KR102288926B1 - 안정한 수성 콜로이드 실리카 생성물,및 이를 제조하고 이용하는 방법 - Google Patents

안정한 수성 콜로이드 실리카 생성물,및 이를 제조하고 이용하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수성 콜로이드 실리카 생성물, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 이용하는 방법, 및 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다. 수성 콜로이드 실리카 생성물의 생성 방법은 요망되는 물리적 및 화학적 특성을 갖는 수성 콜로이드 실리카 생성물을 달성할 수 있는, 알칼리 금속 실리케이트의 반-배치식 첨가를 포함한다. 수성 콜로이드 실리카 생성물은 제지 공정에서 첨가제로서 특히 유용한 것으로 나타났다.

Description

안정한 수성 콜로이드 실리카 생성물,및 이를 제조하고 이용하는 방법 {STABLE AQUEOUS COLLOIDAL SILICA PRODUCT, AND METHODS TO MAKE AND USE SAME}
본 발명의 적어도 한 구체예는 높은 표면적 및 향상된 안정성을 유지하면서 높은 고체 함량 및 낮은 점도를 지닌 콜로이드 실리카 졸에 관한 것이다. 또한, 이러한 콜로이드 실리카 졸을 제조하기 위한 반-배치식 첨가(semi-batch addition)를 포함하는 새로운 공정 및 제지에서의 이러한 콜로이드 실리카 졸의 용도에 관한 것이다. 본 발명의 적어도 한 구체예는 수성 콜로이드 실리카 생성물, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 사용하는 방법, 및 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다. 수성 콜로이드 실리카 생성물은 안정하고, 16-18중량% 범위의 콜로이드 실리카 고체 농도(즉, 16-18 중량%의 SiO2 고체)를 갖고, 통상적인 생산 방법을 통해 생산되는 생성물에 대해 달성될 수 있을 것으로 여겨지는 것보다 낮은 점도를 갖는다.
이러한 본 발명은 높은 표면적 및 향상된 안정성을 유지하면서 높은 고체 함량 및 낮은 점도를 지닌 콜로이드 실리카 졸에 관한 것이다. 또한, 이러한 콜로이드 실리카 졸을 제조하기 위한 반-배치식 첨가를 포함하는 새로운 공정 및 제지에서의 이러한 콜로이드 실리카 졸의 용도에 관한 것이다. 본 발명의 콜로이드 실리카 졸은 특이적으로 약 4 내지 약 20 cPs 범위의 점도와 함께 약 16 내지 약 18중량% 범위의 SiO2 고체의 높은 고체 함량을 나타내지만, 상기 콜로이드 실리카 졸은 표면의, 예를 들어 알루미늄에 의한 개질 없이 여전히 높은 표면적 및 향상된 안정성을 유지한다. 또한, 본 발명의 콜로이드 졸은 미국 특허 제6,372,806호 및 제6,372,089호에 기술된 바와 같은 통상적인 실리카 졸 공정과는 상이한, 신규의 반-배치식 공정을 통해 제조된다. 추가로, 본 발명의 콜로이드 실리카 졸은 유리하게는 많은 제지 퍼니시(furnish)에서 탁월한 활성을 나타낸다. 본 발명의 실리카 졸은 다른 여러 분야들 중에서도 제지 산업에서 예를 들어, 보류 및 탈수 보조제로서 유용하다.
대조적으로, 본 발명은 상기 참조 특허의 교시 내용에는 없는 약 4 내지 약 20 cps 범위의 낮은 점도와 함께 약 16 내지 약 18 중량% 범위의 SiO2 고체 농도를 갖는 콜로이드 실리카 졸의 안정한 조성물을 제공한다. 본 발명은 미국 특허 제5,368,833호에 기술되어 있는 바와 같이 표면을 알루미늄으로 개질시키지 않고, 높은 표면적 및 향상된 안정성을 갖는 안정한 실리카 콜로이드 졸을 제공한다.
간단한 요약
첫 번째 예시적 구체예에서, 본 기재는 안정한 수성 콜로이드 실리카 생성물에 관한 것이다. 콜로이드 실리카 졸은 약 16 내지 약 18 중량%의 SiO2 고체의 농도로 생산되고 저장될 수 있으며, 적어도 30일, 전형적으로 적어도 180일 동안 실온에서 안정하게 유지된다. 수성 콜로이드 실리카 생성물은 약 4 내지 약 20 cps 범위의 점도 및 26 내지 40% 범위의 S-값을 갖는다. 콜로이드 실리카 고체는 700 내지 850 m2/g 범위의 비표면적을 갖는다.
두 번째 예시적 구체예에서, 본 기재는 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 첫째, 반응 용기에 적어도 40 퍼센트, 바람직하게는 적어도 50 퍼센트의 이온 교환 용량을 지닌 수소 형태의 양이온 이온 교환 수지를 충전하는 것을 포함하며, 반응 용기는 이온 교환 수지로부터 공정 동안에 형성된 콜로이드 실리카를 분리시키기 위해 반응 용기의 바닥 가까이에 예를 들어 스크린을 갖는다. 둘째, 반응 용기에 물을 충전하고, 반응 용기의 함유물을 교반한다. 셋째, 상기 반응 용기의 함유물의 온도를 70 내지 200 화씨 도의 범위, 바람직하게는 100 내지 160 화씨 도의 범위 내에 있도록 조절한다. 넷째, 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양을 교반 하에 상기 물 및 양이온성 이온 교환 수지에 첨가함으로써 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제1 부분을 포함하는 제1 중간체 조성물을 형성한다. 다섯째, 0 내지 90분 후, 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양을 교반 하에 제1 중간체 조성물에 첨가함으로써 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제2 부분을 포함하는 제2 중간체 조성물을 형성한다. 약 0분 내지 24시간 후, 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제1 및 제2 부분을 제2 중간체 조성물로부터 분리시킴으로써, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성한다. 알칼리 금속 실리케이트의 제1 및 제2 양은 총량을 구성하며, 제1 양은 그러한 총량의 60 내지 95 중량% 범위이다. 제1 중간체 조성물은 70 내지 200 화씨 도 범위의 온도 및 8 내지 14 범위의 pH를 갖는다. 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양은 제1 첨가가 1 내지 45분 동안 지속되도록 하기에 충분한 제1 속도로 첨가된다. 제2 중간체 조성물은 70 내지 200 화씨 도 범위의 온도 및 9 내지 11 범위의 pH를 갖는다. 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양은 제2 첨가가 5 내지 120분 동안 지속되도록 하기에 충분한 제2 속도로 첨가된다.
세 번째 예시적 구체예에서, 본 기재는 셀룰로스 시트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 0.01 내지 1.5 중량%의 셀룰로스 섬유를 함유하는 셀룰로스 퍼니시를 제조하는 것을 포함한다. 첫 번째 예시적 구체예에서 기술된 바와 같은 수성 콜로이드 실리카 생성물의 양이 셀룰로스 퍼니시에 첨가된다. 수성 콜로이드 실리카 생성물의 양은 셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량 당 약 0.00005 내지 약 1.5 중량%의 콜로이드 실리카 고체의 농도를 달성하기에 충분하다. 소정량의 수용성 중합성 응집제가 셀룰로스 퍼니시에 첨가된다. 수용성 중합성 응집제의 양은 셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량 당 약 0.001 내지 약 5 중량%의 수용성 중합성 응집제의 농도를 달성하기에 충분하다. 수용성 중합성 응집제는 500,000 내지 30,000,000 달톤 범위의 분자량을 갖는다. 이후, 셀룰로스 퍼니시는 셀룰로스 시트를 얻도록 탈수된다.
