золи на основе двуокиси кремния

Формула изобретения

1. Водный золь на основе двуокиси кремния, включающий азотсодержащее органическое соединение и частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 300 квадратных метров на грамм двуокиси кремния и имеющие значение S в интервале 10 - 60%.

2. Водный золь на основе двуокиси кремния, имеющий удельную площадь поверхности, по меньшей мере, 100 м² на 1 г водного золя, включающий азотсодержащее органическое соединение и частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 300 м² на 1 г двуокиси кремния.

3. Водный золь на основе двуокиси кремния по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 550 - 1700 м² на 1 г двуокиси кремния.

4. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что азотсодержащее органическое соединение имеет молекулярную массу ниже 1000.

5. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что имеет значение S в интервале 15 - 40%.

6. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что имеет удельную площадь поверхности в интервале 150 - 250 м² на 1 г водного золя.

7. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что имеет содержание двуокиси кремния в интервале 10 - 60 мас.%.

8. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что имеет величину рН 8 - 13.

9. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что азотсодержащее органическое соединение представляет собой амин, содержащий 2 - 12 атомов углерода.

10. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что азотсодержащее органическое соединение содержит, по меньшей мере, один атом кислорода.

11. Способ получения водного золя на основе двуокиси кремния, включающего азотсодержащее органическое соединение, который включает введение азотсодержащего органического соединения в золь на основе двуокиси кремния, содержащий частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 300 м² на 1 г двуокиси кремния, для достижения значения S в интервале 10 - 60%.

12. Способ получения водного золя на основе двуокиси кремния, включающего азотсодержащее органическое соединение, который включает введение азотсодержащего органического соединения в золь на основе двуокиси кремния, содержащий частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 300 м² на 1 г двуокиси кремния, и концентрирование полученного водного золя на основе двуокиси кремния до удельной площади поверхности, по меньшей мере, 100 м² на 1 г водного золя.

13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что азотсодержащее органическое соединение имеет молекулярную массу ниже 1000.

14. Способ по пп.11, 12 или 13, отличающийся тем, что водный золь на основе двуокиси кремния содержит частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 550 - 1700 м² на 1 г двуокиси кремния.

15. Способ по любому из пп.11-14, отличающийся тем, что полученный водный золь на основе двуокиси кремния концентрируют до удельной площади поверхности в интервале 150 - 250 м² на 1 г водного золя.

16. Способ по любому из пп.11-15, отличающийся тем, что азотсодержащее органическое соединение представляет собой амин, содержащий 2 - 12 атомов углерода.

17. Способ по любому из пп.11-16, отличающийся тем, что азотсодержащее органическое соединение содержит, по меньшей мере, один атом кислорода.

18. Водный золь на основе двуокиси кремния, получаемый способом по любому из пп.11-17.

19. Водный золь на основе двуокиси кремния по любому из пп.1-10 или 18 для использования в качестве вспомогательного вещества для дренажа и удерживания при производстве бумаги.

20. Способ получения бумаги из водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна и необязательные наполнители, который включает добавление к суспензии водного золя на основе двуокиси кремния и, по меньшей мере, одного заряженного органического полимера, образование и дренирование суспензии на сетке, отличающийся тем, что золь представляет собой золь на основе двуокиси кремния, включающий органическое азотсодержащее соединение.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что золь содержит частицы на основе двуокиси кремния с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 300 м² на 1 г двуокиси кремния.

22. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что золь представляет собой водный золь на основе двуокиси кремния по любому из пп.1-10 или 18.

23. Способ по пп.20, 21 или 22, отличающийся тем, что заряженный органический полимер включает катионный крахмал и/или катионный полиакриламид.

24. Способ получения пульпы и бумаги, в котором водный золь на основе двуокиси кремния по любому из пп.1-10 или 18 используют в качестве вспомогательного вещества для дренажа и удерживания.

Описание изобретения к патенту

Описание

Настоящее изобретение в целом относится к золям на основе двуокиси кремния, включающим органические азотсодержащие соединения, указанные золи подходят для использования в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания при изготовлении бумаги. Более конкретно, изобретение относится к золям на основе двуокиси кремния, способу получения золей на основе двуокиси кремния и способу изготовления бумаги, в котором золи на основе двуокиси кремния используются в качестве добавок.

Предпосылки изобретения

В технологии изготовления бумаги водную суспензию, содержащую целлюлозные волокна и, необязательно, наполнители и добавки, называемую пульпой, подают в напорный ящик, который эжектирует пульпу на формирующую сетку. Вода дренируется из пульпы через формирующую сетку так, что на сетке образуется влажный бумажный лист, который далее обезвоживают и сушат в сушильной секции бумагоделательной машины. Вспомогательные вещества для дренажа и удерживания обычно вводят в пульпу для того, чтобы способствовать дренажу и увеличить адсорбцию мелких частиц на целлюлозных волокнах таким образом, чтобы они удерживались волокнами на сетке.

Частицы на основе двуокиси кремния широко используются в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания в сочетании с заряженными органическими полимерами подобно анионным и катионным полимерам на основе акриламида и катионным и амфотерным крахмалам. Такие системы добавок описаны в патентах США 4388150, 4961825, 4980025, 5368833, 5603805, 5607552, 5858174 и 6103064. Эти системы принадлежат к числу наиболее эффективных вспомогательных веществ для дренажа и удерживания, используемых в настоящее время.

Частицы на основе двуокиси кремния, пригодные для использования в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания, обычно подают в виде водных коллоидных дисперсий, так называемых золей. Такие коммерчески используемые золи на основе двуокиси кремния обычно имеют содержание двуокиси кремния примерно 7-15 мас.% и содержат частицы с удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 300 м²/г. Золи частиц на основе двуокиси кремния с более высокой удельной площадью поверхности являются обычно более разбавленными, чтобы улучшить стабильность при хранении и избежать образования геля.

Было бы выгодно иметь возможность обеспечить золи на основе двуокиси кремния с дополнительно улучшенными характеристиками дренажа и удерживания и с еще лучшей стабильностью. Было бы выгодно также иметь возможность обеспечить способ получения золей на основе двуокиси кремния, имеющих улучшенные свойства дренажа, удерживания и стабильности. Было бы выгодно также иметь возможность обеспечить способ получения бумаги с улучшенными дренажом и удерживанием.

Описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются модифицированные амином золи на основе двуокиси кремния, которые пригодны для использования в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания в производстве бумаги. Термин "вспомогательные вещества для дренажа и удерживания", как он использован в описании, относится к одному или нескольким компонентам (вспомогательным веществам, агентам или добавкам), которые, будучи добавлены к пульпе для изготовления бумаги, обеспечивают лучшие дренаж и/или удерживание, чем те, которые получают без добавления указанных одного или нескольких компонентов. Модифицированные аминами золи на основе двуокиси кремния по изобретению дают улучшенные дренаж и/или удерживание, когда используются в сочетании с заряженными органическими полимерами. Таким образом, настоящее изобретение дает возможность увеличить скорость бумагоделательной машины и использовать меньшие количества добавок для получения соответствующего эффекта дренажа и/или удерживания, приводя тем самым к усовершенствованию процесса изготовления бумаги и к экономическим выгодам. Золи на основе двуокиси кремния по изобретению, кроме того, обладают очень хорошей стабильностью в течение длительных периодов времени, особой стабильностью очень высокой площади поверхности и высокой стабильностью к гелеобразованию, и потому их можно готовить и транспортировать с высокими удельными площадями поверхности и высокими концентрациями двуокиси кремния. Золи имеют улучшенную способность сохранять высокую удельную площадь поверхности при хранении при высоких концентрациях двуокиси кремния.

