Per ovviare al problema dei rivestimenti poliuretanici convenzionali, soggetti a danni e privi di capacità autoriparanti, i ricercatori hanno sviluppato rivestimenti poliuretanici autoriparanti contenenti il 5% e il 10% in peso di agenti autoriparanti tramite il meccanismo di cicloaddizione di Diels-Alder (DA). I risultati indicano che l'incorporazione di agenti autoriparanti aumenta la durezza del rivestimento del 3%-12% e raggiunge un'efficienza 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 rappresenta da tempo una sfida importante. Sebbene i rivestimenti poliuretanici tradizionali presentino un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici e un'ottima adesione, le loro prestazioni protettive si deteriorano rapidamente in presenza di graffi o crepe. Ispirandosi ai 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 ha riscosso notevole interesse grazie alle sue condizioni di reazione blande e alla favorevole reversibilità. Tuttavia, la ricerca esistente si è concentrata principalmente su sistemi poliuretanici lineari, lasciando una lacuna nello studio delle proprietà autoriparanti nei rivestimenti in polvere di poliuretano reticolato.
Per superare questa barriera tecnica, i ricercatori nazionali hanno introdotto in modo innovativo due agenti autoriparanti DA (anidride furano-maleica e furano-bismaleimmide) in un sistema di resina poliestere idrossilata, sviluppando un rivestimento in polvere di poliuretano con eccellenti proprietà autoriparanti. Lo studio ha utilizzato la spettroscopia NMR ¹H per confermare la struttura degli agenti autoriparanti, la calorimetria differenziale a scansione (DSC) per verificare la reversibilità delle reazioni DA/retro-DA e tecniche di nanoindentazione insieme alla profilometria di superficie per valutare sistematicamente le proprietà meccaniche e le caratteristiche superficiali dei rivestimenti.
Per quanto riguarda le principali tecniche sperimentali, il team di ricerca ha innanzitutto sintetizzato agenti autoriparanti DA contenenti gruppi idrossilici utilizzando un metodo in due fasi. Successivamente, sono state preparate polveri di poliuretano contenenti il 5% e il 10% in peso di agenti autoriparanti tramite miscelazione a caldo e applicate su substrati di acciaio mediante spruzzatura elettrostatica. Confrontando i risultati con gruppi di controllo privi di agenti autoriparanti, è stata studiata sistematicamente l'influenza della concentrazione di questi ultimi sulle proprietà del materiale.
1.L'analisi NMR conferma la struttura dell'agente curativo
Gli spettri 1H NMR hanno mostrato che l'anidride furan-maleica con ammina inserita (HA-1) presentava picchi caratteristici dell'anello DA a δ = 3,07 ppm e 5,78 ppm, mentre l'addotto furan-bismaleimmide (HA-2) mostrava un tipico segnale del protone del legame DA a δ = 4,69 ppm, confermando la riuscita sintesi degli agenti curativi.
2.La DSC rivela caratteristiche termicamente reversibili
Le curve DSC hanno indicato che i campioni contenenti agenti autoriparanti 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 l'aumentare del contenuto di agente autoriparante, 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 del 5% e del 10% in peso di agenti autoriparanti 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, attribuibile alla rete reticolata formatasi tra gli agenti autoriparanti e la matrice di poliuretano.
4.Analisi della morfologia superficiale
Le prove di rugosità superficiale hanno dimostrato che i rivestimenti in poliuretano puro hanno ridotto il valore Rz del substrato dell'86%, mentre i rivestimenti con agenti autoriparanti hanno mostrato un leggero aumento della rugosità a causa della presenza di particelle più grandi. Le immagini FESEM hanno illustrato visivamente le modifiche alla struttura superficiale risultanti dalle particelle dell'agente autoriparante.
5.Una svolta nell'efficacia della guarigione dei graffi
Le osservazioni al microscopio ottico hanno dimostrato che i rivestimenti contenenti il 10% in peso di agente autoriparante, dopo trattamento termico a 120 °C per 30 minuti, presentavano una riduzione della larghezza del graffio da 141 μm a 9 μm, raggiungendo un'efficienza di autoriparazione 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 di poliuretano modificati con DA sviluppati combinano buone proprietà meccaniche con la 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 autoriparanti all'interno della rete reticolata, superando l'imprecisione di posizionamento tipica delle tecniche tradizionali a microcapsule. Ancora più importante, questi rivestimenti raggiungono un'elevata efficienza di autoriparazione a una temperatura relativamente bassa (120 °C), offrendo una maggiore applicabilità industriale rispetto alla temperatura di autoriparazione di 145 °C riportata nella letteratura esistente. Lo studio non solo fornisce un nuovo approccio per estendere la durata di servizio dei rivestimenti ingegneristici, ma stabilisce anche un quadro teorico per la progettazione molecolare di rivestimenti funzionali attraverso la sua analisi quantitativa della relazione "concentrazione dell'agente autoriparante-prestazioni". Si prevede che la futura ottimizzazione del contenuto di idrossile negli agenti autoriparanti e del rapporto dei reticolanti uretdione spingerà ulteriormente i limiti prestazionali dei rivestimenti autoriparanti.
Data di pubblicazione: 15 settembre 2025