본 발명의 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부되는 도면을 검토한 후 당업자들에게 보다 쉽게 명확하게 될 것이다.
도 1은 대조군 샘플과 비교하여, 본 기재의 독창적인 수성 콜로이드 실리카 생성물을 포함한 세 가지 배치의 개선된 최초 통과 애쉬 보류를 나타내는 그래프이다.
상세한 설명
일반적인 발명의 개념을 포괄하는 구체예가 다양한 형태를 취할 수 있지만, 본 기재는 단지 예시인 것으로 간주되어야 하고, 일반적인 발명의 개념은 기재된 구체예로 제한되지 않고자 의도되는 것으로 이해하면서 이후 여러 구체예가 기술될 것이다.
본원에서 사용되는 모든 백분율, 부 및 비율은 달리 명시되지 않는 한, 전체 생성물의 중량에 대한 것이다. 열거된 성분에 속하는 그러한 모든 중량은 활성 수준을 기초로 하며, 이에 따라 달리 명시되지 않는 한, 상업적으로 입수가능한 물질에 포함될 수 있는 용매 또는 부산물을 포함하지 않는다.
본 기재의 단수형 특징 또는 제한에 대한 모든 언급은 상응하는 복수형 특징 또는 제한을 포함할 것이며, 달리 명시되지 않거나 언급되어 있는 문맥에 의해 반대로 명백하게 나타내지 않는 한, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
본원에서 사용되는 방법 또는 공정 단계의 모든 조합은 달리 명시되지 않거나 조합이 언급되어 있는 문맥에 의해 반대로 명백하게 나타내지 않는 한, 어떠한 순서로도 수행될 수 있다.
본원에서 기재되는 백분율, 부 및 비율을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아닌 모든 범위 및 파라미터는 그 안에서 추정되고 포함되는 어느 한, 그리고 모든 하위 범위, 및 종말점 사이의 모든 수를 포괄하는 것으로 이해된다. 예를 들어, "1 내지 10"로 명시된 범위는 최소 값 1과 최대 값 10 사이(두수를 포함하여)의 어느 한, 그리고 모든 하위범위, 즉, 최소 값 1 또는 그 초과(예컨대 1 내지 6.1)로 시작하고 최대값 10 또는 그 미만(예컨대, 2.3 내지 9.4, 3 내지 8, 4 내지 7)으로 끝나는 모든 하위범위, 및 끝으로 각각의 수 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 및 10를 그러한 범위 내에 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
서수(예컨대, 제1, 제2, 제3 등)은 본원에서 유사할 수 있는 본 기재의 여러 양태를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 첨가 단계가 서수를 사용하여 정의될 수 있다(예컨대, "제1 첨가" 및 "제2 첨가"). 사용되는 경우, 서수는 어느 한 요소를 또 다른 유사하게 명명된 요소와 차별화할 목적으로 사용되며, 이에 의해 유사하게 명명된 요소의 언급을 명확하게 한다. 서수는 본 기재의 문맥에 의해 명백하게 정의되지 않는 한, 반드시 요소의 순서를 제한하는 것은 아닌 것으로 해석되어야 한다.
본 기재의 조성물 및 생성물의 여러 구체예는 또한 본원에 기술된 어떠한 임의의 성분 또는 특징을 실질적으로 함유하지 않을 수 있으나, 단, 잔류 조성물 또는 생성물은 여전히 본원에 기술된 요구되는 성분들 또는 특징들을 전부 함유한다. 이와 관련하여, 그리고 달리 명시되지 않는 한, 용어 "실질적으로 함유하지 않는"은 선택된 조성물 또는 생성물이 작용성 양 미만의 임의의 성분, 전형적으로 약 1 중량% 미만, 예로 약 0.5 중량% 미만, 예로 약 0.1 중량% 미만, 및 또한 예로 제로 중량 퍼센트의 이러한 임의의 성분을 함유함을 의미한다.
조성물 및 생성물은 본원에서 기술된 생성물의 필요 요소 뿐만 아니라 본원에서 기술되거나 생성물 적용에 유용한 어떠한 추가의 또는 임의의 요소를 포함하거나, 그러한 것들로 이루어지거나, 그러한 것들을 필수적으로 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "수성"은, 달리 명시되지 않는 한, "오일-함유" 또는 "유중(in oil)"에 대비되는 "물-함유" 또는 "수중"을 의미하는 개질제로서 해석되는 것으로 의도된다. 본 설명의 목적상, "물"은 액체 물을 지칭한다. 수성 조성물은 액체 물, 용매로서 액체 물을 지닌 용액, 또는 액체 물 중의 고체의 슬러리일 수 있다. 특히, 실리카 졸은 그것이 액체 물 중 콜로이드 실리카 고체를 포함하므로 수성 조성물이다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "콜로이드"는 다른 물질 전반에 걸쳐 실질적으로 균질하게 분산된 초미세 입자를 함유한 물질로서 이해되는 것으로 의도된다. 콜로이드는 두 개의 별개의 상들로 이루어진다: 즉, 분산된 상(또는 내부상) 및 분산된 상 입자가 그 안에서 분산되는 연속상(또는 분산 매질). 분산된 상 입자는 고체, 액체 또는 기체일 수 있다. 분산된-상 입자는 약 1 내지 1,000,000 나노미터 범위의 직경을 가질 수 있다. 콜로이드는 분산된-상 입자에 존재하는 표면 화학에 의해 실질적으로 영향을 받을 수 있다. 콜로이드의 예시적인 구체예는 수성 콜로이드 실리카 생성물이다. 분산된-상 입자의 예시적 구체예는 콜로이드 실리카 고체이다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "콜로이드 실리카"는 일차 분산된-상 입자가 실리콘 함유 분자를 포함하는 콜로이드로서 이해되는 것으로 의도된다. 이러한 정의는 참고 도서(reference book)[일반적으로, The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica, by Ralph K. Iler, John Wiley and Sons, Inc. (1979)의 전체 교시, 및 특히 312쪽에서 599쪽의 교시를 포함한다. 입자가 100 nm 초과의 직경을 가질 때, 입자는 "졸," "실리카 졸," "아쿠아졸," 또는 "나노입자"로서 지칭될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "생성물"은 화학 반응 또는 이들의 시리즈로부터 생성되고 제조 과정에서 구성성분으로서 사용될 수 있는 물질로서 이해되는 것으로 의도된다. 본원에서 사용되는 "생성물"은 일반적으로 화학 반응 또는 이의 시리즈로부터 얻어진 조성물의 일부이다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "수성 콜로이드 실리카 생성물"(또는 "AqCSP")은 화학 반응 또는 이의 시리지로부터 생성되고 제조 과정, 특히 제지 공정에서 구성성분으로서 사용될 수 있는 수성상 중의 분산된 실리카 입자/응집물을 갖는 균질한 혼합물로서 이해되는 것으로 의도된다. 특정 구체예에서, "수성 콜로이드 실리카 생성물"은 실리카 졸이다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "실리카 졸"은 콜로이드 실리카 입자 또는 응집물을 함유한 균질한 수성 혼합물 조성물로서 이해되는 것으로 의도된다.
상기 정의 또는 본 발명의 다른 곳에 기술된 설명이 사전에서 통상적으로 사용되거나 본 출원에 참고로 포함되는 소스(source)에 기술되어 있는 의미(명시적 또는 함축적)와 일치하지 않는 경우에, 본 출원 및 청구범위 용어는 특히, 본 출원에서의 정의 또는 설명에 따라 해석되는 것으로 이해되며, 일반적인 정의, 사전 정의, 또는 참고로 포함된 정의에 따라 해석되지 않는 것으로 이해된다. 상기를 고려하여, 용어가 단지 사전에 의해 해석되는 경우에만 이해될 수 있는 경우에, 용어가 문헌[Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th Edition, (2005), (Published by Wiley, John & Sons, Inc.)]에 의해 정의되는 경우에, 이러한 정의는 용어가 청구항에서 어떻게 정의되는 지를 조절할 것이다.
