Золи на основе диоксида кремния

Золи на основе диоксида кремния

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к золям на основе диоксида кремния, их производству и применению. В настоящем изобретении предлагаются золи на основе диоксида кремния с высокой стабильностью и содержанием SiО₂, а также с улучшенными эксплуатационными характеристиками обезвоживания и удерживания наполнителя при изготовлении бумаги.

Уровень техники

В области изготовления бумаги водная суспензия, содержащая целлюлозные волокна, необязательные наполнители и добавки, вводится в напорный ящик, из которого целлюлозная суспензия выталкивается на формующую сетку. Вода стекает из целлюлозной суспензии, обеспечивая при этом образование влажного бумажного полотна, которое дополнительно обезвоживают и сушат в сушильной камере бумагоделательной машины. В целлюлозную суспензию обычно вводят средства повышения обезвоживания и удерживания наполнителя, чтобы облегчить обезвоживание и увеличить адсорбцию тонкодисперсных частиц на целлюлозных волокнах для того, чтобы они удерживались волокнами.

Золи частиц на основе диоксида кремния широко применяются в качестве средств повышения обезвоживания и удерживания наполнителя, обычно в комбинации с заряженными органическими полимерами. Среди прочих такие системы добавок наиболее эффективны в настоящее время для применения в бумажной промышленности, в частности системы, содержащие золи на основе диоксида кремния, которые содержат микрогель или агрегированные частицы с высокими площадями поверхности. Примеры золей на основе диоксида кремния такого типа включают золи, описанные в патентах США №№ 5176891; 5368833; 5603805 и 6372806, а также в публикациях международных патентных заявок №№ WO 98/30753; 98/56715; 00/66491; 00/66492; 2005/097678 и 2005/100241.

Сферические частицы на основе диоксида кремния могут увеличиваться и агрегировать различным образом в зависимости от условий. В определенных условиях частицы увеличиваются симметрично, сохраняя при этом сферическую форму. В других условиях сферические частицы агрегируют с образованием кластеров частиц и образуют трехмерные сшивки и микрогели. Частицы на основе диоксида кремния также могут образовывать продолговатые агрегаты, которые являются более или менее линейными, образуя при этом агрегаты с различными степенями агрегирования в разных направлениях или вдоль разных осей.

Водные золи на основе диоксида кремния с высокой площадью поверхности, содержащие микрогель, обычно обладают низкой стабильностью и для того, чтобы избежать полной желатинизации, обычно необходимо высокое разбавление. Из-за проблем стабильности, связанных с такими продуктами, чрезмерно высоких расходов на транспортировку стабильных, но весьма разбавленных продуктов, водные золи на основе диоксида кремния с высокой площадью поверхности, содержащие микрогель, предпочтительно готовить на месте их предполагаемого применения, например на целлюлозно-бумажном комбинате.

Золи агрегированных частиц на основе диоксида кремния можно охарактеризовать с помощью различных параметров, включая S-значение и осевой коэффициент. S-значение указывает на степень агрегирования или образование микрогеля; более низкое S-значение указывает на более высокую степень агрегирования частиц на основе диоксида кремния. Осевой коэффициент применяется к продолговатым агрегатам частиц диоксида кремния и указывает на отношение длинной оси к короткой оси.

Было бы полезно сделать возможным получение золей на основе диоксида кремния с улучшенными эксплуатационными характеристиками обезвоживания и удерживания наполнителя. Также было бы полезно сделать возможным получение золей на основе диоксида кремния и, в частности, золей на основе диоксида кремния, содержащих агрегаты или микрогель, с улучшенной стабильностью площади поверхности при очень высоких площадях поверхности и содержаниях SiO₂. Также было бы полезно сделать возможным разработку способа производства таких золей на основе диоксида кремния. Также было бы полезно сделать возможным разработку способа изготовления бумаги с улучшенными эксплуатационными характеристиками обезвоживания и удерживания наполнителя.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к золю, содержащему частицы на основе диоксида кремния с осевым коэффициентом, по меньшей мере, 10 и удельной площадью поверхности, по меньшей мере, 600 м²/г.