Таким образом, настоящее изобретение относится к золям на основе двуокиси кремния, содержащим органическое азотсодержащее соединение, получению таких золей и их применению, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения. Изобретение также относится к способу изготовления бумаги из водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна и, необязательно, наполнители, который включает добавление к суспензии золя на основе двуокиси кремния, содержащего органическое азотсодержащее соединение и, по меньшей мере, одного заряженного органического полимера, образование и дренирование суспензии на сетке, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения.

Золи на основе двуокиси кремния согласно изобретению представляют собой водные золи, которые содержат анионные частицы на основе двуокиси кремния, т.е. частицы на основе SiO₂ или кремниевой кислоты, включая коллоидную двуокись кремния, различные виды поликремниевых кислот, полисиликатные микрогели, коллоидные боросиликаты, модифицированную окисью алюминия двуокись кремния или алюмосиликаты, полиалюмосиликатные микрогели, и их смеси. Частицы предпочтительно являются коллоидными, т.е. находятся в коллоидном интервале размера частиц, и предпочтительно являются аморфными или по существу аморфными. Подходящие частицы на основе двуокиси кремния имеют средний размер частиц ниже примерно 50 нм, предпочтительно ниже примерно 20 нм и более предпочтительно в интервале от примерно 1 нм до примерно 10 нм. Как принято в химии силикатов, размер частиц относится к среднему размеру первичных частиц, которые могут быть агрегированными или неагрегированными.

Золи на основе двуокиси кремния согласно изобретению содержат органическое азотсодержащее соединение, например, амин, который может быть выбран из первичных аминов, вторичных аминов, третичных аминов и четвертичных аминов, называемых также соединениями четвертичного аммония. Амины могут быть ароматическими, т.е. содержащими одну или несколько ароматических групп, или алифатическими; алифатические амины обычно являются предпочтительными. Азотсодержащее соединение является предпочтительно водорастворимым или вододиспергируемым. Амин может быть незаряженным или катионным. Примеры катионных аминов включают соли присоединения кислот первичных, вторичных и третичных аминов и, предпочтительно, четвертичных аммониевых соединений, а также их гидроксиды. Органическое азотсодержащее соединение обычно имеет молекулярную массу ниже 1000, подходяще ниже 500 и предпочтительно ниже 300. Предпочтительно используют низкомолекулярные органические азотсодержащие соединения, например, соединения, имеющие до 25 атомов углерода, подходяще до 20 атомов углерода, предпочтительно от 2 до 12 атомов углерода и наиболее предпочтительно от 2 до 8 атомов углерода. В предпочтительном воплощении, органическое азотсодержащее соединение имеет один или несколько кислородсодержащих заместителей, например, с кислородом в форме гидроксильных групп и/или алкилоксигрупп. Примеры предпочтительных заместителей такого типа включают гидроксиалкильные группы, например, этанольные группы и метокси- и этоксигруппы. Органические азотсодержащие соединения могут включать один или несколько атомов азота, предпочтительно один или два. Предпочтительные амины включают амины, имеющие величину рКа, по меньшей мере, 6, подходяще, по меньшей мере, 7 и предпочтительно, по меньшей мере, 7,5.

Примеры подходящих первичных аминов, т.е. аминов, имеющих один органический заместитель, включают алкиламины, например, пропиламин, бутиламин, циклогексиламин, алканоламины, например, этаноламин, и алкоксиалкиламины, например, 2-метоксиэтиламин. Примеры подходящих вторичных аминов, т.е. аминов, имеющих два органических заместителя, включают диалкиламины, например, диэтиламин, дипропиламин и диизопропиламин, диалканоламины, например, диэтаноламин, и пирролидин. Примеры подходящих третичных аминов, т.е. аминов, имеющих три органических заместителя, включают триалкиламины, например, триэтиламин, триалканоламины, например, триэтаноламин, N,N-диалкилалканоламины, например, N,N-диметилэтаноламин. Примеры подходящих четвертичных аминов или соединений четвертичного аммония, т.е. аминов, имеющих четыре органических заместителя, включают тетраалканоламины, например, гидроксид тетраэтаноламмония и хлорид тетраэтаноламмония, четвертичные амины или соединения аммония, имеющие и алканольные и алкильные заместители, такие как N-алкилтриалканоламины, например, гидроксид метилтриэтаноламмония и хлорид метилтриэтаноламмония, N,N-диалкилдиалканоламины, например, гидроксид диметилдиэтаноламмония и хлорид диметилдиэтаноламмония, N,N,N-триалкилалканоламины, например, гидроксид холина и хлорид холина, N,N,N-триалкилбензиламины, например, гидроксид диметилкокобензиламмония и хлорид диметилкокобензиламмония, соли тетраалкиламмония, например, гидроксид тетраметиламмония, хлорид тетраметиламмония, гидроксид тетраэтиламмония, хлорид тетраэтиламмония, гидроксид тетрапропиламмония, хлорид тетрапропиламмония, гидроксид диэтилдиметиламмония, хлорид диэтилдиметиламмония, гидроксид триэтилметиламмония и хлорид триэтилметиламмония. Примеры подходящих диаминов включают аминоалкилалканоламины, например аминоэтилэтаноламин, пиперазин и азот-замещенные пиперазины, имеющие одну или две низших алкильных группы с 1-4 атомами углерода. Примеры предпочтительных органических азотсодержащих соединений включают триэтаноламин, диэтаноламин, дипропиламин, аминоэтилэтаноламин, 2-метоксиэтиламин, N,N-диметилэтаноламин, гидроксид холина, хлорид холина, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетраэтиламмония и гидроксид тетраэтаноламмония.

Мольное отношение SiO₂ к N в золях на основе двуокиси кремния обычно составляет от 1:1 до 50:1, подходяще от 2:1 до 40:1 и предпочтительно от 2,5:1 до 25:1.

Удельная площадь поверхности модифицированных аминами водных золей на основе двуокиси кремния по изобретению подходяще составляет, по меньшей мере, 90 м²/г водного золя, т.е. в расчете на массу водного золя, предпочтительно, по меньшей мере, 100 м²/г водного золя, более предпочтительно, по меньшей мере, 115 м²/г водного золя и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 150 м²/г водного золя. Обычно, удельная площадь поверхности полученного водного золя может составлять до примерно 300 м²/г водного золя, подходяще до 250 м²/г водного золя, предпочтительно до 240 м²/г водного золя.

Удельная площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния составляет подходяще, по меньшей мере, 300 м²/г SiO₂, т.е. в расчете на массу SiО₂, предпочтительно, по меньшей мере, 400 м²/г SiO₂ и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 550 м²/г SiO₂, особенно, по меньшей мере, 700 м²/г SiO₂. Обычно, удельная площадь поверхности частиц может составлять до примерно 1700 м²/г SiO₂. В предпочтительном воплощении изобретения удельная площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния составляет до 1000 м²/г SiO₂, подходяще от примерно 550 до 950 м²/г SiO₂. В другом предпочтительном воплощении изобретения, удельная площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния составляет от примерно 1000 до 1700 м²/г SiO₂, подходяще от примерно 1050 до 1500 м²/г SiO₂.