적어도 한 구체예에서, 콜로이드 실리카 졸은 독특하게 약 4 내지 약 20 cPs 범위의 점도와 함께, 약 16 내지 약 18중량% 범위의 SiO2 고체의 높은 고체 함량을 나타내며, 상기 콜로이드 실리카 졸은 여전히 예를 들어 알루미늄으로의 표면 개질 없이 높은 표면적 및 향상된 안정성을 유지한다. 또한, 본 발명의 콜로이드 졸은 신규한 반-배치식 공정을 통해 제조되며, 이는 미국특허 제5,368,833호, 제6,372,806호 및 제6,372,089호에 기술된 것과 같은 상이한 통상적인 실리카 졸이다. 또한, 본 발명의 콜로이드 실리카 졸은 유리하게 다수의 제지 퍼니시에서 우수한 활성을 나타낸다. 본 발명의 실리카 졸은 다른 분야들 중에서, 제지 산업에서, 예를 들어, 보류(retention) 및 탈수 보조제로서 유용하다.
적어도 한 구체예는 약 4 내지 약 20 cps 범위의 낮은 점도와 함께 약 16 내지 약 18 중량% 범위의 SiO2 고체의 농도를 갖는 콜로이드 실리카 졸의 안정한 조성물로서, 이는 상기 참조 특허들의 교시에 따라 달성되지 않는 것이다. 특히, 졸은 알루미늄의 존재를 배제할 수 있지만, 높은 또는 보다 높은 표면적을 갖고/거나 안정하거나 미국특허 제5,368,833호에 기술된 졸에 비해 더욱 안정하다.
적어도 한 구체예는 수성 콜로이드 실리카 생성물에 관한 것이다. 수성 콜로이드 실리카 생성물은 물, 및 16 내지 18 중량% 콜로이드 실리카 고체를 포함한다. 수성 콜로이드 실리카 생성물은 약 4 내지 약 20 cps 범위의 점도, 및 26 내지 40% 범위의 S-값을 갖는다. 콜로이드 실리카 고체는 700 내지 850 m2/g 범위의 비표면적을 갖는다.
적어도 한 구체예는 수성 콜로이드 실리카 생성물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 먼저, 반응 용기를 적어도 40%, 바람직하게 적어도 50%의 수소 형태의 이의 이온 교환 용량을 갖는 양이온성 이온 교환 수지로 채우는 것을 포함하며, 여기서, 반응 용기는 예를 들어, 이온 교환 수지로부터 공정 동안 형성된 콜로이드 실리카를 분리시키기 위해, 반응 용기의 바닥 부근에 스크린을 갖는다. 두번째로, 반응 용기는 물로 채우고, 반응 용기의 함유물은 교반된다. 셋째로, 상기 반응 용기의 함유물의 온도를 70 내지 200 화씨 도의 범위, 바람직하게 100 내지 160 화씨 도의 범위이도록 조정된다. 넷째로, 교반 하에서 상기 물 및 양이온성 이온 교환 수지에 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양을 첨가하고, 이에 의해 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제1 부분을 포함하는 제1 중간체 조성물을 형성시킨다. 넷째로, 0 내지 90분 후에, 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양을 교반 하에 제1 중간체 조성물에 첨가하고, 이에 의해 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제2 부분을 포함하는 제2 중간체 조성물을 형성시킨다. 약 0분 내지 24시간 후에, 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제1 부분 및 제2 부분은 제2 중간체 조성물로부터 분리되고, 이에 의해 수성 콜로이드 실리카 생성물을 형성시킨다. 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양 및 제2 양은 총량을 구성하고, 제1 양은 그러한 총량의 60 내지 95 중량%의 범위이다. 제1 중간체 조성물은 70 내지 200 화씨 도 범위의 온도, 및 8 내지 14 범위의 pH를 갖는다. 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양은 제1 첨가를 1 내지 45분 동안 지속하기에 충분한 제1 속도로 첨가된다. 제2 중간체 조성물은 70 내지 200 화씨 도 범위의 온도, 및 9 내지 11 범위의 pH를 갖는다. 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양은 제2 첨가를 5 내지 120분 동안 지속하는데 충분한 제2 속도로 첨가된다.
적어도 한 구체예는 셀룰로스 시트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 0.01 내지 1.5 중량% 셀룰로스 섬유를 함유한 셀룰로스 퍼니시를 제조하는 것을 포함한다. 소정 양의 첫 번째 예시적 구체예에 기술된 바와 같은 수성 콜로이드 실리카 생성물은 셀룰로스 퍼니시에 첨가된다. 수성 콜로이드 실리카 생성물의 양은 셀룰로스 퍼니시에서 섬유의 건조 중량 당 약 0.00005 내지 약 1.5 중량%의 콜로이드 실리카 고체의 농도를 달성하기 위해 충분하다. 소정 양의 수용성 중합성 응집제는 셀룰로스 퍼니시에 첨가된다. 수용성 중합성 응집제의 양은 셀룰로스 퍼니시에서의 섬유의 건조 중량 당 약 0.001 내지 약 5 중량%의 수용성 중합성 응집제의 농도를 달성하기에 충분하다. 수용성 중합성 응집제는 500,000 내지 3000만 달톤 범위의 분자량을 갖는다. 셀룰로스 퍼니시는 이후에, 셀룰로스 시트를 수득하기 위해 탈수된다.
적어도 한 구체예는 특정 화학적 특징 및 물리적 특징을 갖는 수성 콜로이드 실리카 생성물에 관한 것이다. 당업자가 두 번째 예시적 구체예의 방법이 방법이 첫 번째 예시적 구체예를 형성시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 용이하게 인지할 것이지만, 첫 번째 예시적 구체예는 두 번째 예시적 구체예의 방법으로 제한되는 것으로서 이해되지 않을 것이다. 다시 말해서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 두 번째 구체예의 것과는 상이한 방법에 의해 형성될 수 있다.
적어도 한 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 수성 콜로이드 실리카 생성물의 16 내지 18 중량%, 또는 16 내지 17, 또는 17 내지 18 중량% 범위의 농도로 콜로이드 실리카 고체를 포함한다. 특정 예시적 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 적어도 16 중량%, 또는 적어도 16.2 중량%, 또는 적어도 16.5 중량%, 또는 적어도 16.6 중량%, 또는 적어도 16.7 중량%, 또는 적어도 16.8 중량%, 또는 적어도 16.9 중량%, 또는 적어도 17 중량%, 최대 18 중량%의 농도로 콜로이드 실리카 고체를 포함한다.
수성 콜로이드 실리카 생성물의 점도는 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제조업체 및 사용자에게 중요할 수 있는 파라미터이다. 수성 콜로이드 실리카 생성물은 제조 과정에서 유용하게 하기 위해 상대적으로 용이하게 양이온성 수지층 및 배관을 통해 흐르게 할 필요가 있다. 본 발명의 첫 번째 예시적 구체예에 따르면, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 약 4 내지 약 20 cps 범위의 점도를 갖는다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 적어도 약 4 cps, 및 최대 20 cps, 또는 최대 18 cps, 또는 최대 15 cps, 또는 최대 12 cps, 또는 최대 10 cps, 또는 최대 8 cps의 점도를 갖는다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 4 내지 18 cps, 또는 4 내지 15 cps, 또는 4 내지 10 cps 범위의 점도를 갖는다. 일 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 1:2 내지 4:1 범위의 콜로이드 실리카 고체의 중량% 대 cps 점도의 비를 갖는다.
