反応液に投入することが考えられる。しかしながら、緩衝剤を添加した場合には、得られるシリカケークに該緩衝剤の残渣が付着してシリカ分散液の調製時に不純物として悪影響を及ぼすおそれ(例えば、pH値の調整が困難になるとか、他の添加物との相性の悪くなる等)がある。また、上記のようにアルカリや別の鉱酸を添加することは、珪酸アルカリ及び/または鉱酸の種類、濃度、モル比x等を変えたことに実質的に等しいので本発明が規定する範囲内の操作である。
【0045】
珪酸アルカリを鉱酸で中和して沈降シリカを合成する沈澱法においては、中和反応開始から、少なくともシリカの沈降が起きるまでは、一般に、反応は反応液のpH値が7以上のアルカリ性で実施される。その際の反応形式には、大別して、適度な濃度に調整した珪酸アルカリ溶液中に鉱酸を添加する方法(反応形式A)と本発明の採用する珪酸アルカリと鉱酸とを一定条件で反応液中へ同時に添加する方法(反応形式B)との2種類がある。これら反応形式A及びBのうち、比表面積が高く分散性の優れた沈降シリカケークを容易に得ることができることから、反応形式B、即ち、珪酸アルカリと鉱酸とを一定条件で反応液中へ同時に添加する方法、を採用することが好ましい。
【0046】
尚、上記したように、初期反応液として珪酸アルカリ溶液に鉱酸を添加したものを用いることも可能であるが、中和反応初期に電解質が生成し、それが凝集剤として作用するとともに、BET比表面積を低下させやすいので、珪酸アルカリと鉱酸を同時に添加する前には鉱酸を添加しないことが、本発明の目的とするBET比表面積が高く、且つ、分散性の良好な沈降シリカケークを製造するには好ましい。
【0047】
反応形式Bによる本発明の沈降シリカケークの合成反応は、具体的には、次のように遂行される:反応槽に初期反応液として、モル比xが2〜4、SiO濃度で1〜50g/Lとなるような濃度に調整した珪酸ナトリウム水溶液を仕込み、均一になるよう撹拌しながら、90℃以上の反応温度に調整する。均一な撹拌及び反応温度を維持しながら、モル比xが2〜4でSiO濃度が50〜300g/Lとなるような濃度に調整した珪酸ナトリウム水溶液とHSO含有量が100〜1000g/L程度となるように濃度調整した硫酸とを、pHが7.5〜11.5の範囲内で一定値となるように調整しながら、同時に添加する。シリカ粒子が生成し、シリカの沈降が確認された後、所望するBET比表面積となるまで同時添加を継続する。その後、硫酸のみを添加してpHを2〜6に調整することによって反応液を安定化させ、反応を終了する。
【0048】
本発明の易分散性沈降シリカケークの製造方法としては、珪酸アルカリと鉱酸とをpHが一定値となるように制御する条件で同時に添加することを要する。特に、初期反応液に珪酸アルカリと鉱酸とを同時に添加し始め、シリカ粒子が生成し、少なくとも沈降が起きるまで、反応形式Bに従うことが分散性の高い沈降シリカケークを得るために重要である。
【0049】
反応機構の詳細は不明であるが、本発明のシリカケークの製造方法においては、pHが一定値に保持され、且つ、珪酸アルカリと鉱酸とを同時に添加するので、中和されずに反応液中に残留する珪酸アルカリの濃度がほぼ一定値に保たれ、このことによる効果として、分散性の高い沈降シリカケークが形成されるのであろうと推定される。一方、珪酸アルカリ溶液に鉱酸を添加する反応形式Aの場合、pHを一定値に保持することが困難であるばかりでなく、中和されずに反応液中に残留する珪酸アルカリ濃度が鉱酸の添加とともに次第に変化(減少)するため、分散性の低い沈降シリカが生成する場合があると推定される。
【0050】
所望のBET比表面積になるまで同時添加を実施した後は、反応液を安定化させるために、鉱酸のみを添加してpHを7以下、好ましくは2〜6にすることが望ましい。また、反応液の安定化には、珪酸アルカリと鉱酸の同時添加を一旦停止して反応液を一定時間撹拌したり、同時添加終了後に温度を保持したまま一定時間の撹拌を継続したりといった、いわゆる熟成の工程を施すことも可能である。
【0051】
本発明のシリカケークの製造方法における好適な態様として、反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度を50g/L以下、好ましくは、35〜47g/Lになるように初期反応液、同時に添加する珪酸アルカリや鉱酸の濃度、及び/または、量を設定する。このように設定することは、得られる沈降シリカのBET比表面積を前記範囲に調整するために有効である。
【0052】
本発明においては、沈澱法による沈降シリカの製造方法において一般に実施されているように、反応液中に電解質、一般には硫酸ナトリウムを適宜添加することも何ら制限なく実施できる。但し、前述の通り、電解質は凝集剤として作用し、又、BET比表面積を低下させやすいので、本発明のようなBET比表面積が高く、且つ、分散性の良好な沈降シリカケークを製造する上では、電解質を使用しないほうが好ましい。
【0053】
本発明においては、さらに、上記の反応によって得られた反応液より、ろ過によって沈降シリカを分離し、必要に応じて、水洗、及び/または、脱水し、湿潤状態で分離してシリカケークを得ることができる。湿潤状態のシリカケークの水分含有率は、前述した通り、83〜93重量%の範囲であることが、シリカ分散液を製造する場合、分散がより容易になるので好ましい。さらに好適には、85〜92重量%である。
【0054】
上記のろ過、水洗、脱水には、一般にフィルタープレス等の固液分離装置が使用される。また、水洗は、得られたシリカケークを水に分散した5重量%の分散液が3〜7のpH値、及び、20〜400μS/cmの電導度値を有するように実施することが、該シリカケークの分散性をより向上することができるので、好ましい。より好適には、pHが3.5〜6.5、電導度値が50〜300μS/cmである。
【0055】
本発明のシリカケークは、極性溶媒に対する分散性が極めて良好であり、簡単な分散操作によって沈降シリカが高度に分散したシリカ分散液を得ることができる。因みに、本発明のシリカケークを極性溶媒に分散させることによって、沈降シリカ分散液中のシリカの平均粒子径が300nm以下であり、且つ、500nm以上の凝集粒子の割合が5体積%以下である、凝集粒子が高分散した透明性の高いシリカ分散液を得ることができる。
【0056】
従来、沈降シリカを極性溶媒に分散させて得られるシリカ分散液において、上記のように凝集粒子が高分散したものは得られた例がない。その理由として、以下のような作用機構が推定される。即ち、従来の沈降シリカは一次粒子径の粒度分布が広いため、強い凝集力を有する超微細一次粒子を多量に含有し、その結果、本発明のシリカ分散液におけるような高度な分散状態まで沈降シリカを分散させることが実質的にできない。これに対して、本発明のシリカ分散液中の沈降シリカは、沈降シリカ粒子が生成する条件を上述したように限定したことによって、一次粒子の粒度分布が狭くなり、従って超微細一次粒子の含有量が少ないため、優れた分散性を有するものと推定される。
【0057】
次に、本発明の沈降シリカ分散液について説明する。
【0058】
本発明において、平均粒子径とは、沈降シリカ分散液中のシリカ凝集粒子の平均粒子径を指しており、光散乱回折式の粒度分布計で測定した時の体積基準算術平均径D50のことである。
【0059】
本発明の沈降シリカ分散液において、極性溶媒中のシリカ濃度は、用途応じて適宜必要とされる濃度にすれば良いが、シリカケークを極性溶媒中において分散した際には8〜15重量%、更に後述の濃縮方法で濃縮すれば15重量%以上にすることもできる。
【0060】
本発明のシリカケークを原料として、沈降シリカ分散液を製造する方法としては、既知のスラリー化方法を特に制限なく実施することができる。
【0061】
例えば、シリカケークと極性溶媒とを各々所定量ずつ配合した後、分散機を用いて、シリカケークを極性溶媒中において分散する方法、極性溶媒を分散槽に予め仕込んだ後、分散機を稼動させながら、徐々にシリカケークを投入し、分散する方法等を挙げることができる。また、必要に応じて、上記の手法を用いてシリカケークを極性溶媒中に分散した後に、分散液中のシリカ粒子を好適な範囲の平均粒子径まで更に微粒化するための高度な微粒化手段を施す方法が好適に採用される。
【0062】
上記の分散に用いる分散機は特に制限されないが、プロペラ羽根、タービン羽根、パドル翼を有する一般撹拌機、ディスパーミキサー等の高速回転遠心放射型撹拌機、ホモジナイザー、ホモミキサー、ウルトラミキサー等の高速回転せん断型撹拌機、コロイドミル、プラネタリミキサーなどの分散機が挙げられる。
【0063】
上記の分散機の中でも強力なせん断力を有する分散機が好適である。具体的には、高速せん断型撹拌機や、プロペラ羽根及びパドル翼に更に高速せん断型撹拌機を組み合わせた複合型分散機、プラネタリーミキサーと高速回転遠心放射型撹拌機又は高速回転せん断型撹拌機を組み合わせた複合型分散機等が挙げられる。
【0064】
本発明において、上記の高度な微粒化方法は特に制限されないが、ビーズミル、サンドミル、超音波ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー等を用いた微粒化処理が挙げられる。中でも高圧ホモジナイザーを用いた分散処理が好ましい。
【0065】
高圧ホモジナイザーを用いて、極性溶媒中にシリカが分散した予備分散液を、処理圧力30MPa以上で対向衝突させるか、或いはオリフィスの入口側と出口側の差圧が30MPa以上の条件でオリフィスを通過させることによって、沈降シリカ分散液中のシリカの平均粒子径が300nm以下であり、且つ、500nm以上の凝集粒子の割合が5体積%以下である沈降シリカ分散液を得ることができる。
【0066】
また、このようにして得られた沈降シリカ分散液は、前述したように用途に応じて適度な濃度とするため、極性溶媒により希釈する操作や各種の濃縮操作等を適宜実施することも何ら問題なく実施できる。
【0067】
上記の沈降シリカ分散液を濃縮する操作は、既知の濃縮方法を特に制限なく実施することができる。例えば、極性溶媒の沸点に昇温して行う蒸発濃縮法や減圧下で極性溶媒の沸点を下降せしめて行う減圧蒸発法、更には圧力をかけてポリスルホン、ポリアクリロニトリル、セルロース等の有機薄膜を用いて極性溶媒の除去を行う限外ろ過法などが挙げられる。
【0068】
本発明において用いられる極性溶媒は、シリカケークが分散するものであれば特に制限なく使用できる。例示すれば、水;メタノール、エタノール、2−プロパノールのようなアルコール類;エーテル類;ケトン類が使用できる。上記溶媒を2種類以上混合した分散媒も使用可能である。一般的には、水が好適に使用される。
【0069】
尚、シリカ粒子の保存安定性や分散性を向上させるために、本発明の効果を損なわない範囲で、界面活性剤や防カビ剤等を少量添加しても良い。
【0070】
また、極性溶媒中において、アニオン性を呈するシリカ粒子をカチオン性に変性する目的で、本発明の易分散性のシリカケークとカチオン性樹脂とを極性溶媒中で混合及び分散を行うことにより、カチオン変性したシリカ粒子を分散した沈降シリカ分散液、すなわち、カチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を製造することもできる。
【0071】
カチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を沈降シリカ分散液の用途の一つであるインクジェット記録シート用塗工液の原料として使用すると、該塗工液を塗工したインクジェット記録シートのインクの定着性、耐水性、画像濃度を高めることができる。
【0072】
カチオン性樹脂としては、水に溶解した時、解離してカチオン性を呈する樹脂であれば、特に制限なく使用できる。第1〜3級アミン基、または、第4級アンモニウム塩基を有する樹脂が好適である。具体的なものを例示すると、ポリエチレンイミン、ポリビニルピリジン、ポリアミンスルホン、ポリジアルキルアミノエチルメタクリレート、ポリジアルキルアミノエチルアクリレート、ポリジアルキルアミノエチルメタクリルアミド、ポリジアルキルアミノエチルアクリルアミド、ポリエポキシアミン、ポリアミドアミン、ジシアンジアミド−ホルマリン縮合物、ジシアンジアミドポリアルキル−ポリアルキレンポリアミン縮合物、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン等の化合物及びこれらの塩酸塩、更にポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド及びそのアクリルアミド等の共重合物、ポリジアリルメチルアミン塩酸塩、ポリメタクリル酸エステルメチルクロライド4級塩等を挙げることができる。
