Aby rozwiązać problem podatności konwencjonalnych powłok poliuretanowych na uszkodzenia i braku zdolności do samonaprawy, naukowcy opracowali samonaprawiające się powłoki poliuretanowe zawierające 5% wag. i 10% wag. środków naprawczych w mechanizmie cykloaddycji Dielsa-Aldera (DA). Wyniki wskazują, że wprowadzenie środków naprawczych zwiększa twardość powłoki o 3–12% i osiąga skuteczność naprawy zarysowań na poziomie 85,6–93,6% w ciągu 30 minut w temperaturze 120°C, co znacznie wydłuża żywotność powłok. Niniejsze badanie stanowi innowacyjne rozwiązanie w zakresie ochrony powierzchni materiałów inżynierskich.
W dziedzinie materiałów inżynieryjnych naprawa uszkodzeń mechanicznych w materiałach powłokowych od dawna stanowi poważne wyzwanie. Chociaż tradycyjne powłoki poliuretanowe charakteryzują się doskonałą odpornością na warunki atmosferyczne i przyczepnością, ich właściwości ochronne gwałtownie maleją w przypadku wystąpienia zarysowań lub pęknięć. Zainspirowani biologicznymi mechanizmami samonaprawiania, naukowcy rozpoczęli badania nad materiałami samonaprawiającymi się opartymi na dynamicznych wiązaniach kowalencyjnych, a reakcja Dielsa-Aldera (DA) zyskała na znaczeniu ze względu na łagodne warunki reakcji i korzystną odwracalność. Jednak dotychczasowe badania koncentrowały się głównie na liniowych układach poliuretanowych, co pozostawiało lukę w badaniach nad właściwościami samonaprawiającymi usieciowanych poliuretanowych powłok proszkowych.
Aby przełamać tę barierę techniczną, krajowi naukowcy w innowacyjny sposób wprowadzili dwa czynniki regenerujące DA – bezwodnik furanu i maleinian oraz furan i bismaleimid – do systemu hydroksylowanej żywicy poliestrowej, opracowując poliuretanową powłokę proszkową o doskonałych właściwościach samoregenerujących. W badaniu wykorzystano ¹H NMR do potwierdzenia struktury czynników regenerujących, różnicową kalorymetrię skaningową (DSC) do weryfikacji odwracalności reakcji DA/retro-DA oraz techniki nanoindentacji wraz z profilometrią powierzchni do systematycznej oceny właściwości mechanicznych i charakterystyki powierzchni powłok.
W zakresie kluczowych technik eksperymentalnych, zespół badawczy najpierw zsyntetyzował środki naprawcze DA zawierające grupy hydroksylowe, stosując metodę dwuetapową. Następnie, metodą mieszania w stanie stopionym, przygotowano proszki poliuretanowe zawierające 5% wag. i 10% wag. środków naprawczych, a następnie naniesiono je na podłoża stalowe metodą natrysku elektrostatycznego. Porównując je z grupami kontrolnymi bez środków naprawczych, systematycznie zbadano wpływ stężenia środka naprawczego na właściwości materiału.
1.Analiza NMR potwierdza strukturę środka leczniczego
Widma 1 H NMR wykazały, że wstawiony aminę bezwodnik furanu i maleinian (HA-1) wykazywał charakterystyczne piki pierścienia DA przy δ = 3,07 ppm i 5,78 ppm, podczas gdy addukt furanu i bismaleimidu (HA-2) wykazywał typowy sygnał protonu wiązania DA przy δ = 4,69 ppm, co potwierdza pomyślną syntezę środków leczniczych.
2.DSC ujawnia właściwości odwracalne termicznie
Krzywe DSC wskazały, że próbki zawierające środki gojące wykazywały piki endotermiczne dla reakcji DA w temperaturze 75°C oraz piki charakterystyczne dla reakcji retro-DA w zakresie temperatur 110–160°C. Powierzchnia piku rosła wraz ze wzrostem zawartości środka gojącego, co świadczy o doskonałej odwracalności termicznej.
3.Testy nanoindentacji wykazują poprawę twardości
Testy nanoindentacji z uwzględnieniem głębokości wykazały, że dodatek 5% wag. i 10% wag. środków regenerujących zwiększył twardość powłoki odpowiednio o 3% i 12%. Twardość na poziomie 0,227 GPa utrzymywała się nawet na głębokości 8500 nm, co przypisuje się usieciowanej sieci utworzonej między środkami regenerującymi a matrycą poliuretanową.
4.Analiza morfologii powierzchni
Testy chropowatości powierzchni wykazały, że powłoki z czystego poliuretanu zmniejszyły wartość Rz podłoża o 86%, podczas gdy powłoki z dodatkiem środków regenerujących charakteryzowały się niewielkim wzrostem chropowatości ze względu na obecność większych cząstek. Obrazy FESEM wizualnie zilustrowały zmiany w teksturze powierzchni wynikające z obecności cząstek środka regenerującego.
5.Przełom w efektywności gojenia zadrapań
Obserwacje mikroskopowe wykazały, że powłoki zawierające 10% wag. środka regenerującego, po obróbce cieplnej w temperaturze 120°C przez 30 minut, wykazały zmniejszenie szerokości rysy ze 141 μm do 9 μm, osiągając wydajność regeneracji na poziomie 93,6%. Jest to wynik znacznie lepszy od wyników opisywanych w istniejącej literaturze dla liniowych systemów poliuretanowych.
Opublikowane w czasopiśmie Next Materials, badanie to oferuje wiele innowacji: Po pierwsze, opracowane poliuretanowe powłoki proszkowe modyfikowane DA łączą dobre właściwości mechaniczne ze zdolnością do samonaprawy, osiągając wzrost twardości nawet o 12%. Po drugie, zastosowanie technologii natryskiwania elektrostatycznego zapewnia równomierne rozproszenie środków naprawczych w sieci usieciowanej, eliminując niedokładność pozycjonowania typową dla tradycyjnych technik mikrokapsułkowych. Co najważniejsze, powłoki te osiągają wysoką wydajność naprawy w stosunkowo niskiej temperaturze (120°C), oferując większą przydatność przemysłową w porównaniu z temperaturą naprawy 145°C podawaną w istniejącej literaturze. Badanie nie tylko zapewnia nowe podejście do wydłużania żywotności powłok inżynieryjnych, ale także ustanawia teoretyczne ramy dla molekularnego projektowania powłok funkcjonalnych poprzez ilościową analizę zależności „stężenie środka naprawczego od wydajności”. Oczekuje się, że przyszła optymalizacja zawartości grup hydroksylowych w środkach naprawczych oraz stosunku sieciujących uretdionów jeszcze bardziej przesunie granice wydajności powłok samonaprawiających.
Czas publikacji: 15.09.2025