수성 콜로이드 실리카 생성물의 S-값은 수성 콜로이드 실리카 생성물의 사용자에게 모니터링되고 보고될 수 있는 다른 파라미터이다. S-값은 콜로이드 물질의 미세응집도의 정량화(quantification)이다. S-값의 정확한 정의는 문헌[The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica, by Ralph K. Iler, John Wiley and Sons, Inc. (1979)]에서 확인될 수 있다. 본 발명의 첫 번째 예시적 구체예에 따르면, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 26 내지 40% 범위의 S-값을 갖는다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 적어도 26%, 또는 적어도 27%, 또는 적어도 28%, 또는 적어도 29%, and 최대 40%, 또는 최대 39%, 또는 최대 38%, 또는 최대 37%, 또는 최대 36%, 또는 최대 35%, 또는 최대 34%, 또는 최대 33%, 또는 최대 32%, 또는 최대 31%, 또는 최대 30%의 S-값을 갖는다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 28 내지 40%, 또는 29 내지 39% 범위의 S-값을 갖는다.
수성 콜로이드 실리카 생성물 중의 콜로이드 실리카 고체의 비표적은 수성 콜로이드 실리카 생성물의 사용자에게 모니터링되고 보고될 수 있는 변수이다. 비표면적은 물질의 중량 또는 질량 당 면적 단위 (예컨대, m2/g)로 보고된다. 본 기재내용의 첫 번째 예시적 구체예는 700 내지 850 m2/g 범위의 비표면적을 갖는 콜로이드 실리카 고체를 포함한다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 비표면적인 적어도 700 m2/g, 또는 적어도 750 m2/g, 또는 적어도 800 m2/g, 및 최대 850 m2/g인 콜로이드 실리카 고체를 포함한다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물의 콜로이드 실리카 고체는 750 내지 850 m2/g, 또는 800 내지 850 m2/g 범위의 비표면적을 갖는다.
적어도 30일 동안 안정한 수성 콜로이드 실리카 생성물이 고려될 수 있다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 적어도 60일, 또는 적어도 90일, 또는 적어도 120일, 또는 적어도 180일 동안 안정하며, 특정 구체예에서, 360일 이하 또는 그 초과 동안 안정하다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 30 내지 360일, 또는 60 내지 360일, 또는 90 내지 360일, 또는 120 내지 360일, 또는 180 내지 360일 동안 안정하다. "안정"은 심지어 수성 콜로이드 실리카 생성물이 더 이상 교반되지 않는 경우에도 친수성 콜로이드 실리카 생성물이 본원에 규정된 적어도 가장 넓은 수준의 비표면적, 중량% 콜로이드 실리카 고체, 점도, 및 S-값 중 하나 이상과 관련된 이의 물리적 및 화학적 특성을 유지함을 의미한다. 다시 말해, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 제조 과정 예컨대, 제지 공정에서 사용될 이들의 능력을 실질적으로 저하시키거나 손실하지 않는다.
알루미늄 또는 알루미늄-함유 화합물이 때때로 수성 콜로이드 실리카 생성물에 첨가되어 콜로이드 실리카 고체의 표면 영역을 처리하여, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 안정화시킨다. 본원에 기재된 수성 콜로이드 실리카 생성물의 구체예는 일반적으로 알루미늄을 함유하지 않으며 이들의 안정성을 유지하기 위해 알루미늄 또는 알루미늄-함유 화합물로 처리될 필요가 없다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 알루미늄-비함유이며, 적어도 30일, 또는 적어도 60일, 또는 적어도 90일, 또는 적어도 120일, 또는 적어도 180일, 및 최대 360일 동안 안정하다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 30 내지 360일, 또는 60 내지 360일, 또는 90 내지 360일, 또는 120 내지 360일, 또는 180 내지 360일 동안 안정하다. 용어 "알루미늄-비함유"는 수성 콜로이드 실리카 생성물이 미량 이하의 알루미늄 또는 알루미늄-함유 화합물, 예컨대, 500 ppm 미만의 알루미늄을 함유함을 나타낸다.
수성 콜로이드 실리카 생성물의 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 알칼리 금속 또는 알칼리 금속-함유 화합물을 추가로 포함한다. 알칼리 금속 또는 알칼리 금속-함유 화합물은 알칼리 금속 이온, 알칼리 금속 옥사이드, 알칼리 금속 실리케이트, 알칼리 금속 염, 또는 당업자에게 공지된 또 다른 형태로 존재할 수 있다. 수성 콜로이드 실리카 생성물의 특정 구체예를 이루는데 사용된 적합한 알칼리 금속-함유 화합물은 본원에 기술된 바와 같은 알칼리 금속 실리케이트이다. 수성 콜로이드 실리카 생성물에 존재할 수 있는 알칼리 금속의 예시적 구체예는 소듐, 포타슘, 리튬 및 이들의 조합물을 포함한다. 수성 콜로이드 실리카 생성물의 특정 구체예는 소듐-함유 화합물을 추가로 포함한다.
알칼리 금속 또는 알칼리 금속-함유 화합물을 추가로 포함하는 수성 콜로이드 실리카 생성물의 구체예에서, 알칼리 금속 또는 알칼리 금속-함유 화합물은 5:1 내지 50:1, 또는 5:1 내지 30:1, 또는 5:1 내지 25:1, 또는 5:1 내지 20:1, 또는 5:1 내지 15:1의 범위의 실리카 대 알칼리 금속의 몰 비를 제공하기에 충분한 양으로 수성 콜로이드 실리카 생성물에 존재할 수 있다. 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 적어도 8:1 및 최대 50:1, 또는 최대 30:1, 또는 최대 25:1, 또는 최대 20:1, 또는 최대 15:1의 SiO2 대 알칼리 금속의 몰 비를 갖는다.
수성 콜로이드 실리카 생성물의 특정 구체예는 9 내지 11 범위의 pH를 갖는다. 수성 콜로이드 실리카 생성물의 pH는 추가로 10 내지 11의 범위일 수 있다.
적어도 한 구체예는 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서, 임의의 상기 방법(들)이 본 기재내용의 첫 번째 예시적 구체예의 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는데 이용될 수 있다. 그러나, 상기 방법은 단지 상기 수성 콜로이드 실리카 생성물을 유일하게 생성하기 위한 것으로 제한되지 않는다. 추가로, 알칼리 금속 실리케이트의 첨가가 2 단계로 수행되기 때문에, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법은 "배치식(batch)"과 상반되는 "반-배치식"으로 기술될 수 있다.
적어도 한 구체예에서, 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양이 물 및 부분적으로 재생된 양이온성 이온 교환 수지에 교반 하에 70 내지 200 범위의 화씨 도의 온도에서 첨가되어, 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제1 부분을 포함하는 제1 중간체 조성물을 형성한다. 제1 중간체 조성물의 pH는 8 내지 14, 또는 8 내지 12, 또는 9 내지 11이며, 특정 구체예에서, pH는 적어도 8, 또는 적어도 9 또는 적어도 10, 및 최대 14, 또는 최대 13, 또는 최대 12, 또는 최대 11이다. 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양은, 첨가가 1 내지 45분, 또는 2 내지 30분 동안, 특정 구체예에서, 적어도 1, 또는 적어도 2분, 및 최대 45, 또는 최대 30, 또는 최대 20, 또는 최대 10분 동안 지속되게 하기에 충분한 속도로 물 및 양이온성 이온 교환 수지에 첨가된다.
