Aby se vyřešil problém náchylnosti konvenčních polyuretanových povlaků k poškození a nedostatku samoopravných schopností, vyvinuli vědci samoopravitelné polyuretanové povlaky obsahující 5 % hmotnostních a 10 % hmotnostních hojivých činidel prostřednictvím Diels-Alderova (DA) cykloadičního mechanismu. Výsledky ukazují, že přidání hojivých činidel zvyšuje tvrdost povlaku o 3 %–12 % a dosahuje účinnosti hojení škrábanců 85,6 %–93,6 % během 30 minut při 120 °C, což výrazně prodlužuje životnost povlaků. Tato studie nabízí inovativní řešení pro ochranu povrchu technických materiálů.
V oblasti technických materiálů je oprava mechanického poškození nátěrových hmot již dlouho velkou výzvou. Ačkoli tradiční polyuretanové nátěry vykazují vynikající odolnost vůči povětrnostním vlivům a přilnavost, jejich ochranný výkon se rychle zhoršuje, jakmile se objeví škrábance nebo praskliny. Vědci, inspirovaní biologickými samoopravnými mechanismy, začali zkoumat samoopravitelné materiály založené na dynamických kovalentních vazbách, přičemž Dielsova-Alderova (DA) reakce si získala značnou pozornost díky svým mírným reakčním podmínkám a příznivé reverzibilitě. Dosavadní výzkum se však primárně zaměřoval na lineární polyuretanové systémy, což zanechává mezeru ve studiu samoopravicích vlastností zesítěných polyuretanových práškových nátěrů.
Aby se tato technická bariéra překonala, domácí vědci inovativně zavedli dvě hojivá činidla DA – furan-maleinanhydrid a furan-bismaleimid – do systému hydroxylované polyesterové pryskyřice a vyvinuli tak polyuretanový práškový povlak s vynikajícími samoopravnými vlastnostmi. Studie použila ¹H NMR k potvrzení struktury hojivých činidel, diferenční skenovací kalorimetrii (DSC) k ověření reverzibility reakcí DA/retro-DA a techniky nanoindentace spolu s povrchovou profilometrií k systematickému vyhodnocení mechanických vlastností a povrchových charakteristik povlaků.
Pokud jde o klíčové experimentální techniky, výzkumný tým nejprve syntetizoval hydroxylové skupiny obsahující DA hojivé činidla pomocí dvoustupňové metody. Následně byly pomocí tavného míchání připraveny polyuretanové prášky obsahující 5 % hmotnostních a 10 % hmotnostních hojivých činidel a naneseny na ocelové substráty elektrostatickým stříkáním. Porovnáním s kontrolními skupinami bez hojivých činidel byl systematicky zkoumán vliv koncentrace hojivých činidel na vlastnosti materiálu.
1.NMR analýza potvrzuje strukturu hojivé látky
1H NMR spektra ukázala, že aminem vložený furan-maleinový anhydrid (HA-1) vykazoval charakteristické píky DA kruhu při δ = 3,07 ppm a 5,78 ppm, zatímco adukt furan-bismaleimid (HA-2) vykazoval typický signál protonu DA vazby při δ = 4,69 ppm, což potvrzuje úspěšnou syntézu hojivých látek.
2.DSC odhaluje tepelně reverzibilní vlastnosti
DSC křivky ukázaly, že vzorky obsahující hojivé látky vykazovaly endotermické píky pro DA reakci při 75 °C a charakteristické píky pro retro-DA reakci v rozmezí 110–160 °C. Plocha píku se zvětšovala s vyšším obsahem hojivé látky, což prokazuje vynikající tepelnou reverzibilitu.
3.Nanoindentační testy ukazují zlepšení tvrdosti
Hloubkově citlivé nanoindentační testy ukázaly, že přidání 5 hmotnostních % a 10 hmotnostních % hojivých činidel zvýšilo tvrdost povlaku o 3 %, respektive 12 %. Hodnota tvrdosti 0,227 GPa byla udržena i v hloubce 8500 nm, což se připisuje zesítěné síti vytvořené mezi hojivými činidly a polyuretanovou matricí.
4.Analýza povrchové morfologie
Zkoušky drsnosti povrchu ukázaly, že čisté polyuretanové povlaky snížily hodnotu Rz substrátu o 86 %, zatímco povlaky s hojivými činidly vykazovaly mírné zvýšení drsnosti v důsledku přítomnosti větších částic. Snímky FESEM vizuálně ilustrovaly změny v textuře povrchu v důsledku částic hojivého činidla.
5.Průlom v účinnosti hojení škrábanců
Pozorování optickou mikroskopií ukázala, že povlaky obsahující 10 hmotnostních % hojivého činidla po tepelném zpracování při 120 °C po dobu 30 minut vykazovaly zmenšení šířky škrábanců ze 141 μm na 9 μm, čímž dosáhly účinnosti hojení 93,6 %. Tento výkon je výrazně lepší než výkon uváděný v existující literatuře pro lineární polyuretanové systémy.
Tato studie, publikovaná v časopise Next Materials, nabízí několik inovací: Za prvé, vyvinuté práškové povlaky modifikované DA kombinují dobré mechanické vlastnosti se schopností samoopravy a dosahují zlepšení tvrdosti až o 12 %. Za druhé, použití technologie elektrostatického stříkání zajišťuje rovnoměrné rozptýlení hojivých činidel v zesítěné síti, čímž překonává nepřesnost umístění typickou pro tradiční techniky mikrokapslí. Nejdůležitější je, že tyto povlaky dosahují vysoké účinnosti hojení při relativně nízké teplotě (120 °C), což nabízí větší průmyslovou použitelnost ve srovnání s teplotou hojení 145 °C uváděnou v existující literatuře. Studie nejen poskytuje nový přístup k prodloužení životnosti technických povlaků, ale také stanoví teoretický rámec pro molekulární návrh funkčních povlaků prostřednictvím kvantitativní analýzy vztahu „koncentrace hojivého činidla a jeho výkon“. Očekává se, že budoucí optimalizace obsahu hydroxylových skupin v hojivých činidlech a poměru uretdionových zesíťovacích činidel dále posune limity výkonu samoopravných povlaků.
Čas zveřejnění: 15. září 2025