პოლიურეთანი: დილს-ალდერის რეაქციის საფუძველზე პოლიურეთანის თვითაღდგენითი საფარის ზედაპირის სიმტკიცისა და თვითაღდგენითი თვისებების კვლევა

ტრადიციული პოლიურეთანის საფარის დაზიანებისადმი მიდრეკილებისა და თვითაღდგენის უნარის არარსებობის პრობლემის გადასაჭრელად, მკვლევარებმა შეიმუშავეს თვითაღდგენითი პოლიურეთანის საფარი, რომელიც შეიცავს 5 წონითი % და 10 წონითი % აღდგენით აგენტებს დილს-ალდერის (DA) ციკლოდამატების მექანიზმის გამოყენებით. შედეგები მიუთითებს, რომ აღდგენითი აგენტების ჩართვა ზრდის საფარის სიმტკიცეს 3%-12%-ით და აღწევს ნაკაწრების შეხორცების ეფექტურობას 85.6%-93.6%-მდე 30 წუთის განმავლობაში 120°C ტემპერატურაზე, რაც მნიშვნელოვნად ახანგრძლივებს საფარის მომსახურების ვადას. ეს კვლევა წარმოადგენს ინოვაციურ გადაწყვეტას საინჟინრო მასალების ზედაპირის დაცვისთვის.

საინჟინრო მასალების სფეროში, საფარის მასალებში მექანიკური დაზიანების შეკეთება დიდი ხანია სერიოზულ გამოწვევას წარმოადგენს. მიუხედავად იმისა, რომ ტრადიციული პოლიურეთანის საფარები ავლენენ შესანიშნავ ამინდისადმი მდგრადობას და ადჰეზიას, მათი დამცავი თვისებები სწრაფად უარესდება ნაკაწრების ან ბზარების გაჩენის შემდეგ. ბიოლოგიური თვითაღდგენითი მექანიზმებით შთაგონებულმა მეცნიერებმა დაიწყეს დინამიური კოვალენტური ბმების საფუძველზე თვითაღდგენითი მასალების შესწავლა, სადაც დილს-ალდერის (DA) რეაქციამ მნიშვნელოვანი ყურადღება მიიპყრო მისი რბილი რეაქციის პირობებისა და ხელსაყრელი შექცევადობის გამო. თუმცა, არსებული კვლევები ძირითადად ფოკუსირებულია ხაზოვან პოლიურეთანის სისტემებზე, რაც ხარვეზს ტოვებს ჯვარედინად დაკავშირებული პოლიურეთანის ფხვნილის საფარებში თვითაღდგენითი თვისებების შესწავლაში.

ამ ტექნიკური ბარიერის გასარღვევად, ადგილობრივმა მკვლევარებმა ინოვაციურად შეიტანეს ორი DA შემახორცებელი აგენტი - ფურან-მალეინის ანჰიდრიდი და ფურან-ბისმალეიმიდი - ჰიდროქსილირებული პოლიესტერის ფისოვან სისტემაში, რითაც შეიმუშავეს პოლიურეთანის ფხვნილის საფარი შესანიშნავი თვითშეხორცების თვისებებით. კვლევაში გამოყენებული იქნა ¹H NMR შემახორცებელი აგენტების სტრუქტურის დასადასტურებლად, დიფერენციალური სკანირების კალორიმეტრია (DSC) DA/რეტრო-DA რეაქციების შექცევადობის დასადასტურებლად და ნანოინტენცირების ტექნიკა ზედაპირული პროფილომეტრიასთან ერთად საფარის მექანიკური თვისებებისა და ზედაპირული მახასიათებლების სისტემატური შეფასებისთვის.

ძირითადი ექსპერიმენტული ტექნიკის თვალსაზრისით, კვლევითმა ჯგუფმა თავდაპირველად ჰიდროქსილის შემცველი DA შემახორცებელი აგენტები ორეტაპიანი მეთოდის გამოყენებით სინთეზირება მოახდინა. შემდგომში, დნობის შერევით მომზადდა 5 წონითი % და 10 წონითი % შემახორცებელი აგენტების შემცველი პოლიურეთანის ფხვნილები და ელექტროსტატიკური შესხურების გამოყენებით ფოლადის სუბსტრატებზე დაიტანეს. შემახორცებელი აგენტების არმქონე საკონტროლო ჯგუფებთან შედარებით, სისტემატურად იქნა გამოკვლეული შემახორცებელი აგენტის კონცენტრაციის გავლენა მასალის თვისებებზე.

1.NMR ანალიზი ადასტურებს სამკურნალო აგენტის სტრუქტურას

1H NMR სპექტრებმა აჩვენა, რომ ამინში ჩასმული ფურან-მალეინის ანჰიდრიდი (HA-1) ავლენდა დამახასიათებელ DA რგოლის პიკებს δ = 3.07 ppm და 5.78 ppm-ზე, ხოლო ფურან-ბისმალეიმიდის ადუქტი (HA-2) ავლენდა ტიპურ DA ბმის პროტონულ სიგნალს δ = 4.69 ppm-ზე, რაც ადასტურებდა სამკურნალო აგენტების წარმატებულ სინთეზს.