Удельная площадь поверхности может быть определена путем титрования NaOH обычным образом, как, например, описано Sears"ом в Analytical Chemistry 28 (1956): 12, 1981-1983 и в патенте США 5176891, после соответствующего удаления или корректировки содержания органического азотсодержащего соединения и любых других соединений, присутствующих в пробе, которые могут нарушить процесс титрования, подобно соединениям алюминия и бора. Будучи выраженной в квадратных метрах на грамм водного золя, удельная площадь поверхности представляет удельную площадь поверхности, которая доступна на грамм водного золя на основе двуокиси кремния. Будучи выраженной в квадратных метрах на грамм двуокиси кремния, удельная площадь поверхности представляет среднюю удельную площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния, присутствующих в золе.

Золи на основе двуокиси кремния обычно имеют величину S в интервале от 10 до 60%, подходяще от 15 до 50%, предпочтительно от 15 до 40% и наиболее предпочтительно от 20 до 35%. Величина S может быть определена и рассчитана, как описано в Iler & Dalton J.Phys.Chem. 60 (1956), 955-957. Величина S, на которую влияет концентрация двуокиси кремния, плотность и вязкость золя на основе двуокиси кремния, может рассматриваться как показатель степени агрегирования частиц или взаимодействия между частицами, и более низкие значения S указывают на более высокую степень агрегирования.

Золи на основе двуокиси кремния подходяще должны иметь содержание двуокиси кремния, по меньшей мере, 3 мас.%, но более подходяще, чтобы содержание двуокиси кремния находилось в интервале от 10 до 60 мас.%, и предпочтительно от 12 до 40 мас.% Для того чтобы уменьшить оборудование для хранения и упростить транспортировку и снизить стоимость транспортировки, обычно предпочтительно транспортировать высококонцентрированные золи на основе двуокиси кремния, но это, конечно, возможно и обычно предпочтительно разбавлять золи до по существу меньших концентраций двуокиси кремния перед применением, например, до содержания двуокиси кремния в интервале от 0,05 до 5 мас.% для того, чтобы улучшить смешение с компонентами композиции.

Вязкость золей на основе двуокиси кремния может варьироваться в зависимости от, например, содержания двуокиси кремния в золе, удельной площади поверхности частиц на основе двуокиси кремния и используемого органического азотсодержащего соединения. Обычно, вязкость составляет, по меньшей мере, 1,5 сП, нормально в интервале от 2 до 100 сП, подходяще от 2 до 70 сП и предпочтительно от 2,5 до 40 сП. Вязкость, которую соответствующе определяют для золя, имеющего содержание двуокиси кремния, по меньшей мере, 10 мас.%, может быть определена известными способами, например, с использованием вискозиметра Brookfield LVDV II+. Величина рН золей на основе двуокиси кремния согласно изобретению составляет обычно от 7 до 14, подходяще от 8 до 13 и предпочтительно от 9 до 12.

Золи на основе двуокиси кремния по данному изобретению являются, предпочтительно, стабильными. Термин "стабильный золь на основе двуокиси кремния", как он использован здесь, относится к золям на основе двуокиси кремния, которые, когда они подвергнуты хранению или старению в течение одного месяца при 20 С в условиях темноты и без перемешивания, дают увеличение вязкости менее чем на 100 сП. Подходяще, чтобы вязкость увеличивалась, если она увеличивается, когда золи подвергаются вышеуказанным условиям, менее чем на 50 сП и предпочтительно менее чем на 30 сП.

В добавление к азотсодержащему соединению золи на основе двуокиси кремния согласно изобретению могут также содержать другие элементы, например, алюминий и бор. Такие элементы могут присутствовать в результате модификации с использованием, соответственно, алюминийсодержащих и борсодержащих соединений. Если используют алюминий, золь может иметь мольное соотношение SiO₂ к Al₂O₃ в интервале от 4:1 до 1500:1, подходяще от 8:1 до 1000:1 и предпочтительно от 15:1 до 500:1. Если используют бор, золь может иметь мольное соотношение SiО₂ к В в интервале от 4:1 до 1500:1, подходяще от 8:1 до 1000:1 и предпочтительно от 15:1 до 500:1.

Водные золи на основе двуокиси кремния согласно изобретению могут быть получены введением в золь на основе двуокиси кремния азотсодержащего соединения, например, любого соединения из описанных выше и имеющего вышеуказанные характеристики, необязательно с последующим концентрированием золя на основе двуокиси кремния. Золь на основе двуокиси кремния для использования подходяще содержит анионные частицы на основе двуокиси кремния. Предпочтительно, частицы являются коллоидными и аморфными или по существу аморфными. Удельная площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния, т.е. в расчете на массу SiO₂, подходяще составляет, по меньшей мере, 300 м²/г SiO₂, предпочтительно, по меньшей мере, 400 м²/г SiO₂, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 550 м²/г SiO₂, в особенности, по меньшей мере, 700 м²/г SiO₂. Обычно, удельная площадь поверхности частиц может составлять вплоть до примерно 1700 м²/г SiO₂. В предпочтительном осуществлении изобретения удельная площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния составляет вплоть до примерно 1000 м²/г SiO₂, подходяще от примерно 550 до 950 м²/г SiO₂. В другом предпочтительном осуществлении изобретения удельная площадь поверхности частиц на основе двуокиси кремния составляет от примерно 1000 до 1700 м²/г SiO₂, подходяще от примерно 1050 до 1500 м²/г SiO₂. Золь на основе двуокиси кремния для использования в способе обычно имеет значение S в интервале от 10 до 60%, подходяще от 15 до 50%, предпочтительно от 15 до 40% и наиболее предпочтительно от 20 до 35%.

Водный золь на основе двуокиси кремния для использования в способе согласно изобретению обычно имеет рН в интервале от 1 до 11. В одном предпочтительном аспекте данного изобретения используемый водный золь на основе двуокиси кремния имеет рН в интервале от 1 до 4 и обычно представляет собой кислотный золь на основе двуокиси кремния или поликремниевую кислоту. В другом предпочтительном аспекте данного изобретения рН используемого золя на основе двуокиси кремния находится в интервале от 4 до 11, подходяще от 7 и наиболее предпочтительно от 8 до 11,0, предпочтительно до 10,5.

