За да се справят с проблема с конвенционалните полиуретанови покрития, които са склонни към повреди и нямат способност за самовъзстановяване, изследователите разработиха самовъзстановяващи се полиуретанови покрития, съдържащи 5 тегл.% и 10 тегл.% възстановяващи агенти чрез механизма на циклоприсъединяване на Дилс-Алдер (DA). Резултатите показват, че включването на възстановяващи агенти увеличава твърдостта на покритието с 3%–12% и постига ефективност на заздравяване на надрасквания от 85,6%–93,6% в рамките на 30 минути при 120 °C, което значително удължава експлоатационния живот на покритията. Това проучване предоставя иновативно решение за повърхностна защита на инженерни материали.
В областта на инженерните материали, ремонтът на механични повреди в покривните материали отдавна е основно предизвикателство. Въпреки че традиционните полиуретанови покрития показват отлична устойчивост на атмосферни влияния и адхезия, защитните им характеристики се влошават бързо след появата на драскотини или пукнатини. Вдъхновени от биологичните механизми за самовъзстановяване, учените започнаха да изследват самовъзстановяващи се материали, базирани на динамични ковалентни връзки, като реакцията на Дилс-Алдер (DA) привлича значително внимание поради меките реакционни условия и благоприятната обратимост. Съществуващите изследвания обаче са фокусирани предимно върху линейни полиуретанови системи, оставяйки празнина в изучаването на самовъзстановяващите се свойства на омрежените полиуретанови прахови покрития.
За да преодолеят тази техническа бариера, местни изследователи иновативно въведоха два DA възстановяващи агента - фуран-малеинов анхидрид и фуран-бисмалеимид - в хидроксилирана полиестерна смолна система, разработвайки полиуретаново прахово покритие с отлични самовъзстановяващи се свойства. Изследването използва ¹H NMR за потвърждаване на структурата на възстановяващите агенти, диференциална сканираща калориметрия (DSC) за проверка на обратимостта на DA/ретро-DA реакциите и техники за наноиндентиране, заедно с повърхностна профилометрия, за систематична оценка на механичните свойства и повърхностните характеристики на покритията.
По отношение на ключовите експериментални техники, изследователският екип първо синтезира хидроксил-съдържащи DA възстановяващи агенти, използвайки двуетапен метод. Впоследствие, полиуретанови прахове, съдържащи 5 тегл.% и 10 тегл.% възстановяващи агенти, бяха приготвени чрез смесване в стопилка и нанесени върху стоманени основи чрез електростатично пръскане. Чрез сравнение с контролни групи без възстановяващи агенти, беше систематично изследвано влиянието на концентрацията на възстановяващи агенти върху свойствата на материала.
1.ЯМР анализът потвърждава структурата на лечебния агент
1H NMR спектрите показват, че фуран-малеиновият анхидрид (HA-1) с вмъкнат амин проявява характерни пикове на DA пръстена при δ = 3.07 ppm и 5.78 ppm, докато фуран-бисмалеимидният адукт (HA-2) показва типичен DA протонен сигнал за връзка при δ = 4.69 ppm, което потвърждава успешния синтез на лечебните агенти.
2.DSC разкрива термично обратими характеристики
DSC кривите показват, че пробите, съдържащи лечебни агенти, проявяват ендотермични пикове за DA реакцията при 75 °C и характерни пикове за ретро-DA реакцията в диапазона от 110–160 °C. Площта на пика се увеличава с по-високо съдържание на лечебен агент, което демонстрира отлична термична обратимост.
3.Тестовете за наноиндентиране показват подобрение на твърдостта
Тестовете за наноиндентиране, чувствителни към дълбочина, показаха, че добавянето на 5 тегл.% и 10 тегл.% лечебни агенти увеличава твърдостта на покритието съответно с 3% и 12%. Стойност на твърдост от 0,227 GPa се поддържа дори на дълбочина 8500 nm, което се дължи на омрежената мрежа, образувана между лечебните агенти и полиуретановата матрица.
4.Анализ на повърхностната морфология
Тестовете за грапавост на повърхността показаха, че чистите полиуретанови покрития намаляват Rz стойността на основата с 86%, докато покритията с възстановяващи агенти показват леко увеличение на грапавостта поради наличието на по-големи частици. FESEM изображенията визуално илюстрират промените в текстурата на повърхността, произтичащи от частиците на възстановяващия агент.
5.Пробив в ефективността на заздравяването на драскотини
Наблюдения с оптична микроскопия показаха, че покритията, съдържащи 10 тегл.% лечебен агент, след термична обработка при 120°C за 30 минути, показват намаляване на ширината на драскотините от 141 μm до 9 μm, постигайки ефективност на заздравяване от 93,6%. Тази производителност е значително по-добра от тази, докладвана в съществуващата литература за линейни полиуретанови системи.
Публикувано в Next Materials, това проучване предлага множество иновации: Първо, разработените DA-модифицирани полиуретанови прахови покрития съчетават добри механични свойства със способност за самовъзстановяване, постигайки подобрение на твърдостта до 12%. Второ, използването на технология за електростатично пръскане осигурява равномерно разпръскване на лечебните агенти в омрежената мрежа, преодолявайки неточността на позициониране, типична за традиционните техники на микрокапсулиране. Най-важното е, че тези покрития постигат висока ефективност на възстановяване при относително ниска температура (120 °C), предлагайки по-голяма индустриална приложимост в сравнение с температурата на възстановяване от 145 °C, докладвана в съществуващата литература. Проучването не само предоставя нов подход за удължаване на експлоатационния живот на инженерните покрития, но и установява теоретична рамка за молекулярния дизайн на функционалните покрития чрез количествен анализ на връзката „концентрация на лечебния агент-производителност“. Очаква се бъдещата оптимизация на съдържанието на хидроксилни групи в лечебните агенти и съотношението на уретдионовите омрежващи агенти допълнително да разширят границите на производителност на самовъзстановяващите се покрития.
Време на публикуване: 15 септември 2025 г.