Настоящее изобретение в целом дополнительно относится к золю, содержащему частицы на основе диоксида кремния с осевым коэффициентом, по меньшей мере, приблизительно 10 и S-значением приблизительно не более 35.

Настоящее изобретение в целом дополнительно относится к золю, содержащему частицы на основе диоксида кремния с осевым коэффициентом, по меньшей мере, 10 и удельной площадью поверхности, по меньшей мере, приблизительно 400 м²/г, в котором частицы на основе диоксида кремния являются поверхностно-модифицированными.

Настоящее изобретение в целом дополнительно относится к золю, содержащему частицы на основе диоксида кремния и имеющему вязкость, по меньшей мере, 50 сПз и содержание диоксида кремния, по меньшей мере, приблизительно 3 мас.%, в котором частицы на основе диоксида кремния имеют удельную площадь поверхности, по меньшей мере, приблизительно 400 м²/г.

Настоящее изобретение в целом дополнительно относится к способу получения золя, содержащего частицы на основе диоксида кремния, включающему:

(a) обеспечение реакционного сосуда, содержащего воду и катионную ионообменную смолу, ионообменная емкость которой, по меньшей мере, частично находится в водородной форме;

(b) добавление в упомянутый реакционный сосуд водного раствора силиката щелочного металла со скоростью, по меньшей мере, приблизительно 400 г SiО₂ в час на кг ионообменной смолы, присутствующей в реакционном сосуде, с образованием водной взвеси силиката;

(c) перемешивание упомянутой водной взвеси силиката до тех пор, пока pH водной фазы не будет находиться в интервале приблизительно от 5,0 до приблизительно 9,0;

(d) добавление к водной фазе одного или нескольких щелочных материалов до достижения значения pH в интервале приблизительно от 7,0 до приблизительно 11,0; и

(e) выделение упомянутой ионообменной смолы из водной фазы после стадии (c) или после стадии (d).

Настоящее изобретение в целом также относится к способу получения золя, содержащего частицы на основе диоксида кремния, включающему:

(a) обеспечение реакционного сосуда, содержащего воду и катионную ионообменную смолу, ионообменная емкость которой, по меньшей мере, частично находится в водородной форме;

(b) добавление в упомянутый реакционный сосуд водного раствора силиката щелочного металла с образованием водной взвеси силиката;

(c) перемешивание упомянутой водной взвеси силиката до тех пор, пока pH водной фазы не будет находиться в интервале приблизительно от 5,0 до приблизительно 8,5;

(d) добавление к водной фазе одного или нескольких щелочных материалов до достижения значения pH в интервале приблизительно от 7,0 до приблизительно 8,5; и

(e) выделение упомянутой ионообменной смолы из водной фазы после стадии (c) или после стадии (d).

Изобретение дополнительно относится к золю, содержащему частицы на основе диоксида кремния, получаемому по способу согласно изобретению.

Изобретение дополнительно относится к различным применениям золя, содержащего частицы на основе диоксида кремния, согласно изобретению, таким как применение в качестве флоккулирующего агента, в частности применение в качестве средства повышения обезвоживания и удерживания наполнителя при изготовлении бумаги и в качестве флоккулирующего агента для очистки воды.

Изобретение в целом также дополнительно относится к способу получения бумаги, включающему:

(a) получение водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна;

(b) добавление к суспензии одного или нескольких средств повышения обезвоживания и удерживания наполнителя, содержащих золь, содержащий частицы на основе диоксида кремния согласно изобретению; и

(c) обезвоживание полученной суспензии с получением при этом листовой или рулонной бумаги.

Подробное описание изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагаются золи, содержащие частицы на основе диоксида кремния, также упоминаемые здесь как золи на основе диоксида кремния, которые подходят для применения в качестве флоккулирующих агентов при изготовлении бумаги и для очистки воды, в частности для применения в качестве средств повышения обезвоживания и удерживания наполнителя при изготовлении бумаги. Применяемый здесь термин "средства повышения обезвоживания и удерживания наполнителя" относится к одной или нескольким добавкам, которые при добавлении к водной целлюлозной суспензии дают лучшее обезвоживание и/или удерживание наполнителя, чем те, которые получены без добавления упомянутой одной или нескольких добавок. Золи на основе диоксида кремния по изобретению обладают хорошей стабильностью в течение длительных периодов времени, весьма высоким осевым коэффициентом, стабильностью площади поверхности и высокой стабильностью до завершения гелеобразования. Золи на основе диоксида кремния дополнительно приводят к более высокому обезвоживанию и удерживанию наполнителя, когда применяются при изготовлении бумаги. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность увеличения скорости бумагоделательной машины и применение более низкого количества добавки, давая при этом соответствующий эффект обезвоживания и удерживания наполнителя, тем самым приводя к улучшенному способу изготовления бумаги и экономическим преимуществам.

