(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
沈降シリカの懸濁液(S1)を得るためのケイ酸塩と酸性化剤との反応と、それに続くケーキを得るための分離工程と、沈降シリカの懸濁液(S2)を得るための前記ケーキの粉状化工程と、この懸濁液の乾燥工程とを含み、前記粉状化工程が二軸ミキサー中での混合によって又は押出によって行われる、沈降シリカの製造方法であって、
前記粉状化工程が行われた生成物が少なくとも25重量%の乾燥物質含量を有し、前記粉状化工程がアルミニウム化合物の存在下で行われる、方法。
【背景技術】
【0002】
触媒担体として、活性物質吸着剤として(特には、例えばビタミン類(特にはビタミンE)や塩化コリンなどの、食品で使用される液体担体)、増粘剤やテクスチャリング剤や固化防止剤として、電池セパレータ構成要素として、歯磨き粉や紙用の添加剤として、沈降シリカを使用することが知られている。
【0003】
沈降シリカは、シリコーン基材(例えば電気ケーブル被覆用)中の補強用充填剤としても、又は、例えば靴底や床材やガスバリア材や耐火材用の、並びに、ケーブルウェイのローラーや家電製品のシールや液体若しくは気体用の配管のシールやブレーキ装置のシールや被覆管やケーブルや駆動ベルトなどの工業部品用の、天然ポリマー若しくは合成ポリマーを含有する組成物中の、特にはエラストマー含有する組成物中の、特にはジエンエラストマー含有する組成物中の補強充填剤としても、用いることができる。
【0004】
沈降シリカは、エラストマー中の、特にはタイヤ中の補強用白色充填剤として、長い間使用されてきた。
【0005】
沈降シリカは、一般的には、ケイ酸塩、特にはアルカリ金属ケイ酸塩と、酸性化剤との沈降反応、及びそれに続いて行われる、濾過ケーキを得るための濾過による分離工程と、通常は前記ケーキを洗浄する工程と、任意選択的な前記フィルターケーキの粉状化工程と、例えば噴霧乾燥による前記ケーキの乾燥工程とによって製造される。
【0006】
従来技術の方法ではエネルギーの消費が大きい。乾燥はエネルギー消費の主たる原因であり、その結果かなり高コストになる。
【0007】
そのため、エネルギー消費を減らすこと、例えば乾燥操作時のエネルギー消費を減らすことが必要とされている。
【発明を実施するための形態】
【0016】
したがって、本発明の方法の粉状化工程は、特定の機械的作用、すなわちピストンタイプの機械的作用、好ましくは沈降シリカの製造方法においてシリカ濾過ケーキの粉状化工程に従来用いられている化学的処理の1つのような化学的処理と組み合わされる機械的作用からなる。
【0017】
本発明の粉状化工程の特定の機械的作用は、二軸ミキサー又は押出機による混合である。
【0018】
本発明の方法を実施することで、有利には得られる沈降シリカの特性、特には分散性、特にはエラストマー中での分散性を低下させることなしに、特には乾燥工程時及び/又は粉状化工程時、従来技術の方法に比べてエネルギー消費を減らしつつ生産性を向上させることができる。
【0019】
粉状化工程が押出によって行われる場合、単軸押出機、又は好ましくは二軸押出機が特には使用される。
【0020】
二軸ミキサー又は押出機、特には二軸押出機を使用することで、与えられるエネルギーを良好に分配させることができる。これによりなされる粉状化は従来の粉状化よりも均一である。ミキサー又は押出機に入るケーキの各部分は実質的に同じエネルギーを受け取る。
【0021】
本発明の方法では、化学的処理に使用される化学薬品は、通常、粉状化工程の特定の機械的作用と併用され、特にはアルミン酸ナトリウムなどのアルミニウム化合物及び/又は酸が、インラインで添加される。
【0022】
有利には、二軸ミキサーの又は押出機の使用、特には二軸押出機の使用によって、従来の粉状化技術とは対照的に、粉状化工程が行われる全てのケーキに対して同じ滞留時間を確保することができる。
【0023】
