Lai risinātu problēmu ar tradicionālajiem poliuretāna pārklājumiem, kas ir pakļauti bojājumiem un kuriem trūkst pašatjaunošanās spēju, pētnieki izstrādāja pašatjaunojošus poliuretāna pārklājumus, kas satur 5 svara% un 10 svara% dziedinošo vielu, izmantojot Dīlsa-Aldera (DA) cikloadīcijas mehānismu. Rezultāti liecina, ka dziedinošo vielu pievienošana palielina pārklājuma cietību par 3–12% un sasniedz skrāpējumu dzīšanas efektivitāti 85,6–93,6% 30 minūšu laikā 120 °C temperatūrā, ievērojami pagarinot pārklājumu kalpošanas laiku. Šis pētījums piedāvā inovatīvu risinājumu inženiertehnisko materiālu virsmas aizsardzībai.
Inženiertehnisko materiālu jomā mehānisku bojājumu labošana pārklājuma materiālos jau sen ir bijis liels izaicinājums. Lai gan tradicionālajiem poliuretāna pārklājumiem piemīt lieliska izturība pret laikapstākļiem un saķere, to aizsargājošās īpašības strauji pasliktinās, tiklīdz rodas skrāpējumi vai plaisas. Iedvesmojoties no bioloģiskajiem pašatjaunošanās mehānismiem, zinātnieki ir sākuši pētīt pašatjaunojošos materiālus, kuru pamatā ir dinamiskās kovalentās saites, un Dīlsa-Aldera (DA) reakcijai ir pievērsta ievērojama uzmanība, pateicoties tās vieglajiem reakcijas apstākļiem un labvēlīgajai atgriezeniskumam. Tomēr esošie pētījumi galvenokārt ir vērsti uz lineārām poliuretāna sistēmām, atstājot robu šķērssaistītu poliuretāna pulverkrāsu pašatjaunošanās īpašību pētījumos.
Lai pārvarētu šo tehnisko šķērsli, vietējie pētnieki inovatīvi ieviesa divus DA dziedināšanas līdzekļus — furāna-maleīnskābes anhidrīdu un furāna-bismaleimīdu — hidroksilētu poliestera sveķu sistēmā, izstrādājot poliuretāna pulvera pārklājumu ar izcilām pašatjaunošanās īpašībām. Pētījumā tika izmantota ¹H NMR, lai apstiprinātu dziedināšanas līdzekļu struktūru, diferenciālā skenējošā kalorimetrija (DSC), lai pārbaudītu DA/retro-DA reakciju atgriezeniskumu, un nanoindentācijas metodes kopā ar virsmas profilometriju, lai sistemātiski novērtētu pārklājumu mehāniskās īpašības un virsmas raksturlielumus.
Runājot par galvenajām eksperimentālajām metodēm, pētnieku komanda vispirms sintezēja hidroksilgrupu saturošus DA dziedinošus līdzekļus, izmantojot divpakāpju metodi. Pēc tam, izmantojot kausēšanas sajaukšanu, tika sagatavoti poliuretāna pulveri, kas satur 5 svara% un 10 svara% dziedinošu līdzekļu, un uzklāti uz tērauda virsmām, izmantojot elektrostatisko izsmidzināšanu. Salīdzinot ar kontroles grupām bez dziedinošiem līdzekļiem, sistemātiski tika pētīta dziedinošā līdzekļa koncentrācijas ietekme uz materiāla īpašībām.
1.NMR analīze apstiprina dziedinošās vielas struktūru
1H NMR spektri parādīja, ka amīnu saturošam furāna-maleīnskābes anhidrīdam (HA-1) raksturīgie DA gredzena pīķi bija pie δ = 3,07 ppm un 5,78 ppm, savukārt furāna-bismaleimīda aduktam (HA-2) bija tipisks DA saites protonu signāls pie δ = 4,69 ppm, apstiprinot dziedinošo vielu veiksmīgu sintēzi.
2.DSC atklāj termiski atgriezeniskas īpašības
DSC līknes norādīja, ka paraugi, kas satur dziedinošus līdzekļus, uzrādīja endotermiskus DA reakcijas maksimumus 75 °C temperatūrā un raksturīgos retro-DA reakcijas maksimumus 110–160 °C diapazonā. Maksimālā laukuma pieaugums bija līdz ar augstāku dziedinošā līdzekļa saturu, demonstrējot izcilu termisko atgriezeniskumu.
3.Nanoindentācijas testi parāda cietības uzlabošanos
Dziļuma jutīgie nanoindentācijas testi atklāja, ka 5 svara % un 10 svara % dziedinošo aģentu pievienošana palielināja pārklājuma cietību attiecīgi par 3 % un 12 %. Cietības vērtība 0,227 GPa saglabājās pat 8500 nm dziļumā, kas ir saistīts ar šķērssaistīto tīklu, kas izveidojies starp dziedinošajām vielām un poliuretāna matricu.
4.Virsmas morfoloģijas analīze
Virsmas raupjuma testi parādīja, ka tīri poliuretāna pārklājumi samazināja substrāta Rz vērtību par 86%, savukārt pārklājumi ar dziedinošiem līdzekļiem uzrādīja nelielu raupjuma palielināšanos lielāku daļiņu klātbūtnes dēļ. FESEM attēli vizuāli ilustrēja virsmas tekstūras izmaiņas, kas rodas dziedinošā līdzekļa daļiņu ietekmē.
5.Izrāviens skrāpējumu dziedināšanas efektivitātē
Optiskās mikroskopijas novērojumi parādīja, ka pārklājumi, kas satur 10 svara % dziedinošās vielas, pēc termiskās apstrādes 120 °C temperatūrā 30 minūtes samazināja skrāpējuma platumu no 141 μm līdz 9 μm, sasniedzot 93,6 % dziedinošās efektivitātes. Šī veiktspēja ir ievērojami pārāka par esošajā literatūrā ziņoto lineāro poliuretāna sistēmu veiktspēju.
Šis pētījums, kas publicēts žurnālā “Next Materials”, piedāvā vairākus jauninājumus: pirmkārt, izstrādātie DA modificētie poliuretāna pulvera pārklājumi apvieno labas mehāniskās īpašības ar pašatjaunošanās spēju, panākot cietības uzlabojumu līdz pat 12%. Otrkārt, elektrostatiskās izsmidzināšanas tehnoloģijas izmantošana nodrošina dziedinošo līdzekļu vienmērīgu izkliedi šķērssaistītajā tīklā, pārvarot tradicionālajām mikrokapsulu metodēm raksturīgo pozicionēšanas neprecizitāti. Vissvarīgākais ir tas, ka šie pārklājumi sasniedz augstu dziedināšanas efektivitāti relatīvi zemā temperatūrā (120 °C), piedāvājot lielāku rūpniecisko pielietojamību salīdzinājumā ar 145 °C dziedināšanas temperatūru, kas aprakstīta esošajā literatūrā. Pētījums ne tikai piedāvā jaunu pieeju inženiertehnisko pārklājumu kalpošanas laika pagarināšanai, bet arī izveido teorētisku pamatu funkcionālo pārklājumu molekulārajai projektēšanai, izmantojot kvantitatīvu “dziedinošo līdzekļu koncentrācijas un veiktspējas” attiecību analīzi. Paredzams, ka turpmāka hidroksilgrupu satura optimizācija dziedinošajos līdzekļos un uretdionu šķērssaistītāju attiecība vēl vairāk paplašinās pašatjaunojošo pārklājumu veiktspējas robežas.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 15. septembris