Водный золь на основе диоксида кремния согласно изобретению содержит частицы на основе диоксида кремния, то есть частицы, основанные на диоксиде кремния или SiО₂, которые предпочтительно являются анионными и предпочтительно коллоидными, то есть находятся в диапазоне коллоидного размера частиц. Водные дисперсии такого типа обычно называют золями. Частицы на основе диоксида кремния предпочтительно получают поликонденсацией (конденсационной полимеризацией) кремнийсодержащих соединений, например кремниевых кислот и силикатов, которые могут быть гомо- или сополимеризованы. Золи на основе диоксида кремния могут быть модифицированными и содержать другие элементы, например алюминий, бор, азот, цирконий, галлий и титан, которые могут присутствовать в водной фазе золя и/или в частицах на основе диоксида кремния. Такие элементы также могут присутствовать в золях на основе диоксида кремния в виде примесей.

Золи на основе диоксида кремния согласно изобретению содержат асимметричные или продолговатые частицы на основе диоксида кремния. Предпочтительно такие асимметричные частицы сформированы в виде эллипсоидов вращения, характеризуемых осевым коэффициентом, то есть отношением длинной оси к короткой оси. Асимметрия частиц влияет на коэффициенты диффузии за счет поступательного движения и за счет вращательного движения коллоидных частиц на основе диоксида кремния, а также влияет на вязкость их золей или растворов. Указанные свойства можно применять для определения осевого коэффициента либо напрямую, либо косвенно, применяя комбинацию вязкости и динамического рассеяния света. Золь на основе диоксида кремния по изобретению обычно имеет осевой коэффициент, по меньшей мере, приблизительно 10 или, по меньшей мере, приблизительно 11, соответственно, по меньшей мере, 12 и предпочтительно, по меньшей мере, 13. Обычно осевой коэффициент составляет приблизительно не более 100 или приблизительно не более 50, соответственно - приблизительно не более 40, и предпочтительно - приблизительно не более 35. Приводимые здесь осевые коэффициенты представляют собой усредненный осевой коэффициент частиц на основе диоксида кремния, присутствующих в золе. Осевой коэффициент измеряют и рассчитывают, как описано в публикации D. Biddle, C. Walldal и S. Wall Colloids and Surfaces, A: Physiochemical and Engineering Aspects 118(1996), 89-95, определяя размеры и осевые коэффициенты эквивалентных несольватированных удлиненных эллипсоидов. Модель такого эллипсоида характеризуется отношением между более длинным диаметром (а) и более коротким диаметром (b). Осевой коэффициент определяется как отношение a/b. Применяемая модель представляет собой комбинацию данных, полученных из измерений характеристической вязкости и измерений динамического рассеяния света, отношений Симхи и Перина для характеристической вязкости и факторов фракционирования соответственно эллипсоидов вращения. Полученные данные затем можно применять для вычисления методом последовательных приближений математического соответствия эллипсоидной форме, получая при этом осевой коэффициент, описывающий форму частиц на основе диоксида кремния.

Золь на основе диоксида кремния по изобретению обычно имеет S-значение, по меньшей мере, приблизительно 4% или, по меньшей мере, приблизительно 6%, соответственно, по меньшей мере, 8% и предпочтительно, по меньшей мере, 10%. Обычно S-значение составляет приблизительно не более 50% или приблизительно не более 35%, соответственно - приблизительно не более 30% и предпочтительно - приблизительно не более 25%. Предпочтительно золь имеет S-значение в интервале приблизительно от 5 до 20%. S-значение измеряют и рассчитывают, как описано в публикации R.К.Her & R.L Dalton J.Phys. Cham. 60(1956), 955-957. S-значение золя на основе диоксида кремния указывает на степень агрегирования или образования микрогеля, и более низкое S-значение является показателем более высокой степени агрегирования или образования микрогеля.

