溶解度參數(shù)在混合溶劑處理鋁塑復(fù)合物中的應(yīng)用

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(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021;2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lèi)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(guò)對(duì)溶劑法［4］分離鋁塑復(fù)合物的研究發(fā)現(xiàn)，要實(shí)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(shí)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(huì)產(chǎn)生不同的分離效果。這是因?yàn)椴煌浔鹊幕旌先軇┤芙舛葏?shù)不同，因此對(duì)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(duì)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(lái)溶解。混合溶劑不但可以解決能否溶解的問(wèn)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(shí)現(xiàn)完全分離時(shí)，根據(jù)相似相溶原理，通過(guò)計(jì)算混合溶劑的溶解度參數(shù)來(lái)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(shí)驗(yàn)

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(wú)水乙醇、苯、苯乙烯，均為分析純。

1.2 分離實(shí)驗(yàn)

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(shí)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(jì)算公式

美國(guó)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(hào)“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(duì)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(lái)計(jì)算，計(jì)算公式見(jiàn)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(gè)單一的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是分子間所有相互作用力的總和。美國(guó)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(gè)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(duì)于溶解度參數(shù)相近的溶劑，當(dāng)3部分的構(gòu)成不同時(shí)，溶解性能也會(huì)存在差異。通過(guò)對(duì)每一個(gè)組成部分進(jìn)行區(qū)分和單獨(dú)衡量，使對(duì)溶劑溶解性能的判斷將會(huì)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(shí)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(cuò)位分開(kāi)［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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

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

表1 實(shí)驗(yàn)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(duì)混合溶劑來(lái)說(shuō)，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(lái)計(jì)算混合溶劑的溶解度參數(shù)，預(yù)測(cè)混合溶劑的實(shí)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(shí)，說(shuō)明混合溶劑開(kāi)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(huì)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(shí)，記錄此時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，鋁塑復(fù)合物完全分離。

對(duì)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(shí)不同溶劑的體積比，通過(guò)計(jì)算此時(shí)混合溶液的溶解度參數(shù)，可以大致推測(cè)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(guò)上述實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)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(guò)對(duì)混合溶劑溶解度參數(shù)的計(jì)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(duì)有機(jī)膠黏劑的溶解度也越大。甲苯-無(wú)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。

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