알칼리 금속 실리케이트의 제1 양이 첨가된 후, 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양이 제1 중간체 조성물에 교반 하에 70 내지 200 범위의 화씨 도의 온도에서 첨가되어, 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제2 부분을 포함하는 제2 중간체 조성물을 형성한다. 제2 양은, 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양의 첨가가 완료된 직후 (예컨대, 0분)부터 제1 양의 첨가 후 90분까지의 임의의 시점에 첨가될 수 있다. 제2 중간체 조성물의 pH는 8 내지 11, 또는 9 내지 11의 범위이다. 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양은, 첨가가 5 내지 120분, 또는 10 내지 60분 동안, 및 특정 구체예에서, 적어도 5분, 또는 적어도 10분, 또는 적어도 15분, 최대 120분, 또는 최대 90분, 또는 최대 60분, 또는 최대 45분, 또는 최대 30분 동안 지속되게 하기에 충분한 제2 속도로 첨가된다.
수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법의 특정 구체예에서, 제2 중간체 조성물은 0분 내지 24시간 동안, 및 특정 구체예에서, 적어도 0분, 또는 적어도 15분, 또는 적어도 30분, 최대 24시간, 또는 최대 18시간, 또는 최대 12시간, 또는 최대 6시간, 또는 최대 3시간, 또는 최대 2시간 동안 교반 허용된다. 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법의 특정 구체예에서, 제1 또는 제2 중간체 생성물, 또는 이 둘 모두는 비제한적으로, 임펠러 또는 패들 믹싱, 재순환, 공기 주입, 진동, 용기 진탕, 및 이들의 조합을 포함하는 당업자에게 공지된 어느 하나 또는 다수의 방식으로 교반될 수 있다.
교반 0분 내지 24시간 후, 수성 콜로이드 실리카 생성물의 제1 부분 및 제2 부분이 제2 중간체 조성물로부터 분리되어, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성한다. 특정 구체예에서, 제2 중간체 조성물로부터의 수성 콜로이드 실리카 생성물의 분리는 여과를 이용하여 수행된다.
적어도 한 구체예에서, 여과는 액체 캐리어 매질로부터 현탁된 물질을 제거하도록 구성되고 배열된 또 다른 유형의 액체/고체 분리 장치를 사용하여 수행된다. 이는 임의의 여과 장치 예컨대, 스크린, 슬롯/천공 파이프, 막 또는 유사한 조여과(crude filtration) 장치, 또는 이들의 조합에 의해 달성될 수 있다. 대표적인 예는 비제한적으로, 모래 필터, 여과지, 막 필터, RO, NF, UF, MF, 액침 필터, 가압 필터, (원심분리, 사이클론, 하이드로클론, 전기집진기, 중력식 분리기, 습분 제거기, 스크리너, 스팀 트랩(steam strap), 흡수기, 흡착기, 바이오필터, 결정화기, 제습기, 증류탑, 건조기, 증발기, 추출기, 가습기, 이온 교환 칼럼, 스트립퍼), 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적어도 한 구체예에서, 필터는 문헌 [Terminology for Membranes and Membrane Processes, by WJ Koros et al., Journal of Membrane Science, Vol. 120 pp. 149-159 (1996)]에 기재된 여과 기법 중 하나 이상을 포함한다. 적어도 한 구체예에서, 필터는 웹사이트 http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/SeparationsChemical.html (2013년 10월 17일 접속됨)에 기술된 화학 분리 공정 중 임의의 하나 이상 및/또는 웹사이트 http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsMechanical/SeparationsMechanical.html (2013년 10월 17일 접속됨)에 기술된 기계적 공정 중 임의의 하나 이상을 포함한다. 막 필터는 중합성, 세라믹, 강철 또는 유리 물질로 이루어질 수 있다.
구체예에 따르면, 예컨대, 수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성하는 방법에서, 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양 및 제2 양은, 제1 양이 전체 양의 60 내지 95 중량%, 또는 65 내지 90 중량%, 또는 70 내지 80 중량% 범위이며, 특정 구체예에서, 전체 양의 적어도 60 중량%, 또는 적어도 65 중량%, 또는 적어도 70 중량%, 최대 95 중량%, 또는 최대 90 중량%, 또는 최대 85 중량% 또는 최대 80 중량%, 또는 최대 75 중량%인 전체 양을 포함한다.
일반적으로, 두 번째 예시적 구체예의 방법에서 첨가되는 알칼리 금속 실리케이트(이의 제1 양 및 제2 양 모두)는 소듐 실리케이트, 포타슘 실리케이트, 리튬 실리케이트 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된다. 특정 구체예에서, 알칼리 금속 실리케이트는 소듐 실리케이트이다. 알칼리 금속 실리케이트의 제1 및 제2 양은 일반적으로 동일한 조성 (예컨대, 일반적으로 동일한 화학 조성, 동일한 물리적 특성, 동일한 불순도 등을 가짐)인 반면, 제1 및 제2 양은 이론상으로 상이한 물리적 또는 화학 특징을 갖는 조성일 수 있다. 예를 들어, 제1 양은 소듐 실리케이트이며 제2 양은 포타슘 실리케이트이다. 특정 구체예에서, 알칼리 금속 실리케이트의 제1 및 제2 양은 동일한 조성이다. 예를 들어, 제1 양은 소듐 실리케이트이며 제2 양은 동일한 유형의 소듐 실리케이트이다.
출발 성분 (즉, 알칼리 금속 실리케이트, 양이온성 이온 교환 수지, 물 등)의 양이 수성 콜로이드 실리카 생성물에서 일부 변동을 제공할 수 있는 반면, 본 방법은 예를 들어, 보류 및 탈수 보조제로서 제지 산업에 특히 유익한 특성을 갖는 수성 콜로이드 실리카 생성물을 예상치못하게 생성하였다. 알칼리 금속 실리케이트는 많은 통상적인 물질 예컨대, 물유리일 수 있다. 알칼리 금속 실리케이트에서 SiO2 대 Na2O, 또는 K2O, 또는 Li2O, 또는 Na2O, K2O 및 Li2O의 조합물의 몰 비는 15:1 내지 1:1 범위일 수 있으며, 바람직하게는, 2.5:1 내지 3.9:1의 범위 내에 있다. 이러한 알칼리 금속 실리케이트 용액은 전형적으로 10 초과, 전형적으로 적어도 11의 pH를 가질 것이다. 이러한 알칼리 금속은 불순물을 함유할 수 있으며, 비제한적으로, 알루미늄, 철, 칼슘, 마그네슘, 클로라이드, 및 설페이트 이온을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 금속 실리케이트에 함유된 고체는 SiO2로서 약 15 내지 40 중량% 범위일 수 있다.
수성 콜로이드 실리카 생성물을 생성시키는데 사용되는 물은 특별히 제한되지 않으며, 임의의 합리적인 신선한 연수(즉, 염수는 아니고, 2000 μS/cm 미만의 전도도를 가짐)일 수 있다. 특정 구체예에서, 물은 수돗물, 우물물, 증류수, 탈이온수, 달리 정제된 물, 또는 이들의 임의의 조합이다.