Присутствующие в золе частицы на основе диоксида кремния обычно имеют удельную площадь поверхности, по меньшей мере, приблизительно 400 м²/г или, по меньшей мере, приблизительно 500 м²/г, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 600 м²/г или, по меньшей мере, приблизительно 700 м²/г, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 800 м²/г и более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1000 м²/г. Обычно удельная площадь поверхности составляет не более 1600 м²/г или, по меньшей мере, приблизительно 1500 м²/г, соответственно - приблизительно не более 1400 м²/г и предпочтительно - приблизительно не более 1300 м²/г. Удельную площадь поверхности измеряют путем титрования с NaOH, как описано в публикации G. W. Sears, Jr. в журнале Analytical Chemistry 28(1956):12, 1981-1983, после надлежащего удаления или регулирования любых соединений, присутствующих в образце, которые могут помешать титрованию, типа соединений алюминия и бора, например, как описано в публикации Sears и в патенте США № 5176891. Приводимые здесь удельные площади поверхности представляют собой усредненную удельную площадь поверхности частиц на основе диоксида кремния, присутствующих в золе.

В одном из вариантов осуществления изобретения золь на основе диоксида кремния модифицирован алюминием. Примеры подходящих соединений алюминия включают указанные здесь соединения. Согласно данному варианту осуществления изобретения частицы на основе диоксида кремния предпочтительно, по меньшей мере, поверхностно-модифицированы алюминием. В случае модифицирования алюминием золь на основе диоксида кремния обычно имеет мольное отношение Si:Al приблизительно от 1:1 до 40:1, соответственно - приблизительно от 3:1 до 30:1 и предпочтительно - приблизительно от 5:1 до 20:1.

В одном из вариантов осуществления изобретения золь на основе диоксида кремния модифицирован органическим азотсодержащим соединением. Примеры подходящих органических азотсодержащих соединений включают указанные здесь соединения. Согласно данному варианту осуществления изобретения, частицы на основе диоксида кремния предпочтительно, по меньшей мере, поверхностно-модифицированы органическим азотсодержащим соединением. В случае модифицирования органическим азотсодержащим соединением золь на основе диоксида кремния обычно имеет мольное отношение Si:N, равное приблизительно от 1:1 до 50:1, соответственно - приблизительно от 2:1 до 40:1 и предпочтительно - приблизительно от 2,5:1 до 25:1.

Золь на основе диоксида кремния по изобретению обычно имеет мольное отношение Si:X, где X = щелочной металл, по меньшей мере, 5:1, соответственно, по меньшей мере, 6:1, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 7:1 и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 8:1. Мольное отношение Si:X, где X = щелочной металл, обычно составляет не более 30:1, соответственно - не более 20:1, предпочтительно - не более 15:1 и более предпочтительно - не более 12:1.

Золь на основе диоксида кремния по изобретению обычно имеет pH, по меньшей мере, приблизительно 6,0 или, по меньшей мере, приблизительно 6,5, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 7,0, по меньшей мере, приблизительно 7,5 или, по меньшей мере, приблизительно 8,0. Обычно pH золя на основе диоксида кремния составляет приблизительно не более 12,0 или приблизительно не более 11,0, соответственно - не более приблизительно 10,5, приблизительно не более 10,00, или даже не более 9,5, приблизительно не более 9,0 или он может составлять не более 8,5 или не более приблизительно 8,0.

Золь на основе диоксида кремния по изобретению обычно содержит диоксид кремния (SiО₂) в количестве, по меньшей мере, приблизительно 2 мас.%, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 3 мас.% или, по меньшей мере, приблизительно 4 мас.% и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 5 мас.%. Обычно содержание диоксида кремния составляет приблизительно не более 30 мас.% или приблизительно не более 20 мас.%, соответственно - приблизительно не более 15 мас.% и предпочтительно - приблизительно не более 10 мас.%. Для того чтобы облегчить доставку и уменьшить расходы на транспортировку, обычно желательно доставлять высококонцентрированные золи на основе диоксида кремния согласно изобретению, однако, как уже говорилось, можно и обычно желательно разбавлять и примешивать золи на основе диоксида кремния к золям со значительно более низкими содержаниями диоксида кремния перед применением, например к золям с содержаниями диоксида кремния в интервале от 0,05 до 2 мас.%, для того, чтобы улучшить смешивание с компонентами бумажной массы.

