溶解度参数在混合溶剂处理铝塑复合物中的应用

张素风 梅星贤 张璐璐

(1.陕西科技大学造纸工程学院，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021;2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

纸铝塑复合包装是一种由纸、铝箔、低密度聚乙烯塑料 (LDPE)和其他印刷油墨、涂料、胶黏物等组成的复合包装，当前这类废弃物的回收日益受到重视［1］，其中铝塑复合物的分离更是备受关注［2-3］。液体包装盒中铝塑复合物为多层结构，各层间的复合方式不同，各层间黏结层物质也不同。通过对溶剂法［4］分离铝塑复合物的研究发现，要实现其高效分离，分离剂的选择最为关键。使用单一有机溶剂只能使复合物一侧的聚乙烯和铝箔分离，而采用一定配比的多种有机溶剂的混合溶液则可以使两侧同时较快地分离，而且研究中还发现［5-7］不同配比的混合溶剂会产生不同的分离效果。这是因为不同配比的混合溶剂溶解度参数不同，因此对复合物层间物质的溶解性能也不同。

溶解度［8-9］参数作为衡量物质之间相容性的重要参数，最早应用于聚合物-溶剂体系。对于给定的聚合物，可以采用溶解度参数与之相近的混合溶剂来溶解。混合溶剂不但可以解决能否溶解的问题，而且还能改善聚合物的使用性能、降低成本等;在混合溶剂中加入少量的水也可以调节混合液溶解度参数。

由于苯、甲苯、苯乙烯的溶解度参数值相近［10］，溶解性能也相近。本研究选用3种不同的混合溶剂(苯-乙醇-水，甲苯-乙醇-水，苯乙烯-乙醇-水)作为分离剂，当铝塑复合物内外侧实现完全分离时，根据相似相溶原理，通过计算混合溶剂的溶解度参数来考察复合物有机胶黏剂 (聚合物)的溶解度参数范围，为寻找更加安全高效的铝塑分离剂提供依据。

1 实验

1.1 铝塑复合材料及试剂

铝塑复合物为废弃的液体包装盒去除纸质层后的材料;试剂为甲苯、无水乙醇、苯、苯乙烯，均为分析纯。

1.2 分离实验

按照一定的体积比分别配制苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水3种混合液作为分离剂。将一定量的铝塑复合物置于混合溶剂中，于恒温(60℃)下浸泡一段时间;轻轻搅拌，待铝塑完全分离后，分别取出。采用一定量的清水和乙醇洗涤后，晾干。

1.3 混合溶剂溶解度参数计算公式

美国化学家希尔布莱德［11］首次从理论上阐述了“溶解度参数”这一名词，用符号“δ”表示。根据希尔布莱德的研究，可以得到单一溶剂的溶解度参数。对于含有几种不同组分混合溶剂的溶解度参数，可以按其各自已知的溶解度参数来计算，计算公式见式 (1)［12］。

式中 δn——混合溶剂的溶解度参数;

ri——i组分溶剂的体积分数;

δi——i组分溶剂的溶解度参数 (即希尔布莱德溶解度参数)。

希尔布莱德溶解度参数是一个单一的数据，这个数据体现的是分子间所有相互作用力的总和。美国科学家查里斯·汉森 (Charles M.Hansen)［13］将希尔布莱德溶解度参数分解为3个组成部分，它们分别是色散力参数 δd、极性力参数 δp和氢键黏合力参数 δh。对于溶解度参数相近的溶剂，当3部分的构成不同时，溶解性能也会存在差异。通过对每一个组成部分进行区分和单独衡量，使对溶剂溶解性能的判断将会变得更加准确。

2 结果与讨论

2.1 铝塑复合物结构分析

废弃的液体包装盒，经水力碎浆后的剩余铝塑复合材料从内到外结构依次为:LDPE1、LDPE黏结层、铝箔、有机胶黏剂黏结层、LDPE2［14］，如图1所示。

图1 铝塑复合物结构图

LDPE1和铝箔分离较为容易，使用单一有机溶剂就可以实现分离。这是由于铝箔和塑料具有不同的曲张系数，在一定的温度作用下，有机溶剂将塑料溶胀后而和铝箔错位分开［15-16］。内侧由有机胶黏剂黏合，它与内侧塑料、铝箔表面发生一系列复杂化学反应后，结合相对紧密，单一有机溶剂分离较为困难［17-19］。而混合溶剂的溶解性能较好，在一定的条件下可以将界面结合处的胶黏剂溶解。本实验的目的就在于考察有机胶黏剂的溶解度参数范围，以便选择更为高效的铝塑复合物分离剂。

