混合溶劑分離鋁塑復合包裝材料

張素風 張璐璐 梅星賢

(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(fā)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)

混合溶劑分離鋁塑復合包裝材料

張素風1，2張璐璐1梅星賢1

(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(fā)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)

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

分離劑;鋁塑復合材料;分離;三角形坐標圖

紙鋁塑復合包裝材料是一種主要由紙、鋁箔、低密度聚乙烯塑料 (LDPE)組成的復合物，其中還含有印刷油墨、涂料、膠黏劑等。以利樂公司生產(chǎn)的無菌磚式包裝為例，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品，大量的包裝廢棄物被焚燒或填埋，既浪費了資源，又污染了環(huán)境［1-3］。

現(xiàn)有的再生利用技術中，對復合包裝材料進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)濟有效的方法［4］。其基本研究思路是:通過水力攪拌使纖維解離得到紙漿，回收其中70%的紙漿和25%的鋁塑復合材料及外層塑料。紙漿經(jīng)過漂洗、過濾等得到優(yōu)質(zhì)的長纖維，用于替代部分商品木漿生產(chǎn)高強度紙張，如牛皮包裝紙、掛面箱紙板、高強瓦楞紙等［5］;包裝材料的最外層塑料可熔融再造粒，鋁塑復合材料則需要單獨予以分離和應用。但是目前這種鋁塑材料的分離技術還不夠理想，隨著石油和有色金屬資源供應的日趨緊張，鋁塑復合材料如何高值化再生利用成為該領域最為突出和備受關注的問題。

現(xiàn)有分離鋁塑復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］。這種方法存在反應時間較長、分離不容易達到徹底、需要從溶液中提取鋁等問題。②采用硝酸［6］或有機酸如甲酸［7-8］、乙酸［9］將結合面的氧化鋁溶解來分離鋁塑。硝酸對環(huán)境的污染及對設備的腐蝕嚴重，而且硝酸反應速度過快，溶解的鋁箔較多;有機酸法是以消耗酸為前提，并且分離廢液不容易處理。③利用單一有機溶劑 (如苯、丙酮)或單一有機溶劑與有機酸混合液分離鋁塑，如二氯甲烷與甲酸混合液。單一有機溶劑使用量大，分離效果差，而有機溶劑與有機酸的混合液則存在廢液不容易處理的問題［10］。

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

1 實驗

1.1 鋁塑復合材料

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

1.2 分離實驗

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，反應到所需時間后，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 三角形坐標圖法

三角形坐標圖法是指在一個等邊三角形中，以3種組分的含量為坐標建立坐標系，通過考核實驗指標，最終確定3組分最佳配比的方法［11］。三角形的3個頂點分別表示3種物質(zhì)的純組分，其他點的位置離頂點越遠，則表示該頂點組分的質(zhì)量分數(shù)越低。三角形每條邊長的縱向坐標相當于100%，將其分成10個等分，每一個等分為10%。依次連接各點，即可作出平行于三邊的多條直線，構成一個等邊三角形坐標圖。三角形內(nèi)部任何由3條直線交叉形成的一點都代表一個3組分體系，其組分組成可以通過3條直線所代表組分的百分比來確定。三角坐標圖法的優(yōu)點是能以較少的實驗次數(shù)直觀、準確地獲得較多的實驗信息，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算公式

鋁塑分離率計算公式如式 (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臺上，直接測定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 結果與討論

2.1 鋁塑復合材料結構分析

根據(jù)實驗和文獻［12-13］可知，利樂包通常包含有六層結構，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，在結構中單獨作為一層，而圖2中顯示的EMAA用量較少，故不單獨作為一層。鋁塑片是三層復合結構，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。兩側的塑料與鋁箔的結合方式不一樣，一側 (LDPE1)采用熔融LDPE做膠黏劑，易分離;另一側 (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)做熱熔有機膠黏劑，難分離。

2.2 分離劑溫度對鋁塑分離效果的影響

將3 cm×3 cm的鋁塑片與分離劑 (苯、無水乙醇、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，反應時間6 min。在不同溫度下，測試鋁塑片的分離效率，結果見圖3。

