Per abordar el problema de la propenssió dels recobriments de poliuretà convencionals a patir danys i la manca de capacitat d'autocuració, els investigadors van desenvolupar recobriments de poliuretà autoreparables que contenien un 5% i un 10% en pes d'agents curatius mitjançant el mecanisme de cicloaddició de Diels-Alder (DA). Els resultats indiquen que la incorporació d'agents curatius augmenta la duresa del recobriment entre un 3% i un 12% i aconsegueix eficiències de curació de ratllades del 85,6% al 93,6% en 30 minuts a 120 °C, cosa que allarga significativament la vida útil dels recobriments. Aquest estudi proporciona una solució innovadora per a la protecció superficial de materials d'enginyeria.
En el camp dels materials d'enginyeria, la reparació de danys mecànics en materials de recobriment ha estat durant molt de temps un repte important. Tot i que els recobriments de poliuretà tradicionals presenten una excel·lent resistència a la intempèrie i adherència, el seu rendiment protector es deteriora ràpidament un cop es produeixen ratllades o esquerdes. Inspirats pels mecanismes d'autocuració biològica, els científics han començat a explorar materials d'autocuració basats en enllaços covalents dinàmics, i la reacció de Diels-Alder (DA) ha rebut una atenció significativa a causa de les seves condicions de reacció suaus i la seva reversibilitat favorable. Tanmateix, la recerca existent s'ha centrat principalment en sistemes de poliuretà lineals, deixant un buit en l'estudi de les propietats d'autocuració en recobriments en pols de poliuretà reticulats.
Per superar aquesta barrera tècnica, investigadors nacionals van introduir de manera innovadora dos agents curatius DA (anhídrid furà-maleic i furà-bismaleimida) en un sistema de resina de polièster hidroxilat, desenvolupant un recobriment en pols de poliuretà amb excel·lents propietats d'autocuració. L'estudi va utilitzar ¹H NMR per confirmar l'estructura dels agents curatius, calorimetria diferencial d'escombratge (DSC) per verificar la reversibilitat de les reaccions DA/retro-DA, i tècniques de nanoindentació juntament amb perfilometria superficial per avaluar sistemàticament les propietats mecàniques i les característiques superficials dels recobriments.
Pel que fa a les tècniques experimentals clau, l'equip de recerca va sintetitzar primer agents curatius DA que contenien hidroxil mitjançant un mètode de dos passos. Posteriorment, es van preparar pols de poliuretà que contenien un 5% i un 10% en pes d'agents curatius mitjançant barreja per fusió i es van aplicar sobre substrats d'acer mitjançant polvorització electrostàtica. En comparació amb grups de control sense agents curatius, es va investigar sistemàticament la influència de la concentració de l'agent curatiu en les propietats del material.
1.L'anàlisi de RMN confirma l'estructura de l'agent curatiu
Els espectres de RMN d'1 H van mostrar que el furan-anhídrid maleic inserit amb amina (HA-1) presentava pics d'anell DA característics a δ = 3,07 ppm i 5,78 ppm, mentre que l'adducte de furan-bismaleimida (HA-2) mostrava un senyal de protó d'enllaç DA típic a δ = 4,69 ppm, confirmant la síntesi reeixida dels agents curatius.
2.La DSC revela característiques tèrmicament reversibles
Les corbes DSC van indicar que les mostres que contenien agents curatius van presentar pics endotèrmics per a la reacció DA a 75 °C i pics característics per a la reacció retro-DA en el rang de 110–160 °C. L'àrea del pic va augmentar amb un contingut més alt d'agent curatiu, demostrant una excel·lent reversibilitat tèrmica.
3.Les proves de nanoindentació mostren una millora de la duresa
Les proves de nanoindentació sensibles a la profunditat van revelar que l'addició d'agents curatius al 5% i 10% en pes va augmentar la duresa del recobriment en un 3% i un 12%, respectivament. Es va mantenir un valor de duresa de 0,227 GPa fins i tot a una profunditat de 8500 nm, atribuït a la xarxa reticulada formada entre els agents curatius i la matriu de poliuretà.
4.Anàlisi de la morfologia superficial
Les proves de rugositat superficial van mostrar que els recobriments de poliuretà pur van reduir el valor Rz del substrat en un 86%, mentre que els recobriments amb agents curatius van mostrar un lleuger augment de la rugositat a causa de la presència de partícules més grans. Les imatges FESEM van il·lustrar visualment els canvis en la textura superficial resultants de les partícules de l'agent curatiu.
5.Avenç en l'eficiència de la curació per ratllades
Les observacions de microscòpia òptica van demostrar que els recobriments que contenien un 10% en pes d'agent curatiu, després d'un tractament tèrmic a 120 °C durant 30 minuts, van mostrar una reducció de l'amplada de les ratllades de 141 μm a 9 μm, aconseguint una eficiència de curació del 93,6%. Aquest rendiment és significativament superior al descrit a la literatura existent per a sistemes de poliuretà lineals.
Publicat a Next Materials, aquest estudi ofereix múltiples innovacions: en primer lloc, els recobriments en pols de poliuretà modificat amb DA desenvolupats combinen bones propietats mecàniques amb la capacitat d'autocuració, aconseguint una millora de la duresa de fins a un 12%. En segon lloc, l'ús de la tecnologia de polvorització electrostàtica garanteix una dispersió uniforme dels agents curatius dins de la xarxa reticulada, superant la inexactitud de posicionament típica de les tècniques tradicionals de microcàpsules. El més important és que aquests recobriments aconsegueixen una alta eficiència de curació a una temperatura relativament baixa (120 °C), oferint una major aplicabilitat industrial en comparació amb la temperatura de curació de 145 °C reportada a la literatura existent. L'estudi no només proporciona un nou enfocament per allargar la vida útil dels recobriments d'enginyeria, sinó que també estableix un marc teòric per al disseny molecular de recobriments funcionals mitjançant la seva anàlisi quantitativa de la relació "concentració de l'agent curatiu-rendiment". S'espera que l'optimització futura del contingut d'hidroxil en els agents curatius i la proporció d'agents reticulants d'uretdiona empenyi encara més els límits de rendiment dels recobriments autocuratius.
Data de publicació: 15 de setembre de 2025