張素風(fēng) 梅星賢 張璐璐

(1.陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021;2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

紙鋁塑復(fù)合包裝是一種由紙、鋁箔、低密度聚乙烯塑料 (LDPE)和其他印刷油墨、涂料、膠黏物等組成的復(fù)合包裝，當(dāng)前這類廢棄物的回收日益受到重視［1］，其中鋁塑復(fù)合物的分離更是備受關(guān)注［2-3］。液體包裝盒中鋁塑復(fù)合物為多層結(jié)構(gòu)，各層間的復(fù)合方式不同，各層間黏結(jié)層物質(zhì)也不同。通過對溶劑法［4］分離鋁塑復(fù)合物的研究發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)其高效分離，分離劑的選擇最為關(guān)鍵。使用單一有機(jī)溶劑只能使復(fù)合物一側(cè)的聚乙烯和鋁箔分離，而采用一定配比的多種有機(jī)溶劑的混合溶液則可以使兩側(cè)同時較快地分離，而且研究中還發(fā)現(xiàn)［5-7］不同配比的混合溶劑會產(chǎn)生不同的分離效果。這是因為不同配比的混合溶劑溶解度參數(shù)不同，因此對復(fù)合物層間物質(zhì)的溶解性能也不同。

溶解度［8-9］參數(shù)作為衡量物質(zhì)之間相容性的重要參數(shù)，最早應(yīng)用于聚合物-溶劑體系。對于給定的聚合物，可以采用溶解度參數(shù)與之相近的混合溶劑來溶解?；旌先軇┎坏梢越鉀Q能否溶解的問題，而且還能改善聚合物的使用性能、降低成本等;在混合溶劑中加入少量的水也可以調(diào)節(jié)混合液溶解度參數(shù)。

由于苯、甲苯、苯乙烯的溶解度參數(shù)值相近［10］，溶解性能也相近。本研究選用3種不同的混合溶劑(苯-乙醇-水，甲苯-乙醇-水，苯乙烯-乙醇-水)作為分離劑，當(dāng)鋁塑復(fù)合物內(nèi)外側(cè)實現(xiàn)完全分離時，根據(jù)相似相溶原理，通過計算混合溶劑的溶解度參數(shù)來考察復(fù)合物有機(jī)膠黏劑 (聚合物)的溶解度參數(shù)范圍，為尋找更加安全高效的鋁塑分離劑提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 鋁塑復(fù)合材料及試劑

鋁塑復(fù)合物為廢棄的液體包裝盒去除紙質(zhì)層后的材料;試劑為甲苯、無水乙醇、苯、苯乙烯，均為分析純。

1.2 分離實驗

按照一定的體積比分別配制苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水3種混合液作為分離劑。將一定量的鋁塑復(fù)合物置于混合溶劑中，于恒溫(60℃)下浸泡一段時間;輕輕攪拌，待鋁塑完全分離后，分別取出。采用一定量的清水和乙醇洗滌后，晾干。

1.3 混合溶劑溶解度參數(shù)計算公式

美國化學(xué)家希爾布萊德［11］首次從理論上闡述了“溶解度參數(shù)”這一名詞，用符號“δ”表示。根據(jù)希爾布萊德的研究，可以得到單一溶劑的溶解度參數(shù)。對于含有幾種不同組分混合溶劑的溶解度參數(shù)，可以按其各自已知的溶解度參數(shù)來計算，計算公式見式 (1)［12］。

式中 δn——混合溶劑的溶解度參數(shù);

ri——i組分溶劑的體積分?jǐn)?shù);

δi——i組分溶劑的溶解度參數(shù) (即希爾布萊德溶解度參數(shù))。

希爾布萊德溶解度參數(shù)是一個單一的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是分子間所有相互作用力的總和。美國科學(xué)家查里斯·漢森 (Charles M.Hansen)［13］將希爾布萊德溶解度參數(shù)分解為3個組成部分，它們分別是色散力參數(shù) δd、極性力參數(shù) δp和氫鍵黏合力參數(shù) δh。對于溶解度參數(shù)相近的溶劑，當(dāng)3部分的構(gòu)成不同時，溶解性能也會存在差異。通過對每一個組成部分進(jìn)行區(qū)分和單獨衡量，使對溶劑溶解性能的判斷將會變得更加準(zhǔn)確。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁塑復(fù)合物結(jié)構(gòu)分析