好ましくは、二軸ミキサーの又は押出機の使用、特には二軸押出機の使用によって、粉状化に使用する装置(ここでは前記ミキサー又は前記押出機)中でのケーキの滞留時間を、粉状化に慣例的に用いられてきた装置中でのケーキの滞留時間(例えば連続撹拌下のタンク中での粉状化工程に関して通常少なくとも約20分)と比較して、減らすこともできる。
【0024】
通常、本発明の方法では、二軸ミキサー又は押出機中でのケーキの滞留時間は10分未満であり、有利には20秒から5分の間である。
【0025】
この滞留時間は1分であってもよい。これは1分以下であってもよく、特には20秒から60秒の間、例えば20秒から45秒の間であってもよい。
【0026】
本発明の方法の粉状化工程が二軸ミキサー又は二軸押出機で行われる場合、当該二軸ミキサー又は二軸押出機は、異なる供給ゾーン及び複数の剪断ゾーンを含んでいてもよい。例えば、使用される当該二軸ミキサー又は二軸押出機は、ケーキ供給ゾーンに相当する第1ゾーンと、1種以上の化学的粉状化剤(特にはアルミン酸塩)の入口ゾーンに相当する第2ゾーンと、化学的粉状化剤の入口ゾーンに相当する任意選択的な第3ゾーンと、を含んでいてもよい。この二軸ミキサー又は二軸押出機は、上述の供給ゾーン及び入口ゾーンの下流に、2つの別個の剪断ゾーンも含んでいてもよい。
【0027】
本発明の方法のある実施形態によれば、粉状化工程は15℃から120℃の間の温度で行われる。15℃から80℃の間、好ましくは40℃から70℃の間の温度で行うこともできる。50℃から120℃の間、特には60℃から100℃の間の温度で、特には蒸気を添加することによって、行うこともできる。
【0028】
通常、本発明の方法では、二軸ミキサーでの混合による、又は押出機、特には二軸押出機による粉状化工程が行われる生成物(ケーキ)は、少なくとも15重量%、特には少なくとも18重量%、より詳しくは18重量%から40重量%の間、例えば20重量%から35重量%の間の乾燥物質比率(又は乾燥度又は乾燥分含量)を有していてもよい。
【0029】
本発明の方法の利点の1つは、特には、例えばエラストマー中での分散性などの最終的な沈降シリカの特性を低下させることなしに、非常に高い乾燥物質含量(特には少なくとも25重量%、より詳しくは25重量%から40重量%の間、例えば25重量%から35重量%の間)である生成物(ケーキ)の粉状化による処理を可能にすることである。
【0030】
したがって、本発明の方法のある最も好ましい変形例では、上で示したような分離工程と粉状化工程との間に、通常は上で示したような非常に高い乾燥物質含量を有する生成物(ケーキ)が得られる、比較的高圧での圧縮工程が含まれる。
【0031】
この圧縮工程によって、沈降工程及び分離工程の後に得られるケーキから大量の水を除去することができる。
【0032】
したがって、前記操作を用いることで、粉状化工程及び乾燥工程の前の生成物の乾燥物質含量を増加させることが可能である。引き続き乾燥されるこの生成物は、少ない水しか含有しておらず、そのためこれは後の乾燥工程でのエネルギーの節約になる。
【0033】
濾過ケーキがより圧縮されるほど水がより除去され、したがってケーキの乾燥物質含量がより増加する。
【0034】
したがって、これは当業者に公知の技術を用いて行うことができる。これは、有利には圧縮手段を備えたフィルター上で、比較的高い圧縮圧力で行うことができる。これは、濾過完了後、任意選択的な洗浄工程の後又は終わり頃に、例えば膜プレートの膜を膨らませることによりフィルタープレス上で行うことができる。
【0035】
本発明の方法のこの最も好ましい変形例では、圧縮工程は10バールよりも高い圧力で、好ましくは少なくとも20バールで行われる。
【0036】
この変形例のある実施形態によれば、圧縮工程は10バールよりも高く60バールよりも低い圧力で、好ましくは15バールから45バールの間で、特には20バールから45バールの間で、より好ましくは20バールから35バールの間で行われる。この工程は20バールから30バールの間の圧縮圧力で行うことができる。例えば、圧力は約25バールであってもよい。
