（环境科学专业论文）城市市容污垢清除的研究.pdf

j ! 奎三些奎兰三兰堡圭兰竺兰兰 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o no fc h e w i n gg u mr e m a i n d e rb a s ei ss t u b b o r ni nc i t i e s i t s t i l lh a s n tv a l i dm e t h o dt or e m o v ea w a yc h e w i n gg u mr e m a i n d e rb a s ei n d o m e s t i ca n do v e r s e a s t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h em e t h o d st or e m o v ec h e w i n g g u mr e m a i n d e rb a s es y s t e m i c a l l y ，a n dt h ee f f e c t i v em e t h o dt h a tr e m o v i n g c h e w i n gg u mr e m a i n d e rb a s ew a sf o u n do u t e x p e r i m e n to nd i s s o l v i n gc h e w i n gg u mh a sb e e ns t u d i e do nt h eb a s i so f d i s s o l v i n gt h e r m o d y n a m i ct h e o r yo fp o l y m e rt h a to r g a n i cr e a g e n t sw h o s e s o l u b l ep a r a m e t e r sa r ec l o s ew i t hc o m p o s i t i o n so f c h e w i n gg u ma r ec h o s e n ， a sd i s s o l v i n ga g e n t ，a n dr i g h tp r o p o r t i o no fs o l v e n th a sb e e np i c k e do u t ： o nt h eb a s i so ft h e o r yo fp o l y m e rd e g r a d a t i o n ，e x p e r i m e n to nd e g r a d i n g p o l y m e rc o m p o n e n t so fc h e w i n gg u mb yu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nh a sb e e n s t u d i e da n dt h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o nt h a tc h e w i n gg u md e g r a d e dh a sb e e n f o u n d ：5 m l h 2 0 2 + 5 m l h 2 0a n dp l a c e di nt h es u nf o r6d a y s a n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h eh 2 0 2i s1 6 m m o l l t h er e m a i n d e rl o s ti t s o r i g i n a ls t i c k i n e s s e x p e r i m e n to nu l t r a s o u n dr e m o v i n gc h e w i n gg u mw a ss t u d i e d ，w h i c hi s i n i t i a t e c h e w i n gg u mr e m a i n d e rb a s ec a nb er e m o v e dc o m p l e t e l yb y u l t r a s o u n d w a t e rw a ss e l e c t e da sp e e l o f fr e a g e n tb yc o n t r a s t i n gt h e r e m o v i n gt i m e ，t h ec o s to fr e a g e n ta n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n c h e w i n gg u mr e m a i n d e rb a s ec a nb er e m o v e di nt h e3m i n u t e su n d e rt h e t e m p e r a t u r e3 0 0 c 4 0 0 c 。 