張素風(fēng) 張璐璐 梅星賢

(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)

混合溶劑分離鋁塑復(fù)合包裝材料

張素風(fēng)1，2張璐璐1梅星賢1

(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)

對(duì)紙鋁塑復(fù)合包裝材料中的鋁塑分離方法和工藝進(jìn)行了研究，以苯-無(wú)水乙醇-水混合液為分離劑，根據(jù)鋁塑分離時(shí)間、分離率、鋁塑總得率，采用三角形坐標(biāo)圖分析法，優(yōu)化了分離劑中3種組分的體積比及鋁塑復(fù)合材料分離的最佳工藝;考察了分離劑的溫度、三組分的體積比對(duì)鋁塑分離效果的影響，并對(duì)各組分在鋁塑分離中所起作用進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，當(dāng)分離劑中3種溶劑的體積比V(苯)∶V(無(wú)水乙醇)∶V(水)為30∶20∶50、溫度60℃、分離時(shí)間為5．85 min時(shí)，鋁塑分離效果最佳，此時(shí)分離率為100%，鋁塑總得率可達(dá)97．46%。通過(guò)對(duì)塑料分離前后的紅外光譜圖對(duì)比可知，分離劑沒(méi)有改變塑料的性質(zhì)。

分離劑;鋁塑復(fù)合材料;分離;三角形坐標(biāo)圖

紙鋁塑復(fù)合包裝材料是一種主要由紙、鋁箔、低密度聚乙烯塑料 (LDPE)組成的復(fù)合物，其中還含有印刷油墨、涂料、膠黏劑等。以利樂(lè)公司生產(chǎn)的無(wú)菌磚式包裝為例，其中纖維含量約占73%，LDPE占20%，鋁箔占5%，其他約占2%，這種液體包裝屬于一次性消費(fèi)品，大量的包裝廢棄物被焚燒或填埋，既浪費(fèi)了資源，又污染了環(huán)境［1-3］。

現(xiàn)有的再生利用技術(shù)中，對(duì)復(fù)合包裝材料進(jìn)行水力碎解提取紙漿再生造紙并輔以鋁塑分離，是最為經(jīng)濟(jì)有效的方法［4］。其基本研究思路是:通過(guò)水力攪拌使纖維解離得到紙漿，回收其中70%的紙漿和25%的鋁塑復(fù)合材料及外層塑料。紙漿經(jīng)過(guò)漂洗、過(guò)濾等得到優(yōu)質(zhì)的長(zhǎng)纖維，用于替代部分商品木漿生產(chǎn)高強(qiáng)度紙張，如牛皮包裝紙、掛面箱紙板、高強(qiáng)瓦楞紙等［5］;包裝材料的最外層塑料可熔融再造粒，鋁塑復(fù)合材料則需要單獨(dú)予以分離和應(yīng)用。但是目前這種鋁塑材料的分離技術(shù)還不夠理想，隨著石油和有色金屬資源供應(yīng)的日趨緊張，鋁塑復(fù)合材料如何高值化再生利用成為該領(lǐng)域最為突出和備受關(guān)注的問(wèn)題。

現(xiàn)有分離鋁塑復(fù)合材料的溶劑法主要有以下幾種:①利用鋁及鋁的氧化物溶于酸堿的性質(zhì)，用鹽酸或氫氧化鈉將鋁箔溶解，從而回收塑料［5］。這種方法存在反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、分離不容易達(dá)到徹底、需要從溶液中提取鋁等問(wèn)題。②采用硝酸［6］或有機(jī)酸如甲酸［7-8］、乙酸［9］將結(jié)合面的氧化鋁溶解來(lái)分離鋁塑。硝酸對(duì)環(huán)境的污染及對(duì)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，而且硝酸反應(yīng)速度過(guò)快，溶解的鋁箔較多;有機(jī)酸法是以消耗酸為前提，并且分離廢液不容易處理。③利用單一有機(jī)溶劑 (如苯、丙酮)或單一有機(jī)溶劑與有機(jī)酸混合液分離鋁塑，如二氯甲烷與甲酸混合液。單一有機(jī)溶劑使用量大，分離效果差，而有機(jī)溶劑與有機(jī)酸的混合液則存在廢液不容易處理的問(wèn)題［10］。

本實(shí)驗(yàn)在多種分離方法的基礎(chǔ)上，采用苯與其他有機(jī)溶劑混合進(jìn)行鋁塑分離的研究，即將苯、無(wú)水乙醇和水混合作為分離劑，采用三角形坐標(biāo)圖分析法［11］，優(yōu)化分離劑中多種組分的體積比及分離工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鋁塑復(fù)合材料