【0073】
本発明において、カチオン性樹脂の配合量は、カチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液が製造途中でゲル化することなく安定に製造でき、且つ、得られたカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の粘度を低くするために、シリカ100重量部に対して、3〜50重量部、特に3〜15重量部とすることが好ましい。
【0074】
また、カチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の粘度が高くなると、以降に続く製造工程においてハンドリング性が低下するので好ましくない。カチオン性樹脂の添加量に対するカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の安定性は、添加するカチオン性樹脂の種類により異なるため、予め実験により、該分散液の粘度が一番低くなる最適な添加量を前記添加量より選択することが好ましい。
【0075】
本発明の易分散性のシリカケークとカチオン性樹脂とを極性溶媒中において、混合・分散してカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を製造する方法は特に制限されないが、極性溶媒中に該シリカケークを分散した後に、カチオン性樹脂と混合して分散を行う方法、極性溶媒中にカチオン性樹脂を混合した後に、徐々に該シリカケークを投入し、シリカケークを分散しながら、シリカケークとカチオン性樹脂とを混合・分散する方法などが挙げられる。また、必要に応じて、上記の手法を用いてカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を調製した後に、分散液中のシリカ粒子を好適な範囲の平均粒子径まで更に微粒化するための高度な微粒化手段を施す方法が好適に採用される。
【0076】
【実施例】
以下に、本発明を具体的に説明するため、実施例及び比較例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに制限されるものではない。
【0077】
シリカケーク及びシリカ分散液に関する測定方法は、以下の通りである。
【0078】
(BET比表面積)
シリカケークを乾燥器(120℃)に24時間以上入れて乾燥した後、マイクロメリティクス社製のアサップ2010を使用して、窒素吸着量を測定し、相対圧0.2における1点法の値を採用した。
【0079】
(シリカケークの水分含有率)
シリカケーク3〜10gを秤量瓶に秤取り、105℃に保温した乾燥器中に12時間以上入れ、水分乾燥前後の重量から算出した。
【0080】
(シリカ濃度5重量%分散液のpH、電導度の測定)
予め水分含有率を測定したシリカケークとイオン交換水とを、シリカ濃度が5重量%となるように配合し、プロペラミキサーで撹拌混合してスラリー化し、市販のpH計、及び、電導度計を使用して25℃における値を測定した。
【0081】
(n値の測定)
予め水分含有率を測定したシリカケークに、シリカ濃度が5重量%となるよう、イオン交換水を加え、プロペラミキサーで撹拌することにより予備混合を行い、スラリー化した。
【0082】
得られたスラリーを、高圧ホモジナイザー(ナノマイザー製;ナノマイザー、LA−31)を用いて処理圧力78MPaで一回処理することにより、シリカ分散液を調製した。次にこのシリカ分散液の可視光吸収スペクトルを、分光光度計(日本分光製、Ubest−35型)を用いて測定した。
【0083】
まず、光路長10mmのセルを用い、参照セル及び試料セルにそれぞれイオン交換水を満たし、全波長範囲にわたってゼロ点校正を行った。次に、シリカ分散液のシリカ濃度が1.5重量%となるようにイオン交換水で希釈し、試料セルに入れて、波長(λ)460〜760nmの吸光度(τ)を測定した。log(λ)及びlog(τ)をプロットし、前述した式(2)を用いて直線の傾き(−n)を最小二乗法で求めた。
【0084】
(粒度分布及び平均粒子径の測定)
光散乱回折式の粒度分布測定装置(コールター製、コールターLS−230)を用いて、シリカの屈折率1.458、分散媒として用いている水の屈折率1.332の条件で沈降シリカ分散液の粒度分布を測定し、500nm以上の粒子の体積割合及び、体積基準算術平均径D50を算出した。この体積基準算術平均径を平均粒子径とした。
【0085】
(反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度)
反応終了時の反応混合物100mLを採取し、No.5Aろ紙を用いてろ過し、ろ過残渣にイオン交換水1Lを加えて洗浄した。この残渣を乾燥器(120℃)に24時間以上入れて乾燥した後、重量を測定し、単位反応液量(1L)中のシリカ固形分重量(g)として表示した(単位:g/L)。
【0086】
実施例1
珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度10g/L、モル比x=3.4)6Lを反応槽に仕込み、プロペラ式撹拌翼で混合しながら、加熱して95℃とした。温度を95℃に保持したまま、撹拌下に、珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度180g/L、モル比x=3.4)を32mL/min、及び、硫酸(濃度221g/L)を12mL/minで同時に反応槽へ50分間にわたり添加した。
【0087】
この間、反応液のpHは10.2〜10.5であった。同時添加終了後、95℃を保持したまま40分間撹拌を継続した。続いて、上記の硫酸をpHが3.0となるまで添加して反応スラリーを得た。シリカ固形分濃度は、42g/Lであった。
【0088】
反応スラリーを減圧ろ過し、イオン交換水にて洗浄してシリカケークを得た。このシリカケークの物性を測定したところ、水分含有率が89.5重量%、5%分散液のpHが5.1、電導度164μS/cmであった。n値は2.4であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、276m/gであった。
【0089】
実施例2
反応液中へ添加した珪酸ナトリウム溶液をSiO濃度270g/L、添加速度21mL/minとし、同時添加終了後に硫酸をpHが4.5となるまで添加した以外は、実施例1と同様の操作を実施した。
【0090】
同時添加時のpHは10.4〜10.6であった。また、反応終了時のシリカ固形分濃度は、45g/Lであった。
【0091】
反応スラリーからろ過、洗浄、脱水して得られたシリカケークの物性は、水分含有率が89.0重量%、5%分散液のpHが6.4、電導度136μS/cmであった。n値は2.5であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、265m/gであった。
【0092】
実施例3
0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液5.9Lを反応槽に仕込み、プロペラ式撹拌翼で混合しながら、加熱して93℃とした。この初期反応液へ、珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度180g/L、モル比x=3.4)を42mL/min、及び、硫酸(濃度221g/L)を12mL/minで同時に反応槽へ40分間にわたり添加した。
【0093】
この間、反応液のpHは10.0〜10.2であった。同時添加終了後、93℃を保持したまま20分間撹拌を継続した。続いて、上記の硫酸をpHが3.4となるまで添加して反応スラリーを得た。シリカ固形分濃度は、36g/Lであった。
【0094】
反応スラリーを減圧ろ過し、イオン交換水にて洗浄してシリカケークを得た。このシリカケークの物性を測定したところ、水分含有率が89.6重量%、5%分散液のpHが4.6、電導度229μS/cmであった。n値は2.9であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、316m/gであった。
【0095】
実施例4
水6.3Lを反応槽に仕込み、プロペラ式撹拌翼で混合しながら、加熱して93℃とした。この初期反応液へ、珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度270g/L、モル比x=3.4)を37mL/min、及び、硫酸(濃度221g/L)を21mL/minで同時に反応槽へ30分間にわたり添加した。
【0096】
この間、反応液のpHは9.3〜9.6であった。同時添加終了後、93℃を保持したまま10分間撹拌を継続した。続いて、上記の硫酸をpHが3.1となるまで添加して反応スラリーを得た。シリカ固形分濃度は、37g/Lであった。
【0097】
反応スラリーを減圧ろ過し、イオン交換水にて洗浄してシリカケークを得た。このシリカケークの物性を測定したところ、水分含有率が91.6重量%、5%分散液のpHが3.6、電導度247μS/cmであった。n値は2.9であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、337m/gであった。
【0098】
実施例5
水6.2Lを反応槽に仕込み、プロペラ式撹拌翼で混合しながら、加熱して94℃とした。この初期反応液へ、珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度270g/L、モル比x=3.4)を19mL/min、及び、硫酸(濃度221g/L)を9.7mL/minで同時に反応槽へ60分間にわたり添加した。
【0099】
この間、反応液のpHは9.5〜9.8であった。同時添加終了後、94℃を保持したまま30分間撹拌を継続した。続いて、上記の硫酸をpHが3.2となるまで添加して反応スラリーを得た。シリカ固形分濃度は、38g/Lであった。
【0100】
反応スラリーを減圧ろ過し、イオン交換水にて洗浄してシリカケークを得た。このシリカケークの物性を測定したところ、水分含有率が88.6重量%、5%分散液のpHが4.9、電導度92μS/cmであった。n値は2.4であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、257m/gであった。
【0101】
比較例1
珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度50g/L、モル比x=3.2)8L、及び、硫酸ナトリウム92gを反応槽中に仕込み、撹拌下に、温度を40℃として、硫酸(221g/L)を31mL/minで15分間添加した。次いで、反応液を撹拌下に温度を95℃まで昇温した。95℃に保持した状態で、上記の硫酸を5.1mL/minで反応混合物のpHが5.5になるまで加えた。生成した沈降シリカは実施例1と同様の操作でろ過、洗浄した。
【0102】
得られたシリカケークの物性は、水分含有量が88.9重量%、5%分散液のpHが6.0、n値は1.6であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、280m/gであった。
【0103】
比較例2
珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度10g/L、モル比x=3.4)2.2Lを反応槽に仕込み、反応温度を87℃に保持した。この中へ珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度90g/L、モル比x=3.4)を38mL/min、及び、硫酸(濃度221g/L)を6.5mL/minで同時に反応槽へ110分間にわたり添加した。この間、反応液のpHは10.0〜10.3であった。同時添加終了後、87℃を保持したまま10分間撹拌を継続し、引き続いて、上記の硫酸をpHが3.5となるまで添加して反応スラリーを得た。シリカ固形分濃度は、55g/Lであった。
