פוליאוריטן: מחקר על קשיות פני השטח ותכונות ריפוי עצמי של ציפויי ריפוי עצמי מפוליאוריטן המבוססים על תגובת דילס-אלדר

כדי לטפל בבעיית הנטייה לנזקים וחסרי יכולות ריפוי עצמי של ציפויי פוליאוריטן קונבנציונליים, פיתחו חוקרים ציפויי פוליאוריטן בעלי ריפוי עצמי המכילים 5% משקלי ו-10% משקלי של חומרי ריפוי באמצעות מנגנון הציקלואדיציה של דילס-אלדר (DA). התוצאות מצביעות על כך ששילוב חומרי ריפוי מגביר את קשיות הציפוי ב-3%-12% ומשיג יעילות ריפוי שריטות של 85.6%-93.6% תוך 30 דקות ב-120 מעלות צלזיוס, מה שמאריך משמעותית את חיי הציפויים. מחקר זה מספק פתרון חדשני להגנה על פני השטח של חומרים הנדסיים.

בתחום חומרי ההנדסה, תיקון נזקים מכניים בחומרי ציפוי היווה זה מכבר אתגר מרכזי. למרות שציפויי פוליאוריטן מסורתיים מפגינים עמידות מצוינת בפני מזג אוויר והידבקות, ביצועי ההגנה שלהם מתדרדרים במהירות ברגע שמופיעים שריטות או סדקים. בהשראת מנגנוני ריפוי עצמי ביולוגיים, מדענים החלו לחקור חומרים בעלי ריפוי עצמי המבוססים על קשרים קוולנטיים דינמיים, כאשר תגובת דילס-אלדר (DA) זוכה לתשומת לב משמעותית בשל תנאי התגובה המתונים וההפיכות החיובית שלה. עם זאת, המחקר הקיים התמקד בעיקר במערכות פוליאוריטן ליניאריות, מה שהותיר פער בחקר תכונות הריפוי העצמי בציפויי אבקה של פוליאוריטן צולבים.

כדי לפרוץ את המחסום הטכני הזה, חוקרים מקומיים הציגו באופן חדשני שני חומרי ריפוי מסוג DA - פוראן-מאלאי אנהידריד ופוראן-ביסמלאימיד - לתוך מערכת שרף פוליאסטר הידרוקסילציה, ופיתחו ציפוי אבקה פוליאוריטן בעל תכונות ריפוי עצמי מצוינות. המחקר השתמש ב-¹H NMR כדי לאשר את מבנה חומרי הריפוי, בקלורימטריה של סריקה דיפרנציאלית (DSC) כדי לאמת את ההפיכות של תגובות DA/רטרו-DA, ובטכניקות ננו-אינדנטציה יחד עם פרופילומטריית פני השטח כדי להעריך באופן שיטתי את התכונות המכניות ומאפייני פני השטח של הציפויים.

מבחינת טכניקות ניסיוניות מרכזיות, צוות המחקר סינתז תחילה חומרי ריפוי DA המכילים הידרוקסיל בשיטה דו-שלבית. לאחר מכן, אבקות פוליאוריטן המכילות 5% משקלי ו-10% משקלי חומרי ריפוי הוכנו באמצעות ערבוב בהתכה, ויישמו על מצעי פלדה באמצעות ריסוס אלקטרוסטטי. על ידי השוואה לקבוצות ביקורת ללא חומרי ריפוי, נחקרה באופן שיטתי השפעת ריכוז חומר הריפוי על תכונות החומר.

1.ניתוח NMR מאשר את מבנה חומר הריפוי

ספקטרום 1H NMR הראה כי פוראן-אנהידריד מאלאי (HA-1) שהוכנס לאמין הציג פיקים אופייניים של טבעת DA ב-δ = 3.07 ppm ו-5.78 ppm, בעוד שתוצר הפוראן-ביסמלאימיד (HA-2) הציג אות פרוטון טיפוסי של קשר DA ב-δ = 4.69 ppm, דבר המאשר את הסינתזה המוצלחת של חומרי הריפוי.

2.DSC חושף מאפיינים הפיכים תרמית

עקומות DSC הצביעו על כך שדגימות המכילות חומרי ריפוי הציגו שיאים אנדותרמיים עבור תגובת DA ב-75 מעלות צלזיוס ושיאים אופייניים עבור תגובת רטרו-DA בטווח של 110-160 מעלות צלזיוס. שטח השיא גדל עם תכולת חומר הריפוי הגבוהה יותר, דבר שהדגים הפיכות תרמית מעולה.

3.בדיקות ננו-אינדנטציה מראות שיפור בקשיות

מבחני ננו-אינדנטציה רגישים לעומק גילו כי תוספת של 5% משקלי ו-10% משקלי של חומרי ריפוי הגדילה את קשיות הציפוי ב-3% ו-12%, בהתאמה. ערך קשיות של 0.227 GPa נשמר גם בעומק של 8500 ננומטר, המיוחס לרשת הצולבת שנוצרה בין חומרי הריפוי למטריצת הפוליאוריטן.

4.ניתוח מורפולוגיה של פני השטח

בדיקות חספוס פני השטח הראו שציפויי פוליאוריטן טהור הפחיתו את ערך ה-Rz של המצע ב-86%, בעוד שציפויים עם חומרי ריפוי הציגו עלייה קלה בחספוס עקב נוכחותם של חלקיקים גדולים יותר. תמונות FESEM הדגימו ויזואלית שינויים במרקם פני השטח כתוצאה מחלקיקי חומר הריפוי.

5.פריצת דרך ביעילות ריפוי שריטות

תצפיות במיקרוסקופיה אופטית הראו כי ציפויים המכילים 10% משקלי של חומר ריפוי, לאחר טיפול בחום ב-120 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות, הציגו הפחתה ברוחב השריטה מ-141 מיקרון ל-9 מיקרון, והשיגו יעילות ריפוי של 93.6%. ביצועים אלה עדיפים משמעותית על אלו שדווחו בספרות הקיימת עבור מערכות פוליאוריטן ליניאריות.

מחקר זה, שפורסם ב-Next Materials, מציע מספר חידושים: ראשית, ציפויי אבקת פוליאוריטן שעברו שינוי DA שפותחו משלבים תכונות מכניות טובות עם יכולת ריפוי עצמי, ומשיגים שיפור קשיות של עד 12%. שנית, השימוש בטכנולוגיית ריסוס אלקטרוסטטי מבטיח פיזור אחיד של חומרי ריפוי בתוך הרשת המצולבת, ומתגבר על חוסר הדיוק במיקום האופייני לטכניקות מיקרו-קפסולות מסורתיות. וחשוב מכל, ציפויים אלה משיגים יעילות ריפוי גבוהה בטמפרטורה נמוכה יחסית (120 מעלות צלזיוס), ומציעים תחולה תעשייתית גדולה יותר בהשוואה לטמפרטורת הריפוי של 145 מעלות צלזיוס שדווחה בספרות הקיימת. המחקר לא רק מספק גישה חדשה להארכת חיי השירות של ציפויים הנדסיים, אלא גם קובע מסגרת תיאורטית לתכנון מולקולרי של ציפויים פונקציונליים באמצעות ניתוח כמותי של הקשר "ריכוז-ביצועים של חומרי ריפוי". אופטימיזציה עתידית של תכולת ההידרוקסיל בחומרי ריפוי ויחס מקשרים צולבים של אורטדיון צפויה לדחוף עוד יותר את גבולות הביצועים של ציפויים בעלי ריפוי עצמי.