Brevet FR2644768A1 — publié le 19900928

La présente invention se rapporte à une dispersion aqueuse colloidale de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant. Un procédé de préparation d'une telle dispersion aqueuse colloïdale est également révélé. Il y a de nombreuses applications pour les silices fumées d'une taille extrêmement fine de particule o il est pratique d'appliquer la silice fumée sous la forme d'une dispersion aqueuse colloidale. De telles applications comprennent des cires anti-dérapantes pour le sol, des latex de caoutchouc mousse, des couchages de papier, le procédé sol-gel pour la fabrication de fibres optiques et de matériel en verre de quartz, et l'isolement thermique. Les dispersions aqueuses colloidales de silice fumée sont également utilisées pour le frictionnement et le polissage. Il y a également de nombreuses occassions o il est pratique de densifier la silice fumée pour son stockage ou son transport en la combinant à de l'eau pour former une dispersion aqueuse colloidale. La silice fumée est généralement produite par l'hydrolyse en phase vapeur de chlorosilanes, comme le tétrachlorure de silicium, dans une flamme d'hydrogène et d'oxygène. L'ensemble de la réaction est: SiCt4 + 2H2 + 02 SiO2 + 4 HC1 Dans ce procédé, il se forme des sphères fondues de silice d'une taille inférieure au micron. Ces particules entrent en collision et se fusionnent pour former des agrégats tridimensionnels, ramifiés, ressemblant à une chaîne, ayant environ 0, 1 à 0.5 micron de longueur. Le refroidissement a lieu très rapidement, limitant la croissance des particules et garantissant que la silice fumée sera amorphe. Ces agrégats forment à leur tour des agglomérats ayant une taille comprise entre 0,5 et 44 microns (maille US 325). Les silices fumées ont généralement une très haute pureté, -2- avec les impuretés totales inférieures, dans de nombreux cas, à 100 ppm (parties par million). Cette haute pureté rend les dispersions aqueuses de silice fumée particuliè- rement avantageuse pour de nombreuses applications. Une autre considération pour de nombreuses applications est l'élimination des poussières abrasives -de la dispersion aqueuse de la silice fumée car les poussières abrasives représentent une source majeure d'impuretés. Les poussières abrasives peuvent également interférer avec de nombreuses applications de la dispersion. Par exemple, dans la coagulation du caoutchouc latex, les poussières abrasives conduiront la formation de défauts dans la structure du caoutchouc et dans le polissage des monocristaux semiconducteurs, les poussières abrasives peuvent provoquer des rayures. Ainsi, il est généralement souhaitable que la dispersion aqueuse soit de haute pureté. Une méthode pour augmenter la pureté consiste à faire passer la dispersion aqueuse colloidale à travers un filtre, ce que l'on appelle également filtration, pour éliminer les poussières abrasives et autres impuretés. Afin qu'une dispersion aqueuse colloïdale puisse être filtrée, sa viscosité doit être suffisamment faible, et elle ne doit pas se dilater pour lui permettre de passer à travers le filtre souhaité. Pour la présente invention, une dispersion ne se dilatant pas est une dispersion qui passera à travers un filtre ayant une taille des pores de 1000 microns ou moins. Comme on l'a décrit ci-dessus, la capacité d'une dispersion à traverser un filtre est également en rapport avec sa viscosité. Plus le filtre est fin, c'est-à-dire plus la taille des pores du filtre est petite, plus la viscosité de la dispersion aqueuse colloïdale doit être faible pour qu'elle traverse le filtre. Comme ceux qui sont compétents en la matière pourront le noter, pour augmenter la pureté, la dispersion colloidale doit passer à travers un filtre aussi fin que possible. Ainsi, il est - 3- généralement avantageux de produire des dispersions aqueuses colloidales ayant de faibles viscosités. Pour la présente invention, les faibles viscosités sont des viscosités en dessous d'environ 1000 centipoises. De plus, afin d'être utile pour les applications dont la liste est donnée ci-dessus et d'autres applications potentielles, la dispersion aqueuse colloïdale ne peut se gélifier en un solide. La capacité de la dispersion aqueuse colloïdale à résister à la gélification est généralement appelée la stabilité de la dispersion aqueuse colloïdale. Des dispersions aqueuses colloidales plus stables ne se gélifiront pas aussi vite que des dispersions aqueuses colloidales moins stables. La présente invention concerne une dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant comprenant au moins environ 40 % en poids de silice fumée, l'acide en une quantité comprise entre environ 0,0025 % et environ 0,50 % de la quantité, en poids, de la silice fumée, suffisamment de stabilisant pour élever le pH de la dispersion entre environ 