A hagyományos poliuretán bevonatok károsodásra való hajlamának és az öngyógyító képesség hiányának problémájának megoldására a kutatók 5 és 10 tömeg% gyógyító adalékot tartalmazó öngyógyító poliuretán bevonatokat fejlesztettek ki a Diels-Alder (DA) cikloaddíciós mechanizmuson keresztül. Az eredmények azt mutatják, hogy a gyógyító adalékok beépítése 3–12%-kal növeli a bevonat keménységét, és 85,6–93,6%-os karcgyógyulási hatékonyságot ér el 30 percen belül 120 °C-on, jelentősen meghosszabbítva a bevonatok élettartamát. Ez a tanulmány innovatív megoldást kínál a mérnöki anyagok felületvédelmére.
A mérnöki anyagok területén a bevonóanyagok mechanikai sérüléseinek javítása régóta komoly kihívást jelent. Bár a hagyományos poliuretán bevonatok kiváló időjárásállóságot és tapadást mutatnak, védőteljesítményük gyorsan romlik, ha karcolások vagy repedések keletkeznek. A biológiai öngyógyító mechanizmusok ihlette a tudósok elkezdték kutatni a dinamikus kovalens kötéseken alapuló öngyógyító anyagokat, amelyek közül a Diels-Alder (DA) reakció enyhe reakciókörülményei és kedvező visszafordíthatósága miatt jelentős figyelmet kapott. A meglévő kutatások azonban elsősorban a lineáris poliuretán rendszerekre összpontosítottak, ami hiányosságot hagyott a térhálósított poliuretán porbevonatok öngyógyító tulajdonságainak vizsgálatában.
Ennek a technikai akadálynak az áttörése érdekében a hazai kutatók innovatív módon két DA gyógyítószert – furán-maleinsavanhidridet és furán-bismaleimidet – vezettek be egy hidroxilezett poliészter gyanta rendszerbe, így egy kiváló öngyógyító tulajdonságokkal rendelkező poliuretán porbevonatot fejlesztettek ki. A tanulmány ¹H NMR-t használt a gyógyítószerek szerkezetének megerősítésére, differenciális pásztázó kalorimetriát (DSC) a DA/retro-DA reakciók visszafordíthatóságának ellenőrzésére, valamint nanoindentációs technikákat és felületi profilometriát a bevonatok mechanikai tulajdonságainak és felületi jellemzőinek szisztematikus értékelésére.
A főbb kísérleti technikákat tekintve a kutatócsoport először hidroxiltartalmú DA-gyógyítószereket szintetizált kétlépéses módszerrel. Ezt követően 5 tömeg% és 10 tömeg% gyógyítószert tartalmazó poliuretán porokat állított elő olvadékkeveréssel, és elektrosztatikus permetezéssel vitte fel acélfelületekre. A gyógyítószer nélküli kontrollcsoportokkal összehasonlítva szisztematikusan vizsgálta a gyógyítószer koncentrációjának az anyagtulajdonságokra gyakorolt hatását.
1.Az NMR-analízis megerősíti a gyógyító anyag szerkezetét
Az 1H NMR spektrumok azt mutatták, hogy az aminnal beillesztett furán-maleinsavanhidrid (HA-1) jellegzetes DA gyűrűcsúcsokat mutatott δ = 3,07 ppm és 5,78 ppm értékeknél, míg a furán-bismaleimid addukt (HA-2) tipikus DA kötési protonjelet mutatott δ = 4,69 ppm értéken, megerősítve a gyógyító szerek sikeres szintézisét.
2.A DSC hővel visszafordítható tulajdonságokat tár fel
A DSC-görbék azt mutatták, hogy a gyógyítószereket tartalmazó minták endoterm csúcsokat mutattak a DA reakció esetében 75 °C-on, és jellemző csúcsokat a retro-DA reakció esetében 110–160 °C tartományban. A csúcsok területe a magasabb gyógyítószer-tartalommal nőtt, ami kiváló termikus reverzibilitást mutat.
3.A nanoindentációs tesztek keménységjavulást mutatnak
A mélységérzékeny nanoindentációs vizsgálatok kimutatták, hogy 5 tömeg% és 10 tömeg% nedvszívó képességű adalékanyag hozzáadása 3, illetve 12%-kal növelte a bevonat keménységét. A nedvszívó képességű adalékanyagok és a poliuretán mátrix között kialakult térhálós hálózatnak tulajdoníthatóan 0,227 GPa keménységértéket ért el még 8500 nm mélységben is.
4.Felületi morfológiai elemzés
A felületi érdességi vizsgálatok azt mutatták, hogy a tiszta poliuretán bevonatok 86%-kal csökkentették az aljzat Rz értékét, míg a gyógyítószeres bevonatok a nagyobb részecskék jelenléte miatt kismértékben növelték az érdességet. A FESEM képek vizuálisan illusztrálták a gyógyítószer-részecskék által okozott felületi textúra változásokat.
5.Áttörés a karcolásgyógyulás hatékonyságában
Optikai mikroszkópos megfigyelések kimutatták, hogy a 10 tömeg% gyógyítószert tartalmazó bevonatok 120 °C-on 30 percig tartó hőkezelést követően a karcolás szélessége 141 μm-ről 9 μm-re csökkent, így a gyógyító hatásfok 93,6% volt. Ez a teljesítmény jelentősen meghaladja a lineáris poliuretán rendszerekre vonatkozó szakirodalomban közölt értékeket.
A Next Materials folyóiratban publikált tanulmány számos újítást kínál: Először is, a kifejlesztett DA-módosított poliuretán porbevonatok a jó mechanikai tulajdonságokat ötvözik az öngyógyuló képességgel, akár 12%-os keménységjavulást is elérve. Másodszor, az elektrosztatikus permetezési technológia biztosítja a gyógyítószerek egyenletes eloszlását a térhálós hálózaton belül, kiküszöbölve a hagyományos mikrokapszula-technikákra jellemző pozicionálási pontatlanságot. A legfontosabb, hogy ezek a bevonatok viszonylag alacsony hőmérsékleten (120 °C) magas gyógyítóhatásfokot érnek el, ami nagyobb ipari alkalmazhatóságot kínál a meglévő szakirodalomban közölt 145 °C-os gyógyítóhőmérséklethez képest. A tanulmány nemcsak új megközelítést kínál a mérnöki bevonatok élettartamának meghosszabbítására, hanem a „gyógyítószer-koncentráció-teljesítmény” kapcsolat kvantitatív elemzésén keresztül elméleti keretet is létrehoz a funkcionális bevonatok molekuláris tervezéséhez. A gyógyítószerek hidroxiltartalmának és az uretdion térhálósítók arányának jövőbeli optimalizálása várhatóan tovább fogja kitolni az öngyógyuló bevonatok teljesítményhatárait.
Közzététel ideje: 2025. szeptember 15.