【0104】
反応スラリーをろ過、洗浄して得られたシリカケークの物性を測定したところ、水分含有量が87.3重量%、5%分散液のpHが5.4、n値は0.9であった。また、上記沈降シリカのBET比表面積は、197m/gであった。
【0105】
比較例3
実施例1と同様の方法で得られたシリカケークを120℃に保持した乾燥器に20時間置いて乾燥後、さらに室内に24時間放置した。これをコーヒーミルで粉砕し、シリカ粉末を得た。
【0106】
得られたシリカ粉末の水分含有率は6.1重量%であり、シリカ分散液のn値は0.6であった。
【0107】
比較例4
珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度10g/L、モル比x=3.4)2.5Lを反応槽に仕込み、反応温度を80℃に保持した。この中へ珪酸ナトリウム溶液(SiO濃度90g/L、モル比x=3.4)を40mL/min、及び、硫酸(濃度221g/L)を6.8mL/minで同時に反応槽へ115分間にわたり添加した。この間、反応液のpHは10.1〜10.5であった。同時添加終了後、80℃を保持したまま10分間撹拌を継続し、引き続いて、上記の硫酸をpHが3.4となるまで添加して反応スラリーを得た。シリカ固形分濃度は、55g/Lであった。
【0108】
反応スラリーをろ過、洗浄して得られたシリカケークの物性を測定したところ、水分含有量が86.5重量%、5%分散液のpHが6.0、n値は1.2であった。また、BET比表面積は、244m/gであった。
【0109】
実施例6
実施例1で得られたシリカケークをコロイドミル(PUC社製、コロイドミルK60)により、スラリー化した後、所定量のイオン交換水を用いて希釈し、シリカ濃度10重量%のシリカスラリーを得た。このシリカスラリーを高圧ホモジナイザー(ナノマイザー製、ナノマイザーLA−31)を用いて処理圧力78MPaで微粒化処理を行い、沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は137nmであり、500nm以上の粒子の割合は0.6体積%であった。
【0110】
実施例7
シリカケークを実施例2で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は133nmであり、500nm以上の粒子の割合は0.5体積%であった。
【0111】
実施例8
シリカケークを実施例3で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は112nmであり、500nm以上の粒子の割合は0体積%であった。
【0112】
実施例9
シリカケークを実施例4で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は100nmであり、500nm以上の粒子の割合は0体積%であった。
【0113】
実施例10
シリカケークを実施例5で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は140nmであり、500nm以上の粒子の割合は0.2体積%であった。
【0114】
比較例5
シリカケークを比較例1で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は380nmであり、500nm以上の粒子の割合は12.9体積%であった。
【0115】
比較例6
シリカケークを比較例2で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は346nmであり、500nm以上の粒子の割合は13.1体積%であった。
【0116】
比較例7
イオン交換水893g中に比較例3で得られたシリカ粉末107g(水分6.1重量%)を徐々に添加しながら、ホモジナイザー(イカ製、ホモジナイザーT−25)で分散してシリカ濃度10重量%のシリカスラリーを得た。このシリカスラリーを高圧ホモジナイザー(ナノマイザー製、ナノマイザーLA−31)を用いて処理圧力78MPaで微粒化処理を行い、沈降シリカ分散液を得た。沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は18.5μmであり、500nm以上の粒子の割合は94.5体積%であった。
【0117】
比較例8
シリカケークを比較例4で得られたシリカケークとする以外は、実施例6と同様にして沈降シリカ分散液を得た。得られた沈降シリカ分散液の平均粒子径は320nmであり、500nm以上の粒子の割合は11.1体積%であった。
【0118】
実施例11
実施例1で得られたシリカケークをコロイドミル(PUC社製、コロイドミルK60)により、スラリー化した後、所定量のイオン交換水を用いて希釈し、シリカ濃度10重量%のシリカスラリーを得た。このシリカスラリー500gとジアリルメチルアミン塩酸塩重合物を20重量%の濃度で含有するカチオン性樹脂水溶液12.5gとを混合し、ウルトラミキサー(みづほ工業製、ウルトラミキサーLR−2)を用いて混合することにより、予備混合液を得た。この予備混合液を高圧ホモジナイザー(ナノマイザー製、ナノマイザーLA−31)を用いて処理圧力78MPaで微粒化処理を行い、カチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を得た。得られたカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の平均粒子径は193nmであり、500nm以上の粒子の割合は3.6体積%であった。
【0119】
実施例12
シリカケークを実施例2で得られたシリカケークとする以外は、実施例11と同様にしてカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を得た。得られたカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の平均粒子径は171nmであり、500nm以上の粒子の割合は2.6体積%であった。
【0120】
比較例9
シリカケークを比較例1で得られたシリカケークとする以外は、実施例11と同様にしてカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を得た。得られたカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の平均粒子径は3,584nmであり、500nm以上の粒子の割合は34.9体積%であった。
【0121】
比較例10
シリカケークを比較例2で得られたシリカケークとする以外は、実施例11と同様にしてカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液を得た。得られたカチオン性樹脂変性沈降シリカ分散液の平均粒子径は433nmであり、500nm以上の粒子の割合は15.4体積%であった。
【0122】
【発明の効果】
以上のように、本発明のシリカケークは、一次粒子径が小さいにも拘わらず、極性溶媒に分散する際の分散性に極めて優れたものであり、このシリカケークを使用すれば、容易に透明性の高いシリカ分散液を得ることができる。従って、シリカ分散液の生産性を格段に改善することが可能となる。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel precipitated silica cake made of precipitated silica obtained by a precipitation method (wet method), and a precipitated silica dispersion in which the precipitated silica cake is dispersed in a polar solvent. Specifically, the present invention provides a precipitated silica cake that is remarkably excellent in dispersibility when dispersed in a polar solvent such as water in spite of a small primary particle diameter, and a precipitated silica dispersion in which the precipitated silica cake is dispersed.
[0002]
[Prior art]
Silica dispersions include various coating agents, semiconductor wafers, and IC insulating films for imparting gas barrier properties, corrosion resistance, hydrophilicity, glossiness, liquid absorption, etc. to paper, film, resin, glass, etc., including inkjet recording sheets. Used as a polishing agent, an emulsion stabilizer, and the like.
[0003]
Conventionally, colloidal silica has been representative as a silica dispersion suitably used for the above applications. Colloidal silica is manufactured in a process in which sodium silicate solution is used as a raw material, desodiumized with an ion exchange resin, etc., concentrated appropriately, and then stabilized by adjusting the pH with ammonia or the like. A dispersed silica dispersion can be prepared.
[0004]
However, with the recent increase in demand for silica dispersions, it has become desirable to develop a method for producing a highly productive silica dispersion to replace colloidal silica with low productivity.
[0005]
Further, in the inkjet recording sheet which is one of the uses of the silica dispersion described above, the silica dispersion is used as a coating liquid raw material for forming an ink absorbing layer on one side or both sides of a support such as paper. Yes. In general, the characteristics required of the ink absorbing layer of an ink jet recording sheet include high transparency and liquid absorption. However, the ink absorbing layer using the above-mentioned colloidal silica as a coating liquid raw material has a problem that the liquid absorbing property is low although the transparency is high.