廢棄的液體包裝盒，經(jīng)水力碎漿后的剩余鋁塑復(fù)合材料從內(nèi)到外結(jié)構(gòu)依次為:LDPE1、LDPE黏結(jié)層、鋁箔、有機(jī)膠黏劑黏結(jié)層、LDPE2［14］，如圖1所示。

圖1 鋁塑復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖

LDPE1和鋁箔分離較為容易，使用單一有機(jī)溶劑就可以實現(xiàn)分離。這是由于鋁箔和塑料具有不同的曲張系數(shù)，在一定的溫度作用下，有機(jī)溶劑將塑料溶脹后而和鋁箔錯位分開［15-16］。內(nèi)側(cè)由有機(jī)膠黏劑黏合，它與內(nèi)側(cè)塑料、鋁箔表面發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)后，結(jié)合相對緊密，單一有機(jī)溶劑分離較為困難［17-19］。而混合溶劑的溶解性能較好，在一定的條件下可以將界面結(jié)合處的膠黏劑溶解。本實驗的目的就在于考察有機(jī)膠黏劑的溶解度參數(shù)范圍，以便選擇更為高效的鋁塑復(fù)合物分離劑。

2.2 3種混合溶劑的分離實驗

不同溶劑的溶解度參數(shù)不同，表1是本實驗所用單一溶劑的溶解度參數(shù)［10］。

表1 實驗所用單一溶劑的溶解度參數(shù)

從表1可以看出，苯、甲苯、苯乙烯的溶解度參數(shù)值相接近，按照相似相溶的原則，參數(shù)接近的溶液，在理論上可以溶解相同的物質(zhì)。對混合溶劑來說，如果知道其中各組分的溶解度參數(shù)值，就可以按已知的溶解度參數(shù)值和混合比例來計算混合溶劑的溶解度參數(shù)，預(yù)測混合溶劑的實際溶解性能。當(dāng)鋁塑復(fù)合物在混合溶劑內(nèi)側(cè)出現(xiàn)分離現(xiàn)象時，說明混合溶劑開始溶解內(nèi)側(cè)聚乙烯和鋁箔間的膠黏劑。根據(jù)相似相溶原理，可以分析膠黏劑的溶解度參數(shù)范圍。

鋁塑復(fù)合物分別浸泡在裝有苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水混合溶劑的容器瓶中，保持在60℃的恒溫水浴箱中。鋁塑復(fù)合物在不同體積比的混合溶液中，會出現(xiàn)不同程度的分離狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)外側(cè)完全分離時，記錄此時3種混合溶劑各組分的體積比。

2.2.1 苯-乙醇-水處理鋁塑復(fù)合物

表2為鋁塑復(fù)合物內(nèi)外側(cè)完全分離時苯、乙醇、水的體積比及混合溶劑的溶解度參數(shù)。

由表2可以看出，當(dāng)苯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數(shù)在26.1～34.8時，鋁塑復(fù)合物完全分離。根據(jù)相似相溶原理，當(dāng)溶劑和溶質(zhì)的溶解度參數(shù)越相近，越易于相互溶解。鋁塑復(fù)合物之間存在有機(jī)膠黏劑，混合溶劑的溶解度參數(shù)越接近于膠黏劑的溶解度參數(shù)，則溶解效果越好。因此可以判斷鋁塑復(fù)合物間膠黏劑的溶解度參數(shù)范圍為 26.1 ～34.8。

2.2.2 甲苯-乙醇-水處理鋁塑復(fù)合物

表3為鋁塑復(fù)合物內(nèi)外側(cè)完全分離時甲苯、乙醇、水的體積比及混合溶劑的溶解度參數(shù)。

表3 不同體積比甲苯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數(shù)

從表3可以看出，當(dāng)甲苯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數(shù)為29.0～35.5之間時，鋁塑復(fù)合物完全分離。

