For å løse problemet med at konvensjonelle polyuretanbelegg er utsatt for skade og mangler selvreparerende egenskaper, utviklet forskere selvreparerende polyuretanbelegg som inneholder 5 vekt% og 10 vekt% reparasjonsmidler via Diels-Alder (DA) cykloaddisjonsmekanismen. Resultatene indikerer at inkorporering av reparasjonsmidler øker beleggets hardhet med 3–12 % og oppnår ripereparasjonseffektivitet på 85,6–93,6 % i løpet av 30 minutter ved 120 °C, noe som forlenger beleggets levetid betydelig. Denne studien gir en innovativ løsning for overflatebeskyttelse av ingeniørmaterialer.
Innen ingeniørmaterialer har reparasjon av mekaniske skader i beleggmaterialer lenge vært en stor utfordring. Selv om tradisjonelle polyuretanbelegg viser utmerket værbestandighet og vedheft, forringes deres beskyttende ytelse raskt når riper eller sprekker oppstår. Inspirert av biologiske selvreparerende mekanismer har forskere begynt å utforske selvreparerende materialer basert på dynamiske kovalente bindinger, der Diels-Alder (DA)-reaksjonen får betydelig oppmerksomhet på grunn av dens milde reaksjonsbetingelser og gunstige reversibilitet. Eksisterende forskning har imidlertid primært fokusert på lineære polyuretansystemer, noe som etterlater et gap i studiet av selvreparerende egenskaper i tverrbundne polyuretanpulverbelegg.
For å bryte gjennom denne tekniske barrieren introduserte innenlandske forskere innovativt to DA-helbredende midler – furan-maleinsyreanhydrid og furan-bismaleimid – i et hydroksylert polyesterharpikssystem, og utviklet dermed et polyuretanpulverbelegg med utmerkede selvhelbredende egenskaper. Studien brukte 1H-NMR for å bekrefte strukturen til helingsmidlene, differensialskanningskalorimetri (DSC) for å verifisere reversibiliteten til DA/retro-DA-reaksjonene, og nanoindentasjonsteknikker sammen med overflateprofilometri for systematisk å evaluere de mekaniske egenskapene og overflateegenskapene til beleggene.
Når det gjelder viktige eksperimentelle teknikker, syntetiserte forskerteamet først hydroksylholdige DA-helingsmidler ved hjelp av en totrinnsmetode. Deretter ble polyuretanpulver som inneholdt 5 vekt% og 10 vekt% helingsmidler fremstilt via smelteblanding og påført stålunderlag ved hjelp av elektrostatisk sprøyting. Ved å sammenligne med kontrollgrupper uten helingsmidler ble påvirkningen av helingsmiddelkonsentrasjonen på materialegenskaper systematisk undersøkt.
1.NMR-analyse bekrefter strukturen til helbredelsesmidlet
1H NMR-spektre viste at amin-innsatt furan-maleinsyreanhydrid (HA-1) viste karakteristiske DA-ringtopper ved δ = 3,07 ppm og 5,78 ppm, mens furan-bismaleimid-adduktet (HA-2) viste et typisk DA-bindingsprotonsignal ved δ = 4,69 ppm, noe som bekreftet den vellykkede syntesen av helbredelsesmidlene.
2.DSC avslører termisk reversible egenskaper
DSC-kurver indikerte at prøver som inneholdt helbredende stoffer viste endoterme topper for DA-reaksjonen ved 75 °C og karakteristiske topper for retro-DA-reaksjonen i området 110–160 °C. Topparealet økte med høyere innhold av helbredende stoffer, noe som demonstrerte utmerket termisk reversibilitet.
3.Nanoindentasjonstester viser forbedring av hardhet
Dybdesensitive nanoindentasjonstester viste at tilsetning av 5 vekt% og 10 vekt% helbredende stoffer økte beleggets hardhet med henholdsvis 3% og 12%. En hardhetsverdi på 0,227 GPa ble opprettholdt selv på en dybde på 8500 nm, noe som tilskrives det tverrbundne nettverket som dannes mellom helbredende stoffer og polyuretanmatrisen.
4.Analyse av overflatemorfologi
Overflateruhetstester viste at rene polyuretanbelegg reduserte substratets Rz-verdi med 86 %, mens belegg med helbredelsesmidler viste en liten økning i ruhet på grunn av tilstedeværelsen av større partikler. FESEM-bilder illustrerte visuelt endringer i overflatetekstur som følge av helbredelsesmiddelpartiklene.
5.Gjennombrudd innen effektivitet innen ripebehandling
Optiske mikroskopiobservasjoner viste at belegg som inneholdt 10 vekt% helingsmiddel, etter varmebehandling ved 120 °C i 30 minutter, viste en reduksjon i ripebredde fra 141 μm til 9 μm, og oppnådde en helingseffektivitet på 93,6 %. Denne ytelsen er betydelig bedre enn det som er rapportert i eksisterende litteratur for lineære polyuretansystemer.
Denne studien, som er publisert i Next Materials, tilbyr flere innovasjoner: For det første kombinerer de utviklede DA-modifiserte polyuretanpulverbeleggene gode mekaniske egenskaper med selvreparerende evne, og oppnår en hardhetsforbedring på opptil 12 %. For det andre sikrer bruken av elektrostatisk sprøyteteknologi jevn spredning av helbredende stoffer i det tverrbundne nettverket, og overvinner posisjoneringsunøyaktigheten som er typisk for tradisjonelle mikrokapselteknikker. Viktigst av alt oppnår disse beleggene høy helbredelseseffektivitet ved en relativt lav temperatur (120 °C), noe som gir større industriell anvendelighet sammenlignet med helbredelsestemperaturen på 145 °C som er rapportert i eksisterende litteratur. Studien gir ikke bare en ny tilnærming til å forlenge levetiden til tekniske belegg, men etablerer også et teoretisk rammeverk for molekylær design av funksjonelle belegg gjennom sin kvantitative analyse av forholdet "konsentrasjon og ytelse mellom helbredende stoffer". Fremtidig optimalisering av hydroksylinnholdet i helbredende stoffer og forholdet mellom uretdion-tverrbindere forventes å ytterligere presse ytelsesgrensene for selvreparerende belegg.
Publisert: 15. september 2025