[0006]
In response to such a demand, precipitated silica produced by the so-called “precipitation method”, in which silica particles are precipitated by reacting an alkali silicate aqueous solution with an acid, is excellent in productivity and liquid absorption. Attention is being paid.
[0007]
In order to produce a highly transparent dispersion in which the silica particles are highly dispersed using the precipitated silica, it is necessary to use silica particles having a small primary particle size, that is, a high specific surface area. is there. However, since precipitated silica has a strong cohesive force, the aggregated structure of aggregated particles becomes hard, especially when precipitated silica with a high specific surface area is used. It is difficult to make it.
[0008]
Therefore, for the purpose of improving the dispersibility, the precipitated silica obtained through the reaction, filtration and washing is recovered as an aqueous cake without drying, thereby reducing the cohesiveness, and the precipitated silica particles are polarized in the state of the cake. Attempts have been made and proposed to improve dispersibility by dispersing in a solvent (see, for example, Patent Document 1).
[0009]
However, even when the above method is used for precipitated silica having a high specific surface area, it is industrially difficult to obtain a precipitated silica cake having high dispersibility, and a dispersion in which precipitated silica is highly dispersed is obtained. Therefore, not only a great deal of time and labor is required, but a satisfactory dispersion state has not yet been achieved.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-142827
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a precipitated silica cake having significantly improved dispersibility in a polar solvent despite the fact that it is a precipitated silica having a high specific surface area, and the precipitated silica is highly dispersed by dispersing the precipitated silica cake. It is to provide a precipitated silica dispersion.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have limited the reaction of precipitated silica to a certain condition, so that the aggregate structure is weak despite the fine silica primary particle size. The present inventors have succeeded in obtaining a silica cake that can be easily dispersed, and completed the present invention.
[0013]
That is, the present invention provides an electrolyte. (Excluding basic substances) or While maintaining the pH of the reaction solution at a constant value in the range of 7.5 to 11.5 and maintaining the reaction temperature at 92 to 98 ° C. with respect to the initial reaction solution to which no mineral acid has been added, An alkali silicate and a mineral acid are simultaneously added to the reaction solution to form precipitated silica so that the silica solid content concentration in the reaction mixture at the end of the reaction is 50 g / L or less, and the precipitated silica is added to the reaction solution. Produced by separation in a more wet state, the BET specific surface area is 220 m 2 / G or more of an aqueous cake of precipitated silica, dispersed in ion-exchanged water so as to be an aqueous dispersion having a silica concentration of 5% by weight, and then diluted such that the silica concentration becomes 1.5% by weight It is an easily dispersible precipitated silica cake (hereinafter, also simply referred to as “silica cake”) characterized in that the light scattering index (n value) of the liquid is 2 or more.
[0014]
The present invention also provides a method for producing the above-described easily dispersible precipitated silica cake.
[0015]
That is, according to the present invention, the electrolyte (Excluding basic substances) or While maintaining the pH of the reaction solution at a constant value in the range of 7.5 to 11.5 and maintaining the reaction temperature at 92 to 98 ° C. with respect to the initial reaction solution to which no mineral acid has been added, An alkali silicate and a mineral acid are simultaneously added to the reaction solution to form precipitated silica so that the silica solid content concentration in the reaction mixture at the end of the reaction is 50 g / L or less, and the precipitated silica is added to the reaction solution. Provided is a method for producing a readily dispersible precipitated silica cake characterized by separation in a more wet state.
[0016]
Furthermore, the present invention also provides a precipitated silica dispersion prepared by using the above-described easily dispersible precipitated silica cake, in which precipitated silica is highly dispersed.
[0017]
That is, according to the present invention, a dispersion in which the above-described easily dispersible precipitated silica is dispersed in a polar solvent, and the average particle diameter of the silica particles in the dispersion is 300 nm or less and 500 nm or more. A precipitated silica dispersion is provided in which the proportion of aggregated particles is 5% by volume or less.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, precipitated silica is a general term for silica produced by a precipitation method.
[0019]
In general, in the precipitation method, an aqueous silica silicate solution and a mineral acid are reacted to precipitate silica in the reaction solution. Subsequently, the precipitated silica cake is recovered by filtering and washing the precipitated silica. In the present invention, the water-containing solid matter of precipitated silica recovered by reaction, filtration, and washing in this way, which remains wet without being dried, is referred to as “aqueous cake” or “cake”.
[0020]
The precipitated silica constituting the silica cake of the present invention has a BET specific surface area of 220 m. 2 / G or more, preferably 240 to 400 m 2 / G, more preferably 250 to 350 m. 2 / G.
[0021]
The BET specific surface area is 220m 2 Although the silica cake made of precipitated silica of less than / g is relatively easy to disperse, with a particle diameter corresponding to the BET specific surface area, a highly transparent precipitated silica dispersion is used as shown in the examples described later. It is difficult to manufacture.
[0022]
The BET specific surface area is S.I. Brunaure, P.M. H. Emmett, E.M. J. Teller. Am. Chem. Soc. , 60, 309 (1938), which is a specific surface area measured by applying the multi-layer adsorption theory and is considered to correspond to the average primary particle diameter of silica. For example, as described in the Powder Engineering Society et al., “Revised Supplemental Powder Physical Properties” (1985), assuming that the primary particles are spherical, the specific surface area and the average diameter of the primary particles are expressed by the following formula (1). There is a relationship, and the larger the specific surface area, the smaller the average primary particle size.
[0023]
D = 6 / (S · ρ) (1)
(Here, D is the average primary particle size, S is the specific surface area, and ρ is the density of the particles.)
The silica cake of the present invention is characterized by exhibiting extremely good dispersibility when dispersed in a polar solvent while having the above-described relatively large BET specific surface area.
[0024]
That is, the silica cake of the present invention is dispersed in ion-exchanged water so as to become an aqueous dispersion having a silica concentration of 5% by weight by the method described later, and then diluted so that the silica concentration becomes 1.5% by weight. The light scattering index (n value) of the liquid is 2 or more, preferably 2.1 or more, and more preferably 2.2 or more.
[0025]
The n value is an index representing the dispersion state of silica in the dispersion, and this value increases as the dispersibility improves. Therefore, it can be considered that the larger the n value is, the finer the dispersion state becomes, so that it becomes an index of the fragility of the aggregate structure of the silica cake.
[0026]
The n value is a value measured according to the method described in Journal of Ceramic Society of Japan, 101 [6], 707-712 (1993). That is, using a commercially available spectrophotometer, the absorbance (τ) is obtained by measuring the spectrum of the dispersion having a light wavelength (λ) in the range of 460 nm to 700 nm, and log (λ) τ) is plotted, and the slope (−n) of the straight line is obtained by the least square method using the following equation (2).
[0027]
τ = αλ -N (2)
(Where τ is absorbance, α is a constant, λ is the wavelength of light, and n is the light scattering index.)
In addition, in the measurement of the n value, an aqueous dispersion having a silica concentration of 5% by weight prepared from an aqueous cake of precipitated silica is added with ion-exchanged water so that the silica concentration becomes the above-mentioned silica concentration, and stirred with a propeller mixer. Then, preliminary dispersion was carried out, and the obtained slurry was obtained by subjecting it to atomization by treating it once at a treatment pressure of 78 MPa using a high-pressure homogenizer.
[0028]
As described above, in order to improve the transparency of the precipitated silica dispersion, it is necessary to use precipitated silica having a high specific surface area. As described above, the specific surface area is 220 m. 2 / G or more of precipitated silica has very high primary particle agglomeration. In conventional silica cake, the n value is at most about 1.6 due to insufficient dispersibility.
[0029]
On the other hand, the n value of the silica cake of the present invention exhibits an extremely high dispersibility of 2 or more. And when it disperses | distributes to a polar solvent with this silica cake which shows such a high n value, the highly stable and stable silica dispersion liquid can be obtained.
[0030]
Although the other structure of the silica cake of the present invention is not particularly limited, when the silica dispersion is produced, it is easier to disperse in a polar solvent when the water content is in the range of 83 to 93% by weight. preferable. More preferably, it is 85 to 92% by weight.
[0031]
Furthermore, when the silica cake is dispersed in water to give a 5% by weight dispersion, a pH value in the range of 3 to 7 is preferable because the dispersibility of the silica cake can be further improved. More preferably, the pH is 3.5 to 6.5.
[0032]
Although the manufacturing method of the silica cake of this invention is not restrict | limited in particular, If the typical manufacturing method is illustrated, the following method will be mentioned.
[0033]
That is, according to the present invention, the electrolyte (Excluding basic substances) or While maintaining the pH of the reaction solution at a constant value in the range of 7.5 to 11.5 and maintaining the reaction temperature at 92 to 98 ° C. with respect to the initial reaction solution to which no mineral acid has been added, An alkali silicate and a mineral acid are simultaneously added to the reaction solution to form precipitated silica so that the silica solid content concentration in the reaction mixture at the end of the reaction is 50 g / L or less, and the precipitated silica is added to the reaction solution. Provided is a method for producing a readily dispersible precipitated silica cake characterized by separation in a more wet state.
[0034]
In the above production method, sodium silicate, potassium silicate and the like can be used as the alkali silicate, but sodium silicate is generally used as an industrial raw material. In addition, the chemical formula of alkali silicate is generally expressed as M, where M is an alkali metal (Na or K). 2 O · xSiO 2 It is written. x is SiO 2 / M 2 It is the molar ratio of O.
[0035]
SiO of alkali silicate used in the method for producing silica cake of the present invention 2 / M 2 The molar ratio x of O is not particularly limited, but generally a molar ratio of 2 to 4, preferably 3.0 to 3.5 can be suitably used. Moreover, the concentration at the time of use of the alkali silicate is not particularly limited, and those available for industrial use can be added to the reaction solution as they are, or they can be used after being appropriately diluted. SiO in use in alkali silicate 2 A concentration of 50 to 300 g / L is a general standard.