t h er e s u l to fu l t r a s o u n dr e m o v i n gc h e w i n gg u mi st h eb e s ti nt h et h r e e m e t h o d sw h i l ei tw i l ln o tb r i n gt h es e c o n dp o l l u t i o n ，s oi t i s p e r f e c t a n ds p e c i a lu 1t r a s o u n di n s t r u m e n tu s e dt or e m o v ec h e w i n gg u mf r o mg r o u n d w a sd e s i g n e d k e y w o r d sc h e w i n gg u mr e m a i n d e rb a s e ：d i s s o l u t i o n ：p h o t o d e g r a d a t i o n u 1 t r a s o u n d i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：童l 巷堑日期：融雏厶挈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：毒鸳殛导师签名：拯主囊= 2 蚕日期：鲨址： 第1 章绪论 1 1 课题背景 城市环境保护一直是我国环境保护的工作重点，政府采取了一系列的政策、 措施来治理污染，改善城市环境质量。国家环境保护“十五”规划中，制定了环 境保护的目标：在保持我国经济持续健康发展的同时，力争减轻环境污染，遏制 生态环境恶化的趋势，改善重点城市、地区的环境质量。在城市环境保护方面： 提高城市污水和垃圾的处理水平，切实控制城市污水、大气、噪声和固体废弃物 的污染。 随着经济的高速发展，人民生活水平不断提高，环境问题越来越成为人们关 注的重点。大气污染、水污染和固体废弃物污染等大环境污染是人们关注的焦点， 就其中的任何一类污染我们都可以查到大量的文献资料论述其成因、污染指标、 危害、治理方法等。然而，几乎没有人关注城市污垢：口香糖残基、非法小广告、 痰迹等。资料显示，城市污垢的清除研究更是风毛麟角。因此，清除口香糖残基、 非法小广告、痰迹等对维护北京国际大都市的形象具有重要的意义”1 1 2 1 。 1 1 ，1 口香糖的发展历史 为了清洁口腔、清新口气，加上也许人类天生就有一种通过咀嚼胶类物质而 感觉更加自适的“嗜好”，地球上许多地方的先民从远古时代起就喜欢咀嚼可以 嚼的树脂、乳胶等。据考证，古希腊人爱嚼一种从乳香树上凝成的树脂，尤其是 希腊女人，她们喜欢用乳香树脂清洁牙齿、清新口气；考古学家也在出土的史前 文物中发现了咀嚼过的树脂：瑞典人曾在不久前发掘出块9 0 0 0 年前的口香糖 残基，上面还留有某个石器时代少年的齿痕0 1 。 首先进入市场的口香糖出现在1 9 世纪早期的美国东岸。实际上，印第安人 很早就会割开云杉树皮提取树胶，放进嘴里嚼个不停。美国的殖民者也觉得云杉 树胶确实“有嚼头”，于是云杉树胶就被精明的商家推向了市场。到了1 8 5 0 年前 后，美国东岸市场上还出现了甜味蜡。 现代意义上的口香糖可溯源到1 9 世纪6 0 年代后期。当时，从中美洲热带雨 林的人心果树上提取的糖胶树胶被引进到美国作为1 3 香糖原料。由于糖胶树胶及 北京工业大学工学硕士学位论文 相似的一些树胶咀嚼起来更加畅滑怡人、柔韧有度，人们对由它们制成的口香糖 情有独钟，口香糖逐渐风行。到了2 0 世纪初期，随着生产、包装和营销手段的 提高，现代口香糖各受欢迎，从此一路披靡，经久不衰。 1 1 2 口香糖的功能 随着人们对健康的关注，口香糖的功能也不断发生着变化，口香糖具有多方 面的健康益处： ( 1 ) 有助集中注意力 孜孜劳碌的时候，咀嚼口香糖能帮助我们专。i i , 致志于手头上的工作。比如 许多司机就发现，咀嚼口香糖有助于他们更加聚精会神开车。 ( 2 ) 有助舒缓压力 在1 9 3 9 年美国的科学研究就已经指出，咀嚼放松了人体的肌肉紧张，使人 们感觉更加自适，而现代口香糖是最便利、最合适的咀嚼物质。 ( 3 ) 有助思维和记忆 英国的一份研究成果显示，咀嚼口香糖的好习惯有助于改善人的记忆力。 其中的秘密在于：咀嚼动作加快了心跳频率，增加了心脏向脑部供应的氧气和营 养物质，从而促进人的大脑活动，强化思维功能。同时，咀嚼促进体内胰岛素的 分泌，从而“激活”了负责“管辖”记忆功能的大脑区域。 ( 4 ) 有助于促进脸部的健康和美容 口香糖是健康有益的低热量休闲食品，口香糖平均每片( 粒) 所含热量低 于1 0 卡路里，而且不停的咀嚼有助“烧”掉多余热量，“嚼”掉多余脂肪，利于 人们的减肥。经常咀嚼口香糖还能帮助促进脸部肌肉运动，改善脸部血液循环， 提高皮肤细胞的代谢活动，从而有助于促进脸部的健康和美容。 ( 5 ) 有助预防龋齿( 蛀牙) 。 无糖口香糖因为不含蔗糖，细菌不能代谢产酸，同时咀嚼后可以增加唾液流 量，减少唾液酸度，促进牙釉质再矿化，有助于预防龋齿。餐后和零食后咀嚼无 糖口香糖已经成为牙医广泛推荐的护齿好习惯之一。