For at imødegå problemet med konventionelle polyurethanbelægninger, der er tilbøjelige til at beskadige og mangler selvreparerende egenskaber, har forskere udviklet selvreparerende polyurethanbelægninger indeholdende 5 vægt% og 10 vægt% helingsmidler via Diels-Alder (DA) cycloaddition-mekanismen. Resultaterne indikerer, at inkorporering af helingsmidler øger belægningens hårdhed med 3%-12% og opnår ridsehelingseffektiviteter på 85,6%-93,6% inden for 30 minutter ved 120 °C, hvilket forlænger belægningernes levetid betydeligt. Denne undersøgelse giver en innovativ løsning til overfladebeskyttelse af ingeniørmaterialer.
Inden for tekniske materialer har reparation af mekaniske skader i belægningsmaterialer længe været en stor udfordring. Selvom traditionelle polyurethanbelægninger udviser fremragende vejrbestandighed og vedhæftning, forringes deres beskyttende ydeevne hurtigt, når der opstår ridser eller revner. Inspireret af biologiske selvreparerende mekanismer er forskere begyndt at udforske selvreparerende materialer baseret på dynamiske kovalente bindinger, hvor Diels-Alder (DA)-reaktionen får betydelig opmærksomhed på grund af dens milde reaktionsbetingelser og gunstige reversibilitet. Eksisterende forskning har dog primært fokuseret på lineære polyurethansystemer, hvilket har efterladt et hul i studiet af selvreparerende egenskaber i tværbundne polyurethanpulverbelægninger.
For at bryde igennem denne tekniske barriere introducerede indenlandske forskere innovativt to DA-helingsmidler - furan-maleinsyreanhydrid og furan-bismaleimid - i et hydroxyleret polyesterharpikssystem og udviklede dermed en polyurethanpulverbelægning med fremragende selvhelingsegenskaber. Undersøgelsen brugte 1H NMR til at bekræfte helingsmidlernes struktur, differentiel scanningskalorimetri (DSC) til at verificere reversibiliteten af DA/retro-DA-reaktionerne og nanoindentationsteknikker sammen med overfladeprofilometri til systematisk at evaluere belægningernes mekaniske egenskaber og overfladekarakteristika.
Med hensyn til centrale eksperimentelle teknikker syntetiserede forskerholdet først hydroxylholdige DA-helingsmidler ved hjælp af en totrinsmetode. Efterfølgende blev polyurethanpulvere indeholdende 5 vægt% og 10 vægt% helingsmidler fremstillet via smelteblanding og påført stålsubstrater ved hjælp af elektrostatisk sprøjtning. Ved at sammenligne med kontrolgrupper uden helingsmidler blev indflydelsen af helingsmiddelkoncentrationen på materialeegenskaber systematisk undersøgt.
1.NMR-analyse bekræfter strukturen af helingsmidlet
1H NMR-spektre viste, at amin-indsat furan-maleinsyreanhydrid (HA-1) udviste karakteristiske DA-ringtoppe ved δ = 3,07 ppm og 5,78 ppm, mens furan-bismaleimid-adduktet (HA-2) udviste et typisk DA-bindingsprotonsignal ved δ = 4,69 ppm, hvilket bekræftede den vellykkede syntese af de helende stoffer.
2.DSC afslører termisk reversible egenskaber
DSC-kurver indikerede, at prøver indeholdende helingsmidler udviste endoterme toppe for DA-reaktionen ved 75 °C og karakteristiske toppe for retro-DA-reaktionen i området 110-160 °C. Toparealet steg med højere indhold af helingsmidler, hvilket demonstrerede fremragende termisk reversibilitet.
3.Nanoindentationstest viser forbedring af hårdhed
Dybdefølsomme nanoindentationstest viste, at tilsætning af 5 vægt% og 10 vægt% helingsmidler øgede belægningens hårdhed med henholdsvis 3% og 12%. En hårdhedsværdi på 0,227 GPa blev opretholdt selv i en dybde på 8500 nm, hvilket tilskrives det tværbundne netværk dannet mellem helingsmidlerne og polyurethanmatrixen.
4.Analyse af overflademorfologi
Overfladeruhedstest viste, at rene polyurethanbelægninger reducerede substratets Rz-værdi med 86%, mens belægninger med helingsmidler udviste en lille stigning i ruhed på grund af tilstedeværelsen af større partikler. FESEM-billeder illustrerede visuelt ændringer i overfladetekstur som følge af partiklerne i helingsmidlet.
5.Gennembrud inden for effektivitet af ridseheling
Optiske mikroskopiobservationer viste, at belægninger indeholdende 10 vægt% helingsmiddel, efter varmebehandling ved 120 °C i 30 minutter, udviste en reduktion i ridsebredden fra 141 μm til 9 μm, hvilket opnåede en helingseffektivitet på 93,6%. Denne ydeevne er betydeligt bedre end den, der er rapporteret i eksisterende litteratur for lineære polyurethansystemer.
Denne undersøgelse, der er offentliggjort i Next Materials, tilbyder flere innovationer: For det første kombinerer de udviklede DA-modificerede polyurethanpulverbelægninger gode mekaniske egenskaber med selvreparerende evne, hvilket opnår en hårdhedsforbedring på op til 12 %. For det andet sikrer brugen af elektrostatisk sprøjteteknologi ensartet spredning af helingsmidler i det tværbundne netværk, hvilket overvinder den positioneringsunøjagtighed, der er typisk for traditionelle mikrokapselteknikker. Vigtigst af alt opnår disse belægninger høj helingseffektivitet ved en relativt lav temperatur (120 °C), hvilket giver større industriel anvendelighed sammenlignet med den helingstemperatur på 145 °C, der er rapporteret i eksisterende litteratur. Undersøgelsen giver ikke kun en ny tilgang til at forlænge levetiden for tekniske belægninger, men etablerer også en teoretisk ramme for det molekylære design af funktionelle belægninger gennem sin kvantitative analyse af forholdet "helingsmiddelkoncentration-ydeevne". Fremtidig optimering af hydroxylindholdet i helingsmidler og forholdet mellem uretdion-tværbindere forventes yderligere at skubbe ydeevnegrænserne for selvreparerende belægninger.
Opslagstidspunkt: 15. september 2025