[0036]
As the mineral acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and the like can be used, but for industrial use, sulfuric acid is generally used. The concentration of the mineral acid is not particularly limited, and those available for industrial use can be added to the reaction solution as they are, or can be used after appropriately diluted.
[0037]
Below, the manufacturing method of the silica cake of this invention is demonstrated in detail. In the following, the reaction liquid before the alkali silicate and the mineral acid are added simultaneously is referred to as an initial reaction liquid.
[0038]
In the production of the silica cake of the present invention, first, the initial reaction liquid is charged into the reaction vessel, and stirred using a propeller blade or the like, external heating or internal heating by a heater, or introduction of steam, etc. (The temperature to be maintained during the reaction between the alkali silicate and the mineral acid, which will be described later).
[0039]
The initial reaction solution may be an aqueous alkali silicate solution having an appropriate concentration, or an alkaline aqueous solution whose pH is appropriately adjusted with a basic substance such as sodium hydroxide, aqueous ammonia, or amines, preferably a pH value of 7.5. It may be an aqueous alkaline solution adjusted in advance to a constant value in the range of ˜11.5 (a pH value to be maintained during the reaction between an alkali silicate and a mineral acid described later), or water. In general, a moderate concentration, eg SiO 2 When the initial reaction liquid is an alkali silicate aqueous solution adjusted to a concentration of about 1 to 50 g / L, the pH value tends to be maintained at a constant value, and a small amount of mineral acid is used. preferable. Further, as is generally practiced in the method for producing precipitated silica by the precipitation method, an electrolyte, generally sodium sulfate, can be added to the initial reaction solution, but the electrolyte acts as a flocculant, and BET Since it is easy to reduce the specific surface area, it is preferable not to use the precipitated silica cake having a high BET specific surface area and good dispersibility as in the present invention. In addition, when the initial reaction solution is an alkali silicate aqueous solution having an appropriate concentration, it is possible to add a mineral acid for the purpose of adjusting the pH value etc. before starting to add the alkali silicate and the mineral acid simultaneously. However, when a mineral acid is added, a small amount of silica or the above-mentioned electrolyte is generated by the neutralization reaction between the alkali silicate in the initial reaction solution and the added mineral acid, and the dispersibility targeted by the present invention is good. Therefore, the initial reaction liquid is preferably an alkali silicate aqueous solution to which no mineral acid is added.
[0040]
The stirring of the reaction solution is not particularly limited as long as the uniformity can be maintained in the sense that concentration distribution of contents in the reaction solution and segregation of precipitated solids can be avoided. Dispersion of general agitators with propeller blades, turbine blades, paddle blades, high-speed rotary radial agitators such as disper mixers, high-speed rotary shear type agitators such as homogenizers, homomixers, and ultramixers, colloid mills, planetary mixers, etc. What is necessary is just to stir or mix with a machine. In addition, stirring by circulation of the reaction liquid, such as extracting a part of the reaction liquid using a pump for transporting liquid and re-injecting it from another position, can be employed.
[0041]
In the present invention, it is important to perform an operation of simultaneously adding an alkali silicate and a mineral acid to produce precipitated silica by a neutralization reaction while uniformly stirring an initial reaction liquid having a predetermined temperature and a predetermined concentration. . In this operation, it is also important to set the reaction temperature to 90 ° C. or higher and maintain the pH at a constant value within the range of 7.5 to 11.5.
[0042]
The first feature of the present invention is to maintain the reaction temperature at 90 ° C. or higher as described above. When the reaction temperature is lower than 90 ° C., the dispersibility of the resulting precipitated silica cake becomes low, and the dispersibility index (n value) described later becomes smaller than 2. In particular, the reaction temperature is preferably in the range of 92 to 98 ° C, and more preferably 93 to 97 ° C.
[0043]
The second feature of the present invention is to maintain the pH at a constant value within the range of 7.5 to 11.5 as described above. If the pH value fluctuates greatly, the dispersibility of the resulting precipitated silica cake is still inferior. Nevertheless, the constant value is that some fluctuation is allowed, and the fluctuation range of pH is preferably within ± 0.3, and more preferably within ± 0.2. When the pH value of the reaction solution is less than 7.5, the reaction becomes unstable, for example, the reaction solution tends to gel, and productivity exceeding 11.5 results in a decrease in productivity. A more preferable range of the pH value is 8 to 11, and further preferably 9 to 11 in which the pH is easily maintained at a constant value.
[0044]
The third feature of the present invention is that an operation of simultaneously adding alkali silicate and mineral acid to the reaction solution is employed as means for maintaining the pH of the reaction solution at a constant value as described above. As means for maintaining the pH at a constant value, it is conceivable to introduce a buffer, an alkali such as sodium hydroxide, a mineral acid other than the mineral acid added simultaneously with the alkali silicate, and the like into the reaction solution. However, when a buffering agent is added, the residue of the buffering agent may adhere to the resulting silica cake and adversely affect as an impurity during the preparation of the silica dispersion (for example, it may be difficult to adjust the pH value, The compatibility with the other additives). In addition, the addition of an alkali or another mineral acid as described above is substantially equivalent to changing the type, concentration, molar ratio x, etc. of the alkali silicate and / or mineral acid, so the range defined by the present invention. Operation.
[0045]
In the precipitation method of synthesizing precipitated silica by neutralizing alkali silicate with mineral acid, the reaction is generally alkaline with a pH value of 7 or more from the start of the neutralization reaction until at least silica precipitation occurs. To be implemented. The reaction format at that time is roughly divided into a method of adding a mineral acid to an alkali silicate solution adjusted to an appropriate concentration (reaction format A), and an alkali silicate and mineral acid employed in the present invention are reacted under certain conditions. There are two types of methods (reaction format B), which are simultaneously added to the liquid. Among these reaction modes A and B, a precipitated silica cake having a high specific surface area and excellent dispersibility can be easily obtained. Therefore, reaction mode B, that is, alkali silicate and mineral acid are simultaneously introduced into the reaction solution under a certain condition. It is preferable to employ the method of adding.
[0046]
As described above, it is possible to use an alkali silicate solution added with a mineral acid as an initial reaction solution. However, an electrolyte is formed at the initial stage of the neutralization reaction, and it acts as a flocculant. Since it is easy to reduce the specific surface area, the addition of the mineral acid before the simultaneous addition of the alkali silicate and the mineral acid makes it possible to obtain a precipitated silica cake having a high BET specific surface area and good dispersibility. Preferred for manufacturing.
[0047]
Specifically, the synthesis reaction of the precipitated silica cake of the present invention according to reaction mode B is carried out as follows: As the initial reaction liquid in the reaction vessel, the molar ratio x is 2 to 4, SiO 2 2 A sodium silicate aqueous solution adjusted to a concentration of 1 to 50 g / L is charged, and the reaction temperature is adjusted to 90 ° C. or higher while stirring uniformly. While maintaining uniform stirring and reaction temperature, the molar ratio x is 2-4 and SiO 2 2 Sodium silicate aqueous solution adjusted to a concentration of 50 to 300 g / L and H 2 SO 4 Sulfuric acid whose concentration is adjusted so that the content is about 100 to 1000 g / L is simultaneously added while adjusting the pH to be a constant value within a range of 7.5 to 11.5. After the formation of silica particles and confirmation of silica precipitation, the simultaneous addition is continued until the desired BET specific surface area is reached. Thereafter, only the sulfuric acid is added to adjust the pH to 2 to 6, thereby stabilizing the reaction solution and terminating the reaction.
[0048]
As a manufacturing method of the easily dispersible precipitated silica cake of this invention, it is required to add simultaneously an alkali silicate and a mineral acid on the conditions controlled so that pH may become a constant value. In particular, in order to obtain a precipitated silica cake with high dispersibility, it is important to follow the reaction format B until an alkali silicate and a mineral acid are simultaneously added to the initial reaction solution until silica particles are formed and at least precipitation occurs.
[0049]
Although details of the reaction mechanism are unclear, in the method for producing silica cake of the present invention, the pH is maintained at a constant value, and the alkali silicate and the mineral acid are added at the same time. It is presumed that the concentration of the remaining alkali silicate is kept at a substantially constant value, and as a result, a precipitated silica cake with high dispersibility will be formed. On the other hand, in the case of the reaction type A in which mineral acid is added to the alkali silicate solution, not only is it difficult to maintain the pH at a constant value, but the alkali silicate concentration remaining in the reaction solution without being neutralized is the mineral acid. It is estimated that precipitated silica with low dispersibility may be produced because it gradually changes (decreases) with the addition of.
[0050]
After simultaneous addition until the desired BET specific surface area is achieved, it is desirable to add only mineral acid to bring the pH to 7 or less, preferably 2 to 6 in order to stabilize the reaction solution. In order to stabilize the reaction solution, the simultaneous addition of alkali silicate and mineral acid is temporarily stopped and the reaction solution is stirred for a certain time, or the stirring is continued for a certain time while maintaining the temperature after the completion of the simultaneous addition. It is also possible to perform a so-called aging process.
[0051]
As a preferred embodiment in the method for producing silica cake of the present invention, the initial reaction liquid is added simultaneously so that the silica solid content concentration in the reaction mixture at the end of the reaction is 50 g / L or less, preferably 35 to 47 g / L. The concentration and / or amount of alkali silicate or mineral acid is set. Setting in this way is effective for adjusting the BET specific surface area of the obtained precipitated silica to the above range.