【0037】
通常は、この圧縮工程を45バール以下、特には35バール以下の圧力で行うことが好ましい。圧力が高すぎると濾過ケーキが劣化する場合があり、その結果満足な品質の沈降シリカ粒子とならない。
【0038】
圧縮工程は、任意選択的には濾過工程に用いられたものと同じフィルター上で行われてもよい。濾過工程、任意選択的な洗浄工程、及び圧縮工程は、場合によっては、濾過と、任意選択的な洗浄(例えば水を用いて)と、フィルタープレスなどの圧縮手段を備えたフィルター上での最終的な強い圧縮とを含む、単一の分離工程で構成されてもよい。
【0039】
通常、提示した圧力における圧縮工程の長さは、本発明の方法のこの最も好ましい変形例では、少なくとも200秒であり、好ましくは300秒から600秒の間である。
【0040】
有利には、圧縮工程後に得られる生成物は、少なくとも28重量%、特には28重量%から35重量%の間、例えば28重量%から32重量%の間の乾燥物質含量を有する。この乾燥物質含量は少なくとも29重量%、特には少なくとも30重量%、特には29重量%から35重量%の間、例えば29重量%から32重量%の間とすることができる。
【0041】
本発明の方法は、沈降シリカの合成方法、すなわち、特定の種類の沈降シリカに限定されることなしに、少なくとも1種の酸性化剤を少なくとも1種のケイ酸塩と反応させる沈降工程が最初に行われる方法に関する。
【0042】
本発明の方法は、特には、例えば欧州特許第0520862号明細書、欧州特許第0670813号明細書、欧州特許第0670814号明細書、欧州特許第0917519号明細書、国際公開第95/09127号パンフレット、国際公開第95/09128号パンフレット、国際公開第98/54090号パンフレット、国際公開第03/016215号パンフレット、国際公開第2009/112458号パンフレット、又は国際公開第2012/010712号パンフレットに記載されている方法に従って得られるような沈降シリカを製造するために行うことができる。
【0043】
ケイ酸塩を酸性化剤と反応させることによる沈降反応は、本発明の方法ではいずれの製造方法を用いても行うことができ、特にはケイ酸塩原料に酸性化剤を添加することによる、又は、全部若しくは一部の酸性化剤及びケイ酸塩を同時に添加することによる、又は、水原料に全部若しくは一部のケイ酸塩及び酸性化剤を同時に添加することによる、方法で行ってもよい。
【0044】
酸性化剤及びケイ酸塩は、それ自体が公知の方法で選択される。酸性化剤としては、通常、硫酸や硝酸や塩酸などの強い鉱酸、又は、酢酸やギ酸やカルボン酸などの有機酸が使用される。
【0045】
沈降工程の後、沈降シリカの懸濁液(スラリー)S1が得られ、これには任意選択的に様々な添加剤が添加されてもよく、沈降シリカはその後分離される。
【0046】
本発明のある具体的な実施形態によれば、上述した分離工程は固液分離工程からなる。好ましくは、これは工程終了後に濾過ケーキが得られる濾過工程からなり、任意選択的には引き続いて前記ケーキの洗浄工程が行われる。
【0047】
濾過はいずれの適切な方法を用いて行ってもよく、例えばフィルタープレスやベルトフィルターや真空ロータリーフィルターを用いて行ってもよい。
【0048】
得られた生成物(ケーキ)には、その後上述したような粉状化工程が行われる。
【0049】
本発明の最も好ましい変形例では、分離工程とこの粉状化工程の間に、上述したような比較的高圧での圧縮工程が含まれる。
【0050】
ある実施形態によれば、本発明の方法は分離工程と粉状化工程の間に脱凝集化工程を含んでいてもよく、本発明の方法の非常に好ましい変形例では、この任意的な脱凝集化工程は圧縮工程と粉状化工程の間に行われる。
【0051】