Кислотные золи на основе двуокиси кремния могут быть получены исходя из обычного водного раствора силиката, подобного щелочному растворимому стеклу, например калиевому или натриевому растворимому стеклу, предпочтительно натриевому растворимому стеклу. Мольное отношение SiO₂ к М₂O, где М представляет щелочной металл, например, натрий, калий, аммоний или их смесь, в растворе силиката или растворимом стекле находится подходяще в интервале от 1,5:1 до 4,5:1, предпочтительно от 2,5:1 до 3,9:1, и рН обычно составляет около 13 или выше 13. Подходяще использовать разбавленный раствор силиката или растворимого стекла, который может иметь содержание SiO₂ от примерно 3 до примерно 12 мас.%, предпочтительно от примерно 5 до примерно 10 мас.%. Раствор силиката или растворимого стекла обычно подкисляют до рН от примерно 1 до примерно 4. Подкисление может быть осуществлено известным способом путем добавления минеральных кислот, например, серной кислоты, хлористоводородной кислоты и фосфорной кислоты, или, необязательно, других химикатов, известных как подходящие для подкисления растворимого стекла, например, сульфата аммония и двуокиси углерода. Однако предпочтительно, чтобы подкисление проводилось посредством кислых катионообменников, которые, среди прочего, приводят к получению более стабильных продуктов. Подкисление предпочтительно проводят посредством сильно кислой катионообменной смолы, например, сульфонокислотного типа. Предпочтительно, чтобы подкисление проводилось до рН от примерно 2 до 4, наиболее предпочтительно от примерно 2,2 до 3,0. Полученный кислый золь, или поликремниевая кислота, содержит частицы с высокой удельной площадью поверхности, обычно выше 1000 м²/г SiO₂ и обычно от примерно 1300 до 1500 м²/г SiO₂. Кислые золи на основе двуокиси кремния могут быть также получены подкислением щелочного золя на основе двуокиси кремния, например, путем подкисления, описанного выше.

Затем в кислый золь вводят органическое азотсодержащее соединение, необязательно в сочетании со щелочью, например, гидроксидом лития, гидроксидом натрия, гидроксидом калия и гидроксидом аммония, или водным раствором силиката, описанным выше. Органическое азотсодержащее соединение и щелочь могут вводиться одновременно, либо раздельно, либо в смеси, или последовательно, например, добавление органического азотсодержащего соединения с последующим добавлением щелочи. Количество органического азотсодержащего соединения обычно таково, чтобы получить вышеупомянутое мольное отношение SiО₂ к азоту (N). Величина рН золя на основе двуокиси кремния, модифицированного органическим азотсодержащим соединением, обычно составляет от 7 до 13, подходяще от 8 до 12,5 и предпочтительно от 9 до 12.

В предпочтительном осуществлении изобретения золь на основе двуокиси кремния, полученный после введения органического азотсодержащего соединения, дополнительно концентрируют. Концентрирование может быть осуществлено известным способом, таким как, например, осмотические методы, выпаривание и ультрафильтрация. Концентрирование обычно осуществляют так, чтобы получить содержание двуокиси кремния, по меньшей мере, 10 мас.%, предпочтительно от 10 до 60 мас.% и более предпочтительно от 12 до 40 мас.%. Кроме того, концентрирование обычно осуществляют так, чтобы полученный в способе золь на основе двуокиси кремния имел удельную площадь поверхности, по меньшей мере, 90 м²/г водного золя, т.е. в расчете на массу водного золя, подходяще, по меньшей мере, 100 м²/г водного золя, предпочтительно, по меньшей мере, 115 м²/г водного золя и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 150 м²/г водного золя. Обычно удельная площадь поверхности полученного водного золя может составлять вплоть до примерно 300 м²/г водного золя, подходяще до 250 м²/г водного золя, предпочтительно до 240 м²/г водного золя.

Согласно способу изобретения могут быть получены золи на основе двуокиси кремния, в особенности стабильные золи на основе двуокиси кремния, имеющие вышеуказанные характеристики, и полученные золи имеют хорошую стабильность при хранении и могут храниться несколько месяцев без какого-либо существенного уменьшения удельной площади поверхности и без гелеобразования.

Золи на основе двуокиси кремния, модифицированные органическим азотсодержащим соединением, по данному изобретению пригодны для использования в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания при изготовлении бумаги. Золи на основе двуокиси кремния могут быть использованы в сочетании с органическими полимерами, которые могут быть выбраны из анионных, амфотерных, неионных и катионных полимеров и их смесей, называемых здесь также "основным полимером". Применение таких полимеров в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания хорошо известно в данной области. Полимеры могут быть получены из природного или синтетического сырья и могут быть линейными, разветвленными или сшитыми. Примеры обычно подходящих основных полимеров включают анионные, амфотерные и катионные крахмалы, анионные, амфотерные и катионные гуаровые смолы, и анионные, амфотерные и катионные полимеры на основе акриламида, а также катионный поли(диаллилдиметиламмонийхлорид), катионные полиэтиленимины, катионные полиамины, полиамидоамины и полимеры на основе виниламида, меламиноформальдегидные и мочевиноформальдегидные смолы. Подходяще использовать золи на основе двуокиси кремния в сочетании с, по меньшей мере, одним катионным или амфотерным полимером, предпочтительно катионным полимером. Катионный крахмал и катионный полиакриламид являются особо предпочтительными полимерами, и они могут быть использованы по одному, вместе друг с другом или вместе с другими полимерами, например, с другими катионными полимерами или с анионным полиакриламидом. Молекулярная масса основного полимера составляет подходяще выше 1000000 и предпочтительно выше 2000000. Верхний предел не является критическим; он может составлять примерно 50000000, обычно 30000000 и подходяще примерно 25000000. Однако молекулярная масса полимеров, полученных из природного сырья, может быть выше.

При использовании золей на основе двуокиси кремния в сочетании с основным полимером (полимерами), как упомянуто выше, дополнительно предпочтительно использовать, по меньшей мере, один катионный органический полимер с низкой молекулярной массой (здесь далее НММ), которые обычно называют и используют в качестве "уловителей анионных загрязнений" (УАЗ). УАЗ известны в данной области как нейтрализующие и/или фиксирующие агенты для вредных анионных веществ, присутствующих в пульпе, и их использование в сочетании с вспомогательными веществами для дренажа и удерживания часто дает дополнительное улучшение дренажа и/или удерживания. НММ катионный органический полимер может быть получен из природного или синтетического сырья и предпочтительно представляет собой НММ синтетический полимер. Подходящие органические полимеры такого типа включают НММ сильно заряженные катионные органические полимеры, такие как полиамины, полиамидоамины, полиэтиленимины, гомо- и сополимеры на основе хлорида диаллилдиметиламмония, (мет)акриламиды и (мет)акрилаты. По отношению к молекулярной массе основного полимера молекулярная масса НММ катионного органического полимера предпочтительно является более низкой, она подходяще составляет, по меньшей мере, 1000 и предпочтительно, по меньшей мере, 10000. Верхний предел молекулярной массы обычно составляет примерно 700000, подходяще около 500000 и обычно около 200000. Предпочтительные комбинации полимеров, которые могут быть использованы совместно с золями на основе двуокиси кремния по изобретению, включают НММ катионный органический полимер в сочетании с основным полимером (полимерами), такие как, например, катионный крахмал и/или катионный полиакриламид, анионный полиакриламид, а также катионный крахмал и/или катионный полиакриламид в сочетании с анионным полиакриламидом.

Компоненты вспомогательных веществ для дренажа и удерживания по изобретению могут быть добавлены к пульпе обычным образом и в любом порядке. При использовании вспомогательных веществ для дренажа и удерживания, включающих золь на основе двуокиси кремния и органический полимер, например, основной полимер, предпочтительно добавлять полимер к пульпе перед добавлением золя на основе двуокиси кремния, даже если может быть использован противоположный порядок добавления. Дополнительно предпочтительно добавлять основной полимер перед стадией сдвига, которую можно выбирать из откачки, перемешивания, фильтрации и т.п., и добавлять золь на основе двуокиси кремния после стадии сдвига. НММ катионные органические полимеры, если они применяются, предпочтительно вводят в пульпу до ввода основного полимера. Альтернативно, НММ катионный органический полимер и основной полимер могут быть введены в пульпу по существу одновременно, либо по отдельности, либо в смеси, например, так, как описано в патенте США 5858174, который введен в описание в качестве ссылки. НММ катионный органический полимер и основной полимер предпочтительно вводят в пульпу перед вводом золя на основе двуокиси кремния.