特别是木糖醇无糖口香糖， 世界牙科联盟( f d i ) 已经认同：“咀嚼无糖口香糖，可以刺激唾液分泌，中和菌 斑酸，帮助防止蛀牙。”中华口腔医学会( c s a ) 经检测验证也已经认可“无糖 口香糖不含蔗糖，咀嚼后可以增加唾液流量，减少唾液酸度，有助于预防龋齿。” 2 第l 苹绪论 ( 6 ) 可预防口腔溃疡” 接受外周血干细胞移植的患者咀嚼口香糖，可有效预防治疗中产生的副作用 口腔溃疡。中国医学科学院肿瘤医院已在临床中，证实了口香糖的这一功效。 该院对外周血干细胞移植患者使用口香糖洁齿的作用进行了对比性试验研究。试 验组患者在准备进入病房前3 天，禁食较硬食品，每日餐后和睡觉前咀嚼口香糖 3 0 分钟；对照组不咀嚼。结果发现，咀嚼口香糖组口腔溃疡发生率为5 0 ，而 未咀嚼口香糖组的发生率为1 0 0 ；两组发生口腔溃疡的程度也有明显区别，试 验组的口腔溃疡均为i 度，而对照组则为i v 度。 ( 7 ) 有助恢复疲劳 医学研究人员的一项实验表明，咀嚼口香糖有益于防止肌肉疲劳，并能激活 人体的机体功能。 ( 8 ) 有助预防老年痴呆 大脑中海马细胞的功能衰退，是老年人记忆力下降的组织学原因。日本大学 的一项研究显示咀嚼也许能预防老年人记忆力衰退。研究人员用磁共振显像技 术，观察到人在咀嚼时脑内海马部的活动信号增强。因此，他们认为常嚼口香糖 是一种不增加进食量，又能刺激海马功能的好方法，对预防老年性痴呆有帮助。 1 1 3 口香糖的品牌 正是口香糖的上述功能，使得1 ：3 香糖受到广大人们的喜爱。目前市场上销售 的口香糖主要有韩国好丽友有限公司生产的好丽友1 ：3 香糖、日本乐天有限公司生 产的乐天牌口香糖、美国的箭牌有限公司生产的箭牌口香糖。 ( 1 ) 好丽友口香糖 成立于1 9 5 6 年的( 株) o r i o n 是韩国四大食品公司之一。( g e ) o r i o n 在2 0 世纪9 0 年代中期进入中国市场。目前，( 株) o r i o n 在华投资总额超过5 0 0 0 万美 元，拥有2 家法人好丽友食品有限公司和好丽友食品( 上海) 有限公司，在河 北廊坊和上海青浦各建有一个生产基地。好丽友生产的口香糖“好丽友哇水果 口香糖”和“好丽友木糖醇无糖口香糖”两个系列。 ( 2 ) 乐天牌口香糖 坐落于北京经济技术开发区内的乐天四通食品有限公司，是由在日本口香糖 市场占7 0 的乐天四通食品有限公司授权生产口香糖。其产品主要有超醒、清 北京工业大学工学硕士学位论文 雅、蓝莓、洋梨及有助于牙齿健康的木糖醇等口味的口香糖。 ( 3 ) 箭牌口香糖 箭牌口香糖有限公司( w r i g l e yc h e w i n gg u mc o m p a n yl i m i t e d ) 是美国箭牌 糖类有限公司( w m w r i g l e yj r c o m p a n y ) 1 9 8 9 年在中国设立的独资企业，现为 中国最大的口香糖生产厂商。公司工厂于1 9 9 1 年在广州经济技术开发区动工兴 建，1 9 9 3 年正式投产，是箭牌公司全球1 5 家生产设施中规模最大的工厂之一。 目前，箭牌中国生产的“绿箭”( d o u b l e m i n t ) 、“黄箭”( j u i c y f r u i t ) 、“白箭” ( w r i g l e y ss p e a r m i n t ) 、“益达”( e x t r a ) 无糖口香糖和“劲浪”( c o o la i t ) 超凉口香 糖等品牌产品已经融入中国人的日常生活。 除了上述三种在中国市场占有率较大份额的口香糖外，近年来又出现了茶口 香糖、喷雾口香糖及非粘性口香糖等新型的口香糖。 ( 1 ) 保健性口香糖茶口香糖( t e a g u m ) 茶口香糖( t e ag u m ) 是由中国杭州茶箭( t e a r r o w ) 食品有限公司生 产的具有茶味、无糖型口香糖。“t e a r r o w ”系列产品有红茶、绿茶、乌龙茶、 苦丁茶、茉莉花、桂花龙井六个品种。产品以茶昧、无糖为特色，其甜度低于同 类产品的一半，茶昧能保持在半小时以上，支“t e a r r o w ”口香糖中的茶多酚含量 超过一杯茶中的含量，而一杯绿茶中的茶多酚可以提高人体5 倍的免疫力，所以 是一种保健性口香糖。 ( 2 ) 环保型口香耱喷雾口香糖 成分主要是松花粉、山梨醇、阿斯巴甜、天然香料、甘油等。 本品属无胶质口香糖，可快速清除口腔异味，如：烟昧、酒味、蒜味、口臭 等：具有清洁口腔、提神、润喉的功效，且不会造成口香糖残基污染问题。 ( 3 ) 环保型口香糖非粘性口香糖0 1 传统的口香糖之所以有粘性是由于其胶基中软树脂是一种非常有粘性的软 化剂。而新的口香糖用谷物中的蛋白质和7 , - - 醇增塑剂作软化剂。当这种混合物 软化剂加热到4 0 ( 2 并揉成团时，增塑剂就密封在变性的蛋白质基体内。在咀嚼 该口香糖时感到很软，但却没有粘性。 1 1 4 口香糖目前消费情况 口香糖虽不起眼，却是糖中之王。不管它的外形如何，球状或糖果形状的， 第1 章绪论 吃起来总是软绵绵的，淡而清香爽口，人人都爱不离口。北京市年就要消耗掉 口香糖8 7 0 0 万块，且数量还在上升。德国人每年人均要消费大约1 0 0 块。