البولي يوريثان: بحث حول صلابة السطح وخصائص الإصلاح الذاتي لطلاءات البولي يوريثان ذاتية الإصلاح القائمة على تفاعل ديلز-ألدر

لمعالجة مشكلة طلاءات البولي يوريثان التقليدية المعرضة للتلف وتفتقر إلى خاصية الترميم الذاتي، طوّر الباحثون طلاءات بولي يوريثان ذاتية الترميم تحتوي على 5% و10% من عوامل الترميم باستخدام آلية إضافة ديلز-ألدر الحلقية. تشير النتائج إلى أن إضافة عوامل الترميم تزيد من صلابة الطلاء بنسبة تتراوح بين 3% و12%، وتحقق كفاءة ترميم للخدوش تتراوح بين 85.6% و93.6% خلال 30 دقيقة عند درجة حرارة 120 درجة مئوية، مما يطيل عمر الطلاءات بشكل ملحوظ. تقدم هذه الدراسة حلاً مبتكراً لحماية أسطح المواد الهندسية.

في مجال هندسة المواد، لطالما شكل إصلاح التلف الميكانيكي في مواد الطلاء تحديًا كبيرًا. فعلى الرغم من أن طلاءات البولي يوريثان التقليدية تتميز بمقاومة ممتازة للعوامل الجوية والتصاق قوي، إلا أن أدائها الوقائي يتدهور بسرعة بمجرد حدوث الخدوش أو الشقوق. واستلهامًا من آليات الترميم الذاتي البيولوجية، بدأ العلماء باستكشاف مواد ذاتية الترميم تعتمد على روابط تساهمية ديناميكية، حيث حظي تفاعل ديلز-ألدر (DA) باهتمام كبير نظرًا لظروف تفاعله المعتدلة وقابليته للانعكاس. ومع ذلك، ركزت الأبحاث الحالية بشكل أساسي على أنظمة البولي يوريثان الخطية، مما أدى إلى وجود فجوة في دراسة خصائص الترميم الذاتي في طلاءات مسحوق البولي يوريثان المتشابكة.

للتغلب على هذا العائق التقني، ابتكر باحثون محليون عاملين مُصلِحين من نوع DA - وهما أنهيدريد فوران-ماليك وفوران-بيسماليميد - في نظام راتنج بوليستر مهدرج، مما أدى إلى تطوير طلاء مسحوق بولي يوريثان يتمتع بخصائص ممتازة للترميم الذاتي. استخدمت الدراسة تقنية الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (¹H NMR) لتأكيد بنية العاملين المُصلِحين، وتقنية المسح الحراري التفاضلي (DSC) للتحقق من قابلية انعكاس تفاعلات DA/retro-DA، وتقنيات قياس الصلابة النانوية إلى جانب قياس ملامح السطح لتقييم الخصائص الميكانيكية وخصائص سطح الطلاءات بشكل منهجي.

فيما يتعلق بالتقنيات التجريبية الرئيسية، قام فريق البحث أولاً بتصنيع عوامل معالجة DA المحتوية على الهيدروكسيل باستخدام طريقة من خطوتين. بعد ذلك، تم تحضير مساحيق البولي يوريثان التي تحتوي على 5% و10% وزناً من عوامل المعالجة عن طريق المزج بالصهر، وتم تطبيقها على ركائز فولاذية باستخدام الرش الكهروستاتيكي. وبمقارنة النتائج مع مجموعات ضابطة خالية من عوامل المعالجة، تم دراسة تأثير تركيز عامل المعالجة على خصائص المادة بشكل منهجي.

1.يؤكد تحليل الرنين النووي المغناطيسي بنية عامل الشفاء

أظهرت أطياف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (1H NMR) أن أنهيدريد فوران-ماليك المُدخل بالأمين (HA-1) أظهر قمم حلقة DA المميزة عند δ = 3.07 جزء في المليون و 5.78 جزء في المليون، بينما أظهر ناتج إضافة فوران-بيسماليميد (HA-2) إشارة بروتون رابطة DA نموذجية عند δ = 4.69 جزء في المليون، مما يؤكد نجاح عملية تصنيع عوامل الشفاء.

