Aby sa riešil problém konvenčných polyuretánových náterov, ktoré sú náchylné na poškodenie a nemajú samoopravné schopnosti, výskumníci vyvinuli samoopraviteľné polyuretánové nátery obsahujúce 5 % hmotn. a 10 % hmotn. liečivých činidiel prostredníctvom Diels-Alderovho (DA) cykloadičného mechanizmu. Výsledky naznačujú, že pridanie liečivých činidiel zvyšuje tvrdosť náteru o 3 % – 12 % a dosahuje účinnosť hojenia škrabancov 85,6 % – 93,6 % v priebehu 30 minút pri teplote 120 °C, čím sa výrazne predlžuje životnosť náterov. Táto štúdia poskytuje inovatívne riešenie pre ochranu povrchu technických materiálov.
V oblasti technických materiálov je oprava mechanického poškodenia náterových materiálov už dlho veľkou výzvou. Hoci tradičné polyuretánové nátery vykazujú vynikajúcu odolnosť voči poveternostným vplyvom a priľnavosť, ich ochranný výkon sa rýchlo zhoršuje po vzniku škrabancov alebo prasklín. Vedci, inšpirovaní biologickými mechanizmami samoopravy, začali skúmať samoopraviteľné materiály založené na dynamických kovalentných väzbách, pričom Diels-Alderova (DA) reakcia si získala značnú pozornosť vďaka svojim miernym reakčným podmienkam a priaznivej reverzibilite. Existujúci výskum sa však primárne zameral na lineárne polyuretánové systémy, čo zanecháva medzeru v štúdiu samoopraviteľných vlastností zosieťovaných polyuretánových práškových náterov.
Aby sa prekonala táto technická bariéra, domáci výskumníci inovatívne zaviedli dve liečivé látky na báze DA – furán-maleínanhydrid a furán-bismaleimid – do systému hydroxylovanej polyesterovej živice, čím vyvinuli polyuretánový práškový náter s vynikajúcimi samoopravnými vlastnosťami. Štúdia použila ¹H NMR na potvrdenie štruktúry liečivých látok, diferenčnú skenovaciu kalorimetriu (DSC) na overenie reverzibility reakcií DA/retro-DA a techniky nanoindentácie spolu s povrchovou profilometriou na systematické vyhodnotenie mechanických vlastností a povrchových charakteristík náterov.
Pokiaľ ide o kľúčové experimentálne techniky, výskumný tím najprv syntetizoval hydroxylové hojivé činidlá DA pomocou dvojkrokovej metódy. Následne boli pomocou tavného miešania pripravené polyuretánové prášky obsahujúce 5 % hmotn. a 10 % hmotn. hojivých činidiel a nanesené na oceľové substráty elektrostatickým striekaním. Porovnaním s kontrolnými skupinami bez hojivých činidiel bol systematicky skúmaný vplyv koncentrácie hojivého činidla na vlastnosti materiálu.
1.NMR analýza potvrdzuje štruktúru liečivej látky
1H NMR spektrá ukázali, že amínom vložený furán-maleínanhydrid (HA-1) vykazoval charakteristické píky DA kruhu pri δ = 3,07 ppm a 5,78 ppm, zatiaľ čo adukt furán-bismaleimid (HA-2) vykazoval typický signál protónu DA väzby pri δ = 4,69 ppm, čo potvrdzuje úspešnú syntézu liečivých látok.
2.DSC odhaľuje tepelne reverzibilné charakteristiky
DSC krivky ukázali, že vzorky obsahujúce liečivé látky vykazovali endotermické píky pre DA reakciu pri 75 °C a charakteristické píky pre retro-DA reakciu v rozsahu 110 – 160 °C. Plocha píku sa zväčšovala s vyšším obsahom liečivej látky, čo dokazuje vynikajúcu tepelnú reverzibilitu.
3.Nanoindentačné testy ukazujú zlepšenie tvrdosti
Hĺbkovo citlivé nanoindentačné testy ukázali, že pridanie 5 hmotnostných % a 10 hmotnostných % liečebných činidiel zvýšilo tvrdosť povlaku o 3 %, respektíve 12 %. Hodnota tvrdosti 0,227 GPa sa udržala aj v hĺbke 8500 nm, čo sa pripisuje zosieťovanej sieti vytvorenej medzi liečebnými činidlami a polyuretánovou matricou.
4.Analýza povrchovej morfológie
Testy drsnosti povrchu ukázali, že čisté polyuretánové nátery znížili hodnotu Rz substrátu o 86 %, zatiaľ čo nátery s hojivými činidlami vykazovali mierny nárast drsnosti v dôsledku prítomnosti väčších častíc. Snímky FESEM vizuálne ilustrovali zmeny v textúre povrchu spôsobené časticami hojivého činidla.
5.Prielom v účinnosti hojenia škrabancov
Pozorovania optickou mikroskopiou ukázali, že povlaky obsahujúce 10 hmotnostných % liečivého činidla po tepelnom spracovaní pri teplote 120 °C počas 30 minút vykazovali zníženie šírky škrabancov zo 141 μm na 9 μm, čím sa dosiahla účinnosť hojenia 93,6 %. Tento výkon je výrazne lepší ako v existujúcej literatúre pre lineárne polyuretánové systémy.
Táto štúdia, publikovaná v časopise Next Materials, ponúka viacero inovácií: Po prvé, vyvinuté práškové nátery modifikované DA kombinujú dobré mechanické vlastnosti so schopnosťou samoopravy, čím dosahujú zlepšenie tvrdosti až o 12 %. Po druhé, použitie technológie elektrostatického striekania zaisťuje rovnomerné rozptýlenie hojivých činidiel v rámci zosieťovanej siete, čím prekonáva nepresnosť polohovania typickú pre tradičné techniky mikrokapsúl. Najdôležitejšie je, že tieto nátery dosahujú vysokú účinnosť hojenia pri relatívne nízkej teplote (120 °C), čo ponúka väčšiu priemyselnú využiteľnosť v porovnaní s teplotou hojenia 145 °C uvedenou v existujúcej literatúre. Štúdia nielenže poskytuje nový prístup k predĺženiu životnosti technických náterov, ale tiež stanovuje teoretický rámec pre molekulárny návrh funkčných náterov prostredníctvom kvantitatívnej analýzy vzťahu „koncentrácia hojivého činidla – výkon“. Očakáva sa, že budúca optimalizácia obsahu hydroxylových skupín v hojivých činidlách a pomeru uretdiónových zosieťovacích činidiel ďalej posunie limity výkonnosti samoopravných náterov.
Čas uverejnenia: 15. septembra 2025