เพื่อแก้ไขปัญหาของสารเคลือบโพลียูรีเทนแบบดั้งเดิมที่เสียหายง่ายและขาดคุณสมบัติในการซ่อมแซมตัวเอง นักวิจัยได้พัฒนาสารเคลือบโพลียูรีเทนที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ โดยมีส่วนผสมของสารซ่อมแซม 5% และ 10% โดยน้ำหนัก ผ่านกลไกการเกิดปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันแบบดีลส์-อัลเดอร์ (DA) ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า การเติมสารซ่อมแซมช่วยเพิ่มความแข็งของสารเคลือบได้ 3%–12% และมีประสิทธิภาพในการซ่อมแซมรอยขีดข่วน 85.6%–93.6% ภายใน 30 นาที ที่อุณหภูมิ 120 °C ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของสารเคลือบได้อย่างมาก งานวิจัยนี้จึงเป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับการปกป้องพื้นผิวของวัสดุทางวิศวกรรม
ในสาขาวัสดุวิศวกรรม การซ่อมแซมความเสียหายทางกลในวัสดุเคลือบผิวเป็นความท้าทายที่สำคัญมานานแล้ว แม้ว่าสารเคลือบโพลียูรีเทนแบบดั้งเดิมจะทนต่อสภาพอากาศและยึดเกาะได้ดีเยี่ยม แต่ประสิทธิภาพในการป้องกันจะเสื่อมลงอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดรอยขีดข่วนหรือรอยแตก ด้วยแรงบันดาลใจจากกลไกการซ่อมแซมตัวเองทางชีวภาพ นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มสำรวจวัสดุที่ซ่อมแซมตัวเองได้โดยอาศัยพันธะโควาเลนต์แบบไดนามิก โดยปฏิกิริยา Diels–Alder (DA) ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากสภาวะการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรงและสามารถย้อนกลับได้ดี อย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่มีอยู่ส่วนใหญ่เน้นไปที่ระบบโพลียูรีเทนเชิงเส้น ทำให้เกิดช่องว่างในการศึกษาคุณสมบัติการซ่อมแซมตัวเองในสารเคลือบผงโพลียูรีเทนแบบเชื่อมโยงข้าม
เพื่อก้าวข้ามอุปสรรคทางเทคนิคนี้ นักวิจัยในประเทศได้คิดค้นวิธีการใหม่ โดยการนำสารซ่อมแซมแบบ DA สองชนิด ได้แก่ ฟิวแรน-มาเลอิกแอนไฮไดรด์และฟิวแรน-บิสมาเลอิไมด์ มาใช้ในระบบเรซินโพลีเอสเตอร์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิล ทำให้ได้สารเคลือบผงโพลียูรีเทนที่มีคุณสมบัติการซ่อมแซมตัวเองที่ดีเยี่ยม การศึกษานี้ใช้ ¹H NMR เพื่อยืนยันโครงสร้างของสารซ่อมแซม ใช้แคลอริเมตรีแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล (DSC) เพื่อตรวจสอบความสามารถในการย้อนกลับของปฏิกิริยา DA/retro-DA และใช้เทคนิคการกดแบบนาโนร่วมกับการวัดโปรไฟล์พื้นผิวเพื่อประเมินคุณสมบัติทางกลและลักษณะพื้นผิวของสารเคลือบอย่างเป็นระบบ
ในแง่ของเทคนิคการทดลองที่สำคัญ ทีมวิจัยได้สังเคราะห์สารซ่อมแซม DA ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลเป็นองค์ประกอบโดยใช้วิธีการสองขั้นตอน จากนั้นจึงเตรียมผงโพลียูรีเทนที่มีสารซ่อมแซม 5% และ 10% โดยน้ำหนัก ผ่านการผสมแบบหลอมเหลว และนำไปพ่นลงบนพื้นผิวเหล็กโดยใช้การพ่นด้วยไฟฟ้าสถิต โดยเปรียบเทียบกับกลุ่มควบคุมที่ไม่มีสารซ่อมแซม ได้มีการศึกษาอย่างเป็นระบบถึงอิทธิพลของความเข้มข้นของสารซ่อมแซมต่อคุณสมบัติของวัสดุ
1.การวิเคราะห์ NMR ยืนยันโครงสร้างของสารช่วยสมานแผล
สเปกตรัม 1H NMR แสดงให้เห็นว่าฟิวแรน-มาเลอิกแอนไฮไดรด์ที่แทรกด้วยอะมีน (HA-1) แสดงพีควงแหวน DA ที่ลักษณะเฉพาะที่ δ = 3.07 ppm และ 5.78 ppm ในขณะที่สารประกอบฟิวแรน-บิสมาเลอิไมด์ (HA-2) แสดงสัญญาณโปรตอนพันธะ DA ทั่วไปที่ δ = 4.69 ppm ซึ่งยืนยันการสังเคราะห์สารรักษาบาดแผลได้สำเร็จ
