Geleneksel poliüretan kaplamaların hasara yatkın olması ve kendi kendini onarma yeteneğinden yoksun olması sorununu çözmek için araştırmacılar, Diels-Alder (DA) sikloekleme mekanizması yoluyla %5 ve %10 oranında onarıcı madde içeren kendi kendini onaran poliüretan kaplamalar geliştirdiler. Sonuçlar, onarıcı maddelerin eklenmesinin kaplama sertliğini %3-12 oranında artırdığını ve 120 °C'de 30 dakika içinde %85,6-93,6 oranında çizik onarım verimliliği sağladığını, böylece kaplamaların kullanım ömrünü önemli ölçüde uzattığını göstermektedir. Bu çalışma, mühendislik malzemelerinin yüzey koruması için yenilikçi bir çözüm sunmaktadır.
Mühendislik malzemeleri alanında, kaplama malzemelerindeki mekanik hasarın onarımı uzun zamandır büyük bir zorluk olmuştur. Geleneksel poliüretan kaplamalar mükemmel hava koşullarına dayanıklılık ve yapışma gösterse de, çizikler veya çatlaklar oluştuğunda koruyucu performansları hızla bozulmaktadır. Biyolojik kendi kendini onarma mekanizmalarından ilham alan bilim insanları, dinamik kovalent bağlara dayalı kendi kendini onaran malzemeleri araştırmaya başlamışlardır; Diels-Alder (DA) reaksiyonu, hafif reaksiyon koşulları ve elverişli geri dönüşümlülüğü nedeniyle önemli bir ilgi görmektedir. Bununla birlikte, mevcut araştırmalar öncelikle doğrusal poliüretan sistemlerine odaklanmış olup, çapraz bağlı poliüretan toz kaplamalardaki kendi kendini onarma özelliklerinin incelenmesinde bir boşluk bırakmıştır.
Bu teknik engeli aşmak için, yerli araştırmacılar yenilikçi bir şekilde iki DA iyileştirici maddeyi—furan-maleik anhidrit ve furan-bismaleimid—hidroksillenmiş polyester reçine sistemine dahil ederek, mükemmel kendi kendini onarma özelliklerine sahip bir poliüretan toz kaplama geliştirdiler. Çalışmada, iyileştirici maddelerin yapısını doğrulamak için ¹H NMR, DA/retro-DA reaksiyonlarının tersine çevrilebilirliğini doğrulamak için diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ve kaplamaların mekanik özelliklerini ve yüzey özelliklerini sistematik olarak değerlendirmek için nanoindentasyon teknikleri ve yüzey profilometrisi kullanıldı.
Temel deneysel teknikler açısından, araştırma ekibi ilk olarak iki aşamalı bir yöntem kullanarak hidroksil içeren DA iyileştirici maddeleri sentezledi. Daha sonra, eriyik karıştırma yoluyla %5 ve %10 oranında iyileştirici madde içeren poliüretan tozları hazırlandı ve elektrostatik püskürtme yöntemiyle çelik alt tabakalara uygulandı. İyileştirici madde içermeyen kontrol gruplarıyla karşılaştırılarak, iyileştirici madde konsantrasyonunun malzeme özellikleri üzerindeki etkisi sistematik olarak incelendi.
1.NMR Analizi, İyileştirici Maddenin Yapısını Doğruladı
1H NMR spektrumları, amin eklenmiş furan-maleik anhidritin (HA-1) δ = 3,07 ppm ve 5,78 ppm'de karakteristik DA halka pikleri sergilediğini, furan-bismaleimid eklentisinin (HA-2) ise δ = 4,69 ppm'de tipik bir DA bağ proton sinyali gösterdiğini ortaya koyarak iyileştirici maddelerin başarılı sentezini doğruladı.
2.DSC, Isıl Olarak Tersine Çevrilebilir Özellikleri Ortaya Koyuyor
DSC eğrileri, iyileştirici madde içeren numunelerin 75 °C'de DA reaksiyonu için endotermik pikler ve 110–160 °C aralığında retro-DA reaksiyonu için karakteristik pikler sergilediğini göstermiştir. Pik alanı, iyileştirici madde içeriği arttıkça artmış ve mükemmel termal tersinirlik göstermiştir.
3.Nanoindentasyon testleri sertlikte iyileşme olduğunu gösteriyor.
Derinliğe duyarlı nanoindentasyon testleri, %5 ve %10 oranında iyileştirici madde ilavesinin kaplama sertliğini sırasıyla %3 ve %12 oranında artırdığını ortaya koymuştur. İyileştirici maddeler ve poliüretan matris arasında oluşan çapraz bağlı ağ sayesinde, 8500 nm derinlikte bile 0,227 GPa'lık bir sertlik değeri korunmuştur.
4.Yüzey Morfolojisi Analizi
Yüzey pürüzlülüğü testleri, saf poliüretan kaplamaların alt tabakanın Rz değerini %86 oranında azalttığını, iyileştirici madde içeren kaplamaların ise daha büyük parçacıkların varlığı nedeniyle pürüzlülükte hafif bir artış gösterdiğini ortaya koymuştur. FESEM görüntüleri, iyileştirici madde parçacıklarından kaynaklanan yüzey dokusundaki değişiklikleri görsel olarak göstermiştir.
5.Çizik Onarım Verimliliğinde Çığır Açan Gelişme
Optik mikroskopi gözlemleri, %10 ağırlık oranında iyileştirici madde içeren kaplamaların, 120 °C'de 30 dakika süreyle ısıl işlemden sonra, çizik genişliğinin 141 μm'den 9 μm'ye düştüğünü ve %93,6'lık bir iyileştirme verimliliğine ulaştığını göstermiştir. Bu performans, doğrusal poliüretan sistemler için mevcut literatürde bildirilenlerden önemli ölçüde daha üstündür.
Next Materials dergisinde yayınlanan bu çalışma, birçok yenilik sunmaktadır: Birincisi, geliştirilen DA modifiye poliüretan toz kaplamalar, iyi mekanik özellikleri kendi kendini onarma yeteneğiyle birleştirerek %12'ye varan sertlik artışı sağlamaktadır. İkincisi, elektrostatik püskürtme teknolojisinin kullanımı, geleneksel mikro kapsül tekniklerinde görülen konumlandırma yanlışlığını ortadan kaldırarak, iyileştirici maddelerin çapraz bağlı ağ içinde homojen dağılımını sağlamaktadır. En önemlisi, bu kaplamalar nispeten düşük bir sıcaklıkta (120 °C) yüksek onarım verimliliği elde ederek, mevcut literatürde bildirilen 145 °C onarım sıcaklığına kıyasla daha geniş endüstriyel uygulanabilirlik sunmaktadır. Çalışma, mühendislik kaplamalarının hizmet ömrünü uzatmak için yeni bir yaklaşım sunmakla kalmayıp, aynı zamanda "iyileştirici madde konsantrasyonu-performans" ilişkisinin nicel analizi yoluyla fonksiyonel kaplamaların moleküler tasarımı için teorik bir çerçeve de oluşturmaktadır. İyileştirici maddelerdeki hidroksil içeriğinin ve üretdion çapraz bağlayıcıların oranının gelecekteki optimizasyonunun, kendi kendini onaran kaplamaların performans sınırlarını daha da zorlaması beklenmektedir.
Yayın tarihi: 15 Eylül 2025