Da bi rešili problem konvencionalnih poliuretanskih premazov, ki so nagnjeni k poškodbam in nimajo sposobnosti samozdravljenja, so raziskovalci razvili samozdravilne poliuretanske premaze, ki vsebujejo 5 mas. % in 10 mas. % zdravilnih sredstev prek Diels-Alderjevega (DA) cikloadicijskega mehanizma. Rezultati kažejo, da vključitev zdravilnih sredstev poveča trdoto premaza za 3 %–12 % in doseže učinkovitost celjenja prask 85,6 %–93,6 % v 30 minutah pri 120 °C, kar znatno podaljša življenjsko dobo premazov. Ta študija ponuja inovativno rešitev za zaščito površin inženirskih materialov.
Na področju inženirskih materialov je popravilo mehanskih poškodb premaznih materialov že dolgo velik izziv. Čeprav tradicionalni poliuretanski premazi kažejo odlično vremensko odpornost in oprijem, se njihova zaščitna učinkovitost hitro poslabša, ko se pojavijo praske ali razpoke. Znanstveniki so, navdihnjeni z biološkimi mehanizmi samozdravljenja, začeli raziskovati samozdravilne materiale, ki temeljijo na dinamičnih kovalentnih vezi, pri čemer je Diels-Alderjeva (DA) reakcija zaradi svojih blagih reakcijskih pogojev in ugodne reverzibilnosti deležna velike pozornosti. Vendar pa so se obstoječe raziskave osredotočale predvsem na linearne poliuretanske sisteme, kar je pustilo vrzel v preučevanju samozdravilnih lastnosti zamreženih poliuretanskih praškastih premazov.
Da bi prebili to tehnično oviro, so domači raziskovalci inovativno uvedli dva DA sredstva za celjenje – furan-maleinski anhidrid in furan-bismaleimid – v sistem hidroksilirane poliestrske smole in razvili poliuretanski praškasti premaz z odličnimi lastnostmi samozdravljenja. V študiji so uporabili ¹H NMR za potrditev strukture zdravilnih sredstev, diferencialno vrstično kalorimetrijo (DSC) za preverjanje reverzibilnosti reakcij DA/retro-DA ter tehnike nanoindentacije skupaj s površinsko profilometrijo za sistematično oceno mehanskih lastnosti in površinskih značilnosti premazov.
Kar zadeva ključne eksperimentalne tehnike, je raziskovalna skupina najprej sintetizirala hidroksil vsebujoča celilna sredstva DA z uporabo dvostopenjske metode. Nato so s taljenjem pripravili poliuretanske praške, ki vsebujejo 5 mas. % in 10 mas. % celilnih sredstev, in jih z elektrostatičnim brizganjem nanesli na jeklene podlage. V primerjavi s kontrolnimi skupinami brez celilnih sredstev je bil sistematično raziskan vpliv koncentracije celilnega sredstva na lastnosti materiala.
1.NMR analiza potrjuje strukturo zdravilnega sredstva
1H NMR spektri so pokazali, da ima amin-vstavljeni furan-maleinski anhidrid (HA-1) značilne vrhove obroča DA pri δ = 3,07 ppm in 5,78 ppm, medtem ko ima furan-bismaleimidni adukt (HA-2) tipičen signal protona vezi DA pri δ = 4,69 ppm, kar potrjuje uspešno sintezo zdravilnih učinkovin.
2.DSC razkriva termično reverzibilne značilnosti
DSC krivulje so pokazale, da so vzorci, ki vsebujejo celilna sredstva, pokazali endotermne vrhove za reakcijo DA pri 75 °C in značilne vrhove za retro-DA reakcijo v območju 110–160 °C. Površina vrha se je povečevala z višjo vsebnostjo celilnega sredstva, kar kaže na odlično toplotno reverzibilnost.
3.Nanoindentacijski testi kažejo izboljšanje trdote
Globinsko občutljivi nanoindentacijski testi so pokazali, da je dodatek 5 mas. % in 10 mas. % zdravilnih sredstev povečal trdoto premaza za 3 % oziroma 12 %. Vrednost trdote 0,227 GPa se je ohranila tudi na globini 8500 nm, kar pripisujemo zamreženi mreži, ki se tvori med zdravilnimi sredstvi in poliuretansko matrico.
4.Analiza površinske morfologije
Preskusi hrapavosti površine so pokazali, da so čisti poliuretanski premazi zmanjšali vrednost Rz podlage za 86 %, medtem ko so premazi s celilnimi sredstvi pokazali rahlo povečanje hrapavosti zaradi prisotnosti večjih delcev. Slike FESEM so vizualno ponazorile spremembe v teksturi površine, ki so posledica delcev celilnega sredstva.
5.Preboj v učinkovitosti celjenja prask
Optična mikroskopska opazovanja so pokazala, da so premazi, ki vsebujejo 10 mas. % sredstva za celjenje, po toplotni obdelavi pri 120 °C 30 minut pokazali zmanjšanje širine praske s 141 μm na 9 μm, kar je doseglo učinkovitost celjenja 93,6 %. Ta učinkovitost je bistveno boljša od tiste, o kateri poročajo v obstoječi literaturi za linearne poliuretanske sisteme.
Ta študija, objavljena v reviji Next Materials, ponuja številne inovacije: Prvič, razviti z DA modificirani poliuretanski praškasti premazi združujejo dobre mehanske lastnosti s sposobnostjo samozdravljenja, kar doseže izboljšanje trdote do 12 %. Drugič, uporaba tehnologije elektrostatičnega brizganja zagotavlja enakomerno disperzijo zdravilnih sredstev znotraj zamrežene mreže, s čimer premaga nenatančnost pozicioniranja, značilno za tradicionalne tehnike mikrokapsul. Najpomembneje je, da ti premazi dosegajo visoko učinkovitost celjenja pri relativno nizki temperaturi (120 °C), kar ponuja večjo industrijsko uporabnost v primerjavi s temperaturo celjenja 145 °C, o kateri poroča obstoječa literatura. Študija ne ponuja le novega pristopa k podaljšanju življenjske dobe inženirskih premazov, temveč s kvantitativno analizo razmerja med »koncentracijo zdravilnega sredstva in učinkovitostjo« vzpostavlja tudi teoretični okvir za molekularno načrtovanje funkcionalnih premazov. Pričakuje se, da bo prihodnja optimizacija vsebnosti hidroksilnih skupin v zdravilnih sredstvih in razmerja med uretdionskimi zamreževalnimi sredstvi še dodatno razširila meje učinkovitosti samozdravilnih premazov.
Čas objave: 15. september 2025