この任意選択的な工程は、分離工程で得られたケーキを、あるいは、本発明の方法の最も好ましい変形例では圧縮工程で得られた生成物(ケーキ)を、崩すことからなり、前記ケーキの粒径を小さくすることができる。例えば、この工程は、ケーキが直径20mm未満のスクリーンを、好ましくは2mmから14mmの間のサイズのスクリーンを通される、Gericke Nibblerを用いて行うことができる。この脱凝集化工程は、「Rotocage Lumpbreaker」、「Double Rotocage Lumpbreaker」、又は「Triskelion Lumpbreaker」などのWyssmontツールを用いて行うこともできる。
【0052】
粉状化工程後に得られる沈降シリカ懸濁液S2は、その後乾燥される。
【0053】
この乾燥は、それ自体公知のいずれの方法を用いても行うことができる。
【0054】
本発明の方法のある好ましい実施形態によれば、乾燥は噴霧乾燥によって行われる。
【0055】
この目的のためにいずれのタイプの適切な噴霧乾燥機も使用することができ、特にはタービン噴霧乾燥機、好ましくは一流体又は二流体のノズル噴霧乾燥機を用いることができる。
【0056】
ノズル噴霧乾燥機を用いて乾燥を行う場合、その時本発明の方法で得ることができる沈降シリカは、有利には実質的に球形のビーズ(マイクロパール)であり、好ましくは少なくとも80μmの平均サイズを有する。
【0057】
この乾燥の後、集めた生成物は任意選択的に粉砕することができ、通常得られた沈降シリカは、その時粉末の形態、好ましくは5μmから70μmの間の平均サイズである。
【0058】
乾燥がタービン噴霧乾燥機を用いて行われる場合、得ることができる沈降シリカはその時には粉末状の形態、例えば5μmから70μmの間の平均サイズの形態であってもよい。
【0059】
また、特に粉末の形態又は粉砕物である場合の乾燥した生成物に、任意選択的には例えば、直接圧縮法、湿式造粒法(すなわち、水、シリカ懸濁液...などのバインダーを使用)、押出法、又は好ましくは乾燥圧縮からなる凝集化工程を行うことができる。この後者の技術が用いられる場合、圧縮を始める前に、含まれている空気を除去し、より均一に圧縮するために、粉末状生成物を脱気する(緻密化前処理又はガス抜きとも呼ばれる操作)ことが適切な場合もある。
【0060】
この凝集化工程後に得ることができる沈降シリカは、通常は顆粒状の形態であり、特には最大寸法の軸に沿って、特には少なくとも1mmの大きさ、特には1mmから10mmの間である。
【0061】
以下の実施例は、本発明を例示するものであるが、その範囲を限定するものではない。
【実施例】
【0062】
実施例1(本発明)
使用した沈降シリカ懸濁液(S1)は、沈降反応で得た以下の特性を有するZ1165MPシリカのスラリーであった。
温度:60℃
pH:4.4〜5.2
湿度:90%
を得た。
【0063】
シリカ懸濁液S1の一部を濾過し、フィルタープレス上で洗浄し、その後8バールの圧力で圧縮した。得られたシリカケーキG1は23.5%の乾燥分を有していた。
【0064】
シリカ懸濁液S1の別の一部を濾過し、フィルタープレス上で洗浄し、25バールの圧力で圧縮した。得られたシリカケーキG2は29%の乾燥分を有していた。
【0065】
ケーキG1を8mmのスクリーンを備えたNibbler(Gericke)に通して脱凝集化した。
【0066】
その後、崩したシリカケーキを、計量スクリューフィーダによって、250rpmで回転するClextral BC21二軸押出機へ5kg/hで入れた。供給ゾーンの後の押出機への分岐ライン(取入口から10cmの距離)から、アルミン酸ナトリウムの流量が0.33ml/分となるようにアルミン酸ナトリウムを添加した。
【0067】
押出機を出た生成物をタンクに集め、その中で硫酸を添加することでpHを6に調整した。
【0068】
その後、得られたスラリーを噴霧乾燥することで粉末状の沈降シリカP1を得た。
【0069】
ケーキG2を、8mmのスクリーンを備えたNibbler(Gericke)に通して脱凝集化した。
【0070】