[0052]
In the present invention, as is generally performed in the method for producing precipitated silica by the precipitation method, an electrolyte, generally sodium sulfate, can be appropriately added to the reaction solution without any limitation. However, as described above, the electrolyte acts as a flocculant and also tends to lower the BET specific surface area. Therefore, in producing a precipitated silica cake having a high BET specific surface area and good dispersibility as in the present invention. It is preferable not to use an electrolyte.
[0053]
In the present invention, the precipitated silica is further separated from the reaction solution obtained by the above reaction by filtration, and if necessary, washed with water and / or dehydrated and separated in a wet state to obtain a silica cake. Can do. As described above, the moisture content of the wet silica cake is preferably in the range of 83 to 93% by weight when the silica dispersion is produced because the dispersion becomes easier. More preferably, it is 85 to 92% by weight.
[0054]
A solid-liquid separation device such as a filter press is generally used for the filtration, washing with water and dehydration. Further, the washing with water is carried out so that a 5 wt% dispersion obtained by dispersing the obtained silica cake in water has a pH value of 3 to 7 and an electric conductivity value of 20 to 400 μS / cm. Since the dispersibility of can be improved more, it is preferable. More preferably, the pH is 3.5 to 6.5 and the conductivity value is 50 to 300 μS / cm.
[0055]
The silica cake of the present invention has very good dispersibility in polar solvents, and a silica dispersion in which precipitated silica is highly dispersed can be obtained by a simple dispersion operation. Incidentally, by dispersing the silica cake of the present invention in a polar solvent, the average particle diameter of silica in the precipitated silica dispersion is 300 nm or less, and the ratio of aggregated particles of 500 nm or more is 5% by volume or less. A highly transparent silica dispersion in which particles are highly dispersed can be obtained.
[0056]
Conventionally, there is no example of a silica dispersion obtained by dispersing precipitated silica in a polar solvent in which aggregated particles are highly dispersed as described above. The reason is estimated as follows. That is, the conventional precipitated silica has a wide primary particle size particle size distribution, so it contains a large amount of ultrafine primary particles having strong cohesive force, and as a result, settled to a highly dispersed state as in the silica dispersion of the present invention. Silica cannot be substantially dispersed. On the other hand, the precipitated silica in the silica dispersion of the present invention has a narrow primary particle size distribution by limiting the conditions under which the precipitated silica particles are generated as described above, and therefore contains ultrafine primary particles. Since the amount is small, it is presumed to have excellent dispersibility.
[0057]
Next, the precipitated silica dispersion of the present invention will be described.
[0058]
In the present invention, the average particle diameter refers to the average particle diameter of the silica agglomerated particles in the precipitated silica dispersion, and is a volume-based arithmetic average diameter D as measured with a light scattering diffraction type particle size distribution meter. 50 That is.
[0059]
In the precipitated silica dispersion of the present invention, the silica concentration in the polar solvent may be a concentration required as appropriate depending on the application, but when the silica cake is dispersed in the polar solvent, it is 8 to 15% by weight, If it concentrates with the below-mentioned concentration method, it can also be 15 weight% or more.
[0060]
As a method for producing a precipitated silica dispersion using the silica cake of the present invention as a raw material, a known slurrying method can be carried out without particular limitation.
[0061]
For example, after blending a predetermined amount each of silica cake and polar solvent, using a disperser, a method of dispersing silica cake in a polar solvent, after pre-charging the polar solvent in a dispersion tank, and operating the disperser, Examples of the method include gradually adding and dispersing silica cake. In addition, if necessary, an advanced atomization means for further atomizing the silica particles in the dispersion to an average particle diameter in a suitable range after dispersing the silica cake in a polar solvent using the above method. The applying method is preferably employed.
[0062]
The disperser used for the above dispersion is not particularly limited, but a high-speed rotation such as a general stirrer having propeller blades, turbine blades, paddle blades, a high-speed centrifugal radial stirrer such as a disper mixer, a high-speed rotation such as a homogenizer, a homomixer, or an ultramixer. Dispersers such as a shearing stirrer, a colloid mill, and a planetary mixer can be used.
[0063]
Among the above dispersers, a disperser having a strong shearing force is suitable. Specifically, a high-speed shearing stirrer, a composite disperser in which a high-speed shearing stirrer is further combined with a propeller blade and a paddle blade, a planetary mixer and a high-speed rotating centrifugal radiation stirrer, or a high-speed rotating shearing stirrer And a composite type disperser combining the above.
[0064]
In the present invention, the above-described advanced atomization method is not particularly limited, and examples thereof include atomization treatment using a bead mill, a sand mill, an ultrasonic homogenizer, a high-pressure homogenizer, and the like. Among these, a dispersion treatment using a high-pressure homogenizer is preferable.
[0065]
Using a high-pressure homogenizer, a pre-dispersion liquid in which silica is dispersed in a polar solvent is caused to collide oppositely at a treatment pressure of 30 MPa or more, or is passed through the orifice under a condition where the differential pressure between the inlet side and the outlet side of the orifice is 30 MPa or more. Thus, a precipitated silica dispersion in which the average particle diameter of silica in the precipitated silica dispersion is 300 nm or less and the ratio of aggregated particles of 500 nm or more is 5% by volume or less can be obtained.
[0066]
In addition, since the precipitated silica dispersion obtained in this manner has an appropriate concentration according to the use as described above, it is not a problem to perform an operation of diluting with a polar solvent or various concentration operations as appropriate. Can be implemented.
[0067]
The operation of concentrating the precipitated silica dispersion can be carried out without any particular limitation using a known concentration method. For example, evaporative concentration method in which the boiling point of the polar solvent is raised, reduced pressure evaporation method in which the boiling point of the polar solvent is lowered under reduced pressure, and organic thin films such as polysulfone, polyacrylonitrile, cellulose, etc. are applied under pressure. And an ultrafiltration method for removing the polar solvent.
[0068]
The polar solvent used in the present invention can be used without particular limitation as long as the silica cake is dispersed. For example, water; alcohols such as methanol, ethanol and 2-propanol; ethers; ketones can be used. A dispersion medium in which two or more of the above solvents are mixed can also be used. In general, water is preferably used.
[0069]
In addition, in order to improve the storage stability and dispersibility of the silica particles, a small amount of a surfactant, an antifungal agent or the like may be added within a range not impairing the effects of the present invention.
[0070]
In addition, in order to modify the anionic silica particles into a cationic solvent in a polar solvent, the easily dispersible silica cake of the present invention and a cationic resin are mixed and dispersed in a polar solvent, thereby performing a cation modification. A precipitated silica dispersion in which the silica particles are dispersed, that is, a cationic resin-modified precipitated silica dispersion can also be produced.
[0071]
When the cationic resin-modified precipitated silica dispersion is used as a raw material for a coating liquid for an inkjet recording sheet, which is one of the uses of the precipitated silica dispersion, the ink fixability of the inkjet recording sheet coated with the coating liquid, Water resistance and image density can be increased.
[0072]
Any cationic resin can be used without particular limitation as long as it is a resin that dissociates and becomes cationic when dissolved in water. Resins having primary to tertiary amine groups or quaternary ammonium bases are preferred. Specific examples include polyethyleneimine, polyvinyl pyridine, polyamine sulfone, polydialkylaminoethyl methacrylate, polydialkylaminoethyl acrylate, polydialkylaminoethyl methacrylamide, polydialkylaminoethyl acrylamide, polyepoxyamine, polyamidoamine, dicyandiamide. -Formalin condensate, dicyandiamide polyalkyl-polyalkylene polyamine condensate, compounds such as polyvinylamine, polyallylamine and their hydrochlorides, further polydiallyldimethylammonium chloride and copolymers thereof such as acrylamide, polydiallylmethylamine hydrochloride And polymethacrylic acid ester methyl chloride quaternary salt.
[0073]
In the present invention, the amount of the cationic resin is such that the cationic resin-modified precipitated silica dispersion can be stably produced without gelation during the production, and the viscosity of the obtained cationic resin-modified precipitated silica dispersion is In order to make it low, it is preferable to set it as 3-50 weight part with respect to 100 weight part of silica, especially 3-15 weight part.
[0074]
Moreover, it is not preferable that the viscosity of the cationic resin-modified precipitated silica dispersion is increased because the handling property is lowered in the subsequent production process. The stability of the cationic resin-modified precipitated silica dispersion with respect to the addition amount of the cationic resin differs depending on the type of the cationic resin to be added. It is preferable to select from the added amount.
[0075]
The method for producing a cationic resin-modified precipitated silica dispersion by mixing and dispersing the easily dispersible silica cake and the cationic resin in a polar solvent is not particularly limited, but the silica cake is dispersed in the polar solvent. After mixing the cationic resin and dispersing, after mixing the cationic resin in the polar solvent, gradually add the silica cake, while dispersing the silica cake, the silica cake and the cationic resin are mixed. Examples include a method of dispersing. In addition, if necessary, after preparing a cationic resin-modified precipitated silica dispersion using the above technique, advanced fine particles for further atomizing the silica particles in the dispersion to an average particle diameter in a suitable range. A method of applying the adjusting means is preferably employed.
[0076]
【Example】
In the following, examples and comparative examples are shown to specifically describe the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
[0077]
The measuring method regarding the silica cake and the silica dispersion is as follows.
[0078]
(BET specific surface area)
After the silica cake is put in a dryer (120 ° C.) for 24 hours or more and dried, the amount of nitrogen adsorption is measured using Asap 2010 manufactured by Micromeritics, and the value of the one-point method at a relative pressure of 0.2 Adopted.
[0079]
(Moisture content of silica cake)
3 to 10 g of silica cake was weighed in a weighing bottle, placed in a dryer kept at 105 ° C. for 12 hours or more, and calculated from the weight before and after moisture drying.
