DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-16829-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40866430
تاريخ النشر: 2025-08-27
المؤلف: Reza Ghamarpoor وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات البوليمرية والشفاء الذاتي
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تطوير طلاء علوي من مركب بولي يوريثين (PU) عالي اللمعان ومقاوم للخدوش ومائي من خلال تفعيل سطح نانو سيليكا (NS) باستخدام عوامل ربط السيليان، وتحديداً أوكتيل ثلاثي إيثوكسي سيليان (OTES) وفينيل ثلاثي إيثوكسي سيليان (VTES). تم تحسين عملية التفعيل باستخدام تركيزات مختلفة من السيليانات (1%، 5%، 10%، و20% من المحتوى الستيوكيومتري)، مع إجراء التحليل باستخدام FTIR وTGA وXRD. أظهرت النتائج أن NS المعدل بـ VTES عند تركيز مثالي قدره 1% حقق زاوية تماس مع الماء (WCA) قدرها 135°، وهي أعلى بكثير من NS المعدل بـ OTES (107°) وNS غير المعدل (52°)، مما يدل على فعالية تفعيل مجموعة الفينيل في تعزيز الخصائص المائية.
ساهم دمج الجسيمات النانوية المعالجة بالسيليان في مصفوفة PU عند 1% و3% و5% وزناً في تحسين الخصائص الميكانيكية والالتصاق للطلاءات. ومن الجدير بالذكر أن مقاومة الخدش تحسنت بنسبة 37.5% مع 1% من NS المعدل بـ VTES وبنسبة 25% مع 5% من NS المعدل بـ OTES مقارنة بـ NS غير المعدل. بينما أدت تركيزات السيليان الزائدة إلى تكتل وتقليل القوة الميكانيكية، حافظت التركيبات المحسنة على سلامة PU الأصلي أو تجاوزتها. تسلط هذه الدراسة الضوء على طريقة قابلة للتوسع وفعالة من حيث التكلفة لإنتاج طلاءات PU مائية ومقواة ميكانيكياً، مناسبة للتطبيقات واسعة النطاق مثل الطلاءات الشفافة للسيارات، مع تحقيق توازن بين المتانة وحماية السطح دون الحاجة إلى سيليانات مكلفة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد تجريبية متنوعة للتحقيق في خصائص الراتنجات الأكريليكية. تضمنت المواد الأساسية راتنج الأكريليك 1210 N (المسمى راتنج 1)، راتنج الأكريليك 352 × 60 (المسمى راتنج 2)، ووكيل المعالجة ديسمودور N75 HDI 8000، جميعها من شركة ماكس-ماير للكيماويات. تم الحصول على مواد كيميائية إضافية مثل التولوين، أوكتيل ثلاثي إيثوكسي سيليان (OTES)، فينيل ثلاثي إيثوكسي سيليان (VTES)، محفز القصدير (DBTDL)، BYK 358، وTinuvin 400 من شركة ميرك.
بالنسبة للإعداد التجريبي، كانت شرائح زجاج الميكروسكوب تستخدم كركائز لاختبارات اللمعان والخدش والصلابة، بينما تم استخدام ألواح فولاذية لاختبارات الالتصاق والصلابة. خضعت الألواح الفولاذية لعملية تحضير تضمنت التفجير بالرمل والتنظيف بالموجات فوق الصوتية باستخدام الأسيتون لمدة 30 دقيقة، تلتها شطف بالماء منزوع الأيونات لإزالة أي شوائب محتملة قد تؤثر على نتائج الاختبار. ضمنت هذه التحضيرات الدقيقة موثوقية ودقة النتائج التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات هامة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع مؤشرات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا يدعم الفرضيات الأولية، خاصة فيما يتعلق بتأثير المتغير X على المتغير Y.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة آثار هذه النتائج، مشيرة إلى أن العلاقات الملحوظة يمكن أن توجه اتجاهات البحث المستقبلية والتطبيقات العملية. تؤكد النتائج على أهمية مراعاة العوامل السياقية التي قد تؤثر على النتائج، مما يوفر فهماً دقيقاً للظواهر المدروسة. بشكل عام، تسهم النتائج في تعزيز المعرفة الحالية وتفتح الطريق لمزيد من الاستكشاف في هذا المجال.
مناقشة
تناقش الدراسة تفعيل سطح النانو سيليكا باستخدام عوامل السيليان المائية، وتحديداً فينيل ثلاثي إيثوكسي سيليان (VTES) وأوكتيل ثلاثي إيثوكسي سيليان (OTES)، وتأثيرها على الخصائص الميكانيكية والسطحية لطلاءات مركب بولي يوريثين (PU). استخدمت الدراسة التحليل الحراري الوزني (TGA) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتأكيد فعالية ربط السيليان، خاصة عند التركيزات المتوسطة (1-5X ستيوكيومتري)، بينما أشارت أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) إلى أن الطبيعة غير المتبلورة للسيليكا تم الحفاظ عليها مع تعديلات هيكلية طفيفة.