Вязкость золя на основе диоксида кремния по изобретению может меняться, например, в зависимости от содержания диоксида кремния в золе. Обычно вязкость составляет, по меньшей мере, приблизительно 5 сПз, часто, по меньшей мере, приблизительно 10 сПз или, по меньшей мере, приблизительно 20 сПз, и даже может составлять, по меньшей мере, приблизительно 50 сПз или, по меньшей мере, 75 сПз. Обычно вязкость составляет приблизительно не более 200 сПз или приблизительно не более 175 сПз, соответственно - приблизительно не более 150 сПз. Вязкость можно измерять с помощью известного способа, например, с применением вискозиметра Брукфилда (Brookfield LVDV II+).

Золь на основе диоксида кремния по изобретению предпочтительно является стабильным. Предпочтительно золь на основе диоксида кремния сохраняет некоторые из своих параметров в течение определенного периода времени. Обычно золь сохраняет осевой коэффициент, по меньшей мере, приблизительно 10, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 11 и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 12 в течение, по меньшей мере, 3 месяцев хранения на складе или при выдерживании в темноте при температуре 20°C в условиях отсутствия перемешивания. Соответственно, указанные осевые коэффициенты сохраняются при содержании диоксида кремния, по меньшей мере, приблизительно 3 мас.% и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 5 мас.%. Обычно золь сохраняет удельную площадь поверхности, по меньшей мере, приблизительно 400 м²/г или, по меньшей мере, приблизительно 600 м²/г, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 800 м²/г и более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1000 м²/г в течение, по меньшей мере, 3 месяцев хранения на складе или при выдерживании в темноте при температуре 20°C в условиях отсутствия перемешивания. Соответственно, указанные удельные площади поверхности сохраняются при содержании диоксида кремния, по меньшей мере, приблизительно 3 мас.% и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 5 мас.%. Обычно золь сохраняет указанные выше значения вязкости в течение, по меньшей мере, 3 месяцев хранения на складе или при выдерживании в темноте при температуре 20°C в условиях отсутствия перемешивания. Соответственно, указанные значения вязкости сохраняются при содержании диоксида кремния, по меньшей мере, приблизительно 3 мас.% и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 5 мас.%.

Золи на основе диоксида кремния по изобретению можно получать с помощью способа, который является простым, быстрым и легко поддающимся контролю и регулированию.

Стадия (a) способа включает обеспечение реакционного сосуда, содержащего водную фазу, содержащую воду и ионообменную смолу. Применяемая в способе ионообменная смола является катионной, а ее ионообменная емкость, по меньшей мере, частично находится в водородной форме, то есть представляет собой кислотную катионнообменную смолу, предпочтительно слабокислотную катионнообменную смолу. Соответственно, по меньшей мере, 40% ионообменной емкости ионообменной смолы находится в водородной форме, предпочтительно, по меньшей мере, 50%. Подходящие ионообменные смолы поставляются на рынок несколькими производителями, например ионообменная смола Amberlite^TM IRC84SPI от компании Rohm & Haas. Ионообменную смолу и воду загружают в реакционный сосуд, предпочтительно оборудованный средством для перемешивания, например мешалкой. Ионообменную смолу предпочтительно регенерируют путем добавления кислоты, например серной кислоты, предпочтительно согласно инструкции производителя.

Стадия (b) способа включает в себя добавление в реакционный сосуд, содержащий воду и ионообменную смолу, предпочтительно регенерируемую ионообменную смолу, водного раствора силиката щелочного металла с образованием водной взвеси силиката. Обычно водный раствор силиката щелочного металла добавляют в реакционный сосуд со скоростью, по меньшей мере, приблизительно 400, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 450 и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 500 г SiO₂ в час на кг ионообменной смолы, присутствующей в реакционном сосуде. Обычно скорость составляет приблизительно не более 10000 или приблизительно не более 7000, соответственно, приблизительно не более 5000 и предпочтительно приблизительно не более 4000 г SiO₂ в час на кг ионообменной смолы, присутствующей в реакционном сосуде.

