Perinteisten polyuretaanipinnoitteiden vaurioitumisalttiuden ja itsekorjautuvuuden puutteen ratkaisemiseksi tutkijat kehittivät itsekorjautuvia polyuretaanipinnoitteita, jotka sisälsivät 5 ja 10 painoprosenttia korjausaineita Diels-Alder (DA) -sykloadditiomekanismin kautta. Tulokset osoittavat, että korjausaineiden lisääminen lisää pinnoitteen kovuutta 3–12 % ja saavuttaa 85,6–93,6 %:n naarmujen paranemistehokkuuden 30 minuutissa 120 °C:ssa, mikä pidentää merkittävästi pinnoitteiden käyttöikää. Tämä tutkimus tarjoaa innovatiivisen ratkaisun teknisten materiaalien pinnan suojaamiseen.
Teknisten materiaalien alalla pinnoitemateriaalien mekaanisten vaurioiden korjaus on pitkään ollut suuri haaste. Vaikka perinteisillä polyuretaanipinnoitteilla on erinomainen säänkestävyys ja tarttuvuus, niiden suojauskyky heikkenee nopeasti naarmujen tai halkeamien ilmaantuessa. Biologisten itsekorjausmekanismien innoittamana tutkijat ovat alkaneet tutkia dynaamisiin kovalenttisiin sidoksiin perustuvia itsekorjautuvia materiaaleja. Diels-Alder (DA) -reaktio on saanut merkittävää huomiota lievien reaktio-olosuhteidensa ja suotuisan palautuvuutensa ansiosta. Nykyinen tutkimus on kuitenkin keskittynyt pääasiassa lineaarisiin polyuretaanijärjestelmiin, mikä on jättänyt aukon silloitettujen polyuretaanijauhepinnoitteiden itsekorjautuvien ominaisuuksien tutkimuksessa.
Tämän teknisen esteen ylittämiseksi kotimaiset tutkijat esittelivät innovatiivisesti kaksi DA-parantamisainetta – furaani-maleiinihappoanhydridin ja furaani-bismaleimidin – hydroksyloituun polyesterihartsijärjestelmään kehittäen polyuretaanijauhepinnoitteen, jolla on erinomaiset itsekorjautuvat ominaisuudet. Tutkimuksessa käytettiin ¹H NMR:ää parantamisaineiden rakenteen varmistamiseksi, differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC) DA/retro-DA-reaktioiden palautuvuuden varmistamiseksi ja nanoindentaatiotekniikoita sekä pinnan profilometriaa pinnoitteiden mekaanisten ominaisuuksien ja pintaominaisuuksien systemaattiseen arviointiin.
Keskeisten kokeellisten tekniikoiden osalta tutkimusryhmä syntetisoi ensin hydroksyyliryhmiä sisältäviä DA-paranteita kaksivaiheisella menetelmällä. Seuraavaksi valmistettiin suleseostamalla polyuretaanijauheita, jotka sisälsivät 5 ja 10 painoprosenttia parannusaineita, ja levitettiin teräsalustoille sähköstaattisen ruiskutuksen avulla. Vertaamalla parannusaineita sisältämättömiin kontrolliryhmiin tutkittiin systemaattisesti parannusaineen pitoisuuden vaikutusta materiaalin ominaisuuksiin.
1.NMR-analyysi vahvistaa parantavan aineen rakenteen
1H NMR-spektrit osoittivat, että amiinilla insertoidulla furaani-maleiinihappoanhydridillä (HA-1) oli tyypilliset DA-rengaspiikit kohdissa δ = 3,07 ppm ja 5,78 ppm, kun taas furaani-bismaleiini-imidiadduktilla (HA-2) oli tyypillinen DA-sidoksen protonisignaali kohdissa δ = 4,69 ppm, mikä vahvisti parantavien aineiden onnistuneen synteesin.
2.DSC paljastaa termisesti palautuvat ominaisuudet
DSC-käyrät osoittivat, että parannusaineita sisältävillä näytteillä oli endotermisiä piikkejä DA-reaktiolle 75 °C:ssa ja retro-DA-reaktiolle ominaisia piikkejä välillä 110–160 °C. Piikin pinta-ala kasvoi parannusainepitoisuuden kasvaessa, mikä osoittaa erinomaista lämpöpalautuvuutta.
3.Nanoindentaatiotestit osoittavat kovuuden paranemista
Syvyysherkät nanoindentaatiotestit osoittivat, että 5 ja 10 paino-% parannusaineiden lisääminen lisäsi pinnoitteen kovuutta vastaavasti 3 % ja 12 %. Kovuusarvo 0,227 GPa säilyi jopa 8500 nm:n syvyydessä, mikä johtuu parannusaineiden ja polyuretaanimatriisin välille muodostuneesta silloittuneesta verkosta.
4.Pinnan morfologian analyysi
Pinnan karheustestit osoittivat, että puhtaat polyuretaanipinnoitteet pienensivät alustan Rz-arvoa 86 %, kun taas parannusaineita sisältävät pinnoitteet osoittivat hieman karheuden kasvua suurempien hiukkasten läsnäolon vuoksi. FESEM-kuvat havainnollistavat visuaalisesti parannusainehiukkasten aiheuttamia muutoksia pinnan rakenteessa.
5.Läpimurto naarmujen paranemisen tehokkuudessa
Optiset mikroskopiahavainnot osoittivat, että 10 painoprosenttia korjausainetta sisältävien pinnoitteiden naarmujen leveys pieneni 120 °C:ssa 30 minuutin lämpökäsittelyn jälkeen 141 μm:stä 9 μm:iin, jolloin korjaustehokkuus oli 93,6 %. Tämä suorituskyky on merkittävästi parempi kuin lineaaristen polyuretaanijärjestelmien olemassa olevassa kirjallisuudessa raportoitu.
Next Materials -lehdessä julkaistu tutkimus tarjoaa useita innovaatioita: Ensinnäkin kehitetyt DA-modifioidut polyuretaanijauhemaalit yhdistävät hyvät mekaaniset ominaisuudet itsekorjautuvaan kykyyn, saavuttaen jopa 12 %:n kovuuden parannuksen. Toiseksi, sähköstaattisen ruiskutustekniikan käyttö varmistaa korjausaineiden tasaisen jakautumisen ristisilloitettuun verkkoon, mikä poistaa perinteisille mikrokapselitekniikoille tyypillisen sijoittelutarkkuuden. Mikä tärkeintä, nämä pinnoitteet saavuttavat korkean korjaustehokkuuden suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (120 °C), mikä tarjoaa paremman teollisen sovellettavuuden verrattuna olemassa olevassa kirjallisuudessa raportoituun 145 °C:n korjauslämpötilaan. Tutkimus ei ainoastaan tarjoa uutta lähestymistapaa teknisten pinnoitteiden käyttöiän pidentämiseen, vaan myös luo teoreettisen viitekehyksen funktionaalisten pinnoitteiden molekyylisuunnittelulle "korjausaineen pitoisuus-suorituskyky"-suhteen kvantitatiivisen analyysin avulla. Korjausaineiden hydroksyylipitoisuuden ja uretdionisilloitusaineiden suhteen tulevan optimoinnin odotetaan entisestään laajentavan itsekorjautuvien pinnoitteiden suorituskykyrajoja.
Julkaisun aika: 15. syyskuuta 2025