Pentru a aborda problema predispoziției la deteriorare și a lipsei de capacități de auto-reparare a acoperirilor poliuretanice convenționale, cercetătorii au dezvoltat acoperiri poliuretanice auto-reparatoare care conțin agenți de reparare în proporție de 5% și 10% în greutate, prin mecanismul de cicloadiție Diels-Alder (DA). Rezultatele indică faptul că încorporarea agenților de reparare crește duritatea acoperirii cu 3%-12% și atinge o eficiență de reparare a zgârieturilor de 85,6%-93,6% în 30 de minute la 120 °C, prelungind semnificativ durata de viață a acoperirilor. Acest studiu oferă o soluție inovatoare pentru protecția suprafeței materialelor inginerești.
În domeniul materialelor inginerești, repararea deteriorării mecanice a materialelor de acoperire a reprezentat mult timp o provocare majoră. Deși acoperirile tradiționale din poliuretan prezintă o rezistență și o aderență excelente la intemperii, performanța lor de protecție se deteriorează rapid odată ce apar zgârieturi sau fisuri. Inspirați de mecanismele biologice de auto-reparare, oamenii de știință au început să exploreze materialele auto-reparatoare bazate pe legături covalente dinamice, reacția Diels-Alder (DA) câștigând o atenție semnificativă datorită condițiilor sale de reacție blânde și a reversibilității favorabile. Cu toate acestea, cercetările existente s-au concentrat în principal pe sistemele poliuretanice liniare, lăsând o lacună în studiul proprietăților de auto-reparare în acoperirile poliuretanice pulbere reticulate.
Pentru a depăși această barieră tehnică, cercetătorii autohtoni au introdus în mod inovator doi agenți de vindecare DA - anhidridă furan-maleică și furan-bismaleimidă - într-un sistem de rășină poliesterică hidroxilată, dezvoltând o acoperire cu pulbere poliuretanică cu proprietăți excelente de auto-vindecare. Studiul a utilizat ¹H RMN pentru a confirma structura agenților de vindecare, calorimetrie diferențială de scanare (DSC) pentru a verifica reversibilitatea reacțiilor DA/retro-DA și tehnici de nanoindentare împreună cu profilometria de suprafață pentru a evalua sistematic proprietățile mecanice și caracteristicile de suprafață ale acoperirilor.
În ceea ce privește tehnicile experimentale cheie, echipa de cercetare a sintetizat mai întâi agenți de vindecare DA care conțin hidroxil folosind o metodă în doi pași. Ulterior, pulberile de poliuretan care conțin 5% și 10% în greutate agenți de vindecare au fost preparate prin amestecare la topire și aplicate pe substraturi de oțel folosind pulverizare electrostatică. Prin compararea cu grupurile de control fără agenți de vindecare, influența concentrației agentului de vindecare asupra proprietăților materialului a fost investigată sistematic.
1.Analiza RMN confirmă structura agentului de vindecare
Spectrele RMN 1H au arătat că anhidrida furan-maleică (HA-1) inserată cu amină a prezentat vârfuri caracteristice ale ciclului DA la δ = 3,07 ppm și 5,78 ppm, în timp ce aductul furan-bismaleimidă (HA-2) a prezentat un semnal tipic de proton al legăturii DA la δ = 4,69 ppm, confirmând sinteza cu succes a agenților de vindecare.
2.DSC dezvăluie caracteristici termic reversibile
Curbele DSC au indicat că probele care conțin agenți de vindecare au prezentat vârfuri endoterme pentru reacția DA la 75 °C și vârfuri caracteristice pentru reacția retro-DA în intervalul 110–160 °C. Aria vârfurilor a crescut odată cu creșterea conținutului de agent de vindecare, demonstrând o reversibilitate termică excelentă.
3.Testele de nanoindentare arată o îmbunătățire a durității
Testele de nanoindentare sensibile la adâncime au arătat că adăugarea de agenți de vindecare în proporție de 5% și 10% în proporție de greutate a crescut duritatea stratului de acoperire cu 3%, respectiv 12%. O valoare a durității de 0,227 GPa a fost menținută chiar și la o adâncime de 8500 nm, atribuită rețelei reticulate formate între agenții de vindecare și matricea poliuretanică.
4.Analiza morfologiei suprafeței
Testele de rugozitate a suprafeței au arătat că acoperirile din poliuretan pur au redus valoarea Rz a substratului cu 86%, în timp ce acoperirile cu agenți de vindecare au prezentat o ușoară creștere a rugozității datorită prezenței particulelor mai mari. Imaginile FESEM au ilustrat vizual modificările texturii suprafeței rezultate din cauza particulelor de agent de vindecare.
5.Descoperire în eficiența vindecării prin zgârieturi
Observațiile prin microscopie optică au demonstrat că acoperirile care conțin 10% agent de vindecare, după tratamentul termic la 120 °C timp de 30 de minute, au prezentat o reducere a lățimii zgârieturilor de la 141 μm la 9 μm, atingând o eficiență de vindecare de 93,6%. Această performanță este semnificativ superioară celei raportate în literatura existentă pentru sistemele poliuretanice liniare.
Publicat în Next Materials, acest studiu oferă multiple inovații: În primul rând, acoperirile pulbere poliuretanice modificate cu DA dezvoltate combină proprietăți mecanice bune cu capacitatea de auto-reparare, atingând o îmbunătățire a durității de până la 12%. În al doilea rând, utilizarea tehnologiei de pulverizare electrostatică asigură o dispersie uniformă a agenților de reparare în cadrul rețelei reticulate, depășind inexactitatea de poziționare tipică tehnicilor tradiționale de microcapsule. Cel mai important, aceste acoperiri ating o eficiență ridicată de reparare la o temperatură relativ scăzută (120 °C), oferind o aplicabilitate industrială mai mare în comparație cu temperatura de reparare de 145 °C raportată în literatura existentă. Studiul nu numai că oferă o nouă abordare pentru extinderea duratei de viață a acoperirilor inginerești, dar stabilește și un cadru teoretic pentru proiectarea moleculară a acoperirilor funcționale prin analiza cantitativă a relației „concentrația agentului de reparare-performanță”. Se așteaptă ca optimizarea viitoare a conținutului de hidroxil din agenții de reparare și a raportului dintre agenții de reticulare uretdionă să împingă și mai mult limitele de performanță ale acoperirilor auto-reparatoare.
Data publicării: 15 septembrie 2025