溶解度參數在混合溶劑處理鋁塑復合物中的應用

張素風 梅星賢 張璐璐

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

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

溶解度［8-9］參數作為衡量物質之間相容性的重要參數，最早應用于聚合物-溶劑體系。對于給定的聚合物，可以采用溶解度參數與之相近的混合溶劑來溶解。混合溶劑不但可以解決能否溶解的問題，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節混合液溶解度參數。

由于苯、甲苯、苯乙烯的溶解度參數值相近［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，當鋁塑復合物內外側實現完全分離時，根據相似相溶原理，通過計算混合溶劑的溶解度參數來考察復合物有機膠黏劑 (聚合物)的溶解度參數范圍，為尋找更加安全高效的鋁塑分離劑提供依據。

1 實驗

1.1 鋁塑復合材料及試劑

鋁塑復合物為廢棄的液體包裝盒去除紙質層后的材料;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計算公式

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

式中 δn——混合溶劑的溶解度參數;

ri——i組分溶劑的體積分數;

δi——i組分溶劑的溶解度參數 (即希爾布萊德溶解度參數)。

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

2 結果與討論

2.1 鋁塑復合物結構分析

廢棄的液體包裝盒，經水力碎漿后的剩余鋁塑復合材料從內到外結構依次為:LDPE1、LDPE黏結層、鋁箔、有機膠黏劑黏結層、LDPE2［14］，如圖1所示。

圖1 鋁塑復合物結構圖

LDPE1和鋁箔分離較為容易，使用單一有機溶劑就可以實現分離。這是由于鋁箔和塑料具有不同的曲張系數，在一定的溫度作用下，有機溶劑將塑料溶脹后而和鋁箔錯位分開［15-16］。內側由有機膠黏劑黏合，它與內側塑料、鋁箔表面發生一系列復雜化學反應后，結合相對緊密，單一有機溶劑分離較為困難［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合處的膠黏劑溶解。本實驗的目的就在于考察有機膠黏劑的溶解度參數范圍，以便選擇更為高效的鋁塑復合物分離劑。

2.2 3種混合溶劑的分離實驗

不同溶劑的溶解度參數不同，表1是本實驗所用單一溶劑的溶解度參數［10］。

表1 實驗所用單一溶劑的溶解度參數

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

鋁塑復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。鋁塑復合物在不同體積比的混合溶液中，會出現不同程度的分離狀態，當內外側完全分離時，記錄此時3種混合溶劑各組分的體積比。

2.2.1 苯-乙醇-水處理鋁塑復合物

表2為鋁塑復合物內外側完全分離時苯、乙醇、水的體積比及混合溶劑的溶解度參數。

由表2可以看出，當苯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數在26.1～34.8時，鋁塑復合物完全分離。根據相似相溶原理，當溶劑和溶質的溶解度參數越相近，越易于相互溶解。鋁塑復合物之間存在有機膠黏劑，混合溶劑的溶解度參數越接近于膠黏劑的溶解度參數，則溶解效果越好。因此可以判斷鋁塑復合物間膠黏劑的溶解度參數范圍為 26.1 ～34.8。

2.2.2 甲苯-乙醇-水處理鋁塑復合物

表3為鋁塑復合物內外側完全分離時甲苯、乙醇、水的體積比及混合溶劑的溶解度參數。

表3 不同體積比甲苯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數

從表3可以看出，當甲苯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數為29.0～35.5之間時，鋁塑復合物完全分離。

2.2.3 苯乙烯-乙醇-水處理鋁塑復合物

表4為鋁塑復合物內外側完全分離時苯乙烯、乙醇、水的體積比及混合溶劑的溶解度參數。

表4 不同體積比苯乙烯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數

從表4可以看出，當苯乙烯-乙醇-水混合溶劑的溶解度參數為29.1～34.9時，鋁塑復合物完全分離。

對上述3組數據進行歸納整合，在考察鋁塑復合物兩側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，可以大致推測鋁塑復合物間膠黏劑的溶解度參數理想范圍為29.1～34.8。

2.3 3種混合溶劑的分離效果比較

通過上述實驗發現，3種混合溶劑都含有乙醇和水，達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值接近，進一步比較這3種溶劑的漢森溶解度組合參數。表5為苯、甲苯、苯乙烯的漢森溶解度組合參數［10］。

表5 苯、甲苯、苯乙烯的漢森溶解度組合參數

由表5得知，3種溶劑的色散力參數δd值差別不大;苯與甲苯的氫鍵黏合力參數δh相同，苯與甲苯的極性力參數差別較大 (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。在溶解度參數理想范圍內，極性越大，對膠黏劑的溶解能力越強。因此在3種混合溶劑溶解度參數接近的條件下，甲苯所需的體積比最小。

3 結論

3.1 不同體積比的苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水有機混合溶劑可以有效地實現廢棄的液體包裝盒 (袋)去除紙質層后的鋁塑復合物的鋁塑分離，通過對混合溶劑溶解度參數的計算可以得到鋁塑復合物間膠黏劑溶解度參數的理想范圍為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較大，所形成的混合溶劑極性較大。在理想溶解度參數范圍內，溶液極性越大，對有機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%)可以達到很好的分離效果。

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