由圖3可以看出，分離劑溫度小于50℃時，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。溫度越高，總損失率越高，因此在保證反應時間較短、總損失率較低的條件下，最佳分離溫度選擇為60℃。

2.3 采用三角坐標圖法確定分離劑中各成分體積比

三角坐標圖法是指在一個等邊三角形中，以苯、無水乙醇、水三組分的含量為坐標建立的平面坐標系，通過考察分離效果，確定三組分最佳配比的方法。如圖4所示，外三角形的3個頂點1#、56#、66#分別表示純的苯、無水乙醇和水;兩個內(nèi)三角形的3個頂點5#、47#、54#和13#、39#、43#分別代表任一物質(zhì)體積分數(shù)占多數(shù)，其他兩種物質(zhì)體積分數(shù)占少數(shù)時的情況;外三角形三條邊的中點16#、21#、61#代表3種組分兩兩混合時的情況;點0#為三角形的中心點，代表3種物質(zhì)體積比相等時的情況。以上13個點恰好能夠代表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個點考察鋁塑分離效果，當分離劑溫度60℃時，分離結果如表1所示。

從表1可知，在點1#、5#、16#處，分離劑中水所占的體積分數(shù)為0或10%，鋁塑片結構中，用LDPE做黏合劑的一側瞬間分離，而用EMAA做的黏合劑的一側無論反應時間多久都不發(fā)生分離，因此不滿足分離要求;在點56#、61#、66#處，苯在分離劑中的體積分數(shù)為0，鋁箔兩側均不發(fā)生分離;點21#處無水乙醇的體積分數(shù)為0，苯和水無法在一段時間內(nèi)均勻混合，不滿足分離劑穩(wěn)定的要求;在點39#、43#、47#、54#處，苯含量過低不足以使塑料潤脹分離。如圖5所示，在13#、0#兩點及其所在三角形區(qū)域處，分離劑較佳體積比集中在苯體積分數(shù)≥30%，水體積分數(shù)≥20%，無水乙醇≥20%的范圍。與該范圍對應的分離劑較佳的體積比及其分離效率指標見表2。

表1 三角形坐標圖中各選取點對應的鋁塑分離效果

圖5 三角形坐標圖中較佳分離區(qū)域

表2 三角形坐標圖較佳區(qū)域中各點對應的鋁塑分離效果

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，分離時間保持在5 min左右，并逐漸減少;鋁塑分離率均達到100%，滿足分離要求。從試劑使用量和總損失率綜合考慮，點34#試劑用量最少，總損失率最低。因此當溫度60℃，時間為5．85 min時，分離劑最佳的體積比為 V(苯)∶V(無水乙醇)∶V(水)=30∶20∶50。

2.4 分離劑與鋁塑片的作用

鋁塑片兩側的塑料與鋁箔的黏合方式不同，一側采用熔融LDPE作黏合劑，另一側采用EMAA作黏合劑。苯可以溶解塑料，在一定的濃度范圍內(nèi)可以潤脹塑料?？刂票降臐舛?，使采用熔融LDPE做黏合劑的一側潤脹，減少鋁塑間結合力，達到分離效果。同樣，以EMAA作黏合劑的一側，在一定條件下塑料也會被潤脹，苯-水進入鋁塑結合面，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，可以促進苯和水快速混合。同時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的非對稱和對稱伸縮振動吸收，1464．14 cm-1為—C—C—的骨架振動吸收，719．13 cm-1為—CH2的轉(zhuǎn)動吸收。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，說明分離劑在分離鋁塑后沒有將塑料改性，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 結論

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

3.2 分離劑中苯和水的體積分數(shù)低于一定值時，鋁塑不分離或只有一側分離;苯的體積分數(shù)過大時會增加塑料的溶解，降低鋁塑總得率;無水乙醇的體積分數(shù)過低時，苯和水會瞬間分離，不能達到短時間內(nèi)混合的效果。運用三角形坐標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)

陜西省教育廳專項項目 (編號:2010JK457);華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金項目 (編號:201026)，國家自然科學青年基金 (編號:31100443)。

(責任編輯:常 青)