2.DSC ავლენს თერმულად შექცევად მახასიათებლებს

DSC მრუდებმა აჩვენა, რომ სამკურნალო აგენტების შემცველ ნიმუშებს DA რეაქციისთვის ენდოთერმული პიკები 75°C ტემპერატურაზე და რეტრო-DA რეაქციისთვის დამახასიათებელი პიკები 110–160°C დიაპაზონში ჰქონდათ. პიკის ფართობი სამკურნალო აგენტის შემცველობის ზრდასთან ერთად იზრდებოდა, რაც შესანიშნავ თერმულ შექცევადობას აჩვენებდა.

3.ნანოინტენცირების ტესტები სიმტკიცის გაუმჯობესებას აჩვენებს

სიღრმისადმი მგრძნობიარე ნანოინტენცირების ტესტებმა აჩვენა, რომ 5 წონითი % და 10 წონითი % შემახორცებელი აგენტების დამატებამ საფარის სიმტკიცე შესაბამისად 3%-ით და 12%-ით გაზარდა. 0.227 გპა სიმტკიცის მნიშვნელობა შენარჩუნდა 8500 ნმ სიღრმეზეც კი, რაც განპირობებულია შემახორცებელ აგენტებსა და პოლიურეთანის მატრიცას შორის წარმოქმნილი ჯვარედინი შეკავშირებული ქსელით.

4.ზედაპირის მორფოლოგიის ანალიზი

ზედაპირის უხეშობის ტესტებმა აჩვენა, რომ სუფთა პოლიურეთანის საფარებმა სუბსტრატის Rz მნიშვნელობა 86%-ით შეამცირა, მაშინ როდესაც შემახორცებელი აგენტებით დაფარულმა საფარებმა უხეშობის უმნიშვნელო ზრდა აჩვენა უფრო დიდი ნაწილაკების არსებობის გამო. FESEM-ის სურათებმა ვიზუალურად აჩვენეს ზედაპირის ტექსტურის ცვლილებები, რომლებიც შემახორცებელი აგენტის ნაწილაკებით არის გამოწვეული.

5.ნაკაწრების შეხორცების ეფექტურობის გარღვევა

ოპტიკური მიკროსკოპიით დაკვირვებებმა აჩვენა, რომ 10 წონითი % შემახორცებელი აგენტის შემცველ საფარებზე, 120°C ტემპერატურაზე 30 წუთის განმავლობაში თერმული დამუშავების შემდეგ, ნაკაწრის სიგანე 141 მკმ-დან 9 მკმ-მდე შემცირდა, რაც შეხორცების 93.6%-იან ეფექტურობას ავლენს. ეს მაჩვენებელი მნიშვნელოვნად აღემატება ხაზოვანი პოლიურეთანის სისტემებისთვის არსებულ ლიტერატურაში აღწერილ მაჩვენებლებს.

Next Materials-ში გამოქვეყნებული ეს კვლევა მრავალ ინოვაციას გვთავაზობს: პირველ რიგში, შემუშავებული DA-მოდიფიცირებული პოლიურეთანის ფხვნილის საფარები აერთიანებს კარგ მექანიკურ თვისებებს თვითაღდგენის უნართან, რაც სიმტკიცის 12%-მდე გაუმჯობესებას აღწევს. მეორეც, ელექტროსტატიკური შესხურების ტექნოლოგიის გამოყენება უზრუნველყოფს აღდგენითი აგენტების ერთგვაროვან გაფანტვას ჯვარედინი კავშირის ქსელში, რითაც გადალახავს ტრადიციული მიკროკაფსულური ტექნიკისთვის დამახასიათებელ პოზიციონირების უზუსტობას. რაც მთავარია, ეს საფარები მაღალ აღდგენით ეფექტურობას აღწევს შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე (120 °C), რაც უფრო მეტ სამრეწველო გამოყენებადობას გვთავაზობს არსებულ ლიტერატურაში აღწერილ 145 °C აღდგენით ტემპერატურასთან შედარებით. კვლევა არა მხოლოდ საინჟინრო საფარების მომსახურების ვადის გახანგრძლივების ახალ მიდგომას გვთავაზობს, არამედ ფუნქციური საფარების მოლეკულური დიზაინის თეორიულ ჩარჩოს ქმნის „აღდგენითი აგენტის კონცენტრაცია-ეფექტურობის“ ურთიერთობის რაოდენობრივი ანალიზის გზით. აღდგენით აგენტებში ჰიდროქსილის შემცველობის და ურეთდიონის ჯვარედინი შემაკავშირებლების თანაფარდობის სამომავლო ოპტიმიზაცია, სავარაუდოდ, თვითაღდგენითი საფარების მუშაობის ზღვრებს კიდევ უფრო გაზრდის.