《Recycling》：Selective Recycling of Steel Sandwich Polyisocyanurate (PIR) Foam Insulation Cladding
Diana Meza-Rojas,
James Holliman,
David Penney,
Anthony R. Lewis and
Peter J. Holliman
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为解决建筑保温覆板难以拆解、各组分交叉污染导致回收困难的问题，研究人员开展了针对聚异氰脲酸酯（PIR）泡沫-聚氯乙烯（PVC）塑料溶胶涂层-镀锌钢复合层的选择性分离研究。他们开发了一种在室温和20分钟内，利用特定溶剂结合超声波处理，从镀锌钢板上完整剥离PIR泡沫和PVC涂层的方法。丙酮（acetone）是最有效的溶剂，可实现各组分的无损分离，为复合保温板的完全回收和镀锌钢的高品质回用提供了创新解决方案，有助于减少建筑废弃物和温室气体排放。
在“双碳”目标与建筑可持续发展的全球背景下，建筑围护结构的保温性能日益受到重视。其中，由钢铁与聚异氰脲酸酯（Polyisocyanurate， 简称PIR）泡沫复合而成的夹芯板，因其出色的保温隔热性能（热导率可低至0.02 W/mK）而被广泛应用，设计寿命可达40年。然而，这类材料“长寿”的优点在其寿命终结时，却转化为了棘手的回收难题。当建筑物拆除时，这些复合板通常被整体粉碎填埋或焚烧，导致有价值的镀锌钢、PIR泡沫和表面的聚合物涂层（如PVC塑料溶胶）无法有效分离和回收。这不仅造成资源浪费，焚烧过程还会产生额外的二氧化碳（CO2）排放，与全球减碳的目标背道而驰。更具体地说，传统的热解回收法会破坏材料结构，回收产物价值低，而机械分离则因各层间牢固的粘接而难以实现清洁分离。那么，有没有一种方法，能像“温和拆解”一样，在室温下将这些紧密结合的“三明治”一层层完整地剥离开，让每一种材料都能“各回各家”，进入下一轮高质量的循环利用呢？
这正是由Diana Meza-Rojas, James Holliman, David Penney, Anthony R. Lewis 和 Peter J. Holliman 组成的研究团队在期刊《Recycling》上发表的研究所要回答的核心问题。他们开发了一种创新的、温和的选择性剥离方法，成功解决了复合保温板回收的关键技术瓶颈。为了开展这项研究，作者采用了几个关键技术方法：首先，他们将市售复合板样品切割成规定尺寸的样片用于实验。核心方法是溶剂结合超声波（sonication）处理，通过将样片浸入不同极性和氢键能力的溶剂（如丙酮、甲醇、乙醇、乙腈、二甲亚砜等）中，并在超声波浴中于室温处理20分钟，系统评估了各种溶剂对PIR泡沫和PVC涂层的剥离效果。对处理后的样品，他们利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行形貌分析，以观察剥离界面和材料的完整性；同时采用衰减全反射-红外光谱（ATR-IR）对剥离前后的材料表面及剥落层进行化学结构分析，确认处理过程未对材料造成化学损伤。此外，他们还参考汉森（Hansen）溶解度参数理论，对溶剂的剥离效果与聚合物-溶剂相互作用进行了关联分析。
结果
选择性剥离效果与溶剂选择
研究测试了多种溶剂在室温下，结合20分钟超声波处理对复合板（包含残留PIR泡沫和PVC涂层）的剥离效果。视觉分析和图像定量表明，溶剂的剥离能力与其极性、氢键能力密切相关。高氢键能力的溶剂（如水、甲醇、乙醇）能剥离大部分PIR泡沫，但对PVC涂层几乎无效。高极性、中等氢键能力的溶剂（如乙腈、二甲亚砜）可有效剥离PVC涂层和部分PIR泡沫。而效果最佳的溶剂是丙酮，它具有中等极性和中等氢键能力，能够在20分钟内几乎完全剥离PIR泡沫和PVC涂层，留下洁净的镀锌钢板。这一结果通过直观对比照片得到证实，展示处理后的钢板表面有机层被移除，而剥离下来的泡沫和涂层保持完整薄膜形态。
材料完整性分析
ATR-IR光谱分析证实，剥离过程是物理性的，而非化学降解。剥离下来的PVC涂层，其内、外表面的光谱与原始状态基本一致，表明其化学结构未受破坏。同样，剥离前后的PIR泡沫光谱也高度相似，没有检测到残留丙酮的信号，说明溶剂是扩散至界面引发剥离，而非溶解或滞留在聚合物中。光学显微图像进一步揭示了剥离机制：PVC涂层剥离后，其粘附面呈现出与钢板表面粗糙纹理相对应的压痕，表明剥离主要发生在涂层与底层（底漆/镀锌层）的物理粘附界面。对于PIR泡沫，剥离发生在泡沫闭孔结构与未发泡的薄粘附层之间，导致第一层泡沫细胞壁破裂，而极薄的聚酯底漆层大部分仍保留在镀锌钢板上。
剥离机制的探讨
基于实验结果，研究者提出了剥离机制。复合板各层（镀锌层、底漆、PVC涂层/PIR泡沫）具有极高的纵横比（即薄层相对于大面积样品尺寸的比例）。溶剂（特别是丙酮）能快速扩散通过多孔的PIR泡沫（由约100-200微米大小的闭孔构成）或无孔的PVC涂层，到达聚合物-底漆界面。溶剂引起的聚合物溶胀在界面处产生应力，破坏了数量巨大的、集合作用的范德华力粘附，从而导致整个聚合物层从底漆上剥离。超声波处理通过引起聚合物结构内的局部振动，显著加快了溶剂的扩散速率，从而将剥离时间从被动浸泡的24小时缩短至20分钟。
结论与意义
该研究成功开发了一种在室温下选择性、无损剥离钢铁-PIR泡沫复合保温板各有机组分的创新方法。该方法使用丙酮结合超声波处理，能在20分钟内将PIR泡沫和PVC涂层作为完整层从镀锌钢板上分别剥离，而不会对聚合物材料造成化学损伤，同时保留了镀锌钢基板的洁净与完整性。其核心意义在于：1. 实现完全回收：解决了复合板回收中不同材料交叉污染的核心难题，使镀锌钢、PIR泡沫和PVC涂层都能作为单一材料进行高品质的循环利用。特别是清洁的镀锌钢板可直接进入电弧炉（EAF）进行钢铁回收，避免了有机杂质带来的碳排放。2. 过程温和高效：室温操作避免了高温处理对材料性能的破坏，且过程简单快速，具有良好的可扩展性潜力。3. 为耐久性产品回收提供新思路：为那些专为长寿命、高耐久性设计的产品（如建筑覆层、太阳能电池板等）的末端回收，提供了一种基于物理-化学协同作用的温和拆解范例，对推动建筑行业循环经济和实现碳中和目标具有重要的科学与应用价值。