7 et environ 12, en dispersion dans l'eau. Un procédé de production de dispersions aqueuses colloidales de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant et comprenant en particulier celles ayant une concentration en silice fumée d'au moins environ 40 % en poids est également révélé. Selon la présente invention, une dispersion aqueuse colloïdale stable, ne se dilatant pas, de faible viscosité et filtrable de silice fumée est produite en dispersant la silice fumée dans une solution acide-eau dans un mélangeur en une quantité telle que la concentration en silice fumée de la première dispersion, en poids, dépasse la quantité de silice souhaitée dans la dispersion finale, en diluant la première dispersion dans le mélangeur avec une quantité additionnelle d'eau de manière que la dispersion finale résultante contienne la concentration souhaitée de silice fumée, puis en ajoutant - 4- un stabilisant pour ajuster le pH de la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée, de l'acide et du stabilisant entre environ 7 et 12 et de préférence entre environ 7,5 et environ 11. Cette dispersion finale résultante peut facultativement être filtrée pour en éliminer les poussières abrasives et les agglomérats. La silice fumée se mouille et se mélange plus rapidement dans la solution eau-acide que dans l'eau seule. L'addition d'acide réduit également la viscosité de la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée dans le mélangeur tandis que la dispersion est ajustée d'un pH acide à alcalin par l'addition du stabilisant. La viscosité réduite aide à empêcher la dispersion de se gélifier tandis que son pH est augmenté par le stabilisant. Le procédé de la présente invention peut être utilisé avec de la silice fumée ayant toute aire superficielle afin de produire des dispersions aqueuses colloidales de silice fumée. Afin de produire des dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée ayant une concentration en 0 silice fumée d'au moins 40 % en poids selon la présente invention, cependant, on utilise de préférence une silice fumée ayant une aire superficielle inférieure à environ - 75 mètres carrés par gramme (m2/g) et mieux entre environ m2/g et environ 75 m2/g et encore mieux entre environ 35 m2/g et environ 60 m2/g. Un avantage du procédé de la présente invention réside dans le fait que les dispersions aqueuses colloidales résultantes de silice fumée, d'acide et de stabilisant sont stables et ne se dilatent pas. Pour la présente invention, "stable" signifie que la dispersion ne se gélifiera pas pendant au moins un jour. Typiquement, les dispersions aqueuses colloidales de silice fumée produites selon le procédé de la présente invention sont stables pendant au moins une semaine, de préférence plusieurs semaines et mieux plusieurs mois à des années. Comme on l'a précédemment expliqué, pour la présente invention, "ne se dilatant pas" indique la capacité d'une dispersion à passer à travers un filtre ayant une taille des pores de 1000 microns ou moins, sans gélification. Typiquement, les dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée produites selon le procédé de la présente invention traverseront un filtre ayant une taille des pores de 250 microns ou moins, de préférence un filtre ayant une taille des pores de 25 microns ou moins, et mieux un filtre ayant une taille des pores de 10 microns ou moins. Typiquement, la "faible viscosité" des dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée, produites selon le procédé de la présente invention, sera inférieure à environ 1000 centipoises et de préférence inférieure à environ 250 centipoises. Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait que les dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée, de l'acide et du stabilisant, ayant une concentration en silice fumée d'au moins environ 40 % en poids, sont stables pendant plusieurs mois à plusieurs années, ont de faibles viscosités et ne se dilatent pas. Les qualités de faible viscosité et de non dilatation permettent à la dispersion aqueuse colloldale de traverser un filtre fin. D'autres avantages de la présente invention deviendront apparents à la lecture de la description plus détaillée qui suit. Selon la présente invention, on introduit, dans un mélangeur, généralement jusqu'à environ 50 %, une quantité d'eau, de préférence de l'eau qui a été désionisée, et un acide est ajouté à l'eau. De préférence, le mélangeur utilisé est un mélangeur à fort cisaillement, capable de former les dispersions, tel que ceux généralement connus. L'acide peut être un acide minéral ou organique tel que l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, l'acide phosphorique, l'acide acétique ou l'acide 36 maléfque. La quantité d'acide ajouté à l'eau est basée sur la quantité de silice fumée qui sera ajoutée à l'eau pour -6-- former la dispersion