두 번째 예시적 구체예의 방법에서 이용되는 양이온성 이온 교환 수지는 특별히 제한되지 않는다. 특정 구체예에서, 양이온성 이온 교환 수지는 바람직하게는 약산 양이온성 수지여야 하며, Amberlite® IRC84SP를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
특정 구체예에서, 양이온성 이온 교환 수지는 재생 후에 이전의 생산 공정으로부터 재사용될 수 있다. 양이온성 이온 교환 수지는 유기산 또는 무기산을 이용하여 재생될 수 있다. 양이온성 이온 교환 수지를 재생시키기 위해 이용될 수 있는 산의 예시적 구체예는 황산, 염산, 인산, 또는 이산화탄소와 같은 물질, 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 적합한 유기산의 예는 아세트산, 포름산 및 프로피온산을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 특정 구체예에서, 무기 및 유기 염은 수지를 재생시키기 위한 약산으로 이용될 수 있거나, 콜로이드 실리카 생성물 점도를 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 적합한 염의 예는 소듐 설페이트, 소듐 아세테이트, 포타슘 설페이트, 포타슘 아세테이트, 트리소듐 포스페이트 및 소듐 모노하이드로겐 포스페이트를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
양이온성 이온 교환 수지는 특별히 제한되지는 않는 수소 형태의 이온 교환 용량을 갖지만, 특정 구체예에서, 양이온성 이온 교환 수지는 수소 형태에서 40 내지 100%, 또는 50 내지 100% 또는 60 내지 100%의 이온 교환 용량, 특정 구체예에서 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%의 이온 교환 용량을 갖는다.
뜻밖에도, 두 번째 구체예에 따른 방법은 16 내지 18 중량%의 콜로이드 실리카 고체, 4 내지 20 cps 범위의 점도, 26 내지 40% 범위의 S-값을 갖는 수성 콜로이드 실리카 생성물과 함께 700 내지 850 m2/g 범위의 비표면적을 갖는 콜로이드 실리카 고체를 생성시킬 수 있는 것으로 밝혀졌으며, 상기 모두는 규산 또는 초여과를 이용하지 않는다.
두 번째 예시적 구체예의 특정 구체예에서, 제1 또는 제2 중간체 조성물, 수성 콜로이드 실리카 생성물, 또는 상기 언급된 것 중 임의의 것 또는 모두는 8 내지 11 범위의 pH를 가지며, pH는 추가로 9 내지 11의 범위일 수 있다.
두 번째 예시적 구체예의 특정 구체예에서, 제1 및 제2 중간체 조성물은 100 내지 160 화씨 도 범위의 온도를 갖는다.
두 번째 예시적 구체예의 특정 구체예에서, 알칼리 금속 실리케이트를 첨가하는 제1 속도는 알칼리 금속 실리케이트의 제1 양의 첨가가 1 내지 45분 지속되는 것을 가능케 하기에 충분하다. 두 번째 예시적 구체예의 특정 구체예에서, 알칼리 금속 실리케이트를 첨가하는 제2 속도는 알칼리 금속 실리케이트의 제2 양의 첨가가 5 내지 120분 지속되는 것을 가능케 하기에 충분하다.
본원에 기재된 수성 콜로이드 실리카 생성물은 제지 공정, 예를 들어, 보류 및 배수, 펄프 탈수; 수 처리 및 폐수 처리 공정, 예를 들어 슬러지 탈수, 수성 미네랄 슬러리의 정화 및 탈수, 정련 에멀젼 파괴 등; 식품 및 음료 공정, 예를 들어, 맥주, 와인, 쥬스, 및 당 정화를 포함하나, 이에 제한되지는 않는 여러 제조 과정 중 어느 하나 이상에서 이용될 수 있다. 본원에 기재된 수성 콜로이드 실리카 생성물은 제지 공정에서 사용하기에 특히 적합하다.
상기 방법은 문헌[Handbook for Pulp and Paper Technologists, by Gary A. Smook, Angus Wilde Publicatiosn Inc., (2001)]에 기재된 바와 같이 콜로이드 실리카를 이용하기 위한 방법 및 공정 중 어느 하나, 일부, 또는 전부에 따라 이용될 수 있다. 또한, 수성 콜로이드 실리카 생성물은 제지 공정의 습윤 말단에서 셀룰로스 퍼니시에 첨가될 수 있고, 이에 의해 셀룰로스 퍼니시로부터의 물의 배수를 추가로 도우면서 셀룰로스 퍼니시, 및 결과로서 셀룰로스 시트 내의 충전제("애쉬")의 보류를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 개시의 적어도 한 구체예는 셀룰로스 시트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 셀룰로스 퍼니시의 전체 중량(즉, 물을 포함함)을 기초로 하여 0.01 내지 1.5 중량%의 셀룰로스 섬유를 함유하는 셀룰로스 퍼니시를 제조하는 것을 포함한다. 본원에 기재된 바와 같은 수성 콜로이드 실리카 생성물의 양, 및 수용성 중합성 응집제의 양이 셀룰로스 퍼니시에 첨가된다. 셀룰로스 퍼니시에 첨가된 수성 콜로이드 실리카 생성물의 양은 셀룰로스 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량 당 약 0.00005 내지 약 1.5 중량%의 콜로이드 실리카 고체의 농도를 달성하기에 충분하다. 다시 말해, 셀룰로스 퍼니시 내의 섬유(건조 중량)의 각 100 lbs에 대해, 0.00005 내지 1.5 lbs의 콜로이드 실리카 고체가 제공될 것이다. 셀룰로스 퍼니시에 첨가된 수용성 중합성 응집제의 양은 셀룰로스 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량 당 약 0.001 내지 약 5 중량%의 수용성 중합성 응집제의 농도를 달성하기에 충분하다. 수용성 중합성 응집제는 500,000 내지 3000만 달톤 범위의 분자량을 갖는다. 이후, 셀룰로스 퍼니시는 당업자에게 공지된 방식으로 탈수되어 셀룰로스 시트가 획득된다. 양이온성 전분은 대안적으로 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량을 기초로 하여 약 0.005 내지 약 5.0 중량%의 양으로 합성 중합체 응집제 대신에 또는 이에 더하여 퍼니시에 첨가될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 전분은 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량을 기초로 하여 약 0.5 내지 약 1.5 중량%의 양으로 첨가된다. 또 다른 구체예에서, 응집제는 제지 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량을 기초로 하여 약 0.005 내지 약 1.25 중량%의 양으로 응집제 및/또는 전분 대신에 또는 이에 더하여 퍼니시에 첨가될 수 있다. 바람직하게는, 응집제는 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량을 기초로 하여 약 0.025 내지 약 0.5 중량%의 양으로 첨가된다.
셀룰로스 시트를 제조하는 방법의 특정 구체예에서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 셀룰로스 퍼니시에 첨가된다.
세 번째 예시적 구체예에 따른 특정 구체예에서 이용하기에 적합한 수용성 중합성 응집제의 비제한적인 예는 양이온성, 음이온성, 양쪽성, 및 쯔비터이온성 중합체를 포함한다. 양이온성 수용성 중합체 응집제의 예는 양이온화된 전분, 및 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트("DMAEM"), 디메틸아미노에틸 아크릴레이트("DMAEA"), 디에틸아미노에틸 아크릴레이트("DEAEA"), 디에틸아미노에틸 메타크릴레이트("DEAEM"), 또는 디메틸 설페이트 또는 메틸 클로라이드로 제조된 이들의 사차 암모늄 형태; 마니히 반응(mannich reaction) 변형된 폴리아크릴아미드; 디알릴사이클로헥실아민 하이드로클로라이드("DACHA HCl"); 디알릴디메틸암모늄 클로라이드("DADMAC"); 메타크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드("MAPTAC"); 및 알릴 아민("ALA")의 단량체를 포함하는 동종중합체 및 공중합체를 포함한다.
특정 구체예에서, 셀룰로스 퍼니시에 첨가되는 수성 콜로이드 실리카 생성물의 양은 셀룰로스 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량 당 0.00005 내지 1.5 중량%, 또는 0.0005 내지 1 중량%, 또는 0.005 내지 0.05 중량%, 특정 구체예에서, 셀룰로스 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량 당 적어도 0.00005, 또는 적어도 0.0005, 또는 적어도 0.005, 또는 적어도 0.05, 최대 0.5, 또는 최대 1, 또는 최대 1.5 중량%의 콜로이드 실리카 고체 농도를 달성하기에 충분하다.
