För att åtgärda problemet med att konventionella polyuretanbeläggningar är benägna att skada och saknar självläkande förmåga, utvecklade forskare självläkande polyuretanbeläggningar innehållande 5 respektive 10 viktprocent läkande ämnen via Diels-Alder (DA) cykloadditionsmekanism. Resultaten indikerar att införandet av läkande ämnen ökar beläggningens hårdhet med 3–12 % och uppnår repläkningseffektiviteter på 85,6–93,6 % inom 30 minuter vid 120 °C, vilket avsevärt förlänger beläggningarnas livslängd. Denna studie tillhandahåller en innovativ lösning för ytskydd av tekniska material.
Inom området tekniska material har reparation av mekaniska skador i beläggningsmaterial länge varit en stor utmaning. Även om traditionella polyuretanbeläggningar uppvisar utmärkt väderbeständighet och vidhäftning, försämras deras skyddande prestanda snabbt när repor eller sprickor uppstår. Inspirerade av biologiska självläkande mekanismer har forskare börjat utforska självläkande material baserade på dynamiska kovalenta bindningar, där Diels-Alder (DA)-reaktionen får betydande uppmärksamhet på grund av dess milda reaktionsförhållanden och gynnsamma reversibilitet. Befintlig forskning har dock främst fokuserat på linjära polyuretansystem, vilket lämnar ett gap i studien av självläkande egenskaper i tvärbundna polyuretanpulverbeläggningar.
För att bryta igenom denna tekniska barriär introducerade inhemska forskare innovativt två DA-läkande ämnen – furan-maleinsyraanhydrid och furan-bismaleimid – i ett hydroxylerat polyesterhartssystem, vilket utvecklade en polyuretanpulverbeläggning med utmärkta självläkande egenskaper. Studien använde 1H-NMR för att bekräfta läkande ämnens struktur, differentiell svepkalorimetri (DSC) för att verifiera reversibiliteten hos DA/retro-DA-reaktionerna och nanoindenteringstekniker tillsammans med ytprofilometri för att systematiskt utvärdera beläggningarnas mekaniska egenskaper och ytegenskaper.
När det gäller viktiga experimentella tekniker syntetiserade forskargruppen först hydroxylinnehållande DA-läkmedel med hjälp av en tvåstegsmetod. Därefter framställdes polyuretanpulver innehållande 5 viktprocent och 10 viktprocent läkmedel via smältblandning och applicerades på stålsubstrat med hjälp av elektrostatisk sprutning. Genom att jämföra med kontrollgrupper utan läkmedel undersöktes systematiskt inverkan av läkmedelskoncentrationen på materialegenskaperna.
1.NMR-analys bekräftar läkningsmedlets struktur
'H-NMR-spektra visade att amin-insatt furan-maleinsyraanhydrid (HA-1) uppvisade karakteristiska DA-ringtoppar vid δ = 3,07 ppm och 5,78 ppm, medan furan-bismaleimidaddukten (HA-2) uppvisade en typisk DA-bindningsprotonsignal vid δ = 4,69 ppm, vilket bekräftar den framgångsrika syntesen av läkningsmedlen.
2.DSC avslöjar termiskt reversibla egenskaper
DSC-kurvor indikerade att prover innehållande läkande ämnen uppvisade endoterma toppar för DA-reaktionen vid 75 °C och karakteristiska toppar för retro-DA-reaktionen i intervallet 110–160 °C. Topparean ökade med högre halt av läkande ämnen, vilket visar utmärkt termisk reversibilitet.
3.Nanoindentationstester visar förbättring av hårdhet
Djupkänsliga nanoindentationstester visade att tillsatsen av 5 viktprocent respektive 10 viktprocent läkande ämnen ökade beläggningens hårdhet med 3 % respektive 12 %. Ett hårdhetsvärde på 0,227 GPa bibehölls även på ett djup av 8500 nm, vilket tillskrivs det tvärbundna nätverket som bildas mellan läkande ämnen och polyuretanmatrisen.
4.Ytmorfologianalys
Ytjämnhetstester visade att rena polyuretanbeläggningar minskade substratets Rz-värde med 86 %, medan beläggningar med läkmedel uppvisade en liten ökning av ytjämnheten på grund av närvaron av större partiklar. FESEM-bilder illustrerade visuellt förändringar i ytstrukturen till följd av partiklarna i läkmedlet.
5.Genombrott inom effektivitet vid repreparering
Optiska mikroskopiobservationer visade att beläggningar innehållande 10 viktprocent läkande medel, efter värmebehandling vid 120 °C i 30 minuter, uppvisade en minskning av repbredden från 141 μm till 9 μm, vilket uppnådde en läkningseffektivitet på 93,6 %. Denna prestanda är betydligt bättre än den som rapporterats i befintlig litteratur för linjära polyuretansystem.
Denna studie, som publicerades i Next Materials, erbjuder flera innovationer: För det första kombinerar de utvecklade DA-modifierade polyuretanpulverbeläggningarna goda mekaniska egenskaper med självläkande förmåga, vilket uppnår en hårdhetsförbättring på upp till 12 %. För det andra säkerställer användningen av elektrostatisk sprutteknik en jämn spridning av läkande ämnen inom det tvärbundna nätverket, vilket övervinner den positioneringsonnoggrannhet som är typisk för traditionella mikrokapseltekniker. Viktigast av allt uppnår dessa beläggningar hög läkningseffektivitet vid en relativt låg temperatur (120 °C), vilket erbjuder större industriell tillämpbarhet jämfört med den läkningstemperatur på 145 °C som rapporteras i befintlig litteratur. Studien ger inte bara en ny metod för att förlänga livslängden för tekniska beläggningar, utan etablerar också ett teoretiskt ramverk för den molekylära designen av funktionella beläggningar genom sin kvantitativa analys av förhållandet "läkande ämneskoncentration-prestanda". Framtida optimering av hydroxylhalten i läkande ämnen och förhållandet mellan uretdion-tvärbindare förväntas ytterligare pressa prestandagränserna för självläkande beläggningar.
Publiceringstid: 15 sep-2025