В предпочтительном осуществлении данного изобретения золи на основе двуокиси кремния используют в качестве вспомогательных веществ для дренажа и удерживания в сочетании с, по меньшей мере, одним органическим полимером, как описано выше, и с, по меньшей мере, одним соединением алюминия. Соединения алюминия могут быть использованы для дополнительного улучшения характеристик дренажа и/или удерживания добавок к пульпе, включающих золи на основе двуокиси кремния. Подходящие соли алюминия включают квасцы, алюминаты, хлорид алюминия, нитрат алюминия и полиалюминиевые соединения, такие как полиалюминиевые хлориды, полиалюминиевые сульфаты, полиалюминиевые соединения, содержащие и хлоридные, и сульфатные ионы, силикат-сульфаты полиалюминия и их смеси. Полиалюминиевые соединения могут также содержать другие анионы, например, анионы фосфорной кислоты, органических кислот, таких как лимонная кислота и щавелевая кислота. Предпочтительные соли алюминия включают алюминат натрия, квасцы и полиалюминиевые соединения. Соединение алюминия может быть добавлено до или после добавления золя на основе двуокиси кремния. Альтернативно, или дополнительно, соединение алюминия может быть введено одновременно с золем на основе двуокиси кремния в, по существу, ту же самую точку, либо по отдельности, либо в смеси с ним, как описано, например, в патенте США 5846384, который введен в описание в качестве ссылки. Во многих случаях часто подходяще добавлять алюминиевое соединение к пульпе в начале процесса, например, до других добавок.

Компоненты вспомогательных веществ для дренажа и удерживания согласно изобретению добавляют к пульпе, которая должна быть обезвожена, в количествах, которые могут варьироваться в широких пределах в зависимости от, среди прочего, типа и числа компонентов, типа композиции, содержания наполнителя, типа наполнителя, точки ввода и т.п. Обычно компоненты добавляют в количествах, которые обеспечивают лучшие дренаж и/или удерживание, чем те, которые получают без добавления компонентов. Золь на основе двуокиси кремния обычно вводят в количестве, по меньшей мере, 0,001 мас.%, часто, по меньшей мере, 0,005 мас.%, в расчете на SiO₂ и в расчете на сухое вещество пульпы, т.е. волокна целлюлозы и необязательные наполнители, и верхний предел обычно составляет 1,0% и, подходяще, 0,5 мас.%. Основной полимер обычно вводят в количестве, по меньшей мере, 0,001 мас.%, часто, по меньшей мере, 0,005 мас.% в расчете на сухое вещество пульпы, и верхний предел обычно составляет 3 мас.% и подходяще 1,5 мас.%. Если в процессе используют НММ катионный органический полимер, он может быть введен в количестве, по меньшей мере, 0,05% в расчете на сухое вещество обезвоживаемой пульпы. Подходяще количество находится в интервале от 0,07 до 0,5%, предпочтительно в интервале от 0,1 до 0,35%. Если в процессе используют соединение алюминия, общее количество, вводимое в обезвоживаемую пульпу, зависит от типа используемого соединения алюминия, и от других эффектов, которые желательно получить от него. Например, хорошо известно в данной области использование соединений алюминия в качестве осадителей для клеящих веществ на основе древесных смол. Общее добавленное количество обычно составляет, по меньшей мере, 0,05% в расчете на Аl₂О₃ и на сухое вещество пульпы. Подходяще количество находится в интервале от 0,1 до 3,0%, предпочтительно в интервале от 0,5 до 2,0%.

В предпочтительном осуществлении изобретения способ используют при производстве бумаги из суспензии, содержащей целлюлозные волокна и, необязательные наполнители, имеющей высокую проводимость. Обычно проводимость пульпы, которую обезвоживают на сетке, составляет, по меньшей мере, 0,75 мСм/см, подходяще, по меньшей мере, 2,0 мСм/см, предпочтительно, по меньшей мере, 3,5 мСм/см. Очень хорошие результаты по дренажу и удерживанию наблюдались при уровне проводимости, по меньшей мере, 5,0 мСм/см. Проводимость может быть определена стандартным оборудованием, таким как, например, прибор WTW LF 539, поставляемый Christian Berner. Значения, указанные выше, являются значениями, подходяще определенными путем измерения проводимости целлюлозной суспензии, которую подают в или которая присутствует в напорном ящике бумагоделательной машины, или, альтернативно, путем измерения проводимости оборотной воды, полученной при обезвоживании суспензии. Высокие уровни проводимости означают высокое содержание солей (электролитов), которые могут происходить из целлюлозных волокон и наполнителей, используемых для образования пульпы, в частности, на интегрированных мельницах, где концентрированную водную суспензию волокон с древесно-массной установки обычно смешивают с водой для образования разбавленной суспензии, пригодной для получения бумаги на бумажной фабрике. Соль может также быть получена из различных добавок, введенных в пульпу, из свежей воды, подаваемой в процесс, или может быть введена преднамеренно и т.д. Кроме того, содержание солей обычно выше в процессах, в которых оборотную воду экстенсивно рециркулируют, что может приводить к значительному накоплению солей в воде, циркулирующей в процессе.

Настоящее изобретение дополнительно охватывает способы изготовления бумаги, в которых оборотную воду экстенсивно рециркулируют, т.е. с высокой степенью замкнутости по оборотной воде, где, например, используют от 0 до 30 тонн свежей воды на тонну получаемой сухой бумаги, обычно меньше 20, подходяще меньше 15, предпочтительно меньше 10 и особенно меньше 5 тонн свежей воды на тонну бумаги. Рециркуляция оборотной воды, полученной в способе, подходяще включает смешение оборотной воды с целлюлозными волокнами и/или необязательными наполнителями, с образованием обезвоживаемой суспензии; предпочтительно она включает смешение оборотной воды с суспензией, содержащей целлюлозные волокна и необязательные наполнители, перед тем как суспензия поступает на формирующую сетку для обезвоживания. Оборотная вода может быть смешана с суспензией перед, между, одновременно с или после введения вспомогательных веществ для дренажа и удерживания. Свежая вода может быть введена в процесс на любой стадии; например, она может быть смешана с целлюлозными волокнами для того, чтобы образовать суспензию, и она может быть смешана с суспензией, содержащей целлюлозные волокна, для того, чтобы разбавить ее так, чтобы образовать обезвоживаемую суспензию, перед или после смешения пульпы с оборотной водой и перед, между, одновременно с или после введения компонентов вспомогательных веществ для дренажа и удерживания.