[0080]
(Measurement of pH and conductivity of dispersion with silica concentration of 5% by weight)
Mix the silica cake and the ion-exchanged water whose water content has been measured in advance so that the silica concentration is 5% by weight, stir and mix with a propeller mixer to make a slurry, and use a commercially available pH meter and conductivity meter Then, the value at 25 ° C. was measured.
[0081]
(Measurement of n value)
Ion exchange water was added to a silica cake whose moisture content was measured in advance so that the silica concentration was 5% by weight, and premixed by stirring with a propeller mixer to form a slurry.
[0082]
A silica dispersion was prepared by treating the obtained slurry once with a high pressure homogenizer (manufactured by Nanomizer; Nanomizer, LA-31) at a treatment pressure of 78 MPa. Next, the visible light absorption spectrum of this silica dispersion was measured using a spectrophotometer (manufactured by JASCO, Ubest-35 type).
[0083]
First, using a cell having an optical path length of 10 mm, the reference cell and the sample cell were each filled with ion-exchanged water, and zero point calibration was performed over the entire wavelength range. Next, the silica dispersion was diluted with ion-exchanged water so that the silica concentration was 1.5% by weight, placed in a sample cell, and the absorbance (τ) at a wavelength (λ) of 460 to 760 nm was measured. Log (λ) and log (τ) were plotted, and the slope (−n) of the straight line was determined by the least square method using the above-described equation (2).
[0084]
(Measurement of particle size distribution and average particle size)
Using a light scattering diffraction type particle size distribution measuring apparatus (Coulter, Coulter LS-230), a precipitated silica dispersion liquid under the conditions of a refractive index of 1.458 for silica and a refractive index of 1.332 for water used as a dispersion medium. The particle size distribution is measured, the volume ratio of particles of 500 nm or more, and the volume-based arithmetic average diameter D 50 Was calculated. This volume-based arithmetic average diameter was taken as the average particle diameter.
[0085]
(Silica solid content concentration in the reaction mixture at the end of the reaction)
Collect 100 mL of the reaction mixture at the end of the reaction. The mixture was filtered using 5A filter paper, and washed with 1 L of ion-exchanged water added to the filtration residue. The residue was placed in a dryer (120 ° C.) for 24 hours or more and dried, and then the weight was measured and displayed as the silica solid content weight (g) in the unit reaction liquid amount (1 L) (unit: g / L). .
[0086]
Example 1
Sodium silicate solution (SiO 2 A concentration of 10 g / L, molar ratio x = 3.4) 6 L was charged into a reaction vessel and heated to 95 ° C. while mixing with a propeller-type stirring blade. While maintaining the temperature at 95 ° C., the sodium silicate solution (SiO 2 2 Concentration 180 g / L, molar ratio x = 3.4) was added to the reaction vessel at a rate of 32 mL / min and sulfuric acid (concentration 221 g / L) at 12 mL / min over 50 minutes.
[0087]
During this time, the pH of the reaction solution was 10.2 to 10.5. After completion of the simultaneous addition, stirring was continued for 40 minutes while maintaining 95 ° C. Subsequently, the above-mentioned sulfuric acid was added until the pH reached 3.0 to obtain a reaction slurry. The silica solid content concentration was 42 g / L.
[0088]
The reaction slurry was filtered under reduced pressure and washed with ion-exchanged water to obtain a silica cake. When the physical properties of this silica cake were measured, the water content was 89.5% by weight, the pH of the 5% dispersion was 5.1, and the conductivity was 164 μS / cm. The n value was 2.4. The BET specific surface area of the precipitated silica is 276 m. 2 / G.
[0089]
Example 2
The sodium silicate solution added to the reaction solution is dissolved in SiO. 2 The same operation as in Example 1 was performed except that the concentration was 270 g / L, the addition rate was 21 mL / min, and sulfuric acid was added until the pH reached 4.5 after the completion of the simultaneous addition.
[0090]
The pH at the time of simultaneous addition was 10.4 to 10.6. The silica solid content concentration at the end of the reaction was 45 g / L.
[0091]
The physical properties of the silica cake obtained by filtration, washing and dehydration from the reaction slurry were a water content of 89.0% by weight, a 5% dispersion having a pH of 6.4 and an electrical conductivity of 136 μS / cm. The n value was 2.5. The BET specific surface area of the precipitated silica is 265 m. 2 / G.
[0092]
Example 3
5.9 L of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution was charged into the reaction vessel and heated to 93 ° C. while mixing with a propeller type stirring blade. To this initial reaction solution, a sodium silicate solution (SiO 2 Concentration 180 g / L, molar ratio x = 3.4) was added to the reaction vessel at a rate of 42 mL / min and sulfuric acid (concentration 221 g / L) at 12 mL / min over 40 minutes.
[0093]
During this time, the pH of the reaction solution was 10.0 to 10.2. After completion of the simultaneous addition, stirring was continued for 20 minutes while maintaining 93 ° C. Subsequently, the above-mentioned sulfuric acid was added until the pH became 3.4 to obtain a reaction slurry. The silica solid content concentration was 36 g / L.
[0094]
The reaction slurry was filtered under reduced pressure and washed with ion-exchanged water to obtain a silica cake. When the physical properties of this silica cake were measured, the water content was 89.6 wt%, the pH of the 5% dispersion was 4.6, and the conductivity was 229 μS / cm. The n value was 2.9. The BET specific surface area of the precipitated silica is 316 m. 2 / G.
[0095]
Example 4
6.3 L of water was charged into the reaction vessel and heated to 93 ° C. while mixing with a propeller stirring blade. To this initial reaction solution, a sodium silicate solution (SiO 2 Concentration 270 g / L, molar ratio x = 3.4) was added to the reaction vessel at 37 mL / min and sulfuric acid (concentration 221 g / L) at 21 mL / min simultaneously over 30 minutes.
[0096]
During this time, the pH of the reaction solution was 9.3 to 9.6. After completion of the simultaneous addition, stirring was continued for 10 minutes while maintaining 93 ° C. Subsequently, the above-mentioned sulfuric acid was added until the pH became 3.1 to obtain a reaction slurry. The silica solid content concentration was 37 g / L.
[0097]
The reaction slurry was filtered under reduced pressure and washed with ion-exchanged water to obtain a silica cake. When the physical properties of the silica cake were measured, the water content was 91.6% by weight, the pH of the 5% dispersion was 3.6, and the conductivity was 247 μS / cm. The n value was 2.9. The precipitated silica has a BET specific surface area of 337 m. 2 / G.
[0098]
Example 5
6.2 L of water was charged into the reaction vessel and heated to 94 ° C. while mixing with a propeller stirring blade. To this initial reaction solution, a sodium silicate solution (SiO 2 Concentration 270 g / L, molar ratio x = 3.4) was added to the reaction vessel simultaneously at 19 mL / min and sulfuric acid (concentration 221 g / L) at 9.7 mL / min over 60 minutes.
[0099]
During this time, the pH of the reaction solution was 9.5 to 9.8. After completion of the simultaneous addition, stirring was continued for 30 minutes while maintaining 94 ° C. Subsequently, the above-mentioned sulfuric acid was added until the pH became 3.2 to obtain a reaction slurry. The silica solid content concentration was 38 g / L.
[0100]
The reaction slurry was filtered under reduced pressure and washed with ion-exchanged water to obtain a silica cake. When the physical properties of this silica cake were measured, the water content was 88.6% by weight, the pH of the 5% dispersion was 4.9, and the conductivity was 92 μS / cm. The n value was 2.4. The BET specific surface area of the precipitated silica is 257 m. 2 / G.
[0101]
Comparative Example 1
Sodium silicate solution (SiO 2 Concentration 50 g / L, molar ratio x = 3.2) 8 L and sodium sulfate 92 g were charged into the reaction vessel, the temperature was 40 ° C. with stirring, and sulfuric acid (221 g / L) was added at 31 mL / min for 15 minutes Added. Next, the temperature of the reaction solution was raised to 95 ° C. with stirring. While maintaining the temperature at 95 ° C., the above sulfuric acid was added at 5.1 mL / min until the pH of the reaction mixture reached 5.5. The produced precipitated silica was filtered and washed in the same manner as in Example 1.
[0102]
Regarding the physical properties of the obtained silica cake, the water content was 88.9% by weight, the pH of the 5% dispersion was 6.0, and the n value was 1.6. The precipitated silica has a BET specific surface area of 280 m. 2 / G.
[0103]
Comparative Example 2
Sodium silicate solution (SiO 2 A reactor was charged with a concentration of 10 g / L and a molar ratio x = 3.4) of 2.2 L, and the reaction temperature was maintained at 87 ° C. Sodium silicate solution (SiO 2 Concentration 90 g / L, molar ratio x = 3.4) was added to the reaction vessel at 38 mL / min and sulfuric acid (concentration 221 g / L) at 6.5 mL / min simultaneously over 110 minutes. During this time, the pH of the reaction solution was 10.0 to 10.3. After completion of the simultaneous addition, stirring was continued for 10 minutes while maintaining 87 ° C., and then the sulfuric acid was added until the pH reached 3.5 to obtain a reaction slurry. The silica solid content concentration was 55 g / L.
[0104]
When the physical properties of the silica cake obtained by filtering and washing the reaction slurry were measured, the water content was 87.3% by weight, the pH of the 5% dispersion was 5.4, and the n value was 0.9. The precipitated silica has a BET specific surface area of 197 m. 2 / G.
[0105]
Comparative Example 3
The silica cake obtained by the same method as in Example 1 was placed in a drier kept at 120 ° C. for 20 hours, dried, and then left in the room for 24 hours. This was pulverized with a coffee mill to obtain silica powder.
[0106]
The water content of the obtained silica powder was 6.1% by weight, and the n value of the silica dispersion was 0.6.
