Itsekorjautuvat polymeerit ja näiden sovellukset

Abstract

Itsekorjautuvat materiaalit ovat materiaaleja, joilla on kyky korjata itse niihin syntyneitä vaurioita. Tämä aihe on kiinnostanut tutkijoita jo usean vuoden ajan, sillä materiaalin itsekorjautuminen toisi huomattavia etuja kuten kestävämpiä ja turvallisempia tuotteita. Tässä työssä selvitetään, millä mekanismeilla itsekorjautuminen voidaan toteuttaa polymeerimateriaaleille ja mikä on itsekorjautuvien polymeerien kehitystyön nykytaso. Lisäksi työssä käydään läpi alan sovellusten kaupallista tilannetta. Tutkimus aiheeseen tehtiin kirjallisuusselvityksenä.

Polymeerimateriaalien korjautumismekanismit voidaan jakaa kahteen pääryhmään, jotka ovat sisäiset ja ulkoiset mekanismit. Sisäiset mekanismit kattavat lukuisia eri mekanismeja, joissa korjautuminen perustuu matriisipolymeerin sidoksiin, jotka kykenevät kontrolloidusti katkeamaan ja liittymään uudestaan yhteen. Tutkituimpia mekanismeja ovat vetysidoksiin, ionomeereihin sekä Diels-Alder reaktioon perustuvat rakenteet. Näiden järjestelmien suurimpana etuna on korjautumisen toteuttaminen samaan kohtaan toistettavasti, mutta heikkoutena tyypillisesti ulkoisen stimuloinnin vaatiminen korjautumisen aktivoimiseksi. Ulkoiset mekanismit perustuvat matriisipolymeeriin lisättyyn erilliseen faasiin, joka toteuttaa korjauksen. Nämä jaetaan tyypillisesti kapseli- sekä verkostorakenteisiin. Kyseisten mekanismien etuna on automaattisuus ja haasteena usean komponentin integrointi yhteen sekä korjautumisen toistaminen samaan kohtaan.

Sovellusten osalta itsekorjautuvat materiaalit ovat pääsääntöisesti vasta tutkimustasolla. Itsekorjautuviin materiaaleihin liittyvät monimutkaiset kemialliset reaktiot ja valmistusmenetelmien puutteellisuus hidastavat kehitystyötä. Haasteista huolimatta itsekorjautuvista polymeerimateriaaleista on joitakin kaupallisia sovelluksia sekä patentteja. Selkeästi pisimmälle edennyt sovellusala tällä hetkellä ovat pinnoitteet. Sekä sisäisillä että ulkoisilla mekanismeilla toimivia kaupallisia pinnoitteita on saatavilla. Lisäksi sovellukset kuten komposiittirakenteet, elektronisten laitteiden näytöt, vaahtorakenteet ja lääketieteelliset sovellukset ovat saaneet paljon huomiota ja useita lupaavia tutkimustuloksia on näiden osalta myös raportoitu.