2.يكشف التحليل الحراري التفاضلي عن خصائص قابلة للانعكاس الحراري

أشارت منحنيات DSC إلى أن العينات المحتوية على عوامل معالجة أظهرت قممًا ماصة للحرارة لتفاعل DA عند 75 درجة مئوية، وقممًا مميزة لتفاعل DA العكسي في نطاق 110-160 درجة مئوية. وقد ازدادت مساحة القمة مع زيادة محتوى عامل المعالجة، مما يدل على قابلية انعكاس حراري ممتازة.

3.أظهرت اختبارات النانوية تحسناً في الصلابة

أظهرت اختبارات النانوية الحساسة للعمق أن إضافة 5% و10% من عوامل المعالجة زادت من صلابة الطلاء بنسبة 3% و12% على التوالي. وقد حافظت الصلابة على قيمة 0.227 جيجا باسكال حتى عند عمق 8500 نانومتر، ويعزى ذلك إلى الشبكة المتشابكة المتكونة بين عوامل المعالجة ومصفوفة البولي يوريثان.

4.تحليل مورفولوجيا السطح

أظهرت اختبارات خشونة السطح أن طلاءات البولي يوريثان النقية خفضت قيمة Rz للركيزة بنسبة 86%، بينما أظهرت الطلاءات المحتوية على عوامل معالجة زيادة طفيفة في الخشونة نتيجة وجود جزيئات أكبر. وقد أوضحت صور المجهر الإلكتروني الماسح ذي الانبعاث الميداني (FESEM) التغيرات في نسيج السطح الناتجة عن جزيئات عامل المعالجة.

5.طفرة في كفاءة التئام الخدوش

أظهرت الملاحظات المجهرية الضوئية أن الطلاءات التي تحتوي على 10% وزناً من عامل المعالجة، بعد معالجتها حرارياً عند 120 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، أظهرت انخفاضاً في عرض الخدش من 141 ميكرومتر إلى 9 ميكرومتر، محققةً كفاءة معالجة بلغت 93.6%. ويتفوق هذا الأداء بشكل ملحوظ على ما ورد في الدراسات السابقة لأنظمة البولي يوريثان الخطي.

نُشرت هذه الدراسة في مجلة Next Materials، وتقدم ابتكارات متعددة: أولًا، تجمع طبقات مسحوق البولي يوريثان المُعدّلة بـ DA بين الخصائص الميكانيكية الجيدة والقدرة على الإصلاح الذاتي، مما يحقق تحسنًا في الصلابة يصل إلى 12%. ثانيًا، يضمن استخدام تقنية الرش الكهروستاتيكي توزيعًا متجانسًا لعوامل الإصلاح داخل الشبكة المتشابكة، متجاوزًا بذلك عدم دقة التموضع التي تميز تقنيات الكبسولات الدقيقة التقليدية. والأهم من ذلك، أن هذه الطبقات تحقق كفاءة عالية في الإصلاح عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (120 درجة مئوية)، مما يوفر قابلية تطبيق صناعية أكبر مقارنةً بدرجة حرارة الإصلاح البالغة 145 درجة مئوية المذكورة في الدراسات السابقة. لا تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لإطالة عمر خدمة الطلاءات الهندسية فحسب، بل تُرسّخ أيضًا إطارًا نظريًا للتصميم الجزيئي للطلاءات الوظيفية من خلال تحليلها الكمي لعلاقة "تركيز عامل الإصلاح بالأداء". من المتوقع أن يؤدي التحسين المستقبلي لمحتوى الهيدروكسيل في عوامل المعالجة ونسبة الروابط المتشابكة من اليوريتديون إلى زيادة حدود أداء الطلاءات ذاتية الإصلاح.