Tavapäraste polüuretaankattekihtide kahjustustele kalduvuse ja iseparanemisvõime puudumise probleemi lahendamiseks töötasid teadlased välja iseparanevad polüuretaankattekihid, mis sisaldavad 5 ja 10 massiprotsenti parandavaid aineid Dielsi-Alderi (DA) tsükloadditsioonimehhanismi abil. Tulemused näitavad, et parandavate ainete lisamine suurendab katte kõvadust 3–12% ja saavutab kriimustuste paranemise efektiivsuse 85,6–93,6% 30 minuti jooksul temperatuuril 120 °C, pikendades oluliselt katete kasutusiga. See uuring pakub uuenduslikku lahendust insenerimaterjalide pinnakaitseks.
Insenerimaterjalide valdkonnas on kattematerjalide mehaaniliste kahjustuste parandamine pikka aega olnud suureks väljakutseks. Kuigi traditsioonilised polüuretaankatted on suurepärase ilmastikukindluse ja nakkuvusega, halveneb nende kaitsevõime kriimustuste või pragude tekkimisel kiiresti. Bioloogilistest isetervendavatest mehhanismidest inspireerituna on teadlased hakanud uurima dünaamilistel kovalentsetel sidemetel põhinevaid isetervendavaid materjale, kusjuures Dielsi-Alderi (DA) reaktsioon on oma leebete reaktsioonitingimuste ja soodsa pöörduvuse tõttu pälvinud märkimisväärset tähelepanu. Olemasolevad uuringud on aga keskendunud peamiselt lineaarsetele polüuretaansüsteemidele, jättes ristseotud polüuretaanpulberkatete isetervendavate omaduste uurimisel lünga.
Selle tehnilise barjääri ületamiseks tutvustasid kodumaised teadlased uuenduslikult hüdroksüülitud polüestervaigu süsteemis kahte DA-tüüpi tervendavat ainet – furaan-maleiinanhüdriidi ja furaan-bismaleimiidi –, arendades välja suurepäraste isetervendavate omadustega polüuretaanpulberkatte. Uuringus kasutati tervendavate ainete struktuuri kinnitamiseks ¹H NMR-i, DA/retro-DA reaktsioonide pöörduvuse kontrollimiseks diferentsiaalset skaneerivat kalorimeetriat (DSC) ning katete mehaaniliste omaduste ja pinnakarakteristikute süstemaatiliseks hindamiseks nanoindentatsioonitehnikaid koos pinnaprofilomeetriaga.
Peamiste eksperimentaalsete tehnikate osas sünteesis uurimisrühm esmalt kaheastmelise meetodi abil hüdroksüülrühma sisaldavaid DA-parandusaineid. Seejärel valmistati sulatatud segamise teel polüuretaanpulbrid, mis sisaldasid 5 ja 10 massiprotsenti parendusaineid, ning kanti elektrostaatilise pihustamise teel teraspindadele. Võrreldes kontrollrühmadega, millel polnud parendusaineid, uuriti süstemaatiliselt parendusaine kontsentratsiooni mõju materjali omadustele.
1.NMR-analüüs kinnitab tervendava aine struktuuri
1H NMR spektrid näitasid, et amiiniga sisestatud furaan-maleiinanhüdriidil (HA-1) esinesid iseloomulikud DA-tsükli piigid δ = 3,07 ppm ja 5,78 ppm juures, samas kui furaan-bismaleimiidi aduktil (HA-2) esines tüüpiline DA-sideme prootonsignaal δ = 4,69 ppm juures, mis kinnitas tervendavate ainete edukat sünteesi.
2.DSC paljastab termiliselt pöörduvad omadused
DSC kõverad näitasid, et tervendavaid aineid sisaldavatel proovidel esinesid DA-reaktsiooni endotermilised piigid temperatuuril 75 °C ja retro-DA-reaktsiooni iseloomulikud piigid vahemikus 110–160 °C. Piigi pindala suurenes tervendava aine sisalduse suurenedes, mis näitab suurepärast termilist pöörduvust.
3.Nanoindentatsioonitestid näitavad kõvaduse paranemist
Sügavustundlikud nanoindentatsioonitestid näitasid, et 5 ja 10 massiprotsendilise kontsentratsiooniga paranemisainete lisamine suurendas katte kõvadust vastavalt 3% ja 12%. Kõvaduse väärtus 0,227 GPa püsis isegi 8500 nm sügavusel, mis on omistatav paranemisainete ja polüuretaanmaatriksi vahel moodustunud ristseotud võrgustikule.
4.Pinna morfoloogia analüüs
Pinnakareduse testid näitasid, et puhtad polüuretaankatted vähendasid aluspinna Rz väärtust 86% võrra, samas kui paranemisainetega katete puhul täheldati suuremate osakeste tõttu veidi kareduse suurenemist. FESEM-pildid illustreerisid visuaalselt paranemisainete osakeste põhjustatud pinnatekstuuri muutusi.
5.Läbimurre kriimustuste paranemise efektiivsuses
Optilise mikroskoopia vaatlused näitasid, et 10 massiprotsendilist paranemisainet sisaldavate katete puhul vähenes pärast 30-minutilist kuumtöötlust temperatuuril 120 °C kriimustuste laius 141 μm-lt 9 μm-ni, saavutades paranemistõhususe 93,6%. See tulemus on oluliselt parem kui olemasolevas kirjanduses lineaarsete polüuretaansüsteemide kohta avaldatud tulemused.
Avaldatud ajakirjas Next Materials, pakub see uuring mitmeid uuendusi: esiteks ühendavad väljatöötatud DA-modifitseeritud polüuretaanpulberkatted head mehaanilised omadused iseparanemisvõimega, saavutades kuni 12% kõvaduse paranemise. Teiseks tagab elektrostaatilise pihustamise tehnoloogia kasutamine raviainete ühtlase hajumise ristseotud võrgustikus, ületades traditsioonilistele mikrokapslite tehnikatele iseloomuliku positsioneerimise ebatäpsuse. Kõige olulisem on see, et need katted saavutavad kõrge paranemistõhususe suhteliselt madalal temperatuuril (120 °C), pakkudes suuremat tööstuslikku rakendatavust võrreldes olemasolevas kirjanduses kirjeldatud 145 °C paranemistemperatuuriga. Uuring mitte ainult ei paku uut lähenemisviisi insenerkatete kasutusea pikendamiseks, vaid loob ka funktsionaalsete katete molekulaarse disaini teoreetilise raamistiku, analüüsides kvantitatiivselt „raviainete kontsentratsiooni ja toimivuse“ suhet. Parandusainete hüdroksüülsisalduse ja uretdiooni ristseotajate suhte edasine optimeerimine peaks veelgi nihutama iseparanevate katete toimivuspiire.
Postituse aeg: 15. september 2025