colloïdale aqueuse finale. En général, la quantité d'acide ajoutée à l'eau est une quantité, en poids, entre environ 0,0025 % et environ 0,50 % et de préférence entre environ 0,02 % et 0,15 % de la quantité, en poids, de silice fumée qui sera ajoutée à l'eau. Après addition de la l'acide à l'eau, le mélangeur peut fonctionner pour mélanger l'acide et l'eau pour former une solution eau-acide. Le pourcentage d'eau initialement introduite dans le mélangeur peut évidemment varier_-Cependant, comme cela deviendra apparent de la description qui suit, il faut laisser de la place dans le mélangeur pour ajouter la silice fumée et de l'eau additionnelle. La quantité initia'e d'eau choisie est usuellement basée sur la quantité de silice fumée à ajouter et la concentration finale souhaitée de silice fumée dans la dispersion aqueuse colloidale. Par exemple, si la concentration finale souhaitée de la dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée est d'environ 50 % de silice fumée, en poids, et qu'il faut ajouter 45,4 kg de silice fumée dans le mélangeur, la quantité initiale d'eau est alors la quantité qui aura pour résultat une concentration de plus de 50 % en poids de silice fumée dans le mélangeur. Typiquement, dans le procédé de la présente invention, la dispersion dans le mélangeur, avant dilution, aura une concentration en silice fumée d'au moins environ 5 % supérieure à la concentration finale souhaitée de la silice fumée dans la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée. Ensuite, la dispersion aqueuse colloïdale dans le mélangeur sera dilué par l'addition d'une quantité additionnelle d'eau pour obtenir la concentration finale souhaitée de silice fumée dans la dispersion d'environ 50 % en poids. Après avoir chargé le mélangeur d'eau, un acide est ajouté dans l'eau, la silice fumée est ajoutée dans la solution eau-acide dans le mélangeur. La silice fumée peut être ajoutée en mélangeant la silice fumée dans le mélange eau-acide tandis que le mélangeur fonctionne ou bien en ajoutant la silice fumée dans le mélange eau-acide puis en faisant fonctionner le mélangeur. La silice fumée peut également être ajoutée par incréments, en une série d'étapes, avec le mélangeur fonctionnant entre chaque étape. Comme on l'a précédemment décrit, le procédé de la présente invention peut être utilisé avec des silices fumées ayant toute aire superficielle. Pour produire des dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée ayant des concentrations en silice fumée d'au moins environ 40 % en poids, on utilise de préférence une silice fumée ayant une aire superficielle plus faible qu'environ 75 m2/g. De préférence, on utilise une si!icc fumée ayant une aire superficielle comprise entre environ 10 m 2/g et environ m2/g et encore mieux une silice fumée ayant une aire superficielle comprise entre environ 35 m 2/g et environ m2/g pour former les dispersions aqueuses colloidales de silice fumée ayant des concentrations en silice fumée d'au moins environ 40 % en poids. L'effet immédiat de l'addition ou de chaque addition de silice fumée au mélangeur sera d'épaissir la dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée dans le mélangeur. Cependant, tandis que le mélangeur continue à fonctionner, la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée dans le mélangeur se dilue. Après que la concentration en silice fumée, en poids, dans la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée dans le mélangeur, ait atteint un point au-dessus de la concentration finale souhaitée de la silice fumée, en poids, on permet au mélangeur de fonctionner jusqu'à ce que la dispersion dans le mélangeur se dilue. Comme on l'a précédemment expliqué, typiquement, dans le procédé de la présente invention, la dispersion dans le mélangeur, avant dilution, aura une concentration en silice fumée au moins 2'644768 -8- environ 5 % plus importante que la concentration finale souhaitée en silice fumée dans la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée. Alors, on ajoute une quantité additionnelle d'eau dans le mélangeur pour diluer la dispersion dans le mélangeur. De préférence, cette eau additionnelle a été désionisée. L'eau additionnelle est alors mélangée dans la dispersion aqueuse colloidale dans le mélangeur en faisant fonctionner ce dernier. La quantité d'eau ajoutée est la quantité qui dimunuera la concentration de la silice fumée, en poids, dans la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée dans le mélangeur à la concentration finale souhaitée, en tenant compte du stabilisant qui sera ajouté dans la dispersion.