[0107]
Comparative Example 4
Sodium silicate solution (SiO 2 2.5 L of concentration 10 g / L, molar ratio x = 3.4) was charged into the reaction vessel, and the reaction temperature was maintained at 80 ° C. Sodium silicate solution (SiO 2 Concentration 90 g / L, molar ratio x = 3.4) was added to the reaction vessel at 40 mL / min and sulfuric acid (concentration 221 g / L) at 6.8 mL / min simultaneously over 115 minutes. During this time, the pH of the reaction solution was 10.1 to 10.5. After completion of the simultaneous addition, stirring was continued for 10 minutes while maintaining the temperature at 80 ° C., and then the sulfuric acid was added until the pH reached 3.4 to obtain a reaction slurry. The silica solid content concentration was 55 g / L.
[0108]
When the physical properties of the silica cake obtained by filtering and washing the reaction slurry were measured, the water content was 86.5% by weight, the pH of the 5% dispersion was 6.0, and the n value was 1.2. The BET specific surface area is 244 m. 2 / G.
[0109]
Example 6
The silica cake obtained in Example 1 was slurried with a colloid mill (manufactured by PUC, colloid mill K60), and then diluted with a predetermined amount of ion-exchanged water to obtain a silica slurry having a silica concentration of 10% by weight. . The silica slurry was atomized using a high-pressure homogenizer (Nanomizer LA-31, manufactured by Nanomizer) at a treatment pressure of 78 MPa to obtain a precipitated silica dispersion. The resulting precipitated silica dispersion had an average particle size of 137 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 0.6% by volume.
[0110]
Example 7
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Example 2 was used as the silica cake. The obtained precipitated silica dispersion had an average particle size of 133 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 0.5% by volume.
[0111]
Example 8
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Example 3 was used as the silica cake. The average particle diameter of the obtained precipitated silica dispersion was 112 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 0% by volume.
[0112]
Example 9
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Example 4 was used as the silica cake. The average particle diameter of the obtained precipitated silica dispersion was 100 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 0% by volume.
[0113]
Example 10
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Example 5 was used as the silica cake. The average particle diameter of the obtained precipitated silica dispersion was 140 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 0.2% by volume.
[0114]
Comparative Example 5
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Comparative Example 1 was used as the silica cake. The average particle size of the obtained precipitated silica dispersion was 380 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 12.9% by volume.
[0115]
Comparative Example 6
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Comparative Example 2 was used as the silica cake. The average particle diameter of the obtained precipitated silica dispersion was 346 nm, and the ratio of particles of 500 nm or more was 13.1% by volume.
[0116]
Comparative Example 7
While gradually adding 107 g of the silica powder obtained in Comparative Example 3 (moisture 6.1% by weight) to 893 g of ion-exchanged water, the silica concentration was dispersed by a homogenizer (made by Squid, homogenizer T-25) and the silica concentration was 10% by weight. A silica slurry was obtained. The silica slurry was atomized using a high-pressure homogenizer (Nanomizer LA-31, manufactured by Nanomizer) at a treatment pressure of 78 MPa to obtain a precipitated silica dispersion. A precipitated silica dispersion was obtained. The average particle diameter of the obtained precipitated silica dispersion was 18.5 μm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 94.5% by volume.
[0117]
Comparative Example 8
A precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the silica cake obtained in Comparative Example 4 was used as the silica cake. The average particle size of the obtained precipitated silica dispersion was 320 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 11.1% by volume.
[0118]
Example 11
The silica cake obtained in Example 1 was slurried with a colloid mill (manufactured by PUC, colloid mill K60), and then diluted with a predetermined amount of ion-exchanged water to obtain a silica slurry having a silica concentration of 10% by weight. . 500 g of this silica slurry and 12.5 g of a cationic resin aqueous solution containing diallylmethylamine hydrochloride polymer at a concentration of 20% by weight are mixed and mixed using an ultra mixer (manufactured by Mizuho Kogyo Co., Ltd., Ultra Mixer LR-2). As a result, a premixed liquid was obtained. The premixed solution was subjected to atomization treatment at a treatment pressure of 78 MPa using a high-pressure homogenizer (Nanomizer LA-31, manufactured by Nanomizer) to obtain a cationic resin-modified precipitated silica dispersion. The obtained cationic resin-modified precipitated silica dispersion had an average particle size of 193 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 3.6% by volume.
[0119]
Example 12
A cationic resin-modified precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 11 except that the silica cake obtained in Example 2 was used as the silica cake. The obtained cationic resin-modified precipitated silica dispersion had an average particle size of 171 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 2.6% by volume.
[0120]
Comparative Example 9
A cationic resin-modified precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 11 except that the silica cake obtained in Comparative Example 1 was used as the silica cake. The obtained cationic resin-modified precipitated silica dispersion had an average particle size of 3,584 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 34.9% by volume.
[0121]
Comparative Example 10
A cationic resin-modified precipitated silica dispersion was obtained in the same manner as in Example 11 except that the silica cake obtained in Comparative Example 2 was used as the silica cake. The obtained cationic resin-modified precipitated silica dispersion had an average particle size of 433 nm, and the proportion of particles of 500 nm or more was 15.4% by volume.
[0122]
【The invention's effect】
As described above, the silica cake of the present invention is extremely excellent in dispersibility when dispersed in a polar solvent even though the primary particle diameter is small, and if this silica cake is used, it is easily transparent. A high silica dispersion can be obtained. Therefore, the productivity of the silica dispersion can be significantly improved.

Claims (7)

電解質(塩基性物質を除く)又は鉱酸が投入されていない初期反応液に対して、反応液のpHを7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持し、且つ、反応温度を92〜98℃に保持しながら、珪酸アルカリと鉱酸とを該反応液に同時に添加して、反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度が50g/L以下となるように沈降シリカを生成せしめ、該沈降シリカを上記反応液より湿潤状態で分離することにより製造された、BET比表面積が220m/g以上の沈降シリカの水性ケークであって、シリカ濃度5重量%の水性分散液となるようにイオン交換水中で分散した後、シリカ濃度が1.5重量%となるように希釈した該分散液の光散乱指数(n値)が2以上であることを特徴とする易分散性沈降シリカケーク。Maintain the pH of the reaction solution at a constant value within the range of 7.5 to 11.5 with respect to the initial reaction solution in which no electrolyte (excluding basic substances) or mineral acid is added, and the reaction temperature is While maintaining at 92-98 ° C., alkali silicate and mineral acid are simultaneously added to the reaction solution to produce precipitated silica so that the silica solids concentration in the reaction mixture at the end of the reaction is 50 g / L or less. And an aqueous cake of precipitated silica having a BET specific surface area of 220 m 2 / g or more produced by separating the precipitated silica in a wet state from the reaction solution, After the dispersion in ion-exchanged water, the dispersion liquid diluted to have a silica concentration of 1.5% by weight has a light scattering index (n value) of 2 or more. Silica cake. 水分含有率が83〜93重量%の範囲にある請求項1記載の易分散性沈降シリカケーク。  The easily dispersible precipitated silica cake according to claim 1, wherein the water content is in the range of 83 to 93% by weight. 電解質(塩基性物質を除く)又は鉱酸が投入されていない初期反応液に対して、反応液のpHを7.5〜11.5の範囲内で一定値に保持し、且つ、反応温度を92〜98℃に保持しながら、珪酸アルカリと鉱酸とを該反応液に同時に添加して、反応終了時の反応混合物中のシリカ固形分濃度が50g/L以下となるように沈降シリカを生成せしめ、該沈降シリカを上記反応液より湿潤状態で分離することを特徴とする、請求項1記載の易分散性沈降シリカケークの製造方法。Maintain the pH of the reaction solution at a constant value within the range of 7.5 to 11.5 with respect to the initial reaction solution in which no electrolyte (excluding basic substances) or mineral acid is added, and the reaction temperature is While maintaining at 92-98 ° C., alkali silicate and mineral acid are simultaneously added to the reaction solution to produce precipitated silica so that the silica solids concentration in the reaction mixture at the end of the reaction is 50 g / L or less. The method for producing an easily dispersible precipitated silica cake according to claim 1 , wherein the precipitated silica is separated from the reaction solution in a wet state. 極性溶媒中に請求項1記載の易分散性沈降シリカケークを分散せしめた分散液であって、該分散液中に存在する沈降シリカ粒子の平均粒子径が300nm以下であり、且つ、粒子径500nm以上の凝集粒子の割合が5体積%以下であることを特徴とする沈降シリカ分散液。  A dispersion obtained by dispersing the easily dispersible precipitated silica cake according to claim 1 in a polar solvent, wherein the average particle diameter of the precipitated silica particles present in the dispersion is 300 nm or less, and the particle diameter is 500 nm or more. A precipitated silica dispersion, wherein the ratio of the aggregated particles is 5% by volume or less. 更に、カチオン性樹脂を分散せしめた請求項4記載の沈降シリカ分散液。  The precipitated silica dispersion according to claim 4, further comprising a cationic resin dispersed therein. 極性溶媒中で請求項1記載の沈降シリカケークを分散したシリカスラリーを高圧ホモジナイザーにより微粒化処理することを特徴とする請求項4記載の沈降シリカ分散液の製造方法。  5. The method for producing a precipitated silica dispersion according to claim 4, wherein the silica slurry in which the precipitated silica cake according to claim 1 is dispersed in a polar solvent is atomized by a high-pressure homogenizer. 極性溶媒中で請求項1記載の沈降シリカケークとカチオン性樹脂を分散した予備混合液を高圧ホモジナイザーにより微粒化処理することを特徴とする請求項5記載の沈降シリカ分散液の製造方法。  6. The method for producing a precipitated silica dispersion according to claim 5, wherein the premixed liquid in which the precipitated silica cake according to claim 1 and the cationic resin are dispersed in a polar solvent is subjected to atomization treatment by a high-pressure homogenizer.
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