پلی‌یورتان: تحقیقی بر روی سختی سطح و خواص خودترمیمی پوشش‌های خودترمیمی پلی‌یورتان بر اساس واکنش دیلز-آلدر

برای پرداختن به مشکل آسیب‌پذیر بودن پوشش‌های پلی‌یورتان مرسوم و فقدان قابلیت‌های خودترمیمی، محققان پوشش‌های پلی‌یورتان خودترمیمی حاوی 5% وزنی و 10% وزنی عوامل ترمیم‌کننده را از طریق مکانیسم حلقه‌زایی دیلز-آلدر (DA) توسعه دادند. نتایج نشان می‌دهد که افزودن عوامل ترمیم‌کننده، سختی پوشش را 3 تا 12 درصد افزایش می‌دهد و در عرض 30 دقیقه در دمای 120 درجه سانتی‌گراد، به راندمان ترمیم خراش 85.6 تا 93.6 درصد می‌رسد که به طور قابل توجهی عمر مفید پوشش‌ها را افزایش می‌دهد. این مطالعه یک راه‌حل نوآورانه برای محافظت از سطح مواد مهندسی ارائه می‌دهد.

در زمینه مواد مهندسی، تعمیر آسیب مکانیکی در مواد پوششی مدت‌هاست که یک چالش بزرگ بوده است. اگرچه پوشش‌های پلی اورتان سنتی مقاومت در برابر آب و هوا و چسبندگی عالی از خود نشان می‌دهند، اما عملکرد محافظتی آنها پس از ایجاد خراش یا ترک به سرعت کاهش می‌یابد. دانشمندان با الهام از مکانیسم‌های خودترمیمی بیولوژیکی، کاوش در مورد مواد خودترمیمی مبتنی بر پیوندهای کووالانسی پویا را آغاز کرده‌اند و واکنش دیلز-آلدر (DA) به دلیل شرایط واکنش ملایم و برگشت‌پذیری مطلوب، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال، تحقیقات موجود در درجه اول بر روی سیستم‌های پلی اورتان خطی متمرکز بوده و شکافی در مطالعه خواص خودترمیمی در پوشش‌های پودری پلی اورتان با پیوند عرضی ایجاد کرده است.

برای عبور از این مانع فنی، محققان داخلی به طور نوآورانه‌ای دو عامل ترمیم‌کننده DA - فوران-مالئیک انیدرید و فوران-بیس‌مالئیمید - را به یک سیستم رزین پلی‌استر هیدروکسیله‌شده وارد کردند و یک پوشش پودری پلی‌یورتان با خواص خودترمیمی عالی ایجاد کردند. در این مطالعه از ¹H NMR برای تأیید ساختار عوامل ترمیم‌کننده، از کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC) برای تأیید برگشت‌پذیری واکنش‌های DA/رترو-DA و از تکنیک‌های نانوفرورفتگی همراه با پروفیل‌سنجی سطح برای ارزیابی سیستماتیک خواص مکانیکی و ویژگی‌های سطحی پوشش‌ها استفاده شد.

از نظر تکنیک‌های تجربی کلیدی، تیم تحقیقاتی ابتدا عوامل ترمیم‌کننده حاوی هیدروکسیل DA را با استفاده از یک روش دو مرحله‌ای سنتز کردند. متعاقباً، پودرهای پلی اورتان حاوی 5% وزنی و 10% وزنی عوامل ترمیم‌کننده از طریق اختلاط مذاب تهیه و با استفاده از پاشش الکترواستاتیک بر روی زیرلایه‌های فولادی اعمال شدند. با مقایسه با گروه‌های کنترل بدون عوامل ترمیم‌کننده، تأثیر غلظت عامل ترمیم‌کننده بر خواص مواد به طور سیستماتیک بررسی شد.

1.آنالیز NMR ساختار عامل ترمیم‌کننده را تأیید می‌کند

طیف‌های 1H NMR نشان داد که فوران-انیدرید مالئیک (HA-1) که با آمین وارد شده است، پیک‌های حلقه DA مشخصی را در δ = 3.07 ppm و 5.78 ppm نشان می‌دهد، در حالی که ترکیب افزایشی فوران-بیسمالیمید (HA-2) یک سیگنال پروتون پیوند DA معمولی را در δ = 4.69 ppm نشان می‌دهد که سنتز موفقیت‌آمیز عوامل ترمیم‌کننده را تأیید می‌کند.