法国 和比利时的入均消费量超过德国。在炎热的夏季和经济衰退时期，国外商店老板 把货架上的其他糖类换下来，却不愿将口香糖打入冷宫嘲。 1 1 5 口香糖的基本组成 口香糖主要是由口香糖胶姆基、砂糖或其他甜味剂、乳化剂和香料组成 帅“。 胶姆基：目前普遍采用质感优越而又卫生、健康的合成乳胶作为胶姆基主要 材料。 甜味剂：为了丰富口香糖的香味、产生愉悦的咀嚼口感，常规口香糖的生产 中加入了最高等级的砂糖、葡萄糖、甜菜糖和玉米糖浆等。 在无糖1 ：3 香糖中，山梨糖醇、甘露糖醇、木糖醇和阿斯巴甜等甜味剂取代了 砂糖等天然糖份。这些高度浓缩的甜味剂，口感与天然砂糖非常相似。其中阿斯 巴甜是从许多天然食物里发现的两种常见氨酸天冬氨酸和苯丙氨酸中制取的， 而木糖醇、甘露糖醇等糖醇也可见于一些水果中，不过现在人们基本上是从玉米 等植物原料中提取的。尤其值得一提的是，木糖醇和山梨糖醇等甜昧剂有使牙齿 再矿化的作用，可减少蛀牙的发生，其中木糖醇不会被致龋微生物发酵并产生酸 性物质，能够减少龋齿菌和齿垢，所以它不会腐蚀牙齿。基于这一机理，木糖醇 作为国际牙医界推荐的蔗糖的代用品，正被许多国家用于龋齿的预防。 乳化剂：口香糖还加入了甘油、蔬菜油和卵磷脂等作为乳化剂。它们有助于 糅合胶姆基中的各种原料，通过保持合理的湿度来使得胶姆基松软、有弹性。 香料：加工过程中加入不同的香料可使口香糖的品味不同，例如薄荷1 ：3 昧、 留兰香口味、水果品味等，香料均是从相应的植物中提取的。 口香糖的甜昧剂及香料都是溶于水的，在口腔中咀嚼时会随着唾液慢慢溶化 掉，所以经过人们咀嚼后吐出的主要是其中的胶基。口香糖胶基是由一些天然或 合成的弹性物质、成膜物质、软化剂和填充物质所组成。成膜物质具有粘性( 吹 泡就是靠粘性物质) ，是e l 香糖残基污染的最主要成分。 1 1 6 口香糖残基的污染现状 2 0 0 2 年国庆期间，天安门广场有6 0 万口香糖残基，平均每平方米有5 块1 5 1 北京工业大学工学硕士学位论文 香糖残基。为了清除这些口香糖残基，北京市政环卫部门投入了2 0 0 0 多人次， 工作了将近一个月。环卫工人从早上八点一直要蹲到晚上五点，以致很多人的腿 浮肿。因为口香糖特有的黏性，一般机器根本清扫不掉，只能靠人工、铁刷子， 一块一块的抠。即使口香糖残基抠掉了，而印迹还留在地面上，成为天安门广场 上一个个难看的污点。口香糖残基的铲除耗时、费力、成本很高，每铲除一块口 香糖残基用时3 分钟，花费1 1 元。无独有偶，2 0 0 2 年1 0 月1 0 日辽沈晚报的一 篇题为口香糖残物正在“蛀蚀”沈城报道引来沈阳市的各部门重视，将清除 口香糖残基作为美化城市、创建文明城市的重大战役。不仅北京、沈阳，许多城 市的地铁、火车站、影剧院、公园、商场等一些公共场所也充斥着口香糖残基的 污染。面对国人乱吐1 ：3 香糖残基的恶习，北京市市政府根据北京市市容环境卫 生条例规定乱吐口香糖残基罚款2 0 - 5 0 元。国外的处罚力度更大，新加坡政府 已颁布了禁止进口口香糖及销售口香糖的规定，此外还有法律明文规定，胆敢在 公共场合吃口香糖的人将被处以高额罚款，对走私口香糖的人将被处以一年的监 禁和最高达l 万美元的罚款。爱尔兰政府对口香糖的销售实施高征税，所得税款 用作支付清理被口香糖残基污染的费用，当地口香糖的价格因此而上升。在德国 随地吐口香糖要被处以3 0 美元的罚款。 口香糖因其特殊功能而备受青睐，愈来愈多地进入人们的生活中，口香糖残 基所带来的污染也愈来愈严重。一把铁铲、一瓶药水的原始清洁方法，不仅费时 费力，对操作者的身体也有危害。而采取严格的措施禁止人们咀嚼口香糖等措施 也不是解决口香糖残基的最终办法。所以，研制出快速、经济的口香糖残基清除 的方法及相应的设备是刻不容缓的。 2 0 0 8 年北京将举办奥运会，北京市的城市环境成为关注的焦点，北京市政 府将会投入大量的人力、物力和资金改善环境。城市“污垢”：口香糖残基、非 法小广告、痰迹的清洗去除也必将是治理的一个重点。所以，研制口香糖残基、 非法小广告、痰迹的清除方法具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 最近南京理工大学研制出口香糖残基热清除方法。其工作原理为：用电阻丝 加热和风机排热对1 ：3 香糖残基进行快速加温到4 0 0 c 5 0 。c ，1 2 i 香糖残基迅速恢复 粘性a 加热后软化恢复表面粘性的口香糖残基，由于可旋转毛刷的旋转和上下运 6 第1 章绪论 动会变成丝状的粘性物质卷在毛刷上，最后由清洗剂喷头喷出洗涤剂，使最后残 余地面的微量口香糖残基失去粘性。本试验设备结构复杂，使用繁琐，耗能也大， 尤其冬季清理困难大，经济性差，清除效率低。 现在天安门广场使用的英国进口的口香糖残基清除剂是密度为o 8 1 的澄清 溶液。使用时需刺穿口香糖残基后喷少许清除剂，1 1 0 分钟后用工具将口香糖残 基铲掉，再用清水或普通清洁剂冲洗。该清除剂价格昂贵( 1 0 0 m l 2 0 0 元) ，费时 费力，对环境有污染【1 2 】。 参考国内外资料，我们曾分析过清除口香糖残基的四种方法： ( 1 ) 树个“标靶”粘 在一些公共场所，尤其是在一些青年人喜欢去的地方设立一些卡通像。