従来のポリウレタンコーティングは損傷しやすく、自己修復能力に乏しいという課題を解決するため、研究者らは、ディールス・アルダー（DA）環化付加反応を利用して、5重量%および10重量%の修復剤を配合した自己修復ポリウレタンコーティングを開発しました。その結果、修復剤の配合によりコーティング硬度が3%～12%向上し、120℃、30分以内の傷修復効率が85.6%～93.6%に達することが示され、コーティングの耐用年数が大幅に延長されました。本研究は、エンジニアリング材料の表面保護における革新的なソリューションを提供します。
エンジニアリング材料分野において、コーティング材料の機械的損傷の修復は長年大きな課題となってきました。従来のポリウレタンコーティングは優れた耐候性と接着性を示すものの、傷やひび割れが発生すると保護性能が急速に低下します。生物学的自己修復機構に着想を得て、科学者たちは動的共有結合に基づく自己修復材料の研究を始めており、ディールス・アルダー（DA）反応は、その穏やかな反応条件と良好な可逆性から大きな注目を集めています。しかし、既存の研究は主に直鎖ポリウレタン系に焦点を当てており、架橋ポリウレタン粉体コーティングの自己修復特性の研究には未解明な点が残されています。
この技術的障壁を打破するため、国内の研究者らは、フラン-マレイン酸無水物とフラン-ビスマレイミドという2種類のDA修復剤を水酸化ポリエステル樹脂系に革新的に導入し、優れた自己修復特性を持つポリウレタン粉体コーティングを開発しました。本研究では、¹H NMRを用いて修復剤の構造を確認し、示差走査熱量測定（DSC）を用いてDA/逆DA反応の可逆性を検証し、ナノインデンテーション法と表面形状測定法を用いてコーティングの機械的特性と表面特性を体系的に評価しました。
主要な実験手法として、研究チームはまず二段階法を用いてヒドロキシル基含有DA補修剤を合成した。次に、溶融混合により5重量%および10重量%の補修剤を含むポリウレタン粉末を調製し、静電噴霧法を用いて鋼板基材に塗布した。補修剤を添加しない対照群と比較することで、補修剤濃度が材料特性に及ぼす影響を体系的に調査した。
1.NMR分析により治癒剤の構造を確認
1 H NMR スペクトルでは、アミン挿入フラン-マレイン酸無水物 (HA-1) が δ = 3.07 ppm および 5.78 ppm で特徴的な DA 環ピークを示し、一方フラン-ビスマレイミド付加物 (HA-2) は δ = 4.69 ppm で典型的な DA 結合プロトン信号を示し、治癒剤の合成が成功したことを確認しました。
2.DSCは熱可逆特性を明らかにする
DSC曲線から、修復剤を含むサンプルは、75℃でDA反応の吸熱ピークを示し、110～160℃の範囲で逆DA反応の特徴的なピークを示したことが示された。修復剤含有量の増加に伴いピーク面積が増加し、優れた熱可逆性を示した。
3.ナノインデンテーション試験で硬度の向上が確認
深さ感度ナノインデンテーション試験の結果、5重量%および10重量%の修復剤を添加すると、コーティング硬度がそれぞれ3%および12%増加することが明らかになりました。8500nmの深さでも0.227GPaの硬度が維持されました。これは、修復剤とポリウレタンマトリックスの間に形成された架橋ネットワークによるものです。
4.表面形態分析
表面粗さ試験の結果、純粋なポリウレタンコーティングは基材のRz値を86%減少させたのに対し、修復剤を添加したコーティングは、より大きな粒子の存在により粗さがわずかに増加することが示されました。FESEM画像は、修復剤粒子による表面テクスチャの変化を視覚的に示しました。
5.傷の修復効率の飛躍的向上
光学顕微鏡観察の結果、10重量%の修復剤を含むコーティングを120℃で30分間加熱処理すると、スクラッチ幅が141μmから9μmに減少し、93.6%の修復効率を達成したことが実証されました。この性能は、直鎖状ポリウレタンシステムに関する既存文献の報告値を大幅に上回っています。
Next Materials誌に掲載された本研究は、複数の革新的成果を提示しています。第一に、開発されたDA改質ポリウレタン粉体コーティングは、優れた機械的特性と自己修復能力を両立し、最大12%の硬度向上を達成しています。第二に、静電噴霧技術を用いることで、架橋ネットワーク内への修復剤の均一な分散を確保し、従来のマイクロカプセル技術に特有の位置精度の不正確さを克服しています。最も重要な点は、これらのコーティングは比較的低温（120℃）で高い修復効率を達成し、既存の文献で報告されている145℃の修復温度と比較して、より高い産業応用性を備えていることです。本研究は、エンジニアリングコーティングの耐用年数を延ばすための新たなアプローチを提供するだけでなく、「修復剤濃度と性能」の関係を定量的に分析することにより、機能性コーティングの分子設計のための理論的枠組みを確立しています。今後、修復剤中のヒドロキシル基含有量とウレトジオン系架橋剤の比率を最適化することで、自己修復コーティングの性能限界をさらに押し上げることが期待されます。
投稿日時: 2025年9月15日