2.DSC เผยให้เห็นลักษณะที่สามารถย้อนกลับได้ด้วยความร้อน
กราฟ DSC แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างที่มีสารซ่อมแซมแสดงพีคดูดความร้อนสำหรับปฏิกิริยา DA ที่ 75 °C และพีคเฉพาะสำหรับปฏิกิริยาย้อนกลับ DA ในช่วง 110–160 °C พื้นที่ของพีคเพิ่มขึ้นตามปริมาณสารซ่อมแซมที่สูงขึ้น แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการกลับคืนสภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม
3.การทดสอบการกดแบบนาโนแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงความแข็ง
การทดสอบการกดแบบนาโนที่ไวต่อความลึกแสดงให้เห็นว่า การเติมสารซ่อมแซม 5% และ 10% โดยน้ำหนัก ช่วยเพิ่มความแข็งของสารเคลือบได้ 3% และ 12% ตามลำดับ ค่าความแข็ง 0.227 GPa ยังคงอยู่แม้ที่ความลึก 8500 นาโนเมตร ซึ่งเป็นผลมาจากโครงข่ายเชื่อมโยงที่เกิดขึ้นระหว่างสารซ่อมแซมและเมทริกซ์โพลียูรีเทน
4.การวิเคราะห์สัณฐานวิทยาพื้นผิว
การทดสอบความหยาบของพื้นผิวแสดงให้เห็นว่า สารเคลือบโพลียูรีเทนบริสุทธิ์ช่วยลดค่า Rz ของพื้นผิวลงได้ 86% ในขณะที่สารเคลือบที่มีสารซ่อมแซมพื้นผิวแสดงให้เห็นความหยาบที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากการมีอนุภาคขนาดใหญ่กว่า ภาพ FESEM แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวที่เกิดจากอนุภาคของสารซ่อมแซมพื้นผิวอย่างชัดเจน
5.ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านประสิทธิภาพการซ่อมแซมรอยขีดข่วน
จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง พบว่าสารเคลือบที่มีสารซ่อมแซม 10% โดยน้ำหนัก หลังจากผ่านการอบด้วยความร้อนที่ 120 °C เป็นเวลา 30 นาที สามารถลดความกว้างของรอยขีดข่วนจาก 141 ไมโครเมตร เหลือ 9 ไมโครเมตร และมีประสิทธิภาพในการซ่อมแซมสูงถึง 93.6% ซึ่งประสิทธิภาพนี้ดีกว่าที่รายงานไว้ในเอกสารทางวิชาการที่มีอยู่สำหรับระบบโพลียูรีเทนเชิงเส้นอย่างเห็นได้ชัด
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Next Materials นำเสนอนวัตกรรมหลายประการ: ประการแรก สารเคลือบผงโพลียูรีเทนที่ดัดแปลงด้วย DA ที่พัฒนาขึ้นนี้ ผสานคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเข้ากับความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง ทำให้ความแข็งเพิ่มขึ้นได้ถึง 12% ประการที่สอง การใช้เทคโนโลยีการพ่นด้วยไฟฟ้าสถิตช่วยให้สารซ่อมแซมกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในโครงข่ายเชื่อมโยง ทำให้เอาชนะปัญหาการวางตำแหน่งที่ไม่แม่นยำซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเทคนิคไมโครแคปซูลแบบดั้งเดิม ที่สำคัญที่สุด สารเคลือบเหล่านี้มีประสิทธิภาพการซ่อมแซมสูงที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (120 °C) ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมได้มากขึ้นเมื่อเทียบกับอุณหภูมิการซ่อมแซม 145 °C ที่รายงานไว้ในเอกสารที่มีอยู่ งานวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางใหม่ในการยืดอายุการใช้งานของสารเคลือบทางวิศวกรรมเท่านั้น แต่ยังสร้างกรอบทฤษฎีสำหรับการออกแบบโมเลกุลของสารเคลือบเชิงฟังก์ชันผ่านการวิเคราะห์เชิงปริมาณของความสัมพันธ์ระหว่าง "ความเข้มข้นของสารซ่อมแซมกับประสิทธิภาพ" การเพิ่มประสิทธิภาพในอนาคตของปริมาณไฮดรอกซิลในสารซ่อมแซมและอัตราส่วนของตัวเชื่อมโยงยูเรตไดโอนคาดว่าจะผลักดันขีดจำกัดประสิทธิภาพของสารเคลือบซ่อมแซมตัวเองให้สูงขึ้นไปอีก
วันที่เผยแพร่: 15 กันยายน 2025