2.DSC ویژگی‌های برگشت‌پذیر حرارتی را آشکار می‌کند

منحنی‌های DSC نشان داد که نمونه‌های حاوی عوامل ترمیم‌کننده، پیک‌های گرماگیر برای واکنش DA در دمای 75 درجه سانتی‌گراد و پیک‌های مشخصه برای واکنش رترو-DA در محدوده 110 تا 160 درجه سانتی‌گراد نشان دادند. مساحت پیک‌ها با افزایش محتوای عامل ترمیم‌کننده افزایش یافت که نشان‌دهنده برگشت‌پذیری حرارتی عالی است.

3.آزمایش‌های نانوفروروندگی بهبود سختی را نشان می‌دهند

آزمایش‌های نانوفرورفتگی حساس به عمق نشان داد که افزودن ۵ و ۱۰ درصد وزنی عوامل ترمیم‌کننده، سختی پوشش را به ترتیب ۳ و ۱۲ درصد افزایش می‌دهد. مقدار سختی ۰.۲۲۷ گیگاپاسکال حتی در عمق ۸۵۰۰ نانومتر نیز حفظ شد که به شبکه‌ی پیوند عرضی تشکیل‌شده بین عوامل ترمیم‌کننده و ماتریس پلی‌یورتان نسبت داده می‌شود.

4.تحلیل ریخت‌شناسی سطح

آزمایش‌های زبری سطح نشان داد که پوشش‌های پلی‌یورتان خالص مقدار Rz زیرلایه را ۸۶٪ کاهش می‌دهند، در حالی که پوشش‌های حاوی عوامل ترمیم‌کننده به دلیل وجود ذرات بزرگتر، افزایش اندکی در زبری نشان می‌دهند. تصاویر FESEM به صورت بصری تغییرات در بافت سطح ناشی از ذرات عامل ترمیم‌کننده را نشان می‌دهند.

5.پیشرفت چشمگیر در بهبود کارایی خراشیدگی

مشاهدات میکروسکوپ نوری نشان داد که پوشش‌های حاوی 10 درصد وزنی عامل ترمیم‌کننده، پس از عملیات حرارتی در دمای 120 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه، کاهش عرض خراش از 141 میکرومتر به 9 میکرومتر را نشان دادند و به راندمان ترمیم 93.6٪ دست یافتند. این عملکرد به طور قابل توجهی برتر از عملکرد گزارش شده در مقالات موجود برای سیستم‌های پلی اورتان خطی است.

این مطالعه که در مجله Next Materials منتشر شده است، نوآوری‌های متعددی را ارائه می‌دهد: اول، پوشش‌های پودری پلی‌یورتان اصلاح‌شده با DA، خواص مکانیکی خوب را با قابلیت خودترمیمی ترکیب می‌کنند و به بهبود سختی تا 12٪ دست می‌یابند. دوم، استفاده از فناوری پاشش الکترواستاتیک، پراکندگی یکنواخت عوامل ترمیم‌کننده را در شبکه پیوند عرضی تضمین می‌کند و بر عدم دقت موقعیت‌یابی معمول در تکنیک‌های میکروکپسول سنتی غلبه می‌کند. مهم‌تر از همه، این پوشش‌ها در دمای نسبتاً پایین (120 درجه سانتیگراد) به راندمان ترمیم بالایی دست می‌یابند و در مقایسه با دمای ترمیم 145 درجه سانتیگراد گزارش شده در مقالات موجود، کاربرد صنعتی بیشتری را ارائه می‌دهند. این مطالعه نه تنها رویکرد جدیدی برای افزایش عمر مفید پوشش‌های مهندسی ارائه می‌دهد، بلکه از طریق تجزیه و تحلیل کمی رابطه «غلظت عامل ترمیم‌کننده-عملکرد»، یک چارچوب نظری برای طراحی مولکولی پوشش‌های کاربردی ایجاد می‌کند. انتظار می‌رود بهینه‌سازی آینده محتوای هیدروکسیل در عوامل ترمیم‌کننده و نسبت اتصال‌دهنده‌های عرضی اورتدیون، محدودیت‌های عملکرد پوشش‌های خودترمیمی را بیشتر جابجا کند.