2.2.3 苯乙烯-乙醇-水處理鋁塑復(fù)合物

表4為鋁塑復(fù)合物內(nèi)外側(cè)完全分離時苯乙烯、乙醇、水的體積比及混合溶劑的溶解度參數(shù)。

表4 不同體積比苯乙烯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數(shù)

從表4可以看出，當(dāng)苯乙烯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數(shù)為29.1～34.9時，鋁塑復(fù)合物完全分離。

對上述3組數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整合，在考察鋁塑復(fù)合物兩側(cè)完全分離時不同溶劑的體積比，通過計算此時混合溶液的溶解度參數(shù)，可以大致推測鋁塑復(fù)合物間膠黏劑的溶解度參數(shù)理想范圍為29.1～34.8。

2.3 3種混合溶劑的分離效果比較

通過上述實驗發(fā)現(xiàn)，3種混合溶劑都含有乙醇和水，達(dá)到同樣的分離效果時，苯、甲苯、苯乙烯在各自的混合溶劑中所需的體積比不完全一樣。鋁塑完全分離時，苯在苯-乙醇-水混合溶劑中所需最小體積比為30%，苯乙烯在苯乙烯-乙醇-水混合溶劑中所需最小體積比為30%，而甲苯在甲苯-乙醇-水混合溶劑中所需體積比為20%。由于苯、甲苯、苯乙烯的希爾布萊德溶解度參數(shù)值接近，進(jìn)一步比較這3種溶劑的漢森溶解度組合參數(shù)。表5為苯、甲苯、苯乙烯的漢森溶解度組合參數(shù)［10］。

表5 苯、甲苯、苯乙烯的漢森溶解度組合參數(shù)

由表5得知，3種溶劑的色散力參數(shù)δd值差別不大;苯與甲苯的氫鍵黏合力參數(shù)δh相同，苯與甲苯的極性力參數(shù)差別較大 (苯的δp為0，甲苯的δp為1.4)。相同配比條件下，甲苯-乙醇-水混合溶劑的極性要大于苯-乙醇-水混合溶劑的極性。在溶解度參數(shù)理想范圍內(nèi)，極性越大，對膠黏劑的溶解能力越強(qiáng)。因此在3種混合溶劑溶解度參數(shù)接近的條件下，甲苯所需的體積比最小。

3 結(jié)論

3.1 不同體積比的苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水有機(jī)混合溶劑可以有效地實現(xiàn)廢棄的液體包裝盒 (袋)去除紙質(zhì)層后的鋁塑復(fù)合物的鋁塑分離，通過對混合溶劑溶解度參數(shù)的計算可以得到鋁塑復(fù)合物間膠黏劑溶解度參數(shù)的理想范圍為29.1～34.8。3

.2 相同體積比的條件下，由于甲苯的極性力參數(shù)較大，所形成的混合溶劑極性較大。在理想溶解度參數(shù)范圍內(nèi)，溶液極性越大，對有機(jī)膠黏劑的溶解度也越大。甲苯-無水乙醇-水混合溶劑作為分離劑，較少體積比的甲苯 (20%)可以達(dá)到很好的分離效果。

［1］Cui Zhong-wei.The research of the recycling of liquid packaging paper box［J］.Shanghai Pulp ＆ Paper，2009，40(3):62.

崔忠偉.廢棄紙基復(fù)合包裝再生利用技術(shù)的探討［J］.上海造紙，2009，40(3):62.

［2］Gu Guo-hua，Zhang Bo.Study on the separation between aluminum and plastic in scraps of plastic containing aluminum［J］.Mining and Metallurgical Engineering，2007，27(5):47.

顧幗華，張 波.含鋁廢塑料的鋁塑分離研究［J］.礦冶工程，2007，27(5):47.

［3］He Qun-hua.Study on the separation of aluminum and plastic from aluminum-plastic composite membrane in the alkali-alcohol system［J］.Guangzhou Chemical Industry，38(12):141.

何群華.堿醇體系下鋁塑復(fù)合膜的鋁塑分離研究［J］.廣州化工，2010，38(12):141.

［4］Zhang Su-feng，Zhang Lu-lu，Mei Xing-xian.Treatment of aluminum-plastic composite with mixed solvent method［J］.Paper and Paper Making，2011，30(12):41.