卡通 像写着比如“你有口香糖么? ”、“有本事你就用口香糖粘我。”、“你能击中靶心 么? ”等刺激性文字，吸引人们投掷嚼剩的口香糖，以避免人们到处乱吐口香 糖。该方法实际应用时有局限性。 ( 2 ) 化油器清洁剂喷 用汽车化油器的清洁剂使口香糖残基变干、变硬，可以轻易地清除e l 香糖残 基。该法成本高，且对环境有污染。 ( 3 ) 冷冻剂冻 冷冻剂( 冰或干冰) 将口香糖残基冷冻、固化，以利于口香糖残基的清除。 该法成本高，使用不便，且有不安全隐患( 例如干冰在热作用下气化) 。 ( 4 ) 地面保护层涂 在宾馆等场所地面涂上涂料，阻断口香糖残基与建筑物表面直接粘接。既方 便清除口香糖又美化环境。但该法一次性投入大，使用范围有局限性。 上述四种方法因其局限性而无普遍使用意义。 1 3 研究内容 本论文在系统研究e l 香糖残基结构并在高聚物溶解、降解的理论基础上研制 出快速、有效、经济、环保的口香糖残基的清除方法。 本论文的研究内容和目标主要包括以下几个部分： l 、口香糖胶基结构成分的剖析。 利用分析仪器对好丽友、乐天、绿箭e l 香糖胶基进行了初步分析，并对绿 北京工业大学工学硕士学位论文 箭口香糖胶基通过傅里叶红外、g p c 色谱、1 h 核磁共振波谱进行剖析研究。 2 、溶解法清除口香糖残基的试验研究。 根据高分子溶解溶胀理论，选用合适的溶剂，对口香糖残基进行溶胀溶解 试验。 3 、口香糖残基降解的试验研究。 根据高分子降解理论，选用合适的降解引发剂，在紫外光和可见光下对口 香糖胶基进行降解试验研究。 4 、超声波法剥离_ 口香糖残基的试验研究。 根据超声波清除原理，选用合适的剥离介质对口香糖残基进行超声波剥离 试验研究，并初步构想设计出专用于口香糖残基剥离的棒状超声波清洗设备。 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 口香糖的主要成分是糖分、糖浆以及胶基，前两者都是溶于水的，在口腔 中咀嚼时会随着唾液慢慢溶化，人们咀嚼后吐出的主要是其中的胶基。口香糖胶 基的成分比较复杂，具有很强的黏合性，吐在地上不容易清除掉。本章对绿箭口 香糖胶基的结构进行剖析，并根据高分子溶解理论筛选出适合口香糖胶基溶胀溶 解的溶剂。 2 1 高聚物溶解理论 2 ，1 1 溶解过程的特点 聚合物结构非常复杂：分子量大并具有多分散性、高分子链的形状可为线型、 支化和交联、聚集态存在晶态和非晶态结构，致使聚合物的溶解过程与小分子物 质的溶解相比要复杂得多。 无论是晶态还是非晶态高聚物，其溶解过程都包括两个阶段：溶胀和溶解。 只是非晶态高聚物的分子堆砌比较松散，分子间的相互作用比较弱，因此溶剂分 子比较容易渗入高聚物内部，使溶胀和溶解相对容易一些。对于结晶高聚物来说， 由于分子排列规整、堆砌紧密，分子间相互作用力强，使得溶剂分子渗入高聚物 内部比较困难。因此，结晶高聚物的溶解比无定形高聚物困难。 聚合物溶解的另一个特点是，溶解度与分子量有关。通常是分子量大的，溶 解度小；分子量小的，溶解度大。提高温度一般可以增加其溶解度：降低温度则 减小其溶解度“”。“。 2 1 2 溶解过程的热力学分析 h i l d e b r a n d 和s c o t t 从热力学出发，推导出混合热焓h 。，溶剂及聚合物本 身的溶度参数6l 、62 之间的对应关系： h m = n 1 ”1 由2 ( 61 62 ) 2 式中n l 、u - 分别是溶剂的摩尔数和摩尔体积，61 、62 分别为溶剂及聚合 物的溶度参数。通常把内聚能密度的平方根定义为溶度参数， 即：6 = b l 彪 9 北京工业大学工学硕士学位论文 按热力学定律，两种物质若能溶解，必须使它们的混合自由能g 。 - - c 。h 。o h = c h c n = c h n o 。 c h 。c i = c h c l 。 亲核基团： 1 0 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 - - c h 。n h 。 - - - c 。h 。n h ： - - - c 0 ( c h s ) z o n h _ 一 ! p 吼 - - - c h i c o c h 。一 ) c h ：o c o c h ： - - c h ：一0 一c h z 如果聚合物分子中含有大量亲电基团，则能溶于含有给电子基团的溶剂中，反之 亦然“。 2 2 口香糖胶基成分的分析 口香糖胶基属于高分子混合物，剖析较难。本试验对好丽友、乐天、绿箭 口香糖胶基进行了初步分析，并对三种口香糖胶基成分进行了对比，并根据得出 的结果对绿箭口香糖胶基进行剖析。 2 2 1 口香糖胶基成分的剖析 一、初步分析 分别将好丽友、乐天、绿箭口香糖咀嚼3 0 m i n ，用去离子水浸泡2 4 小时， 并用去离子水反复冲洗l o m i n ，目的是将口香糖胶基表面的糖分及咀嚼时粘有的 唾液成分清洗干净，将所得残基自然晾干后进行傅里叶红外分析，三种口香糖的 傅里叶红外叠加谱图为2 - i ，进行g p c 色谱分析的谱图分别为2 - 2 、2 - 3 、2 4 。 