Конечно, в сочетании с добавками по изобретению могут быть использованы дополнительные добавки, которые обычно применяют при изготовлении бумаги, такие как, например, агенты, усиливающие прочность в сухом состоянии, агенты, усиливающие влагопрочность, оптические осветлители, красители, клеящие вещества, подобные клеюшим веществам на основе древесных смол и целлюлозо-реактивные клеящие вещества, например, димеры алкил- и алкенилкетена, и мультимеры кетена, алкил- и алкенилянтарные ангидриды и т.п. Целлюлозная суспензия, или пульпа, может также содержать минеральные наполнители обычных типов, такие как, например, каолин, китайская глина, двуокись титана, гипс, тальк и природные и синтетические карбонаты кальция, такие как мел, измельченный мрамор и осажденный карбонат кальция.

Способ по данному изобретению используется при изготовлении бумаги. Термин "бумага", как он использован здесь, конечно, включает не только бумагу и ее изготовление, но также другие листовые или сетеобразные продукты, содержащие целлюлозные волокна, такие как, например, картон и прессованный картон, и их изготовление. Способ может быть применен при изготовлении бумаги из разных типов суспензий целлюлозосодержащих волокон, и суспензии должны подходяще содержать, по меньшей мере, 25 мас.% и предпочтительно, по меньшей мере, 50 мас.% таких волокон в расчете на сухое вещество. Суспензия может иметь в основе волокна из целлюлозы, такой как сульфатная, сульфитная и органозольная целлюлозы, древесной массы, такой как термомеханическая целлюлоза, хемотермомеханическая целлюлоза, рафинерная древесная масса и целлюлоза древесных волокон и из твердой древесины, и из мягкой древесины, и может также иметь в основе рецикловые волокна, необязательно от очищенных от краски целлюлозных масс, и их смеси. Величина рН суспензии, пульпы, может находиться в интервале от примерно 3 до примерно 10. Подходяще рН составляет выше 3,5 и предпочтительно находится в интервале от 4 до 9.

Далее изобретение поясняется следующими примерами, которые, однако, не должны рассматриваться как ограничивающие. Части и % относятся к массовым частям и массовым процентам, соответственно, и все растворы являются водными, если не указано иное.

Пример 1

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния, содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности около 800 м²/г SiO₂, деионизировали катионной ионообменной смолой, насыщенной ионами водорода. Полученный кислый золь двуокиси кремния имел рН 2,6, содержание SiO₂ 9,15 мас.%, содержание частиц двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 820 м²/г SiO₂ и значение S примерно 27%.

К 5000 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании в течение примерно 20 секунд 239 г 34% раствора гидроксида холина, получая стабилизированный амином водный золь двуокиси кремния с мольным отношением SiО₂ к N 11:1. Для того чтобы уменьшить запах гидроксида холина, добавляли 5,0 г лимонена. Конечный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,8, содержание SiО₂ 8,73 мас.%, значение S 20% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 820 м²/г SiO₂.

Пример 2

Натриевое растворимое стекло с мольным отношением SiО₂ к Na₂O 3,4 разбавляли до примерно 6 мас.% SiO₂ и обрабатывали катионной ионообменной смолой, насыщенной ионами водорода. Полученный кислый золь двуокиси кремния, или поликремниевой кислоты, имел рН 2,4, содержание SiO₂ 5,7 мас.% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1350 м²/г SiO₂ и значение S примерно 32%.

К 2000 г данной поликремниевой кислоты добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 120 г 34% раствора гидроксида холина, получая стабилизированный амином водный золь на основе двуокиси кремния, который имел рН 10,4, содержание SiO₂ 5,4 мас.%, мольное отношение SiО₂ к N 5,5:1, значение S 28%, и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1330 м²/г SiO₂.

Пример 3

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь двуокиси кремния с рН 2,4, содержанием SiO₂ 9,15%, содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 850 м²/г SiO₂.

К 2000 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 90 г 25% раствора гидроксида тетраметиламмония. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,4, содержание SiO₂ 8,75%, мольное отношение SiO₂ к N 12:1, значение S 19,5% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 850 м²/г SiO₂.

Пример 4

Разбавленный раствор натриевого растворимого стекла обрабатывали ионообменником таким же образом, как в примере 2. Полученная поликремниевая кислота имела рН 2,4, содержание SiO₂ 5,8 мас.% и содержала частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1365 м²/г SiO₂.

К 10000 г данной поликремниевой кислоты добавляли при перемешивании в течение 20 секунд 552 г 25% раствора гидроксида тетраметиламмония. Полученный стабилизированный амином щелочной золь двуокиси кремния, который имел содержание SiO₂ 5,4 мас.% и мольное отношение SiO₂ к N 6,7:1, концентрировали ультрафильтрацией до стабильного золя на основе двуокиси кремния, который имел рН 10,5, содержание SiO₂ 13,4 мас.%, значение S 27%, и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1140 м²/г SiO₂.

Пример 5

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь двуокиси кремния, имеющий рН 2,5, содержание SiO₂ 8,7 мас.% и содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 860 м²/г SiO₂.

К 1750 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании за 1 секунду 70 г 35% раствора гидроксида тетраэтиламмония. Полученный стабилизированный амином щелочной золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,8, содержание SiО₂ 8,4 мас.%, мольное отношение SiО₂ к N 15:1, величину S 21% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 930 м²/г SiO₂.

Пример 6

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь двуокиси кремния с рН 2,4, содержанием SiO₂ 8,9 мас.% и частицами двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 820 м²/г SiO₂.

К 2000 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании в течение 15 секунд 214 г 20% раствора гидроксида тетрапропиламмония. Полученный водный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,7, содержание SiО₂ 8,1 мас.%, мольное отношение SiO₂ к N 14:1, величину S 24% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 820 м²/г SiO₂.

Пример 7

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния, содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности около 800 м²/г SiO₂, деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь двуокиси кремния с рН 2,6, содержанием SiО₂ 9,3 мас.% и содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 795 м²/г SiO₂.

К 2000 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании в течение 10 секунд 192,4 г триэтаноламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 9,0, содержание SiО₂ 8,5%, мольное отношение SiО₂ к N 2,4:1, величину S 15% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 795 м²/г SiO₂.

Пример 8

К 2000 г кислого золя двуокиси кремния по примеру 7 добавляли при перемешивании в течение 10 секунд 30,1 г триэтиламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,2, содержание SiO₂ 9,15%, мольное отношение SiO₂ к N 10,4:1, величину S 25% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 800 м²/г SiO₂.

Пример 9

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь двуокиси кремния с рН 2,8, содержанием SiО₂ 9,3 мас.%, содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 860 м²/г SiO₂.

К 2000 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании в течение 5 секунд 68,1 г N,N-диметилэтаноламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,1, содержание SiO₂ 9,0%, мольное отношение SiO₂ к N 4:1, величину S 26% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 860 м²/г SiO₂.

Пример 10

Стабилизированный гидроксидом натрия золь двуокиси кремния с удельной площадью поверхности около 800 м²/г SiO₂ деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь двуокиси кремния, который имел рН 2,6, содержание SiO₂ 9,1 мас.% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 880 м²/г SiO₂.

К 2000 г данного кислого золя двуокиси кремния добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 103 г диэтаноламина. Полученный стабилизированный амином щелочной золь двуокиси кремния имел рН 10,1, содержание SiO₂ 8,65%, мольное отношение SiO₂ к N 3:1, величину S 22% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 875 м²/г SiO₂.