최초 통과 애쉬 보류("first pass ash retention" 또는 "FPAR")는 셀룰로스 퍼니쉬, 및 결과로서 셀룰로스 시트에서 충전제 보류를 결정하는 경우 제지업자에게 중요한 파라미터이다. 셀룰로스 퍼니시에 첨가되는 수성 콜로이드 실리카 생성물은 셀룰로스 퍼니시로부터의 물 배수에 유해하게 영향을 미치지 않으면서 증가된 최초 통과 애쉬 보류를 가능케 한다. 사실, 본 발명의 개시의 수성 콜로이드 실리카 생성물은 셀룰로스 퍼니시로부터의 물 배수를 돕는 것으로 밝혀졌다.
또한, 최초 통과 애쉬 보류는 당 분야에 공지된 배치식 공정(예를 들어, 미국 특허 6,372,089호 및 6,372,806호)을 이용하여 생성된 수성 콜로이드 실리카 생성물을 이용하는 경우와 비교하여 본 발명의 개시의 수성 콜로이드 실리카 생성물을 이용하는 경우에 동등한 최초 통과 애쉬 보류를 달성하는데 필요한 미세입자 용량의 양의 비인 최초 통과 애쉬 보류 대체 비를 계산하는데 이용될 수 있다. 최초 통과 애쉬 보류 대체 비는 하기 식 1에 예시되어 있다:
Figure 112016061339812-pct00001
(1)
식 1로부터 추론될 수 있고, 도 1에 예시되어 있는 바와 같이, FPAR 대체 비가 1 미만인 경우에 최초 통과 애쉬 보류에서의 개선이 제시된다. "배치식" 수성 콜로이드 실리카 생성물을 이용하고, 90%의 최초 통과 애쉬 보류를 달성하는 셀룰로스 시트에 대해, 90% FPAR을 달성하는데 필요한 미세입자 용량은 건조 셀룰로스 섬유를 기초로 하여 셀룰로스 퍼니시 톤 당 약 1.6 lb의 미세입자이다. 특정 구체예에서, 섬유의 건조 중량 당 동일한 콜로이드 실리카 고체 양으로 본 발명의 개시의 수성 콜로이드 실리카 생성물이 혼입되는 셀룰로스 시트는 셀룰로스 퍼니시 내의 섬유의 건조 중량 당 약 0.9 내지 약 1.2 lb의 미세입자에서 90% FPAR를 달성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 특정 구체예에서, 본 발명의 수성 콜로이드 실리카 생성물이 혼입되는 셀룰로스 시트에 대한 FPAR 대체 비는 약 0.5 내지 약 0.8 범위이다.
실시예
전술한 내용은 예시의 목적으로 제공되고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는 하기 실시예를 참조로 하여 더욱 잘 이해될 수 있다. 특히, 실시예는 본 발명에 본질적인 원리의 대표적 예를 입증하며, 이들 원리는 이들 예에 언급된 특정 조건에 엄격히 제한되지는 않는다. 결과로서, 본 발명은 본원에 기재된 예에 대한 다양한 변화 및 변형을 포함함이 이해되어야 하며, 이러한 변화 및 변형은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 이의 의도된 장점을 감소시킴이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 변화 및 변형은 첨부된 청구항에 의해 포함되는 것으로 의도된다.
실시예 1:
본 발명의 콜로이드 실리카 졸의 제조. 본 발명의 수성 콜로이드 실리카 생성물 (표 1에서 샘플 7-15)을 다음과 같이 기술되는 랩-규모 반-배치식 절차를 이용하여 제조하였다. 반응 용기에 600 mL의 Amberlite® IRC84SP 이온 교환 수지 (Dow로부터 입수가능)를 이의 소듐 형태로 충전시켰다. 수지를 수소 형태로 재생이 적어도 40% 완료되게 재생시키기 위해 제조업체의 절차를 따랐다. 수지를 물로 깨끗하게 헹구고, 물을 빼냈다. 용기에 190-380 그램의 물을 충전시키고, 용기의 함유물을 혼합하여 수지를 현탁시키기 시작하였다. 그 다음, 반응기의 함유물을 100-160℉로 가열하였다. 반응 용기에 186-505 그램의 소듐 실리케이트(3.26의 Na2O에 대한 SiO2의 몰 비, 및 11.2의 pH를 지님)를 충전시켰다(약 2-20분의 기간에 걸쳐). 1-45분 후, 13-160 그램의 소듐 실리케이트를 반응 용기에 충전시켰다(약 5-30분의 기간에 걸쳐). 반응 용기 중의 함유물을 추가 10-180분 동안 교반하였다. 그 후, 반응 용기로부터 함유물을 꺼내고, 이온 교환 수지로부터 필터 백을 통해 콜로이드 실리카 생성물을 분리하였다.
통상적인 배치식 공정을 이용한 콜로이드 실리카 졸의 제조. 배치식 방법을 이용하여 비교 샘플을 생산하였다(샘플 1-6). 반응 용기에 600 mL의 Amberlite® IRC84SP 이온 교환 수지 (Dow로부터 입수가능)를 이의 소듐 형태로 충전시켰다. 수지를 수소 형태로 재생이 적어도 40% 완료되게 재생시키기 위해 제조업체의 절차를 따랐다. 수지를 물로 깨끗하게 헹구고, 물을 빼냈다. 용기에 190-380 그램의 물을 충전시키고, 용기의 함유물을 혼합하여 수지를 현탁시키기 시작하였다. 그 다음, 반응기의 함유물을 100-160℉로 가열하였다. 반응 용기에 266-532 그램의 소듐 실리케이트(3.26의 Na2O에 대한 SiO2의 몰 비, 및 11.2의 pH를 지님)를 충전시켰다(약 2-20분의 기간에 걸쳐). 반응 용기 중의 함유물을 추가 10-180분 동안 교반하였다. 그 후, 반응 용기로부터 함유물을 꺼내고, 이온 교환 수지로부터 필터 백을 통해 콜로이드 실리카 생성물을 분리하였다.
표 1. 배치식 방법을 통해 제조된 랩-규모 샘플(샘플 1-6) 또는 본 발명의 반-배치식 방법(샘플 7-15)
Figure 112016061339812-pct00002
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 적어도 16%의 콜로이드 실리카 고체를 달성한 통상적인 배치식 방법에 의해 제조된 샘플(예컨대, 샘플 1-6)은 모두 점도와 관련된 청구된 상한치를 충족시키는데 실패하였다. 그러나, 본원에 개략된 반-배치식 방법을 이용하여 제조된 샘플 7-15는 모두 뜻밖에도 점도 (4-20 cP), S-값 (26-35%), 및 콜로이드 실리카 고체 (700-850 m2/g)의 비표면적에 대하여 언급된 청구항의 제한치를 충족시키면서 16-18 중량%의 콜로이드 실리카 고체를 달성하였다.