その後、崩したシリカケーキを、計量スクリューフィーダによって、250rpmで回転するClextral BC21二軸押出機へ5kg/hで入れた。供給ゾーンの後の押出機の分岐ライン(取入口から10cmの距離)から、アルミン酸ナトリウムの流量が0.4ml/分となるようにアルミン酸ナトリウムを添加した。
【0071】
押出機を出た生成物をタンクに集め、その中で硫酸を添加することでpHを6に調整した。
【0072】
その後、得られたスラリーを噴霧乾燥することで粉末状の沈降シリカP2を得た。
【0073】
ケーキG2から得られたスラリーに関して、ケーキG1から得られたスラリーの乾燥と比較して、エネルギーの節約が25%であり、関連する生産性の上昇が33%であったことが見出された。
【0074】
したがって、本発明の方法を用いることで、高い乾燥分を有するケーキに関して非常に満足のいく結果を得ることもできる。
【0075】
実施例2(本発明)
使用した沈降シリカ懸濁液(S1)は、沈降反応で得た以下の特性を有するZ1165MPシリカのスラリーであった。
温度:60℃
pH:4.4〜5.2
湿度:90%
を得た。
【0076】
シリカ懸濁液S1の一部を濾過し、フィルタープレス上で洗浄し、8バールの圧力で圧縮した。得られたシリカケーキG1は23.5%の乾燥分を有していた。
【0077】
シリカ懸濁液S1の別の一部を濾過し、フィルタープレス上で洗浄し、その後25バールの圧力で圧縮した。得られたシリカケーキG2は29%の乾燥分を有していた。
【0078】
シリカケーキG1の一部を8mmのスクリーンを備えたNibbler(Gericke)に通して崩した。
【0079】
崩したシリカケーキを、計量スクリューフィーダによって、105pmで回転する二軸UCP2’’*17’’ミキサー(RPA法)へ76kg/h(ケーキの比流速、すなわちミキサーの有効容積当たりとして計算された速度97.4kg/h/Lに相当)で入れた。供給ゾーンの後のミキサーの分岐ラインから、アルミン酸ナトリウムの流量が4.65ml/分となるようにアルミン酸ナトリウムを添加した。
【0080】
混合された生成物はタンクに集め、その中で硫酸を添加することでpHを6.2に調整した。
【0081】
得られたスラリーを噴霧乾燥することでマイクロパールの形態の沈降シリカMP1を得た。
【0082】
シリカケーキG2を、8mmのスクリーンを備えたNibbler(Gericke)に通して脱凝集化した。
【0083】
その後、崩したシリカケーキを、計量スクリューフィーダによって、155rpmで回転する二軸UCP2’’*17’’ミキサー(RPA法)へ127kg/hで入れた。供給ゾーンの後のミキサーの分岐ラインから、アルミン酸ナトリウムの流量が9.80ml/分となるようにアルミン酸ナトリウムを添加した。
【0084】
混合された生成物はタンクに集め、その中で硫酸を添加することでpHを6.2に調整した。
【0085】
得られたスラリーを噴霧乾燥することでマイクロパールの形態の沈降シリカMP2を得た。
【0086】
ケーキG2から得られたスラリーに関して、ケーキG1から得られたスラリーの乾燥と比較して、エネルギーの節約が25%であり、関連する生産性の上昇が33%であったことが見出された。
【0087】
したがって、本発明の方法を用いることで、非常に高い乾燥分を有するケーキに関して非常に満足のいく結果を得ることもできる。
【0088】
実施例3
実施例2で得たシリカケーキG1の一部を、比ケーキ供給速度、すなわち前記容器の有効容積当たりとして計算された速度が1.78kg/h/Lで、すなわち、実施例2のケーキG1よりも非常に遅い速度で、連続撹拌下で1時間かけて容器に入れ、アルミン酸ナトリウムも撹拌下前記容器に14.75g/分の速度で添加した。
【0089】
得られた生成物はタンクに集め、その中で硫酸を添加することでpHを6.7に調整した。
【0090】
得られたスラリーを噴霧乾燥することでマイクロパールの形態の沈降シリカMP3を得た。
【0091】
実施例2で得られたシリカMP1は、シリカMP3と近い特性、特には同様の分散性を示すことが見出された。