Пример 11

К 2000 г кислого золя двуокиси кремния по примеру 10 добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 40,4 г диэтиламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 11,4, содержание SiO₂ 8,92%, мольное отношение SiO₂ к N 6,5:1, величину S 22% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 880 м²/г SiO₂.

Пример 12

К 2000 г кислого золя двуокиси кремния по примеру 10 добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 32,4 г диизопропиламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 11,0, содержание SiO₂ 8,95%, мольное отношение SiO₂ к N 9,5:1, величину S 25% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 885 м²/г SiO₂.

Пример 13

К 2000 г кислого золя двуокиси кремния по примеру 10 добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 32,5 г пирролидина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 11,1, содержание SiO₂ 8,95%, мольное отношение SiO₂ к N 6,6:1, величину S 25% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 880 м²/г SiO₂.

Пример 14

К 2000 г другого деионизированного золя двуокиси кремния, который имел рН 2,8, содержание SiО₂ 9,3% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 860 м²/г SiO₂, добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 35,5 г дипропиламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,6, содержание SiO₂ 9,10%, мольное отношение SiО₂ к N 8,8:1, величину S 30% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 855 м²/г SiO₂.

Пример 15

К 2000 г кислого золя двуокиси кремния по примеру 10 добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 33,7 г этаноламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,1, содержание SiО₂ 8,95%, мольное отношение SiO₂ к N 5,5:1, величину S 24% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 870 м²/г SiO₂.

Пример 16

К 2000 г кислого золя двуокиси кремния по примеру 10 добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 30 г циклогексиламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,4, содержание SiO₂ 9,0%, мольное отношение SiО₂ к N 10:1, величину S 24% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 880 м²/г SiO₂.

Пример 17

К 2000 г другого деионизированного золя двуокиси кремния, который имел рН 2,8, содержание SiО₂ 9,3% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 860 м²/г SiO₂, добавляли при перемешивании в течение 2 секунд 59,1 г 2-метоксиэтиламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,2, содержание SiО₂ 9,0%, мольное отношение SiO₂ к N 3,9:1, величину S 28% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 850 м²/г SiO₂.

Пример 18

К 1500 г деионизированного золя двуокиси кремния, который имел рН 2,8, содержание SiO₂ 9,3% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 860 м²/г SiO₂, добавляли при перемешивании в течение 5 секунд 66,1 г аминоэтилэтаноламина. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,5, содержание SiO₂ 9,0%, мольное отношение SiО₂ к N 3,6:1, величину S 26% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 875 м²/г SiO₂.

Пример 19

В следующих опытах испытывали характеристики дренажа и удерживания золей на основе двуокиси кремния по примерам 1-18. Характеристику дренажа оценивали посредством Dynamic Drainage Analyser (DDA), выпускаемого Akribi, Швеция, который измеряет время дренирования заданного объема пульпы через сетку, когда удаляют пробку и подводят вакуум к той стороне сетки, которая противоположна стороне, на которой присутствует пульпа. Характеристику удерживания оценивали посредством нефелометра путем измерения мутности фильтрата, оборотной воды, полученной дренированием пульпы.

Используемую пульпу готовили на основе стандартной композиции для тонкой бумаги, состоявшей из 60% отбеленного березового сульфата и 40% отбеленного соснового сульфата. К пульпе добавляли 30% карбоната кальция в качестве наполнителя и добавляли 0,3 г/л Na₂SO₄ 10 H₂O для увеличения проводимости. Пульпа имела рН 8,4, проводимость 0,46 мСм/см и консистенцию 0,29%. В опытах золи на основе двуокиси кремния испытывали в сочетании с катионным полимером, которым являлся катионный крахмал со степенью замещения около 0,042. Крахмал добавляли в количестве 12 кг/т в расчете на количество сухого крахмала на сухую систему пульпы, и золи на основе двуокиси кремния добавляли в количествах 0,25, 0,5 и 1,0 кг/т в расчете на количество сухой двуокиси кремния на сухую систему пульпы.

Золи на основе двуокиси кремния по изобретению испытывали в сопоставлении с двумя золями на основе двуокиси кремния, обозначенными как Ref.1 и Ref.2, использованными для сравнительных целей. Ref.1 представляет собой золь на основе двуокиси кремния такого типа, который описан в патенте США 5368833, и имеет значение S около 25%, содержание SiO₂ 8%, удельную площадь поверхности 72 м²/г водного золя и содержит частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности около 900 м²/г SiO₂, поверхность которых была модифицирована алюминием до степени 5%. Ref.2 представляет собой золь на основе двуокиси кремния со значением S 36%, содержанием SiO₂ 10,0%, мольным отношением SiO₂ к Na₂O 10:1, удельной площадью поверхности 88 м²/г водного золя и содержит частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 880 м²/г SiO₂.

Пульпу перемешивали во время опыта в сосуде с перегородками со скоростью 1500 об/мин, и добавление химикатов к пульпе проводили следующим образом:

i) добавляли катионный полимер с последующим перемешиванием в течение 30 секунд,

ii) добавляли частицы на основе двуокиси кремния с последующим перемешиванием в течение 15 секунд,

iii) дренировали пульпу при автоматической регистрации времени дренирования.

Таблица I показывает результаты, полученные при использовании различных дозировок (кг/т, рассчитанных как количество SiO₂ и на сухую систему пульпы) золя на основе двуокиси кремния. Без добавления химикатов, пульпа показывала время дренирования 20 секунд и мутность 490 NTU. При добавлении только катионного крахмала, 12 кг/т в расчете на количество сухого крахмала на сухую систему пульпы, пульпа показывала время дренирования 15 секунд и мутность 70 NTU.

Пример 20

В следующих опытах дополнительно оценивали характеристики дренажа и удерживания золя на основе двуокиси кремния по примеру 3. Следовали методике примера 19 за исключением того, что использовали различные пульпы и различные катионные полимеры.

Композиция основывалась на 70% целлюлозных волокон и 30% глинистого наполнителя. Волокна состояли из примерно 70% отбеленной термомеханической пульпы, 10% древесины твердых пород, 10% отбеленной березовой сульфатной и 10% отбеленной сосновой сульфатной целлюлозы. Целлюлозу и наполнитель диспергировали в воде до консистенции 1,5 г/л. В воду включали 25 г/л воды отбеливания из отбеливающей установки, содержащей растворенные органические мешающие вещества и хлорид кальция (CaCl₂ 10H₂O) в таком количестве, чтобы обеспечить проводимость 5 мСм/см.

Золи на основе двуокиси кремния использовали в сочетании с высококатионным полиамином с низкой молекулярной массой, который добавляли в количестве 0,5 кг/т в расчете на сухой полимер на сухую систему пульпы, и с катионным полиакриламидом, который добавляли в количестве 1,0 кг/т в расчете на сухой полимер на сухую систему пульпы. За добавлением к системе пульпы полиамина следовало перемешивание в течение 15 секунд, а затем добавляли катионный полиакриламид и золь на основе двуокиси кремния согласно методике примера 19. Золи на основе двуокиси кремния добавляли в количествах 0,25, 0,5 и 1,0 кг/т в расчете на сухую двуокись кремния на сухую систему пульпы.

