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一、背景 

聚苯乙烯微球（PS微球）作為高分子科學(xué)的重要研究對象，因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，在生物化學(xué)、檢測、催化劑等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。聚苯乙烯微球的制備方法多樣，包括懸浮聚合、乳液聚合和分散聚合等，不同方法制得的微球在粒徑、均一性及表面性質(zhì)等方面存在差異。這些差異不僅影響PS微球的分散性和吸附性，還可能對其力學(xué)性能，特別是抗壓性能產(chǎn)生顯著影響。

二、測試設(shè)備與方法 

為了深入探究PS微球的單顆粒抗壓性能，本文采用IEST元能科技的SPFT（單顆粒力學(xué)性能測試）設(shè)備進(jìn)行測試。SPFT設(shè)備能夠高精度地控制位移和測量壓力，從而精確采集壓頭加載到單個顆粒上的壓力-位移曲線。另外，SPFT采用底部光學(xué)系統(tǒng)成像的方式，測試軟件中可同步記錄顆粒被壓縮、變形、壓潰的整個畫面。這一設(shè)備特別適用于評估材料顆粒層級的耐壓性和壓潰力，對于理解聚苯乙烯微球在壓縮過程中的行為至關(guān)重要。

圖1.  (左) SPFT設(shè)備；(右) 光學(xué)系統(tǒng)底視圖

本文選取6款粒徑D50在30μm左右的PS微球。測試過程遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化步驟：首先，通過乙醇分散制樣，確保顆粒的均勻分布；然后，利用光學(xué)顯微鏡定位單個分散顆粒；接著，配置實驗參數(shù)并執(zhí)行壓縮測試；測試過程中，觀察并記錄顆粒在壓縮前后的形態(tài)變化。每個樣品通常測試5個以上的顆粒，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和統(tǒng)計意義。

三、結(jié)果分析 

1、單顆粒壓縮曲線和形貌變化

圖2. 6款不同PS微球的單顆粒壓縮曲線

圖3. 6款不同PS微球的單顆粒壓縮過程動圖（上）及壓前壓后形貌（下）（節(jié)選）

2、壓潰力和抗壓強度對比

通過結(jié)果可以看出，每個樣品平行測試10次的曲線一致性都比較好。PS微球-01和-02的單顆粒整體壓潰力都遠(yuǎn)大于另4款PS微球。

根據(jù)GB/T 43091-2023關(guān)于粉末抗壓強度測試方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，可通過單顆粒的壓潰力和顆粒粒徑計算顆粒的抗壓強度，平均值的結(jié)果如表1所示。PS微球-01和-02的抗壓強度比其它4款PS微球高了近10倍。結(jié)合壓縮過程顆粒形貌變化的情況，可以說明不同款式的PS微球，其壓潰力和破碎行為存在顯著差異。

表1. 6款不同PS微球的單顆粒抗壓強度

一些微球（如-01和-02）具有極高的壓潰力，在壓縮過程中能夠保持相對完整的顆粒形態(tài)，即使受到較大的壓力，也只是突然崩裂，但崩裂后的碎片仍然能夠保持一定的結(jié)構(gòu)完整性。這類微球通常具有緊密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和較高的剛性，使得它們在受到外力作用時能夠迅速響應(yīng)并產(chǎn)生劇烈的形變，但不易完全破碎。這種特性使得它們在需要承受較大壓力而保持結(jié)構(gòu)完整性的應(yīng)用場景中具有潛在優(yōu)勢。

相比之下，另一些微球（如-03到-06）的壓潰力則相對較小，它們在壓縮過程中會逐漸變形，并最終以雪花狀的方式碎掉，慢慢攤開在載玻片上。這類微球通常具有較為松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和較好的韌性，能夠在一定程度上吸收和分散壓縮應(yīng)力。然而，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為脆弱，一旦受到外力作用，就容易發(fā)生破壞，形成雪花狀的碎片。這種特性使得它們在需要較好分散性和吸附性的應(yīng)用場景中可能更具優(yōu)勢。

3、力-位移曲線的特征

（1）前段曲線斜率：通過對比不同微球的壓潰點前的曲線變化和斜率特征，我們可以進(jìn)一步分析它們的形變機制和力學(xué)性能。高壓潰力的微球通常具有較陡峭的壓縮曲線，表明其從彈性變形到破壞的過渡較快。而低壓潰力的微球則可能具有更為平緩的壓縮曲線，反映出其在壓縮過程中的逐漸變形和能量吸收。

（2）壓潰后的應(yīng)力響應(yīng)：從曲線上可以看出，高壓潰力的微球被壓潰后，隨著壓頭的持續(xù)下壓，其應(yīng)力在較短的壓縮量變化時沒有明顯下降，很快就再上升了（壓頭連帶壓顆粒和基底）。而低壓潰力的微球被壓潰后，隨著壓頭的持續(xù)下壓，在較短的壓縮量變化時出現(xiàn)明顯下降和波動。這同樣說明高壓潰力的微球由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的堅固性，崩裂后的碎片仍然能夠保持一定的結(jié)構(gòu)完整性，使得應(yīng)力水平不發(fā)生顯著衰減。

四、小結(jié)

綜上所述，通過IEST元能科技的SPFT設(shè)備對不同類型的聚苯乙烯微球進(jìn)行單顆粒壓縮性能測試，不僅揭示了不同種類微球在抗壓性能上的顯著差異，還深入分析了其形變機制和破碎行為。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于我們更好地理解聚苯乙烯微球的力學(xué)性能，還為其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。