張素風(fēng)，張璐璐，梅星賢.混合溶劑處理鋁塑復(fù)合物的工藝研究［J］.紙和造紙，2011，30(12):41.

［5］ZHANG Su-feng，ZHANG Lu-lu，MEI Xing-xian.Study on Separation Process of Aluminum-plastic Composite with Mixed Organic Solvent by Triangle Coordinate Graph［J］.China Pulp ＆ Paper，2012，31(3):21.

張素風(fēng)，張璐璐，梅星賢.混合溶劑分離鋁塑復(fù)合包裝材料［J］.中國造紙，2012，31(3):21.

［6］ZHANG SU-feng，MEI Xing-xian，ZHANG Lu-lu.Research Progress of Separation Technology of Aluminum-plastic in Aseptic Composite Packaging［J］.China Pulp ＆ Paper，2012，31(2):65.

張素風(fēng)，梅星賢，張璐璐.廢舊無菌復(fù)合包裝材料鋁塑分離技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國造紙，2012，31(2):65.

［7］Zhang Lu-lu，Zhang Su-feng，Mei Xing-xian.Research on aluminumplastic separation process with benzyl alcohol-water method［J］.China Pulp＆ Paper Industry，2011，32(20):42.

張璐璐，張素風(fēng)，梅星賢.鋁塑苯醇水法分離的工藝研究［J］.中華紙業(yè)，2011，32(20):42.

［8］Sun Zhi-juan，Zhang Xin-ya.The development and application of solubility parameter［J］.Rubber Industry，2007，54(1):54.孫志娟，張心亞.溶解度參數(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.橡膠工業(yè)，2007，54(1):54.

［9］Yan Jian-zhong，Liang Cheng-hao.Application of solubility parameter on manufacture of the cold type antirust strippable plastic［J］.Corrosion Science and Protection Technology，1998，10(5):294.

閻建忠，梁成浩.溶解度參數(shù)在研制溶劑型可剝性塑料中的應(yīng)用［J］.腐蝕科學(xué)與保護(hù)技術(shù)，1998，10(5):294.

［10］Si-tu Yong.The basic principle and application of solubility parameters［M］.Shang Hai:2007.

司徒勇.溶解度參數(shù)的基本原理和應(yīng)用［M］.上海:上海大學(xué)美術(shù)學(xué)院，2007.

［11］Hildebrand J H，Scott R L.The Solubility of Nonelectrolytes［M］.3rdEdition.New Yord:Reinhold，1950.

［12］Teng Xin-rong.Surface physical and chemical［M］.Beijing:2009.

滕新榮.表面物理化學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［13］Hansen C M.The Three Dimensional Solubility Parameter and Solvent Diffusion Coefficient［M］.Copenhagen:Danish Technical Press，1967.

［14］Wang Li.Discussion on production and recovery of TETRA PAK［J］.Packaging Engineering，2006，27(3):79.王 莉.利樂包的印制及回收工藝探討［J］.包裝工程，2006，27(3):79.

［15］Zhang Ji-fei，Yan Da-hai，Li Li.Status of recovery and reuse of paper-plastic-aluminum composite packaging wastes［J］.Environmental Protection of Chemical，2009，29(4):322.

張冀飛，閆大海，李 麗.紙塑鋁復(fù)合包裝廢物的回收與再生利用現(xiàn)狀［J］.化工環(huán)保，2009，29(4):322.

［16］Zhang Ji-fei，Yan Da-hai，Li Li.Research on the effect of separation reagent concentration and reaction temperature on AL-PE wet separation technics［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2010，4(3):665.

張冀飛，閆大海，李 麗.分離劑甲酸溶液濃度和溫度對于鋁塑濕法分離的影響研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(3):665.

［17］Cristin M A，Lopes，F(xiàn)elisberti Maria lsabel.Composite of low-density polyethylene and aluminum obtained from the recycling of postconsumer aseptic packaging［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，5(101):3183.

［18］Hildebrand J H，Scott R L.The Solubility of Nonelectrolytes［M］.New Yord:Reinhold，1950.

［19］Hansen C M.The Three Dimensional Solubility Parameter and Solvent Diffusion Coefficient［M］.Copenhagen:Danish Technical Press，1967. CPP