2.2 3种混合溶剂的分离实验

不同溶剂的溶解度参数不同，表1是本实验所用单一溶剂的溶解度参数［10］。

表1 实验所用单一溶剂的溶解度参数

从表1可以看出，苯、甲苯、苯乙烯的溶解度参数值相接近，按照相似相溶的原则，参数接近的溶液，在理论上可以溶解相同的物质。对混合溶剂来说，如果知道其中各组分的溶解度参数值，就可以按已知的溶解度参数值和混合比例来计算混合溶剂的溶解度参数，预测混合溶剂的实际溶解性能。当铝塑复合物在混合溶剂内侧出现分离现象时，说明混合溶剂开始溶解内侧聚乙烯和铝箔间的胶黏剂。根据相似相溶原理，可以分析胶黏剂的溶解度参数范围。

铝塑复合物分别浸泡在装有苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水混合溶剂的容器瓶中，保持在60℃的恒温水浴箱中。铝塑复合物在不同体积比的混合溶液中，会出现不同程度的分离状态，当内外侧完全分离时，记录此时3种混合溶剂各组分的体积比。

2.2.1 苯-乙醇-水处理铝塑复合物

表2为铝塑复合物内外侧完全分离时苯、乙醇、水的体积比及混合溶剂的溶解度参数。

由表2可以看出，当苯-乙醇-水混合溶剂的溶解度参数在26.1～34.8时，铝塑复合物完全分离。根据相似相溶原理，当溶剂和溶质的溶解度参数越相近，越易于相互溶解。铝塑复合物之间存在有机胶黏剂，混合溶剂的溶解度参数越接近于胶黏剂的溶解度参数，则溶解效果越好。因此可以判断铝塑复合物间胶黏剂的溶解度参数范围为 26.1 ～34.8。

2.2.2 甲苯-乙醇-水处理铝塑复合物

表3为铝塑复合物内外侧完全分离时甲苯、乙醇、水的体积比及混合溶剂的溶解度参数。

表3 不同体积比甲苯-乙醇-水混合溶剂的溶解度参数

从表3可以看出，当甲苯-乙醇-水混合溶剂的溶解度参数为29.0～35.5之间时，铝塑复合物完全分离。

2.2.3 苯乙烯-乙醇-水处理铝塑复合物

表4为铝塑复合物内外侧完全分离时苯乙烯、乙醇、水的体积比及混合溶剂的溶解度参数。

表4 不同体积比苯乙烯-乙醇-水混合溶剂的溶解度参数

从表4可以看出，当苯乙烯-乙醇-水混合溶剂的溶解度参数为29.1～34.9时，铝塑复合物完全分离。

对上述3组数据进行归纳整合，在考察铝塑复合物两侧完全分离时不同溶剂的体积比，通过计算此时混合溶液的溶解度参数，可以大致推测铝塑复合物间胶黏剂的溶解度参数理想范围为29.1～34.8。

2.3 3种混合溶剂的分离效果比较

通过上述实验发现，3种混合溶剂都含有乙醇和水，达到同样的分离效果时，苯、甲苯、苯乙烯在各自的混合溶剂中所需的体积比不完全一样。铝塑完全分离时，苯在苯-乙醇-水混合溶剂中所需最小体积比为30%，苯乙烯在苯乙烯-乙醇-水混合溶剂中所需最小体积比为30%，而甲苯在甲苯-乙醇-水混合溶剂中所需体积比为20%。由于苯、甲苯、苯乙烯的希尔布莱德溶解度参数值接近，进一步比较这3种溶剂的汉森溶解度组合参数。表5为苯、甲苯、苯乙烯的汉森溶解度组合参数［10］。

表5 苯、甲苯、苯乙烯的汉森溶解度组合参数

由表5得知，3种溶剂的色散力参数δd值差别不大;苯与甲苯的氢键黏合力参数δh相同，苯与甲苯的极性力参数差别较大 (苯的δp为0，甲苯的δp为1.4)。相同配比条件下，甲苯-乙醇-水混合溶剂的极性要大于苯-乙醇-水混合溶剂的极性。在溶解度参数理想范围内，极性越大，对胶黏剂的溶解能力越强。因此在3种混合溶剂溶解度参数接近的条件下，甲苯所需的体积比最小。

3 结论

3.1 不同体积比的苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、苯乙烯-乙醇-水有机混合溶剂可以有效地实现废弃的液体包装盒 (袋)去除纸质层后的铝塑复合物的铝塑分离，通过对混合溶剂溶解度参数的计算可以得到铝塑复合物间胶黏剂溶解度参数的理想范围为29.1～34.8。3

.2 相同体积比的条件下，由于甲苯的极性力参数较大，所形成的混合溶剂极性较大。在理想溶解度参数范围内，溶液极性越大，对有机胶黏剂的溶解度也越大。甲苯-无水乙醇-水混合溶剂作为分离剂，较少体积比的甲苯 (20%)可以达到很好的分离效果。

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