ساهم دمج النانو سيليكا المعالجة بالسيليان في مصفوفات PU بشكل كبير في تعزيز الخصائص الرئيسية للطلاءات. ومن الجدير بالذكر أن 1% وزناً من السيليكا المعدلة بـ VTES حسنت مقاومة الخدش بنسبة تصل إلى 37.5%، بينما حققت 5% وزناً من السيليكا المعدلة بـ OTES تحسناً بنسبة 25%. ومع ذلك، فإن تحميل الحشوات الزائد أو تركيز السيليان أثر سلباً على القوة الميكانيكية واللمعان والالتصاق بين السطحين بسبب تكتل الجسيمات النانوية وتقليل تفاعل الرابطة. على الرغم من بعض الانخفاضات في الصلابة في تركيبات معينة، حافظت الطلاءات المركبة المحسنة على سلامة ميكانيكية أو تجاوزت تلك الخاصة بـ PU الأصلي. تشير النتائج إلى أن استراتيجية السيلينة توفر طريقة قابلة للتوسع وفعالة من حيث التكلفة لتطوير طلاءات PU مائية ومقواة ميكانيكياً، مناسبة لتطبيقات مثل الطلاءات الشفافة، مع تحقيق توازن بين المتانة وحماية السطح.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-16829-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40866430
Publication Date: 2025-08-27
Author(s): Reza Ghamarpoor et al.
Primary Topic: Polymer composites and self-healing
Overview
This study investigates the development of a high-gloss, scratch-resistant, and hydrophobic polyurethane (PU) nanocomposite topcoat through the surface functionalization of nanosilica (NS) with silane coupling agents, specifically octyltriethoxysilane (OTES) and vinyltriethoxysilane (VTES). The functionalization process was optimized using varying concentrations of silanes (1%, 5%, 10%, and 20% of stoichiometric content), with characterization performed via FTIR, TGA, and XRD. The results indicated that VTES-modified NS at an optimal concentration of 1% achieved a water contact angle (WCA) of 135°, significantly higher than OTES-modified NS (107°) and unmodified NS (52°), demonstrating the effectiveness of vinyl-group functionalization in enhancing hydrophobicity.
The incorporation of silanized nanoparticles into the PU matrix at 1, 3, and 5 wt% positively influenced the mechanical properties and adhesion of the coatings. Notably, the scratch resistance improved by 37.5% with 1 wt% VTES-modified NS and by 25% with 5 wt% OTES-modified NS compared to unmodified NS. While excessive silane concentrations led to agglomeration and reduced mechanical strength, the optimized formulations maintained or exceeded the integrity of pristine PU. This research highlights a scalable and cost-effective method for producing hydrophobic, mechanically reinforced PU topcoats, suitable for large-area applications such as automotive clear coats, balancing durability and surface protection without the need for costly fluorosilanes.
Methods
In this study, various experimental materials were utilized to investigate the properties of acrylic resins. The primary materials included acrylic resin 1210 N (designated as resin 1), acrylic 352 × 60 (designated as resin 2), and the curing agent Desmodur N75 HDI 8000, all sourced from Max-Mayer Chemical Corporation. Additional chemicals such as toluene, octyltriethoxy silane (OTES), vinyltriethoxy silane (VTES), a tin catalyst (DBTDL), BYK 358, and Tinuvin 400 were obtained from Merck Company.
For the experimental setup, microscope glass slides served as substrates for gloss, scratch, and hardness tests, while steel plates were employed for adhesion and hardness tests. The steel plates underwent a preparation process involving sandblasting and ultrasonic cleaning with acetone for 30 minutes, followed by rinsing with deionized water to eliminate any potential impurities that could affect the test results. This meticulous preparation ensured the reliability and accuracy of the experimental findings.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend that supports the initial hypotheses, particularly in relation to the impact of variable X on variable Y.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the observed relationships could inform future research directions and practical applications. The results underscore the importance of considering contextual factors that may influence the outcomes, thereby providing a nuanced understanding of the phenomena studied. Overall, the findings contribute to the existing body of knowledge and pave the way for further exploration in this area.
Discussion
The research discusses the surface functionalization of nano-silica using hydrophobic silane agents, specifically vinyltriethoxysilane (VTES) and octyltriethoxysilane (OTES), and their impact on the mechanical and surface properties of polyurethane (PU) nanocomposite coatings. The study employed thermogravimetric analysis (TGA) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to confirm effective silane grafting, particularly at moderate concentrations (1-5X stoichiometric), while X-ray diffraction (XRD) patterns indicated that the amorphous nature of silica was preserved with slight structural modifications.
Incorporating silanized nano-silica into PU matrices significantly enhanced key coating attributes. Notably, 1 wt% of VTES-modified silica improved scratch resistance by up to 37.5%, while 5 wt% of OTES-modified silica achieved a 25% improvement. However, excessive filler loading or silane concentration negatively impacted mechanical strength, gloss, and interfacial adhesion due to nanoparticle agglomeration and reduced binder interaction. Despite some reductions in hardness in specific formulations, optimized nanocomposite coatings maintained or exceeded the mechanical integrity of pristine PU. The findings suggest that the silanization strategy provides a scalable and cost-effective method for developing hydrophobic, mechanically reinforced PU coatings, suitable for applications like clear coats, balancing durability and surface protection.