u_ u u u j u “，2 0 0 1 5 0 010040n0 c i n - i 图2 - 1 好丽友、乐天、绿箭口香糖胶基傅里叶红外叠加谱图 三条谱线从下往上依次为：好丽友、乐天、绿箭口香糖胶基的谱图。 三条谱线的区别：乐天口香糖、绿箭口香糖胶基的谱图吸收峰位置完全一样， 说明二者的官能团完全一样；好丽友口香糖胶基的谱图与乐天、绿箭的不同之处 在于：前者在位移1 4 6 2 c m - 1 、1 4 6 8 c f f l 处有吸收峰，而后者则没有；前者在1 7 9 3 c m 、 北京工业大学工学硕士学位论文 8 7 5 c m l 处无吸收，而后者则有。说明好丽友口香糖胶基的结构与乐天、箭牌口香 糖胶基的结构略有不同。 d h ln a a em髓w n ph z + l f 日i t d l s p e r i i k b p 日 3 | 二日5 停蛆2点i s 2 7 7 1 1 2 i考g 盯d 口 1 2 7 i j la d o c da j o 2 嚣1 33 6 妫】2 0 0 鹭2 6， 翦8 i ：“2 3 “蔫立9 a d 1 a 0 0o j 蛐 3 l 5t 2 6 之1 2 f 89 9 61 6 若7 2 2 1 2 侣岛；1o d t a 口j o 图2 - 2 好丽友口香糖胶基的g p c 谱图 d b l l = m e m p 聃z + 1 p d i y d l s p e r s l h k a l p l - a i2 8 s 2 盯9 9 8 ，8 a a d o o j o 9 i 船 1 3 j f 74 , 6o d i o 0 j o 0 a )，j 9 曾 f 9 2 f 7 6 b 1 j 3 疆jd 口d 7 们7 3 t 7 8 b1 d z 曲 8 0 d 幅0 a 图2 - 3 乐天牌口香糖胶基的g p c 谱图 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 o p cf 醣a 儿s d k i _ z n e啪嗣w晡p瞄= + 1 1 4 c d y d l + p e r $ i 廿 ka h h a 12 7 5 2 昕6 蔷8 5 3 1 窘耵+ 8 韶6 9 翰9 i o 鳍i _ 6 a 1 0 a d 1 睁，0 0 0o 0 2- i 二s j1 a 葛- 5 8 + 1 2 7 7 0 s3 t 7 2 3 1 j 0 暖o d 幅0 日0 j 0 j i ：5 3i 幅0i + i si ：5 口21 7 揖；2 l 基1 i 2d 丘t ( p o ( 3 ( 3 1 30 j a 6 喜36 蓦日5 甜6 s 06 宣fd d t 商】a o j 图2 - 4 箭牌口香糖胶基的+ p c 谱图 由图2 2 、2 3 及2 4 可知：好丽友口香糖胶基是有三种组分组成，而乐天、 绿箭1 3 香糖胶基则有四种组分组成；乐天口香糖和绿箭口香糖胶基的各组分的分 子量相接近，好丽友口香糖胶基相应组分的分子量则比乐天、绿箭口香糖胶基大 得多。 二、胶基剖析 本试验将绿箭口香耱胶基作为剖析的重点，并根据绿箭口香糖胶基的各成 分结构特点选用合适的溶剂对其溶胀溶解，然后用溶解效果较好的溶剂对乐天口 香糖、好丽友口香糖的残基进行溶解试验研究，观其效果。 将绿箭口香糖用剪刀剪成碎片，大小与大米粒相当。用去离子水反复冲洗2 0 次，然后浸泡在去离子水中，每1 2 小时换水一次，共一个星期的时间。此时t e l 香糖胶基表观现象是乳白色，1 3 香糖原先的味道已全部除去。这样做使得口香糖 胶基中的水溶性化合物全部除去。然后放置在空气中自然晾干。将处理后的口香 糖胶基进行红外波谱、1 h 核磁共振波谱分析。其谱图分别为：图2 - 5 、图2 6 所 刁。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 5 绿箭口香糖胶基的红外分析谱图 孵， 薹鬟羹主蒌囊羹委蓑薹薹霉；茎嚣莓霪曩赛零鋈耋萎囊霪妻薹霪篓霎蒌 p p 一* “”4 ” ” i 。j 越楚蠢舔”7 点谩黼l 蔷薅黻；鑫拶骚箩4 事 毳。 * l 一 。 。一j 。，一：鬈二i 乏童矗 t 。 ， * 节姜藕产” - $ 糍鼬? * | 图2 - 6 绿箭口香糖胶基的1 h 核磁共振谱图 2 2 2 口香糖胶基成分的确定 通过谱图分析得出绿箭口香糖胶基的成分： 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物( 即e v a 树脂) 、聚异丁烯、松香甘油酯、单硬脂酸 甘油酯、微晶石蜡和碳酸钙组成。各成分的分子结构为： 4 掣 赣， 赣 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物： c h 2 c h 2 + + c h z ；h 斗 l 。i nl i j n o c c h 3 旦 聚异丁烯 松香甘油酯 单硬脂酸甘油酯： 微晶石蜡： c h ， c h 3c h 3 口 c 1 7 h 3 5 一c 一。一c h 2 i 1 5 也j也 c l c l c ，。