Примеры подходящих водных растворов силикатов щелочных металлов или жидкого стекла включают в себя традиционные материалы, например растворы силикатов лития, натрия и калия, предпочтительно силиката натрия. Молярное отношение диоксида кремния к оксиду щелочного металла, например SiO₂ к Na₂O, K₂O или Li₂O, или к их смеси в силикатном растворе может находиться в интервале от 15:1 до 1:1, соответственно, в интервале от 4,5:1 до 1,5:1, предпочтительно в интервале от 3,9:1 до 2,5:1. Применяемый водный раствор силиката щелочного металла может содержать SiO₂ в количестве приблизительно от 2 до приблизительно 35 мас.%, соответственно, - приблизительно от 5 до приблизительно 30 мас.%, и предпочтительно - приблизительно от 15 до приблизительно 25 мас.%. pH водного раствора силиката щелочного металла обычно составляет выше 11, как правило, выше 12.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения стадия (b) способа включает поддержание или сохранение температуры водной взвеси силиката, которая образуется, по меньшей мере, приблизительно при 0°С, соответственно, по меньшей мере, приблизительно при 5°С и предпочтительно, по меньшей мере, при температуре приблизительно от 10°C до приблизительно 80°С или до 50°С, соответственно, приблизительно до 40°С и предпочтительно приблизительно до 35°C. Такое сохранение температуры можно обеспечить путем охлаждения или регулирования температуры реакционного сосуда по мере добавления в реакционный сосуд, содержащий воду и ионообменную смолу, водного раствора силиката щелочного металла.

Стадия (c) способа включает перемешивание водной взвеси силиката до тех пор, пока водная фаза не достигнет определенного значения рH. Обычно водная фаза имеет pH, по меньшей мере, приблизительно 5,0, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 6,0 или, по меньшей мере, приблизительно 6,5, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 7,0. Обычно водная фаза достигает значения pH приблизительно не более 9,0, соответственно, приблизительно не более 8,5 и предпочтительно приблизительно не более 8,0. По мере перемешивания водной взвеси силиката предпочтительно происходит рост частиц. Образовавшиеся частицы на основе диоксида кремния обычно имеют удельную площадь поверхности, по меньшей мере, 300 м²/г, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 600 м²/г и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1000 м²/г. Обычно предельно высокая удельная площадь поверхности составляет, например, приблизительно не более 1600 м²/г или приблизительно не более 1400 м²/г. Соответственно, взвесь перемешивают, чтобы сделать возможным агрегирование частиц и, предпочтительно, образование продолговатых агрегатов частиц на основе диоксида кремния. Обычно перемешивание происходит в течение периода времени приблизительно от 1 до приблизительно 480 минут, соответственно, приблизительно от 3 до приблизительно 120 минут и предпочтительно - приблизительно от 5 до приблизительно 60 минут.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения стадия (c) способа включает поддержание или сохранение температуры водной взвеси силиката в то время, когда происходит перемешивание, по меньшей мере, приблизительно при 0°C, соответственно, по меньшей мере, приблизительно при 5°C и предпочтительно, по меньшей мере, при температуре приблизительно от 10°C до приблизительно 80°C или до 50°C, соответственно, приблизительно до 40°C и предпочтительно приблизительно до 35°C. Такое сохранение температуры можно обеспечить путем охлаждения или регулирования температуры реакционного сосуда по мере перемешивания водной взвеси силиката.

Если требуется, во время или после стадии (c) в реакционный сосуд можно добавлять дополнительную воду для получения более низкой вязкости водной фазы и уменьшения скорости роста частиц, агрегирования частиц и образования продолговатых агрегатов частиц на основе диоксида кремния.