- Après avoir ajouté l'eau additionnelle, un stabilisant, comme un alcali ou une amine, est ajouté à la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée en une quantité qui ajustera le pH de la dispersion finale entre environ 7 et environ 12 et de préférence entre environ 7,5 et environ 11. Le pH particulier choisi pour la dispersion finale dépendra de l'application à laquelle est destinée la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée. Des stabilisants appropriés comprennent, sans limitation, des alcalis ou amines comme l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium, l'hydroxyde de lithium, l'hydroxyde d'ammonium, la triéthylamine et la diméthylétahnol amine. Après l'addition du stabilisant, la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée peut être enlevée du mélangeur et stockée ou emballée pour son transport, de toute façon généralement connue. Si on le souhaite, on peut également faire passer la dispersion aqueuse colloidale de silice fumée à travers un filtre pour enlever les poussières abrasives et toutes les particules agglomérées de silice fumée. Le procédé de la présente invention permet la production d'une dispersion aqueuse colloidale stable, ne se dilatant pas, de faible viscosité, de haute pureté et 2644?68 - 9 - filtrable de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant à toute concentration de silice fumée. Il faut particul.ière- ment remarquer que des dispersions aqueuses colloïdales ayant une concentration en silice fumée d'au moins environ 40 % en poids et mieux, ayant une concentration en silice fumée comprise entre environ 40 % et environ 65 % en poids, peuvent être préparées. Les dispersions aqueuses colloïda- les résultantes de silice fumée, de l'acide et du stabilisant ne se dilatent pas, ont de faibles viscosités et sont stables pendant plusieurs mois à plus d'un an. L'efficacité et les avantages de la présente invention seront mieux illustrés par les exemples suivants. Les exemples qui suivent illustrent la production de dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant, ayant des concentrations en silice fumée d'environ 40 % et d'environ 65 %, en poids, respectivement. Il est cependant évidenz que les quantités de silice fumée, d'acide, du stabilisant et d'eau utilisées dans ces exemples peuvent être changées pour produire une dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée ayant différentes concentrations en silice fumée telles que 45 %, %, 55 % et 60 % en poids. EXEMPLE 1 L'exemple qui suit illustre la préparation d'une dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant, ayant une concentration en silice fumée d'environ 40 % en poids, en utilisant un mélangeur à fort cisaillement,d'une capacité de 378 litres, capable de former les dispersions. Le mélangeur à fort cisaillement est initialement chargé de 151 litres d'eau et on ajoute, à l'eau, environ 0,61 kg d'une solution à 37 % de HCl, ce qui représente environ 0,27 % de la quantité, en poids, de la silice fumée qui sera ajoutée au mélangeur. On ajoute lentement au mélangeur environ 227 kg de silice fumée, ayant une aire superficielle d'environ 50 m2/g, à raison de 45,4 kg à la - 10 - fois, tandis que le mélangeur fonctionne, pour former une dispersion colloidale aqueuse de silice fumée dans le mélangeur, ayant une concentration en-silice fumée d'environ 60 % en poids. A ce point, on ajoute 178 litres supplémentaires d'eau, lentement, dans le mélangeur tandis qu'il fonctionne, pour former une dispersion aqueuse colloidale de silice fumée ayant une concentration en silice fumée d'environ,41 % en poids. Une quantité suffisante d'hydroxyde d'ammmonium qui, dans ce cas, représente environ 10,6 litres d'une-solution à 30 % d'hydroxyde d'ammonium, est ajoutée à cette dispersion colloïdale aqueuse de silice fumée pour ajuster le pH de la dispersion à environ 10,4. Après addition de l'hydroxyde d'ammonium, la dispersion aqueuse colloïdale résultante de silice fumée a une concentration en silice fumée d'environ % en poids et peut facultativement 8tre filtrée pour enlever toutes les poussières abrasives ou les particules agglomérées. La filtration de la dispersion aqueuse colloidale changera la concentration en silice fumée de moins d'environ 0,5 % en poids. La dispersion aqueuse colloïdale filtrée ou non filtrée de silice fumée, d'acide et du stabilisant peut être stockée et/ou emballée pour son transport de chacune des façons généralement connues. EXEMPLE 2 L'exemple qui suit illustre la préparation d'une dispersion aqueuse colloidale de silice fumée, d'un acide et d'un stabilisant ayant une concentration en silice fumée d'environ 65 % en poids en utilisant un mélangeur à fort cisaillement, d'une capacité de 378 litres, capable de former les dispersions. Le mélangeur à fort cisaillement est initialement chargé de 98 litres d'eau et d'environ 0,6 kg d'une solution à 37 % de HlC1, qui représente environ-0,27 % de la quantité, en poids, de silice fumée qui sera ajoutée'dans le mélangeur. On ajoute lentement, dans le mélangeur, environ 227 kg de silice fumée ayant une