В таблице II приведены результаты, полученные при использовании различных дозировок (кг/т в расчете на SiO₂ и на сухую систему пульпы) золя на основе двуокиси кремния. Без добавления химикатов пульпа имеет время дренажа 22 секунды и мутность 100 NTU. При добавлении только 1 кг/т катионного полиакриламида (расчет на сухой полимер на сухую систему пульпы) пульпа имеет время дренирования 16 секунд и мутность 55 NTU. При добавлении 0,5 кг/т катионного полиамина и 1 кг/т катионного полиакриламида в расчете на сухой полимер на сухую систему пульпы, пульпа имеет время дренирования 11 секунд и мутность 50 NTU.

Пример 21

Натриевое растворимое стекло с отношением SiO₂ к Na₂O 3,4:1 разбавляли до примерно 6% SiO₂ и обрабатывали катионной ионообменной смолой, насыщенной ионами водорода. Полученная поликремниевая кислота имела рН 2,5, содержание SiO₂ 5,6% и содержала частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1300 м²/г SiO₂.

К 5000 г такой поликремниевой кислоты при перемешивании в течение 5 секунд добавляли 353,5 г 34% раствора гидроксида холина, получая стабилизированный амином щелочной золь на основе двуокиси кремния с рН 10,8, содержанием SiО₂ 5,26% и мольным отношением SiO₂ к N 4,6. Данный золь концентрировали выпариванием под вакуумом до стабильного золя на основе двуокиси кремния, который имел содержание SiO₂ 13,9 мас.%, величину S около 30% и удельную площадь поверхности 169 м²/г водного золя (измерено после 40 дней) и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1215 м²/г SiO₂ (измерено после 40 дней). Вязкость была по существу постоянной в течение этих 40 дней; первоначально 11,8 сП и после 40 дней 11,0 сП.

Пример 22

К 5000 г такой поликремниевой кислоты по примеру 21 при перемешивании в течение 5 секунд добавляли 347,2 г 35% раствора гидроксида тетраэтиламмония. Полученный стабилизированный амином щелочной золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,8, содержание SiO₂ 5,26% и мольное отношение SiO₂ к N 5,7:1. Данный золь концентрировали выпариванием под вакуумом до стабильного золя на основе двуокиси кремния, который имел содержание SiO₂ 20,0 мас.%, вязкость 9,9 сП и удельную площадь поверхности 250 м²/г водного золя и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1250 м²/г SiO₂. После хранения в течение 40 дней золь имел вязкость 8,2 сП, величину S 43% и удельную площадь поверхности 239 м²/г водного золя и 1195 м²/г SiO₂.

Пример 23

К 5000 г поликремниевой кислоты, имеющей содержание SiO₂ 5,1%, полученной по методике, подобной примеру 21, при перемешивании в течение 5 секунд добавляли 114 г дипропиламина. Полученный стабилизированный амином щелочной золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,8, содержание SiO₂ 5,0% и мольное отношение SiO₂ к N 3,8:1. Данный золь концентрировали ультрафильтрацией до стабильного золя на основе двуокиси кремния, который имел содержание SiO₂ 14,8 мас.%, удельную площадь поверхности 196 м²/г водного золя и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1320 м²/г SiO₂.

Пример 24

К 5000 г поликремниевой кислоты, имеющей содержание SiO₂ 5,5%, полученной по методике, подобной примеру 21, при перемешивании добавляли в течение 5 секунд 229,8 г аминоэтилэтаноламина, получая стабилизированный амином щелочной золь на основе двуокиси кремния с рН 10,3, содержанием SiO₂ 5,2% и мольным отношением SiO₂ к N 2:1. Данный золь концентрировали выпариванием под вакуумом до стабильного золя на основе двуокиси кремния с содержанием SiO₂ 13,6% и удельными площадями поверхности 170 м²/г водного золя и 1255 м²/г SiO₂.

Пример 25

Стабилизированный гидроксидом натрия золь на основе двуокиси кремния, имеющий содержание SiO₂ 15 мас.%, величину S около 50% и содержащий частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 500 м²/г SiO₂, деионизировали таким же образом, как в примере 1, получая кислый золь на основе двуокиси кремния, имеющий рН 2,9, содержание SiO₂ 14,8 мас.% и удельную площадь поверхности 490 м²/г SiO₂.

К 4000 г такого кислого золя при перемешивании в течение 5 секунд добавляли 414,5 г 35% раствора гидроксида тетраэтиламмония, получая стабилизированный амином щелочной золь на основе двуокиси кремния с рН 12,1, содержанием SiO₂ 13,4% и мольным отношением SiO₂ к N 10:1. Данный золь концентрировали выпариванием под вакуумом до стабильного золя на основе двуокиси кремния, имеющего содержание SiO₂ 40%, и удельные площади поверхности 224 м²/г водного золя и 560 м²/г SiO₂.

Пример 26

Характеристики дренажа (обезвоживания) и удерживания золей на основе двуокиси кремния по примерам 21-24 исследовали методом, подобным примеру 19. Результаты представлены в таблице III.

Пример 27

К 1024 г поликремниевой кислоты, имеющей рН 2,7 и содержание SiO₂ 5,84 мас.%, полученной аналогично примеру 21, при перемешивании добавляли 37,1 г 75 мас.% раствора хлорида холина, получая мольное отношение SiO₂ к N 5,0. К этой смеси при перемешивании добавляли 99,6 г 3М NaOH. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 11,0, содержание SiO₂ 5,1 мас.% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1010 м²/г SiO₂.

Пример 28

К 1068 г поликремниевой кислоты по примеру 27 добавляли при перемешивании смесь 39 г 75 мас.% раствора хлорида холина и 99,6 г 3М NaOH. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 11,0, мольное отношение SiO₂ к N 5,0, содержание SiO₂ 5,2 мас.% и содержал частицы двуокиси кремния с удельной площадью поверхности 1175 м²/г SiO₂.

Пример 29

К 50 г поликремниевой кислоты по примеру 27 добавляли при перемешивании 0,9 г 75 мас.% раствора хлорида холина, получая мольное отношение SiO₂ к N 10,0. Полученную смесь добавляли при перемешивании к 9,5 г 3М NaOH. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,0.

Пример 30

50 г поликремниевой кислоты по примеру 27 добавляли при перемешивании к смеси 0,9 г 75 мас.% раствора хлорида холина и 9,5 г 3М NaOH. Полученный золь на основе двуокиси кремния имел рН 10,1, мольное отношение SiO₂ к N 10,0 и содержание SiO₂ 4,8 мас.%.

Пример 31

К 50 г поликремниевой кислоты по примеру 27 добавляли при перемешивании 0,9 г 75 мас.% раствора хлорида холина, получая мольное отношение SiO₂ к N 10,0. К этой смеси добавляли при перемешивании 20,0 г раствора жидкого стекла, содержащего 9,2 мас.% SiO₂, получая золь на основе двуокиси кремния с рН 10,1 и содержанием SiO₂ 6,6 мас.%.

Пример 32

Характеристики дренажа (обезвоживания) и удерживания золей на основе двуокиси кремния по примерам 27-31 исследовали методом, подобным примеру 19, за исключением того, что к пульпе добавляли хлорид кальция для увеличения проводимости до 2,0 мСм/см, и что катионный крахмал добавляли в количестве 10 кг/т в расчете на сухой крахмал на сухую систему пульпы. Результаты представлены в таблице IV.