Per affrontare il problema dei rivestimenti poliuretanici convenzionali, soggetti a danneggiamenti e privi di capacità autoriparanti, i ricercatori hanno sviluppato rivestimenti poliuretanici autoriparanti contenenti il 5% e il 10% in peso di agenti riparanti tramite il meccanismo di cicloaddizione di Diels-Alder (DA). I risultati indicano che l'incorporazione di agenti riparanti aumenta la durezza del rivestimento del 3%-12% e raggiunge efficienze di riparazione dei graffi dell'85,6%-93,6% entro 30 minuti a 120 °C, prolungando significativamente la durata dei rivestimenti. Questo studio fornisce una soluzione innovativa per la protezione superficiale dei materiali ingegneristici.
Nel campo dei materiali ingegneristici, la riparazione dei danni meccanici nei materiali di rivestimento è da tempo una sfida importante. Sebbene i rivestimenti poliuretanici tradizionali presentino un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici e un'eccellente adesione, le loro prestazioni protettive si deteriorano rapidamente in caso di graffi o crepe. Ispirati dai meccanismi biologici di autoriparazione, gli scienziati hanno iniziato a esplorare materiali autoriparanti basati su legami covalenti dinamici, con la reazione di Diels-Alder (DA) che sta riscuotendo notevole interesse grazie alle sue condizioni di reazione blande e alla reversibilità favorevole. Tuttavia, la ricerca esistente si è concentrata principalmente sui sistemi poliuretanici lineari, lasciando una lacuna nello studio delle proprietà autoriparanti nei rivestimenti in polvere poliuretanici reticolati.
Per superare questa barriera tecnica, i ricercatori nazionali hanno introdotto in modo innovativo due agenti riparatori a base di DA – anidride furano-maleica e furano-bismaleimmide – in un sistema di resina poliestere idrossilata, sviluppando un rivestimento in polvere poliuretanica con eccellenti proprietà autoriparanti. Lo studio ha utilizzato la risonanza magnetica nucleare (¹H NMR) per confermare la struttura degli agenti riparanti, la calorimetria differenziale a scansione (DSC) per verificare la reversibilità delle reazioni DA/retro-DA e tecniche di nanoindentazione insieme alla profilometria superficiale per valutare sistematicamente le proprietà meccaniche e le caratteristiche superficiali dei rivestimenti.
Per quanto riguarda le principali tecniche sperimentali, il team di ricerca ha inizialmente sintetizzato agenti curativi a base di DA contenenti idrossile utilizzando un metodo in due fasi. Successivamente, polveri di poliuretano contenenti il 5% e il 10% in peso di agenti curativi sono state preparate mediante miscelazione a fusione e applicate su substrati di acciaio mediante spruzzatura elettrostatica. Confrontando i risultati con gruppi di controllo privi di agenti curativi, è stata studiata sistematicamente l'influenza della concentrazione degli agenti curativi sulle proprietà del materiale.
1.L'analisi NMR conferma la struttura dell'agente curativo
Gli spettri 1 H NMR hanno mostrato che l'anidride furano-maleica inserita nell'ammina (HA-1) presentava picchi caratteristici dell'anello DA a δ = 3,07 ppm e 5,78 ppm, mentre l'addotto furano-bismaleimide (HA-2) mostrava un tipico segnale protonico del legame DA a δ = 4,69 ppm, confermando la sintesi riuscita degli agenti curativi.
2.Il DSC rivela caratteristiche termicamente reversibili
Le curve DSC hanno indicato che i campioni contenenti agenti curativi presentavano picchi endotermici per la reazione DA a 75 °C e picchi caratteristici per la reazione retro-DA nell'intervallo 110-160 °C. L'area del picco aumentava con un contenuto maggiore di agenti curativi, dimostrando un'eccellente reversibilità termica.
3.I test di nanoindentazione mostrano un miglioramento della durezza
Test di nanoindentazione sensibili alla profondità hanno rivelato che l'aggiunta di agenti curativi al 5% e al 10% in peso ha aumentato la durezza del rivestimento rispettivamente del 3% e del 12%. Un valore di durezza di 0,227 GPa è stato mantenuto anche a una profondità di 8500 nm, attribuito alla rete reticolata formata tra gli agenti curativi e la matrice poliuretanica.
4.Analisi della morfologia della superficie
I test di rugosità superficiale hanno mostrato che i rivestimenti in poliuretano puro hanno ridotto il valore Rz del substrato dell'86%, mentre i rivestimenti con agenti riparanti hanno mostrato un leggero aumento della rugosità dovuto alla presenza di particelle più grandi. Le immagini FESEM hanno illustrato visivamente i cambiamenti nella texture superficiale derivanti dalle particelle dell'agente riparante.
5.Svolta nell'efficienza della guarigione dei graffi
Le osservazioni al microscopio ottico hanno dimostrato che i rivestimenti contenenti il 10% in peso di agente riparante, dopo trattamento termico a 120 °C per 30 minuti, hanno mostrato una riduzione della larghezza del graffio da 141 μm a 9 μm, raggiungendo un'efficienza di riparazione del 93,6%. Questa prestazione è significativamente superiore a quella riportata nella letteratura esistente per i sistemi poliuretanici lineari.
Pubblicato su Next Materials, questo studio offre molteplici innovazioni: in primo luogo, i rivestimenti in polvere poliuretanici modificati con DA sviluppati combinano buone proprietà meccaniche con capacità di autoriparazione, ottenendo un miglioramento della durezza fino al 12%. In secondo luogo, l'uso della tecnologia di spruzzatura elettrostatica garantisce una dispersione uniforme degli agenti riparanti all'interno della rete reticolata, superando l'imprecisione di posizionamento tipica delle tradizionali tecniche di microcapsule. Ancora più importante, questi rivestimenti raggiungono un'elevata efficienza di riparazione a una temperatura relativamente bassa (120 °C), offrendo una maggiore applicabilità industriale rispetto alla temperatura di riparazione di 145 °C riportata nella letteratura esistente. Lo studio non solo fornisce un nuovo approccio per estendere la durata utile dei rivestimenti ingegneristici, ma stabilisce anche un quadro teorico per la progettazione molecolare di rivestimenti funzionali attraverso l'analisi quantitativa della relazione "concentrazione-prestazioni dell'agente riparante". Si prevede che la futura ottimizzazione del contenuto di idrossili negli agenti riparanti e del rapporto tra i reticolanti uretdioni spingerà ulteriormente i limiti prestazionali dei rivestimenti autoriparanti.
Data di pubblicazione: 15-09-2025