采用水力碎漿的方法，提取出利樂(lè)包裝中的紙漿纖維后，剩余的鋁塑片狀材料即為鋁塑復(fù)合材料，該鋁塑片總厚度為80～190 μm。

1.2 分離實(shí)驗(yàn)

將鋁塑片分切成小塊，尺寸為3 cm×3 cm，按照一定的體積比配制苯-醇-水混合液為分離劑，以液固比100 mL∶0．98 g，將分離劑和鋁塑片混合，輕微攪拌并加熱到一定溫度，反應(yīng)到所需時(shí)間后，將分離的塑料、鋁箔及未分離的鋁塑片取出放入乙醇中清洗，除去塑料、鋁片、未分離鋁塑片上殘余的苯，然后用清水洗去乙醇，得到干凈的鋁箔、塑料及未分離的鋁塑片。

1.3 三角形坐標(biāo)圖法

三角形坐標(biāo)圖法是指在一個(gè)等邊三角形中，以3種組分的含量為坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，通過(guò)考核實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，最終確定3組分最佳配比的方法［11］。三角形的3個(gè)頂點(diǎn)分別表示3種物質(zhì)的純組分，其他點(diǎn)的位置離頂點(diǎn)越遠(yuǎn)，則表示該頂點(diǎn)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。三角形每條邊長(zhǎng)的縱向坐標(biāo)相當(dāng)于100%，將其分成10個(gè)等分，每一個(gè)等分為10%。依次連接各點(diǎn)，即可作出平行于三邊的多條直線，構(gòu)成一個(gè)等邊三角形坐標(biāo)圖。三角形內(nèi)部任何由3條直線交叉形成的一點(diǎn)都代表一個(gè)3組分體系，其組分組成可以通過(guò)3條直線所代表組分的百分比來(lái)確定。三角坐標(biāo)圖法的優(yōu)點(diǎn)是能以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)直觀、準(zhǔn)確地獲得較多的實(shí)驗(yàn)信息，是尋找3種物質(zhì)最優(yōu)配比的經(jīng)典方法。

1.4 鋁塑分離率和損失率計(jì)算公式

鋁塑分離率計(jì)算公式如式 (1)所示。

式中，T——鋁塑分離損失率;

m2——分離后鋁箔、塑料及未分離鋁塑片總質(zhì)量;

m——分離前所有鋁塑的總質(zhì)量。

鋁塑分離損失率的計(jì)算公式如式 (2)所示。

1.5 紅外光譜分析

將分離前后的塑料 (LDPE)用乙醇溶液清洗干凈后在80℃下烘干，放在VECTOR-22傅里葉紅外光譜儀檢測(cè)臺(tái)上，直接測(cè)定LDPE的透射光譜，分辨率為4 cm-1，平均掃描30次，獲得分離前后LDPE紅外光譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)［12-13］可知，利樂(lè)包通常包含有六層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由內(nèi)到外依次為:LDPE1層、LDPE黏合劑層、鋁箔層、LDPE2層、紙板、外層LDPE。其中LDPE黏合劑用量較多，在結(jié)構(gòu)中單獨(dú)作為一層，而圖2中顯示的EMAA用量較少，故不單獨(dú)作為一層。鋁塑片是三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中鋁箔層位于中間，厚度為20～30 μm，兩邊各有一層聚乙烯塑料層 (LDPE)，分別以LDPE1和LDPE2表示，厚度各為30～80 μm。鋁箔層的材質(zhì)是單質(zhì)鋁，其表面因氧化形成三氧化二鋁薄層。兩側(cè)的塑料與鋁箔的結(jié)合方式不一樣，一側(cè) (LDPE1)采用熔融LDPE做膠黏劑，易分離;另一側(cè) (LDPE2)