广 北京工业大学工学硕士学位论文 叫3 十c h 廿啦t 飓 i c h 3 各成分的摩尔比为：乙烯一醋酸乙烯酯共聚物：聚异丁烯：松香甘油酯：单 硬脂酸甘油酯：微晶石蜡= ( 4 ：7 2 5 ) ：5 ：0 8 ：0 1 ：0 1 各成分的重量比为： 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物；5 3 。7 聚异丁烯： 2 0 5 松香甘油酯： 2 1 9 单硬脂酸甘油酯： 3 4 微晶石蜡：0 5 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物中乙烯：醋酸乙烯酯的重量比= 1 5 3 ：8 4 7 2 2 3 口香糖胶基各成分的性质 一、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物 乙烯一醋酸乙烯酯共聚物( 简称为e v a ) 是由无极性、结晶性的乙烯单体与 强极性、非结晶性的乙酸乙烯单体共聚而成的一种高度支化的无规共聚物。按两 者配比和工艺的差异，可分为e v a 树脂、e v a 弹性体、e v a 乳液三种”1 。 e v a 具有良好的柔韧性、强韧性、耐低温性( 一5 8 c 仍有可挠性) 、耐侯性、 耐应力开裂性、热和性、粘结性、深加工性、透明性和光泽性，同时具有橡胶般 的弹性，优良的抗臭氧性，无毒性，良好的加工和染色性，与填料有较好的掺和 性。 e v a 中v a 含量不同以及e v a 相对分子质量不同，性能不同。当熔体指数 定时，v a 含量增高，其弹性、柔软性、粘结性、相容性、透明性、溶解性提高； 随着v a 含量的降低其性能接近聚乙烯，即刚性变大、耐磨及电绝缘性上升。当 v a 含量一定时，熔体指数增大，则软化点下降，加工性及表面光泽性改变，但 强度降低：反之，熔体指数变小，则相对分子质量增大，耐冲击性及耐应力开裂 性提高。 e v a 树脂为v a c 含量低于4 0 的乙烯一乙酸乙烯酯共聚物。可采用高压聚乙烯 装置进行生产，采用釜式法工艺可获得窄的支化度分布、高的长链支化度和复杂 的长链支化结构，但透明性和薄膜加工性稍差。 v a c 含量为7 0 9 5 的乙烯一乙酸乙烯酯共聚物为乳液。由于引进了乙烯单 1 6 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 体，形成了乙酸基的非连续性，由此使主链柔软。当乙烯含量增加时，其柔软性 随之增加，但乙烯链段的引进会使分子链间作用力减弱，使分子链活性增加，从 而可起到永久内增塑的作用。但是由于分子量大，具有不饱和结构，较低分子增 塑剂耐迁移、耐挥发及渗出性低“”。 分子量在3 千到3 万左右的聚醋酸乙烯酯常用于制造口香糖胶基o “。 二、聚异丁烯 高分子量聚异丁烯为典型的饱和线形聚合物，其头基是一c h 3 一，尾基是 高分子量聚异丁烯为典型的饱和线形聚合物，其头基是一c h 。一，尾基是 一c h c c h 3 或c h 2 一c ：c h ，。 j i c h 3 c h 3 其耐热、耐光、耐臭氧老化性好，具有理想的化学稳定性，在室温下，对稀碱和 浓酸、碱、盐的作用稳定。在较高温度下高分子量聚异丁烯仍然具有优良的防水 性和气密性，而且介电性能相当优异。 低份子量的聚异丁烯平均分子量蕊 i 0 0 0 ，具有较好的耐氧、耐臭氧、耐 紫外线、耐酸、耐碱性能，外观为无色、无毒、无味的粘稠性液体，为牛顿性流 体。溶于氯化烃、乙醚、乙酸乙酯，部分溶于正丁醇，不溶于乙醇、异丙醇、丙 酮、甲乙酮、冰醋酸。其膨胀系数小，不含电介质等有害物质，在3 1 3 k 紫外线 照射2 7 0 h 后，颜色交化很小，电绝缘性优蘸。 此外，低分子量聚异丁烯与高分子材料相容性好，与一般非溶性物质有较 好的相容性c 2 2 。 三、松香甘油酯 浅黄色固体，性能稳定，无刺激性，可溶于丙酮、酯、植物油及大多数天 然精油，不溶于水和低分子量醇。 用作食品添加剂，如在饮料中做乳化稳定剂，在口香糖中做咀嚼成分。 四、单硬酯酸甘油酯 在口香糖和泡泡糖中用作乳化剂和分散剂，可使基料混合均一，改善可塑 性和咀嚼性，防止粘牙，可与糖粉混合使用。 2 3 试验内容及结果分析 2 3 1 溶剂的选择 由2 2 的分析可知，口香糖胶基中的乙烯一醋酸乙烯酯共聚物、聚异丁烯是 口香糖残基的主要成份( 所占比例为5 3 7 + 2 0 5 = 7 4 2 ) ，松香甘油酯和单硬脂酸 北京工业大学工学硕士学位论文 甘油酯属于大分子化合物，分别作为口香糖胶基的稳定剂、乳化剂及分散剂，微 晶石蜡的含量极少，对口香糖残基的粘性影响不大，不予考虑，由此得出的结论 是口香糖残基的粘性来自于乙烯一醋酸乙烯酯共聚物和聚异丁烯。故本试验清除 的重点是将口香糖残基中的乙烯一醋酸乙烯酯共聚物和聚异丁烯溶解或溶胀即 可。聚乙烯、聚醋酸乙烯酯和聚异丁烯的溶度参数分别如下“： 聚乙烯； 聚醋酸乙烯酯 聚异丁烯 6 = 1 6 1 6 1 6 5 6 ( j c 矿) “2 6 。= o ( j c m 。) “2 6 = 2 3 0 5 ( j c m l ) “2 6 。= 1 0 2 3 ( j c m l ) “2 6 = 1 7 5 7 ( j t i n l ) “2 6 。