Để giải quyết vấn đề các lớp phủ polyurethane thông thường dễ bị hư hại và thiếu khả năng tự phục hồi, các nhà nghiên cứu đã phát triển các lớp phủ polyurethane tự phục hồi chứa 5% và 10% khối lượng chất phục hồi thông qua cơ chế cộng vòng Diels–Alder (DA). Kết quả cho thấy việc bổ sung chất phục hồi làm tăng độ cứng của lớp phủ lên 3%–12% và đạt hiệu quả tự phục hồi vết xước từ 85,6%–93,6% trong vòng 30 phút ở 120 °C, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của lớp phủ. Nghiên cứu này cung cấp một giải pháp đột phá cho việc bảo vệ bề mặt các vật liệu kỹ thuật.
Trong lĩnh vực vật liệu kỹ thuật, việc sửa chữa các hư hỏng cơ học trong vật liệu phủ từ lâu đã là một thách thức lớn. Mặc dù các lớp phủ polyurethane truyền thống thể hiện khả năng chống chịu thời tiết và độ bám dính tuyệt vời, nhưng hiệu quả bảo vệ của chúng nhanh chóng suy giảm khi xuất hiện các vết xước hoặc vết nứt. Lấy cảm hứng từ các cơ chế tự phục hồi sinh học, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu các vật liệu tự phục hồi dựa trên liên kết cộng hóa trị động, trong đó phản ứng Diels–Alder (DA) đang thu hút sự chú ý đáng kể do điều kiện phản ứng nhẹ nhàng và khả năng đảo ngược thuận lợi. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện có chủ yếu tập trung vào các hệ thống polyurethane tuyến tính, để lại một khoảng trống trong nghiên cứu về các đặc tính tự phục hồi trong các lớp phủ bột polyurethane liên kết chéo.
Để vượt qua rào cản kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu trong nước đã sáng tạo đưa hai chất phục hồi DA—furan-maleic anhydride và furan-bismaleimide—vào hệ thống nhựa polyester hydroxyl hóa, phát triển lớp phủ bột polyurethane với đặc tính tự phục hồi tuyệt vời. Nghiên cứu đã sử dụng ¹H NMR để xác nhận cấu trúc của các chất phục hồi, phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) để kiểm chứng tính thuận nghịch của phản ứng DA/retro-DA, và các kỹ thuật đo độ cứng nano cùng với phép đo độ dày bề mặt để đánh giá một cách có hệ thống các tính chất cơ học và đặc điểm bề mặt của lớp phủ.
Về các kỹ thuật thí nghiệm chính, nhóm nghiên cứu đầu tiên đã tổng hợp các chất tự phục hồi DA chứa nhóm hydroxyl bằng phương pháp hai bước. Sau đó, bột polyurethane chứa 5% và 10% khối lượng chất tự phục hồi được điều chế bằng phương pháp trộn nóng chảy, và được phủ lên nền thép bằng phương pháp phun tĩnh điện. Bằng cách so sánh với nhóm đối chứng không sử dụng chất tự phục hồi, ảnh hưởng của nồng độ chất tự phục hồi đến tính chất vật liệu đã được nghiên cứu một cách có hệ thống.
1.Phân tích NMR xác nhận cấu trúc của chất chữa lành
Phổ 1H NMR cho thấy furan-maleic anhydride chèn amin (HA-1) thể hiện các đỉnh vòng DA đặc trưng ở δ = 3,07 ppm và 5,78 ppm, trong khi chất cộng hợp furan-bismaleimide (HA-2) hiển thị tín hiệu proton liên kết DA điển hình ở δ = 4,69 ppm, xác nhận sự tổng hợp thành công các chất chữa lành.
2.DSC tiết lộ đặc tính thuận nghịch nhiệt
Các đường cong DSC cho thấy các mẫu chứa chất tự phục hồi thể hiện các đỉnh thu nhiệt cho phản ứng DA ở 75 °C và các đỉnh đặc trưng cho phản ứng retro-DA trong khoảng 110–160 °C. Diện tích đỉnh tăng lên khi hàm lượng chất tự phục hồi cao hơn, chứng tỏ khả năng đảo ngược nhiệt tuyệt vời.
3.Thử nghiệm đo độ cứng bằng phương pháp nanoindentation cho thấy sự cải thiện độ cứng.
Các thử nghiệm đo độ cứng nano theo chiều sâu cho thấy việc bổ sung 5% và 10% khối lượng chất tự phục hồi đã làm tăng độ cứng của lớp phủ lần lượt là 3% và 12%. Giá trị độ cứng 0,227 GPa được duy trì ngay cả ở độ sâu 8500 nm, điều này là do mạng lưới liên kết chéo được hình thành giữa các chất tự phục hồi và ma trận polyurethane.
4.Phân tích hình thái bề mặt
Các thử nghiệm độ nhám bề mặt cho thấy lớp phủ polyurethane nguyên chất làm giảm giá trị Rz của chất nền xuống 86%, trong khi các lớp phủ có chất tự phục hồi lại cho thấy độ nhám tăng nhẹ do sự hiện diện của các hạt lớn hơn. Hình ảnh FESEM minh họa trực quan những thay đổi về cấu trúc bề mặt do các hạt chất tự phục hồi gây ra.
5.Bước đột phá trong hiệu quả phục hồi vết xước
Quan sát bằng kính hiển vi quang học cho thấy rằng các lớp phủ chứa 10% khối lượng chất tự phục hồi, sau khi xử lý nhiệt ở 120 °C trong 30 phút, đã giảm chiều rộng vết xước từ 141 μm xuống còn 9 μm, đạt hiệu quả tự phục hồi là 93,6%. Hiệu suất này vượt trội đáng kể so với các kết quả được báo cáo trong các tài liệu hiện có đối với hệ thống polyurethane tuyến tính.
Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Next Materials, mang đến nhiều cải tiến: Thứ nhất, lớp phủ bột polyurethane biến tính DA được phát triển kết hợp các đặc tính cơ học tốt với khả năng tự phục hồi, đạt được sự cải thiện độ cứng lên đến 12%. Thứ hai, việc sử dụng công nghệ phun tĩnh điện đảm bảo sự phân tán đồng đều các chất phục hồi trong mạng lưới liên kết chéo, khắc phục được sự không chính xác trong định vị thường thấy ở các kỹ thuật vi nang truyền thống. Quan trọng nhất, các lớp phủ này đạt được hiệu quả phục hồi cao ở nhiệt độ tương đối thấp (120 °C), mang lại khả năng ứng dụng công nghiệp cao hơn so với nhiệt độ phục hồi 145 °C được báo cáo trong các tài liệu hiện có. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp một phương pháp mới để kéo dài tuổi thọ của các lớp phủ kỹ thuật mà còn thiết lập một khung lý thuyết cho thiết kế phân tử của các lớp phủ chức năng thông qua phân tích định lượng mối quan hệ “nồng độ chất phục hồi – hiệu suất”. Việc tối ưu hóa hàm lượng hydroxyl trong các chất phục hồi và tỷ lệ chất liên kết chéo uretdione trong tương lai dự kiến sẽ tiếp tục đẩy giới hạn hiệu suất của các lớp phủ tự phục hồi.
Thời gian đăng bài: 15/09/2025