式中，S——鋁塑分離率;

m1——分離后鋁箔和塑料的總質(zhì)量;

m2——分離后鋁箔、塑料及未分離鋁塑片總質(zhì)量。

由乙烯-丙烯酸聚合物 (EMAA)做熱熔有機(jī)膠黏劑，難分離。

2.2 分離劑溫度對(duì)鋁塑分離效果的影響

將3 cm×3 cm的鋁塑片與分離劑 (苯、無(wú)水乙醇、水按體積比30∶20∶50配制的混合液)按液固比100 mL∶0．98 g混配，輕微攪拌，反應(yīng)時(shí)間6 min。在不同溫度下，測(cè)試鋁塑片的分離效率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，分離劑溫度小于50℃時(shí)，鋁塑不發(fā)生分離;隨著溫度升高到55℃，6 min內(nèi)有80%的鋁塑分離;溫度繼續(xù)升高至60℃，6 min內(nèi)鋁塑分離率達(dá)到100%，此后溫度再升高，分離率均為100%，最高溫度為65℃即分離劑沸點(diǎn)。溫度越高，總損失率越高，因此在保證反應(yīng)時(shí)間較短、總損失率較低的條件下，最佳分離溫度選擇為60℃。

2.3 采用三角坐標(biāo)圖法確定分離劑中各成分體積比

三角坐標(biāo)圖法是指在一個(gè)等邊三角形中，以苯、無(wú)水乙醇、水三組分的含量為坐標(biāo)建立的平面坐標(biāo)系，通過(guò)考察分離效果，確定三組分最佳配比的方法。如圖4所示，外三角形的3個(gè)頂點(diǎn)1#、56#、66#分別表示純的苯、無(wú)水乙醇和水;兩個(gè)內(nèi)三角形的3個(gè)頂點(diǎn)5#、47#、54#和13#、39#、43#分別代表任一物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)占多數(shù)，其他兩種物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)占少數(shù)時(shí)的情況;外三角形三條邊的中點(diǎn)16#、21#、61#代表3種組分兩兩混合時(shí)的情況;點(diǎn)0#為三角形的中心點(diǎn)，代表3種物質(zhì)體積比相等時(shí)的情況。以上13個(gè)點(diǎn)恰好能夠代表3種物質(zhì)混合的基本情況，根據(jù)分離效果確定較佳配比所占區(qū)域，然后在較佳區(qū)域里找到分離劑最佳體積比。

根據(jù)所選13個(gè)點(diǎn)考察鋁塑分離效果，當(dāng)分離劑溫度60℃時(shí)，分離結(jié)果如表1所示。

從表1可知，在點(diǎn)1#、5#、16#處，分離劑中水所占的體積分?jǐn)?shù)為0或10%，鋁塑片結(jié)構(gòu)中，用LDPE做黏合劑的一側(cè)瞬間分離，而用EMAA做的黏合劑的一側(cè)無(wú)論反應(yīng)時(shí)間多久都不發(fā)生分離，因此不滿(mǎn)足分離要求;在點(diǎn)56#、61#、66#處，苯在分離劑中的體積分?jǐn)?shù)為0，鋁箔兩側(cè)均不發(fā)生分離;點(diǎn)21#處無(wú)水乙醇的體積分?jǐn)?shù)為0，苯和水無(wú)法在一段時(shí)間內(nèi)均勻混合，不滿(mǎn)足分離劑穩(wěn)定的要求;在點(diǎn)39#、43#、47#、54#處，苯含量過(guò)低不足以使塑料潤(rùn)脹分離。如圖5所示，在13#、0#兩點(diǎn)及其所在三角形區(qū)域處，分離劑較佳體積比集中在苯體積分?jǐn)?shù)≥30%，水體積分?jǐn)?shù)≥20%，無(wú)水乙醇≥20%的范圍。與該范圍對(duì)應(yīng)的分離劑較佳的體積比及其分離效率指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 三角形坐標(biāo)圖中各選取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋁塑分離效果

圖5 三角形坐標(biāo)圖中較佳分離區(qū)域

表2 三角形坐標(biāo)圖較佳區(qū)域中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋁塑分離效果

由表2可以看出，隨著苯的體積比的增加，鋁塑總損失率有所升高，損失主要包括塑料的溶解和膠黏劑的溶解，分離時(shí)間保持在5 min左右，并逐漸減少;鋁塑分離率均達(dá)到100%，滿(mǎn)足分離要求。從試劑使用量和總損失率綜合考慮，點(diǎn)34#試劑用量最少，總損失率最低。因此當(dāng)溫度60℃，時(shí)間為5．85 min時(shí)，分離劑最佳的體積比為 V(苯)∶V(無(wú)水乙醇)∶V(水)=30∶20∶50。

