Щоб вирішити проблему схильності звичайних поліуретанових покриттів до пошкоджень та відсутності здатності до самовідновлення, дослідники розробили самовідновлювальні поліуретанові покриття, що містять 5% та 10% загоювальних агентів за механізмом циклоприєднання Дільса-Альдера (DA). Результати показують, що додавання загоювальних агентів збільшує твердість покриття на 3–12% та досягає ефективності загоєння подряпин 85,6–93,6% протягом 30 хвилин при 120 °C, що значно подовжує термін служби покриттів. Це дослідження пропонує інноваційне рішення для захисту поверхні інженерних матеріалів.
У галузі інженерних матеріалів відновлення механічних пошкоджень у покривних матеріалах вже давно є серйозною проблемою. Хоча традиційні поліуретанові покриття демонструють чудову стійкість до атмосферних впливів та адгезію, їхні захисні властивості швидко погіршуються після появи подряпин або тріщин. Натхненні біологічними механізмами самовідновлення, вчені почали досліджувати самовідновлювальні матеріали на основі динамічних ковалентних зв'язків, причому реакція Дільса-Альдера (DA) привертає значну увагу завдяки своїм м'яким умовам реакції та сприятливій оборотності. Однак, існуючі дослідження в основному зосереджені на лінійних поліуретанових системах, що залишає прогалину у вивченні самовідновлювальних властивостей зшитих поліуретанових порошкових покриттів.
Щоб подолати цей технічний бар'єр, вітчизняні дослідники інноваційно впровадили два DA-відновлювальні агенти — фуран-малеїновий ангідрид та фуран-бісмалеїмід — у систему гідроксильованої поліефірної смоли, розробивши поліуретанове порошкове покриття з чудовими властивостями самовідновлення. У дослідженні використовували ¹H ЯМР для підтвердження структури відновлювальних агентів, диференціальну скануючу калориметрію (ДСК) для перевірки оборотності реакцій DA/ретро-DA та методи наноіндентування разом з профілометрією поверхні для систематичної оцінки механічних властивостей та характеристик поверхні покриттів.
Що стосується ключових експериментальних методів, дослідницька група спочатку синтезувала гідроксилвмісні затверджувальні агенти на основі DA, використовуючи двостадійний метод. Згодом, шляхом змішування розплаву, були отримані поліуретанові порошки, що містять 5% та 10% затверджувальних агентів, та нанесені на сталеві підкладки за допомогою електростатичного напилення. Порівнюючи з контрольними групами без затверджувальних агентів, було систематично досліджено вплив концентрації затверджувальних агентів на властивості матеріалу.
1.ЯМР-аналіз підтверджує структуру загоювального агента
Спектри 1H ЯМР показали, що фуран-малеїновий ангідрид (HA-1) з вставленим аміном демонструє характерні піки кільця DA при δ = 3,07 ppm та 5,78 ppm, тоді як аддукт фуран-бісмалеїміду (HA-2) демонструє типовий сигнал протона зв'язку DA при δ = 4,69 ppm, що підтверджує успішний синтез загоювальних агентів.
2.ДСК виявляє термічно оборотні характеристики
Криві ДСК показали, що зразки, що містять загоювальні агенти, демонстрували ендотермічні піки для реакції ДА при 75 °C та характерні піки для ретро-ДА реакції в діапазоні 110–160 °C. Площа піку збільшувалася зі збільшенням вмісту загоювального агента, що демонструє чудову термічну оборотність.
3.Випробування на наноіндентування показують покращення твердості
Випробування на глибинно-чутливе наноіндентування показали, що додавання 5 мас.% та 10 мас.% затверджувальних агентів збільшило твердість покриття на 3% та 12% відповідно. Значення твердості 0,227 ГПа зберігалося навіть на глибині 8500 нм, що пояснюється зшитою сіткою, утвореною між затверджувальними агентами та поліуретановою матрицею.
4.Аналіз морфології поверхні
Випробування на шорсткість поверхні показали, що чисті поліуретанові покриття зменшили значення Rz основи на 86%, тоді як покриття з загоювальними агентами демонстрували незначне збільшення шорсткості через наявність більших частинок. Зображення FESEM візуально проілюстрували зміни текстури поверхні, що виникають внаслідок впливу частинок загоювального агента.
5.Прорив в ефективності загоєння подряпин
Спостереження за допомогою оптичної мікроскопії показали, що покриття, що містять 10 мас.% загоювального агента, після термічної обробки при 120 °C протягом 30 хвилин демонструють зменшення ширини подряпин зі 141 мкм до 9 мкм, досягаючи ефективності загоєння 93,6%. Цей показник значно перевершує той, що повідомляється в існуючій літературі для лінійних поліуретанових систем.
Опубліковане в Next Materials, це дослідження пропонує кілька інновацій: по-перше, розроблені порошкові покриття з модифікованого DA поліуретану поєднують хороші механічні властивості зі здатністю до самовідновлення, досягаючи покращення твердості до 12%. По-друге, використання технології електростатичного напилення забезпечує рівномірне розподілення загоювальних агентів у зшитій мережі, долаючи неточність позиціонування, типову для традиційних методів мікрокапсулювання. Найголовніше, що ці покриття досягають високої ефективності загоєння при відносно низькій температурі (120 °C), що пропонує більшу промислову придатність порівняно з температурою загоєння 145 °C, про яку повідомляється в існуючій літературі. Дослідження не тільки пропонує новий підхід до продовження терміну служби інженерних покриттів, але й встановлює теоретичну основу для молекулярного дизайну функціональних покриттів за допомогою кількісного аналізу взаємозв'язку «концентрація загоювального агента – продуктивність». Очікується, що майбутня оптимізація вмісту гідроксильних груп у загоювальних агентах та співвідношення уретдіонових зшиваючих агентів ще більше розширить межі продуктивності самовідновлювальних покриттів.
Час публікації: 15 вересня 2025 р.