Стадия (d) способа включает добавление к водной фазе одного или нескольких щелочных материалов. Обычно добавление упомянутого одного или нескольких щелочных материалов увеличивает pH водной фазы, по меньшей мере, приблизительно до 6,0 или, по меньшей мере, приблизительно до 6,5, соответственно, по меньшей мере, приблизительно до 7,0, по меньшей мере, приблизительно 7,5 или, по меньшей мере, приблизительно до 8,0. Обычно pH водной фазы составляет приблизительно не более 12,0 или приблизительно не более 11,0, соответственно, приблизительно не более 10,5, приблизительно не более 10,00, или даже не более 9,5, приблизительно не более 9,0 или может составлять не более 8,5 или приблизительно не более 8,0. Предпочтительно добавляют, по меньшей мере, один щелочной материал, либо отдельно, либо в комбинации, по меньшей мере, с одним дополнительным материалом.

Примеры подходящих щелочных материалов включают водные растворы силикатов щелочных металлов, например любой из указанных выше, предпочтительно силиката натрия; водные растворы гидроксидов щелочных металлов, например гидроксидов натрия и калия, предпочтительно гидроксида натрия; гидроксида аммония; щелочные соли алюминия, например алюминаты, соответственно, водные растворы алюминатов, например алюминатов натрия и калия, предпочтительно алюмината натрия.

Примеры подходящих дополнительных материалов включают соединения алюминия и органические азотсодержащие соединения. Примеры подходящих соединений алюминия включают нейтральные и фактически нейтральные соли алюминия, например нитрат алюминия, щелочные соли алюминия, например любую из указанных выше солей, предпочтительно алюминат натрия.

Примеры подходящих органических азотсодержащих соединений включают первичные амины, вторичные амины, третичные амины и четвертичные амины, последние также упоминаются как четвертичные соединения аммония. Азотсодержащее соединение предпочтительно является водорастворимым или способно диспергироваться в воде. Амин может быть незаряженным или катионным. Примеры катионных аминов включают кислотно-аддитивные соли первичных, вторичных и третичных аминов и, предпочтительно, четвертичных соединений аммония, а также их гидроксиды. Органическое азотсодержащее соединение обычно имеет молекулярную массу ниже 1000, соответственно ниже 500 и предпочтительно ниже 300. Предпочтительно применяют низкомолекулярное органическое азотсодержащее соединение, например азотсодержащие соединения, содержащие не более 25 атомов углерода, соответственно не более 20 атомов углерода, предпочтительно от 2 до 12 атомов углерода и наиболее предпочтительно от 2 до 8 атомов углерода. В предпочтительном варианте осуществления органическое азотсодержащее соединение содержит один или несколько кислородсодержащих заместителей, например, с кислородом в форме гидроксильных групп и/или алкилокси-групп. Примеры предпочтительных заместителей такого типа включают в себя 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 в себя амины со значением pKa, по меньшей мере, 6, соответственно, по меньшей мере, 7 и предпочтительно, по меньшей мере, 7,5.

Примеры подходящих первичных аминов, то есть аминов, содержащих один органический заместитель, включают алкиламины, например, пропиламин, бутиламин и циклогексиламин; алканоламины, например, этаноламин; и алкоксиалкиламины, например, 2-метоксиэтиламин. Примеры подходящих вторичных аминов, то есть аминов, содержащих два органических заместителя, включают диалкиламины, например диэтиламин, дипропиламин и диизопропиламин; диалканоламины, например, диэтаноламин, и пирролидин. Примеры подходящих третичных аминов, то есть аминов, содержащих три органических заместителя, включают триалкиламины, например триэтиламин; триалканоламины, например триэтаноламин; N,N-диалкилалканоламины, например N,N-диметилэтаноламин. Примеры подходящих четвертичных аминов или четвертичных соединений аммония, то есть аминов, содержащих четыре органических заместителя, включают тетраалканоламины, например гидроксид тетраэтаноламмония и хлорид тетраэтаноламмония; четвертичные амины или соединения аммония как с алканольными, так и алкильными заместителями, такими как N-алкилтриалканоламины, например гидроксид метилтриэтаноламмония и хлорид метилтриэтаноламмония; N,N-диалкилдиалканоламины, например гидроксид диметилдиэтаноламмония и хлорид диметилдиэтаноламмония; N,N,N-триалкилалканоламины, например холингидроксид и холинхлорид; N,N,N-триалкилбензиламины, например, гидроксид диметилкокобензиламмония, хлорид диметилкокобензиламмония и гидроксид триметилбензиламмония; 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 азотзамещенные пиперазины, содержащие одну или две низшие алкильные группы, содержащие от 1 до 4 атомов углерода. Примеры предпочтительных органических азотсодержащих соединений включают триэтаноламин, диэтаноламин, дипропиламин, аминоэтилэтаноламин, 2-метоксиэтиламин, N,N-диметилэтаноламин, холингидроксид, холинхлорид, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетраэтиламмония и гидроксид тетраэтаноламмония.