2.4 分離劑與鋁塑片的作用

鋁塑片兩側(cè)的塑料與鋁箔的黏合方式不同，一側(cè)采用熔融LDPE作黏合劑，另一側(cè)采用EMAA作黏合劑。苯可以溶解塑料，在一定的濃度范圍內(nèi)可以潤(rùn)脹塑料。控制苯的濃度，使采用熔融LDPE做黏合劑的一側(cè)潤(rùn)脹，減少鋁塑間結(jié)合力，達(dá)到分離效果。同樣，以EMAA作黏合劑的一側(cè)，在一定條件下塑料也會(huì)被潤(rùn)脹，苯-水進(jìn)入鋁塑結(jié)合面，將EMAA溶解，塑料得到分離。乙醇可以溶于苯，也可以與水以任意比混合，將乙醇加入苯和水的混合液中，可以促進(jìn)苯和水快速混合。同時(shí)乙醇的加入也使苯和水產(chǎn)生了乳化效果，因此乙醇起到乳化劑的作用［14］。研究發(fā)現(xiàn)，乳化效果越好，鋁塑的分離效果越好，其原因有待進(jìn)一步探討。

圖6為鋁塑片分離前后LDPE1的紅外光譜圖。從圖6可知，LDPE1分離前的特征吸收峰分別在2915．93 cm-1、2848．13 cm-1、1464．14 cm-1、719．13 cm-1。其 中 2915．93 cm-1、2848．13 cm-1為 亞 甲 基—CH2的非對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收，1464．14 cm-1為—C—C—的骨架振動(dòng)吸收，719．13 cm-1為—CH2的轉(zhuǎn)動(dòng)吸收。LDPE1分離后的特征吸收峰分別在2916．07 cm-1，2848．18 cm-1，1462．96 cm-1，719．34 cm-1，與分離前的特征吸收峰幾乎重合，說(shuō)明分離劑在分離鋁塑后沒(méi)有將塑料改性，回收后的塑料可經(jīng)熔融造粒后再次使用［15］。

圖6 LDPE1分離前后紅外光譜特征吸收峰

3 結(jié)論

3.1 苯-無(wú)水乙醇-水混合液是紙鋁塑復(fù)合包裝材料中鋁塑分離效果較好的分離劑，短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到完全分離，最佳的反應(yīng)溫度為60℃。

3.2 分離劑中苯和水的體積分?jǐn)?shù)低于一定值時(shí)，鋁塑不分離或只有一側(cè)分離;苯的體積分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)會(huì)增加塑料的溶解，降低鋁塑總得率;無(wú)水乙醇的體積分?jǐn)?shù)過(guò)低時(shí)，苯和水會(huì)瞬間分離，不能達(dá)到短時(shí)間內(nèi)混合的效果。運(yùn)用三角形坐標(biāo)法快速便捷地得出分離劑中三組分的最佳體積比為V(苯)∶V(無(wú)水乙醇)∶V(水)=30∶20∶50。

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Study on Separation Process of Aluminum-plastic Composites with Mixed Organic Solvent by Triangle Coordinate Graph

ZHANG Su-feng1，2，*ZHANG Lu-lu1MEI Xing-xian1
(1．College of Pulp and Paper Engineering，Shaanxi University of Science ＆ Technology，Shaanxi Province Key Lab of Papermaking Technology and Specialty Paper，xi’an，Shaan xi Province，710021;2．State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)

The separation technology of aluminum-plastic composite in Tetra Pak structure was studied in this work．The mixed organic solvent，benzene，absolute ethyl alcohol and water，were used as separation agent．The triangle coordinate graph was applied to determine the volume proportion of each solvent in the mixed system，and the separation process of aluminum-plastic composite was optimized．The effect of the mixed organic solvent temperature，the volume proportion of each solvent on the separation efficiency and the functions of various solvents were investigated．The results showed that when the volume proportion of the three compositions in solvent agent is V(benzene)∶V(absolute ethyl alcohol)∶V(water)=30∶20∶50，temperature at 60℃ and separating time 5．85 minutes，the aluminum-plastic composite is well separated，and total separated products of 97．46%can be obtained，which are relatively pure aluminum and plastic．The results of infra-red spectrum analysis showed that the plastic property are not changed by the solvent in separating operation．

benzene alcohol-water;aluminum-plastic composite;separation;triangle coordinate graph

X705

A

0254-508X(2012)03-0020-05

張素風(fēng)女士，博士，教授;研究方向:功能酶與纖維資源高效利用、特種紙研發(fā)。

(*E-mail:zhangsufeng@sust．edu．cn)

2011-09-02(修改稿)

陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目 (編號(hào):2010JK457);華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目 (編號(hào):201026)，國(guó)家自然科學(xué)青年基金 (編號(hào):31100443)。

(責(zé)任編輯:常 青)