Om het probleem aan te pakken dat conventionele polyurethaancoatings gevoelig zijn voor beschadiging en geen zelfherstellend vermogen hebben, hebben onderzoekers zelfherstellende polyurethaancoatings ontwikkeld met 5 en 10 gewichtsprocent herstellende middelen via het Diels-Alder (DA) cycloadditiemechanisme. De resultaten tonen aan dat de toevoeging van herstellende middelen de hardheid van de coating met 3-12% verhoogt en een krasherstelrendement van 85,6-93,6% bereikt binnen 30 minuten bij 120 °C, waardoor de levensduur van de coatings aanzienlijk wordt verlengd. Deze studie biedt een innovatieve oplossing voor de oppervlaktebescherming van technische materialen.
In de wereld van technische materialen is het herstellen van mechanische schade aan coatingmaterialen al lange tijd een grote uitdaging. Hoewel traditionele polyurethaancoatings een uitstekende weerbestendigheid en hechting vertonen, neemt hun beschermende werking snel af zodra er krassen of scheuren ontstaan. Geïnspireerd door biologische zelfherstellende mechanismen zijn wetenschappers begonnen met het onderzoeken van zelfherstellende materialen op basis van dynamische covalente bindingen, waarbij de Diels-Alder (DA)-reactie veel aandacht krijgt vanwege de milde reactieomstandigheden en gunstige reversibiliteit. Bestaand onderzoek richt zich echter voornamelijk op lineaire polyurethaansystemen, waardoor er een lacune is in de studie van zelfherstellende eigenschappen in verknoopte polyurethaanpoedercoatings.
Om deze technische barrière te doorbreken, introduceerden binnenlandse onderzoekers op innovatieve wijze twee DA-herstelmiddelen – furan-maleïnezuuranhydride en furan-bismaleïmide – in een gehydroxyleerd polyesterharsysteem. Hierdoor ontwikkelden ze een polyurethaanpoedercoating met uitstekende zelfherstellende eigenschappen. In het onderzoek werd ¹H NMR gebruikt om de structuur van de herstelmiddelen te bevestigen, differentiële scanning calorimetrie (DSC) om de reversibiliteit van de DA/retro-DA-reacties te verifiëren, en nano-indentatietechnieken in combinatie met oppervlakteprofilometrie om de mechanische eigenschappen en oppervlaktekenmerken van de coatings systematisch te evalueren.
Wat de belangrijkste experimentele technieken betreft, synthetiseerde het onderzoeksteam eerst hydroxylbevattende DA-herstelmiddelen met behulp van een tweestapsmethode. Vervolgens werden polyurethaanpoeders met 5 gew% en 10 gew% herstelmiddelen bereid door middel van smeltmenging en aangebracht op stalen substraten met behulp van elektrostatisch spuiten. Door vergelijking met controlegroepen zonder herstelmiddelen werd de invloed van de concentratie van het herstelmiddel op de materiaaleigenschappen systematisch onderzocht.
1.NMR-analyse bevestigt de structuur van het genezingsmiddel
1H NMR-spectra toonden aan dat het amine-geïnserteerde furan-maleïnezuuranhydride (HA-1) karakteristieke DA-ringpieken vertoonde bij δ = 3,07 ppm en 5,78 ppm, terwijl het furan-bismaleïmide-adduct (HA-2) een typisch DA-bindingsprotonsignaal vertoonde bij δ = 4,69 ppm, wat de succesvolle synthese van de herstellende middelen bevestigde.
2.DSC onthult thermisch omkeerbare eigenschappen
DSC-curven gaven aan dat monsters met herstellende middelen endotherme pieken vertoonden voor de DA-reactie bij 75 °C en karakteristieke pieken voor de retro-DA-reactie in het bereik van 110–160 °C. Het piekoppervlak nam toe met een hoger gehalte aan herstellend middel, wat een uitstekende thermische reversibiliteit aantoont.
3.Nano-indentatietests tonen verbetering van de hardheid aan.
Dieptegevoelige nano-indentatietests toonden aan dat de toevoeging van 5 gew% en 10 gew% herstelmiddelen de hardheid van de coating met respectievelijk 3% en 12% verhoogde. Zelfs op een diepte van 8500 nm werd een hardheidswaarde van 0,227 GPa behouden, wat te danken is aan het verknoopte netwerk dat gevormd wordt tussen de herstelmiddelen en de polyurethaanmatrix.
4.Oppervlaktemorfologieanalyse
Oppervlakteruwheidsmetingen toonden aan dat coatings van zuiver polyurethaan de Rz-waarde van het substraat met 86% verlaagden, terwijl coatings met herstellende middelen een lichte toename in ruwheid vertoonden als gevolg van de aanwezigheid van grotere deeltjes. FESEM-afbeeldingen illustreerden visueel de veranderingen in de oppervlaktestructuur die het gevolg waren van de deeltjes van het herstellende middel.
5.Doorbraak in de efficiëntie van krasgenezing
Microscopisch onderzoek toonde aan dat coatings met 10 gewichtsprocent herstellend middel, na een warmtebehandeling van 30 minuten bij 120 °C, een vermindering van de krasbreedte vertoonden van 141 μm tot 9 μm, wat resulteerde in een herstellend vermogen van 93,6%. Deze prestatie is aanzienlijk beter dan die gerapporteerd in de bestaande literatuur voor lineaire polyurethaansystemen.
Deze studie, gepubliceerd in Next Materials, biedt meerdere innovaties: Ten eerste combineren de ontwikkelde DA-gemodificeerde polyurethaanpoedercoatings goede mechanische eigenschappen met zelfherstellend vermogen, waardoor een hardheidsverbetering tot 12% wordt bereikt. Ten tweede zorgt het gebruik van elektrostatische spuittechnologie voor een uniforme verspreiding van herstellende middelen binnen het verknoopte netwerk, waardoor de positioneringsonnauwkeurigheid die kenmerkend is voor traditionele microcapsuletechnieken wordt ondervangen. Het belangrijkste is dat deze coatings een hoge herstelefficiëntie bereiken bij een relatief lage temperatuur (120 °C), wat een grotere industriële toepasbaarheid biedt in vergelijking met de hersteltemperatuur van 145 °C die in de bestaande literatuur wordt vermeld. De studie biedt niet alleen een nieuwe benadering voor het verlengen van de levensduur van technische coatings, maar legt ook een theoretisch kader vast voor het moleculair ontwerp van functionele coatings door middel van de kwantitatieve analyse van de relatie tussen "concentratie herstellend middel en prestatie". Toekomstige optimalisatie van het hydroxylgehalte in herstellende middelen en de verhouding van uretdion-verknopers zal naar verwachting de prestatielimieten van zelfherstellende coatings verder verleggen.
Geplaatst op: 15 september 2025