Предпочтительно водный раствор силиката щелочного металла добавляют либо отдельно, либо в комбинации с водным раствором алюмината натрия или водным раствором органического азотсодержащего соединения.

В случае применения на стадии (d) способа по изобретению водного раствора силиката щелочного металла водный раствор силиката щелочного металла обычно добавляют в реакционный сосуд со скоростью, по меньшей мере, приблизительно 300 или, по меньшей мере, приблизительно 350 и соответственно, по меньшей мере, приблизительно 400 или, по меньшей мере, приблизительно 450 г SiO₂ в час на кг ионообменной смолы, присутствующей в реакционном сосуде. Обычно скорость добавления составляет приблизительно не более 10000 или приблизительно не более 7000, соответственно, приблизительно не более 5000 и предпочтительно, приблизительно не более 4000 г SiO₂ в час на кг ионообменной смолы, присутствующей в реакционном сосуде.

В случае применения двух или более материалов, содержащих, по меньшей мере, один щелочной материал и, по меньшей мере, один дополнительный материал, материалы можно добавлять в любом порядке, предпочтительно сначала добавляют щелочной материал с последующим добавлением дополнительного материала.

В одном из вариантов осуществления изобретения сначала добавляют силикат щелочного металла, например силикат натрия, а затем добавляют щелочную соль алюминия, например водный раствор алюмината натрия. В еще одном варианте осуществления изобретения сначала добавляют водный раствор гидроксида щелочного металла, например гидроксида натрия, а затем добавляют щелочную соль алюминия, например водный раствор алюмината натрия. Добавление соединения алюминия обеспечивает алюминированный золь на основе диоксида кремния. Соответственно, добавление соединения алюминия приводит к модификации частиц на основе диоксида кремния алюминием, предпочтительно частицы поверхностно-модифицированы алюминием. Количество применяемого соединения алюминием можно менять в широких пределах. Обычно количество добавляемого соединения алюминия соответствует мольному отношению Si:Al в интервале приблизительно от 1:1 до приблизительно 40:1, соответственно - в интервале приблизительно от 3:1 до приблизительно 30:1 и предпочтительно - в интервале приблизительно от 5:1 до приблизительно 20:1.

В еще одном варианте осуществления изобретения сначала добавляют силикат щелочного металла, например, силикат натрия, а затем добавляют органическое азотсодержащее соединение, например, водный раствор холингидроксида. В еще одном варианте осуществления изобретения сначала добавляют водный раствор гидроксида щелочного металла, например, гидроксида натрия, а затем добавляют органическое азотсодержащее соединение, например, водный раствор холингидроксида. Добавление органического азотсодержащего соединения обеспечивает золь на основе диоксида кремния, модифицированный азотом. Количество применяемого органического азотсодержащего соединения можно менять в широких пределах. Обычно количество добавляемого органического азотсодержащего соединения соответствует мольному отношению Si:N в интервале от 1:1 до 50:1, соответственно - в интервале от 2:1 до 40:1 и предпочтительно - в интервале от 2,5:1 до 25:1.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, стадия (d) способа включает поддержание или сохранение температуры водной фазы по мере добавления к водной фазе упомянутых одного или нескольких щелочных материалов, по меньшей мере, приблизительно 0°C, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 5°C и предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно от 10°C до приблизительно 80°C или до 50°C, соответственно приблизительно до 40°C и предпочтительно приблизительно до 35°C. Такое сохранение температуры можно обеспечить путем охлаждения или регулирования температуры реакционного сосуда по мере добавления к водной фазе упомянутых одного или нескольких щелочных материалов.

Если требуется, во время или после стадии (d) в реак