aire superficielle - 11 - d'environ 50 m2/g, à raison de 45,4 kg à la fois, tandis que le mélangeur fonctionne pour former une dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée dans le mélangeur, ayant une concentration en silice fumée d'environ 70 % en poids. A ce point, on ajoute lentement, dans le mélangeur, 16 litres supplémentaires d'eau tandis que le mélangeur fonctionne pour former une dispersion aqueuse colloïdale de silice fumée ayant une concentration en silice fumée d'environ 66,5 % en poids. On ajoute une quantité suffisante d'hydroxyde d'ammonium qui, dans ce cas, représente environ 10,6 litres d'une solution à 30 % d'hydroxyde d'ammonium, dans cette dispersion aqueuse colloidale de silice fumée, pour ajuster le pH de la dispersion à environ 10,4. Après addition d'hydroxyde d'ammonium, la dipersion aqueuse colloïdale résultante de silice fumée a une concentration en silice fumée d'environ % en poids et peut facultativement être filtrée pour éliminer toutes les poussières abrasives ou les particules agglomérées. La filtration de la dispersion aqueuse colloïdale changera la concentration en silice fumée de moins d'environ 0,5 % en poids. La dispersion aqueuse colloïdale filtrée ou non filtrée de silice fumée, d'un acide et du stabilisant peut être stockée et/ou emballée pour son transport, de toute façon généralement connue. Des résultats similaires ont été obtenus en suivant les processus des exemples 1 et 2 et en changeant la quantité initiale d'eau introduite dans le mélangeur, la quantité de l'acide et la quantité d'eau additionnelle ajoutée au mélangeur pour produire des dispersions aqueuses colloïdales de silice fumée, de l'acide et du stabilisant ayant des concentrations en silice fumée de 45 %, 50 %, % et 60 % en poids. - 12 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispersion colloidale, caractérisée en ce qu'elle contient au moins environ 40 % en poids de silice fumée, de l'acide en une quantité comprise entre environ 0,0025 % et environ 0,50 -% de la quantité, en poids, de la silice fumée, une quantité, en poids, du stabilisant qui élevera le pH de la dispersion entre environ 7,0 et environ 12,0, en dispersion dans l'eau. 2. Dispersion colloïdale se3-on la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée est présente en une quantité comprise entre environ 40 % et 65 % en poids. 3. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée er. ce que la silice fumée est présente en une quantité d'environ 40 % en poids. 4. Dispersion colloïdale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée est présente en une quantité d'environ 45 % en poids. 5. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée est présente en une quantité d'environ 50 % en poids. 6. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée est présente en une quantité d'environ 55 % en poids. 7. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée est présente en une quantité d'environ 60 % en poids. 8. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée est présente en une quantité d'envircn 65 % en poids. 9. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'acide est choisi dans le groupe consistant en acides minéraux et acides organiques. 10. Dispersion colloïdale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'acide est choisi dans le groupe consistant en acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide - 13 - nitrique, acide phosphorique, acide acétique et acide maléique. 11. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'acide est l'acide chlorhydrique. 12. Dispersion colloldale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'acide est présent en une quantité comprise entre environ 0,02 % et environ 0,15 % de la quantité pondérale de la silice fumée. 13. Dispersion colloïdale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stabilisant est choisi dans le groupe consistant en alcalis et amines. 14. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stabilisant est choisi dans le groupe consistant en hydroxyde de sodium, hydroxyde de potassium, hydroxyde de lithium, hydroxyde d'ammonium, triéthylamine, et diméthyléthanol amine. 15. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stabilisant est de l'hydroxyde d'ammonium. 16. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stabilisant est ajouté en une quantité qui élevera le pH de la dispersion entre environ 7,5 et environ 11. 17. Dispersion colloidale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée a une aire superficielle plus petite qu'environ 75 m2/g. 18. Dispersion colloïdale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée a une aire superficielle comprise entre environ 10 m2/g et environ 75 m2/g. 19. Dispersion colloïdale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice fumée a une aire superficielle d'environ 50 m2/g.