Para abordar la vulnerabilidad de los recubrimientos de poliuretano convencionales a los daños y su falta de capacidad de autocuración, los investigadores desarrollaron recubrimientos de poliuretano autorreparadores que contienen agentes de curación al 5 % y al 10 % en peso mediante el mecanismo de cicloadición de Diels-Alder (DA). Los resultados indican que la incorporación de agentes de curación aumenta la dureza del recubrimiento entre un 3 % y un 12 % y alcanza una eficiencia de curación de rayones del 85,6 % al 93,6 % en 30 minutos a 120 °C, lo que prolonga significativamente su vida útil. Este estudio proporciona una solución innovadora para la protección de superficies de materiales de ingeniería.
En el campo de los materiales de ingeniería, la reparación de daños mecánicos en materiales de recubrimiento ha sido un gran desafío durante mucho tiempo. Si bien los recubrimientos de poliuretano tradicionales presentan una excelente resistencia a la intemperie y adhesión, su rendimiento protector se deteriora rápidamente al producirse arañazos o grietas. Inspirados por los mecanismos biológicos de autorreparación, los científicos han comenzado a explorar materiales autorreparadores basados en enlaces covalentes dinámicos, donde la reacción de Diels-Alder (DA) ha cobrado gran importancia debido a sus condiciones de reacción suaves y su favorable reversibilidad. Sin embargo, la investigación existente se ha centrado principalmente en sistemas de poliuretano lineal, lo que ha dejado un vacío en el estudio de las propiedades autorreparadoras de los recubrimientos en polvo de poliuretano reticulado.
Para superar esta barrera técnica, investigadores nacionales introdujeron de forma innovadora dos agentes de reparación de DA (anhídrido furano maleico y furano bismaleimida) en un sistema de resina de poliéster hidroxilado, desarrollando así un recubrimiento de poliuretano en polvo con excelentes propiedades de autocuración. El estudio empleó RMN de ¹H para confirmar la estructura de los agentes de reparación, calorimetría diferencial de barrido (DSC) para verificar la reversibilidad de las reacciones DA/retro-DA, y técnicas de nanoindentación, junto con perfilometría de superficie, para evaluar sistemáticamente las propiedades mecánicas y las características superficiales de los recubrimientos.
En cuanto a las técnicas experimentales clave, el equipo de investigación sintetizó primero agentes de reparación DA con hidroxilo mediante un método de dos pasos. Posteriormente, se prepararon polvos de poliuretano con concentraciones de agente de reparación al 5 % y al 10 % en peso mediante mezcla en estado fundido, los cuales se aplicaron sobre sustratos de acero mediante pulverización electrostática. Mediante la comparación con grupos de control sin agente de reparación, se investigó sistemáticamente la influencia de la concentración de agente de reparación en las propiedades del material.
1.El análisis de RMN confirma la estructura del agente curativo
Los espectros de RMN de 1 H mostraron que el anhídrido maleico-furano insertado con amina (HA-1) exhibió picos de anillo DA característicos en δ = 3,07 ppm y 5,78 ppm, mientras que el aducto furano-bismaleimida (HA-2) mostró una señal de protón de enlace DA típica en δ = 4,69 ppm, lo que confirma la síntesis exitosa de los agentes curativos.
2.La DSC revela características térmicamente reversibles
Las curvas de DSC indicaron que las muestras con agentes curativos presentaron picos endotérmicos para la reacción de DA a 75 °C y picos característicos para la reacción de retro-DA en el rango de 110 a 160 °C. El área del pico aumentó con un mayor contenido de agente curativo, lo que demuestra una excelente reversibilidad térmica.
3.Las pruebas de nanoindentación muestran una mejora en la dureza
Las pruebas de nanoindentación sensibles a la profundidad revelaron que la adición de agentes reparadores al 5 % y al 10 % en peso aumentó la dureza del recubrimiento en un 3 % y un 12 %, respectivamente. Se mantuvo un valor de dureza de 0,227 GPa incluso a una profundidad de 8500 nm, gracias a la red reticulada formada entre los agentes reparadores y la matriz de poliuretano.
4.Análisis de la morfología de la superficie
Las pruebas de rugosidad superficial mostraron que los recubrimientos de poliuretano puro redujeron el valor Rz del sustrato en un 86 %, mientras que los recubrimientos con agentes reparadores mostraron un ligero aumento de la rugosidad debido a la presencia de partículas más grandes. Las imágenes FESEM ilustraron visualmente los cambios en la textura superficial resultantes de las partículas del agente reparador.
5.Avance en la eficacia de la reparación de arañazos
Las observaciones mediante microscopía óptica demostraron que los recubrimientos con un 10 % en peso de agente reparador, tras un tratamiento térmico a 120 °C durante 30 minutos, mostraron una reducción del ancho de rayado de 141 μm a 9 μm, alcanzando una eficiencia de reparación del 93,6 %. Este rendimiento es significativamente superior al descrito en la literatura existente para sistemas lineales de poliuretano.
Publicado en Next Materials, este estudio ofrece múltiples innovaciones: en primer lugar, los recubrimientos en polvo de poliuretano modificado con DA desarrollados combinan buenas propiedades mecánicas con capacidad de autocuración, logrando una mejora de la dureza de hasta un 12 %. En segundo lugar, el uso de la tecnología de pulverización electrostática garantiza una dispersión uniforme de los agentes de curación dentro de la red reticulada, superando la imprecisión de posicionamiento típica de las técnicas tradicionales de microcápsulas. Y lo que es más importante, estos recubrimientos alcanzan una alta eficiencia de curación a una temperatura relativamente baja (120 °C), lo que ofrece una mayor aplicabilidad industrial en comparación con la temperatura de curación de 145 °C reportada en la literatura existente. El estudio no solo proporciona un nuevo enfoque para prolongar la vida útil de los recubrimientos de ingeniería, sino que también establece un marco teórico para el diseño molecular de recubrimientos funcionales mediante su análisis cuantitativo de la relación entre la concentración del agente de curación y el rendimiento. Se espera que la futura optimización del contenido de hidroxilo en los agentes de curación y la proporción de reticulantes de uretdiona impulsen aún más los límites de rendimiento de los recubrimientos de autocuración.
Hora de publicación: 15 de septiembre de 2025