= 2 0 ( j c r n 。) “2 6d = 1 6 1 6 1 6 5 6 ( j c m - 3 ) “2 5h = 0 5 c m 。3 ) ” 6d = 1 8 9 6 ( j c m l ) “2 6 、= 8 1 8 ( j c m - , ) “2 6d = 1 5 9 5 ( j c m 。3 ) “2 6h = 7 1 6 ( j c m 。3 ) “2 根据h i l d e b r a n d 公式和h a n s e n 理论，所用溶剂的溶度参数6 及三个溶度参 数62 d 62 。、62 h 分值也分别相近，查得正庚烷、丙酮和四氢呋喃、乙酸乙酯、 乙酸异戊酯的溶度参数及分值分别与聚乙烯、聚醋酸乙烯酯和聚异丁烯相近： 正庚烷： 丙酮： 四氢呋哺 乙酸乙酯： 乙酸异戊酯 6 = 1 5 1 3 ( j c m 3 ) “2 6 。= o ( j c m 。3 ) “2 6 = 2 1 7 0 ( j c r n 。) “2 6 。= 1 0 4 3 ( j c m “) ”2 6 = 1 8 6 0 ( j c m l ) “2 6 ，= 5 7 3 ( j c m 。) “2 6 = 1 7 5 3 ( j c m 4 ) “2 6 。= 5 3 2 ( j c r a l ) “2 6 = 1 7 3 0 ( j c m 3 ) “2 6 。= 3 0 7 ( j c l n ) “2 6 。= 1 5 1 3 ( j c m - 3 ) “2 6 。= 0 ( j c m l ) “2 6j = 1 5 5 0 ( j c m l ) “2 6h = 6 9 5 ( j c m - 3 ) ”2 6d = 1 6 8 l ( j c m - 3 ) ” 6h = 7 9 8 ( j c n l l ) “2 6d = 1 5 2 1 ( j c m - 3 ) ”2 6 = 9 2 0 ( j c m 3 ) “2 6d = 1 5 2 4 ( j c m 。3 ) “2 6h = 6 9 5 ( j c m - 3 ) ” 2 3 2 试验方案 一、口香糖胶基的前处理 将好丽友口香糖、乐天口香糖、箭牌口香糖咀嚼3 0 m - | n ，用去离子水浸泡 2 4 小时，并用自来水反复冲洗1 0 m i n ，目的是将口香糖胶基表面的糖分及咀嚼时 粘有的唾液成分清洗干净。 1 8 第2 章溶解法清除口香糖残基的试验研究 5 0 m l 小烧杯洗涤干净后置于烘箱中1 2 小时，待其干燥后将小烧杯从烘箱中 拿出直接称重，并立即将口香糖胶基粘在小烧杯的底部。然后把粘有口香糖胶基 的小烧杯放在初温为8 04 c 的烘箱中半小时，使其随烘箱降温而冷却。 将人行道上的砖块切割为大约3 c r u x3 c m 的小块，清洗干净，目的是避免因 砖块表面的灰尘而影响口香糖残基的粘结力。将上述口香糖残基粘在小砖块上， 然后再将粘有口香糖残基的砖块放置在初温为8 0 。c 烘箱中半小时，使其随烘箱 一起降温。 二、试验内容 针对口香糖胶基的各成分性质及所占比例，将正庚烷、丙酮和四氢呋喃、 乙酸乙酯、乙酸异戊酯分别按以下比例进行配比对口香糖胶基进行溶胀溶解。 溶剂1 、溶剂3 、溶剂5 是根据口香糖胶基中聚乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚异 t 烯的摩尔比配制，溶剂2 、溶剂4 、溶剂6 是根据口香糖糖胶基中聚乙烯、聚 醋酸乙烯酯、聚异丁烯的重量比配制。 溶剂1 ：正庚烷：丙酮：四氢呋喃= 4 ：7 2 5 ：5 ( 4 m l ：7 5 m l ：5 m 1 ) 溶剂2 ：正庚烷：丙酮：四氢呋喃= 8 ：4 5 ：2 0 ( 2 m l ：1 l m l ：4 m 1 ) 溶剂3 ：正庚烷：丙酮：乙酸乙酯= 4 ：7 2 5 ：5 ( 4 m l ：7 5 m l ：5 m 1 ) 溶剂4 ：正庚烷：丙酮：乙酸乙酯= 8 ：4 5 ：2 0 ( 2 m l ：l l m l ：4 m 1 ) 溶剂5 ：正庚烷：丙酮：乙酸异戊酯= 4 ：7 2 5 ：5 ( 4 m l ：7 5 m l ：5 m 1 ) 溶剂6 ：正庚烷：丙酮：乙酸异戊酯= 8 ：4 5 ：2 0 ( 2 m l ：1 l m l ：4 m 1 ) 2 3 3 试验结果及分析 用2 3 2 中的六种配比的溶剂溶胀溶解2 3 2 中处理的小烧杯中的口香糖， 所需时间如表2 1 ： 表2 - 1 溶解各种口香糖胶基所需时间( m i n ) 、溶剂 溶剂l溶剂2溶剂3溶剂4溶剂5溶剂6 口香糖 好丽友口香糖 1 21 51 11 61 31 7 乐天牌口香糖 1 31 51 21 51 41 8 箭牌口香糖 1 31 61 21 61 41 7 北京工业大学工学硕士学位论文 用2 3 2 中的六种配比的溶剂溶胀溶解2 3 2 中处理的粘在砖块上的口香 糖，所需时间如表2 2 ： 表2 - 2 溶解各静口香糖胶基所需时间( m i n ) 溶剂 口香 溶剂1溶剂2溶剂3溶剂4溶剂5溶剂6 好丽友口香糖 464658 乐天牌口香糖 46476 9 箭牌口香糖 554 668 注：袭2 一i 、表2 2 试验记录的时阉并非是秸在小烧杯底部的口香糖胶基全部溶解于溶 剂中，而是口香糖