실시예 2:
실시예 2의 경우, 본 발명의 수성 콜로이드 실리카 생성물 (표 2에서 샘플 16-29)을 다음 파일럿-규모 반-배치식 절차를 이용하여 제조하였다. 반응 용기에 185 갤론의 Amberlite® IRC84SP 이온 교환 수지 (Dow로부터 입수가능)를 이의 소듐 형태로 충전시켰다. 수지를 수소 형태로 재생이 적어도 40% 완료되게 재생시키기 위해 제조업체의 절차를 따랐다. 수지를 물로 깨끗하게 헹구고, 물을 빼냈다. 용기에 683-1158 lbs의 물을 충전시키고, 용기의 함유물을 혼합하여 수지를 현탁시키기 시작하였다. 그 다음, 반응기의 함유물을 100-160℉로 가열하였다. 반응 용기에 574-1320 lbs의 소듐 실리케이트(3.26의 Na2O에 대한 SiO2의 몰 비, 및 11.2의 pH를 지님)를 충전시켰다(약 2-20분의 기간에 걸쳐). 1-45분 후, 41-417 lbs의 소듐 실리케이트를 반응 용기에 충전시켰다(약 5-30분의 기간에 걸쳐). 반응 용기 중의 함유물을 추가 10-180분 동안 교반하였다. 그 후, 반응 용기의 바닥으로부터 함유물을 스크린을 통해 꺼냈다.
표 2: 본 발명의 반-배치식 방법을 통해 제조된 파일럿-규모 샘플
Figure 112016061339812-pct00003
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 파일럿-규소 샘플은 약 18% 만큼 높은 콜로이드 실리카 고체를 지니면서도 청구된 파라미터를 달성하였다(샘플 16).
실시예 3:
대조 샘플 및 실시예 2의 샘플 17-19를 각각의 최초 통과 애쉬 보류와 관련된 비교 실험에 사용하였다. 각각의 샘플을 셀룰로스 퍼니시 상에 투입하였다.
알 수 있는 바와 같이, 대조 샘플에 비해 각각의 샘플 17-19의 경우에는 약 0.5 내지 0.8만큼 더 많은 미세입자 용량 (FPAR 대체율)을 이용하여 90% 최초 통과 애쉬 보류가 달성될 수 있었다. 이러한 결과는 도 1에 도표로 입증되어 있다.
Figure 112016061339812-pct00004
알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 생산 방법을 이용하여 제조된 본 발명의 수성 콜로이드 실리카 생성물은 대조 샘플에 비해 더 우수한 결과를 제공하였다.
용어 "~들을 포함하다", "~을 포함하다", 또는 "~을 포함하는"이 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 경우, 이들은 청구범위에서 전이어로 사용되는 때에 용어가 해석되는 용어 "~으로 구성되는"과 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다. 또한, 용어 "또는"이 사용되는 경우(예컨대, A 또는 B), 이는 "A 또는 B 또는 A와 B 둘 모두"를 의미하는 것으로 의도된다. 출원인이 "둘 모두가 아닌 A 또는 B만"을 나타내는 것으로 의도하는 경우에 용어 "둘 모두가 아닌 A 또는 B만"이 사용될 것이다. 따라서, 본원에서 용어 "또는"의 사용은 포괄적인 사용이고, 배제적인 사용이 아니다. 또한, 용어 "~에서" 또는 "~내에서"가 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 경우, 이는 "~위에" 또는 "~상에"를 추가로 의미하는 것으로 의도된다.
일반적인 본 발명의 개념이 적어도 일부 다양한 이들의 예시적인 구체예를 기술함으로써 예시되었다. 이러한 예시적 구체예가 상당히 구체적으로 기술되어 있지만, 출원인은 그러한 세부사항으로 첨부된 청구항의 범위를 한정하거나 어떠한 방식으로 제한하고자 의도한 것이 아니다. 또한, 다양한 본 발명의 개념은 서로 조합되어 사용될 수 있다(예컨대, 첫 번째, 두 번째, 세 번째, 네 번째 등등의 예시적 구체예들 중 하나 이상이 서로 조합되어 사용될 수 있음). 추가로, 특별히 개시된 구체예와 관련하여 언급된 어떠한 특정 구체예는, 특정 요소의 도입이 구체예의 표현된 용어와 상반되지 않는 한, 모든 개시된 구체예와 사용하는데 이용가능한 것으로 해석되어야 한다. 추가 이점 및 변형이 당업자에게 용이하게 자명할 것이다. 따라서, 더 넓은 양태의 개시 내용은 이에 나타나 있는 구체적인 세부사항, 대표적인 장치, 또는 나타나 있거나 기재되어 있는 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 이에 따라서, 일반적인 본 발명의 개념의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이 그러한 세부사항으로부터 변화가 이루어질 수 있다.
모든 특허, 특허 출원, 과학 논문, 및 본원에서 언급된 어떠한 그 밖의 참조된 물질은 전체가 참조로 포함된다. 추가로, 본 발명은 본원에 언급되고/거나 본원에 기재되고/거나 본원에 포함된 다양한 구체예들 중 일부 또는 이들 모두의 어떠한 가능한 조합을 포함한다. 또한, 본 발명은 본원에 언급되고/거나 본원에 기재되고/거나 본원에 포함된 다양한 구체예들 중 어느 하나 또는 일부를 특히 배제하기도 하는 어떠한 가능한 조합을 포함한다.

Claims (20)

  1. 물 및 16 내지 18 중량%의 콜로이드 실리카 고체를 포함하는 수성 콜로이드 실리카 생성물로서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 4 내지 20 cps 범위의 점도 및 26 내지 40% 범위의 S-값을 갖고, 콜로이드 실리카 고체가 750 내지 850 m2/g 범위의 비표면적을 갖는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  2. 제1항에 있어서, 알칼리 금속을 추가로 포함하는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  3. 제2항에 있어서, 알칼리 금속이 50:1 내지 5:1 범위의 실리카 대 알칼리 금속의 몰 비를 제공하기 위한 양으로 존재하는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 4 내지 18 cps 범위의 점도를 갖는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 17 내지 18 중량%의 콜로이드 실리카 고체를 포함하는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 1:2 내지 4:1 범위의 콜로이드 실리카 고체의 중량% 대 cps 점도의 비를 갖는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 9 내지 11의 pH 범위를 갖는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 10 내지 11의 pH 범위를 갖는, 수성 콜로이드 실리카 생성물.
  9. 셀룰로스 시트를 제조하는 방법으로서, 상기 방법이,
    0.01 내지 1.5 중량%의 셀룰로스 섬유를 함유하는 셀룰로스 퍼니시를 제조하는 단계;
    셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량 당 0.00005 내지 1.5 중량%의 콜로이드 실리카 고체의 농도를 달성하기 위한 양의 제1항의 수성 콜로이드 실리카 생성물, 및 셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량 당 0.001 내지 5 중량%의 수용성 중합성 응집제의 농도를 달성하기 위한 양의 수용성 중합성 응집제를 셀룰로스 퍼니시에 첨가하는 단계로서, 수용성 중합성 응집제가 500,000 내지 30,000,000 달톤 범위의 분자량을 갖는, 단계; 및
    셀룰로스 퍼니시를 탈수시켜 셀룰로스 시트를 얻는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 수성 콜로이드 실리카 생성물이 셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량 당 0.005 내지 1 중량%의 콜로이드 실리카 고체 농도를 달성하기 위한 양으로 셀룰로스 퍼니시에 첨가되는, 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 콜로이드 실리카 생성물이 배치식 수성 콜로이드 실리카 생성물에 비해 0.5 내지 0.8 범위의 최초 통과 애쉬 보류 대체 비(first pass ash retention replacement ratio)를 갖는, 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 미세입자가 셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량의 907 킬로그램 당 0.41 내지 0.54 킬로그램의 농도로 셀룰로스 퍼니시에 혼입될 때, 콜로이드 실리카 생성물이 배치식 수성 콜로이드 실리카 생성물에 비해 적어도 90%의 최초 통과 애쉬 보류를 달성하는, 방법.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 양이온성 전분이 셀룰로스 퍼니시 중 섬유의 건조 중량 당 0.005 내지 5 중량%의 양이온성 전분의 양이온성 전분 농도를 달성하기 위한 양으로 셀룰로스 퍼니시에 첨가되는, 방법.
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