创新视角：商业化聚苯乙烯微球的单颗粒压缩特性

一、背景

聚苯乙烯微球（PS微球）作为高分子科学的重要研究对象，因其独特的物理化学性质，在生物化学、检测、催化剂等多个领域展现出广泛的应用潜力。聚苯乙烯微球的制备方法多样，包括悬浮聚合、乳液聚合和分散聚合等，不同方法制得的微球在粒径、均一性及表面性质等方面存在差异。这些差异不仅影响PS微球的分散性和吸附性，还可能对其力学性能，特别是抗压性能产生显著影响。

二、测试设备与方法

为了深入探究PS微球的单颗粒抗压性能，本文采用IEST元能科技的SPFT（单颗粒力学性能测试）设备进行测试。SPFT设备能够高精度地控制位移和测量压力，从而精确采集压头加载到单个颗粒上的压力-位移曲线。另外，SPFT采用底部光学系统成像的方式，测试软件中可同步记录颗粒被压缩、变形、压溃的整个画面。这一设备特别适用于评估材料颗粒层级的耐压性和压溃力，对于理解聚苯乙烯微球在压缩过程中的行为至关重要。

图1. (左) SPFT设备；(右) 光学系统底视图

本文选取6款粒径D50在30μm左右的PS微球。测试过程遵循严格的标准化步骤：首先，通过乙醇分散制样，确保颗粒的均匀分布；然后，利用光学显微镜定位单个分散颗粒；接着，配置实验参数并执行压缩测试；测试过程中，观察并记录颗粒在压缩前后的形态变化。每个样品通常测试5个以上的颗粒，以确保数据的可靠性和统计意义。

三、结果分析

1、单颗粒压缩曲线和形貌变化

图2. 6款不同PS微球的单颗粒压缩曲线

图3. 6款不同PS微球的单颗粒压缩过程动图（上）及压前压后形貌（下）（节选）

2、压溃力和抗压强度对比

通过结果可以看出，每个样品平行测试10次的曲线一致性都比较好。PS微球-01和-02的单颗粒整体压溃力都远大于另4款PS微球。

根据GB/T 43091-2023关于粉末抗压强度测试方法的国家标准，可通过单颗粒的压溃力和颗粒粒径计算颗粒的抗压强度，平均值的结果如表1所示。PS微球-01和-02的抗压强度比其它4款PS微球高了近10倍。结合压缩过程颗粒形貌变化的情况，可以说明不同款式的PS微球，其压溃力和破碎行为存在显著差异。

表1. 6款不同PS微球的单颗粒抗压强度

一些微球（如-01和-02）具有极高的压溃力，在压缩过程中能够保持相对完整的颗粒形态，即使受到较大的压力，也只是突然崩裂，但崩裂后的碎片仍然能够保持一定的结构完整性。这类微球通常具有紧密的内部结构和较高的刚性，使得它们在受到外力作用时能够迅速响应并产生剧烈的形变，但不易完全破碎。这种特性使得它们在需要承受较大压力而保持结构完整性的应用场景中具有潜在优势。

相比之下，另一些微球（如-03到-06）的压溃力则相对较小，它们在压缩过程中会逐渐变形，并最终以雪花状的方式碎掉，慢慢摊开在载玻片上。这类微球通常具有较为松散的内部结构和较好的韧性，能够在一定程度上吸收和分散压缩应力。然而，由于其内部结构较为脆弱，一旦受到外力作用，就容易发生破坏，形成雪花状的碎片。这种特性使得它们在需要较好分散性和吸附性的应用场景中可能更具优势。

3、力-位移曲线的特征

（1）前段曲线斜率：通过对比不同微球的压溃点前的曲线变化和斜率特征，我们可以进一步分析它们的形变机制和力学性能。高压溃力的微球通常具有较陡峭的压缩曲线，表明其从弹性变形到破坏的过渡较快。而低压溃力的微球则可能具有更为平缓的压缩曲线，反映出其在压缩过程中的逐渐变形和能量吸收。

（2）压溃后的应力响应：从曲线上可以看出，高压溃力的微球被压溃后，随着压头的持续下压，其应力在较短的压缩量变化时没有明显下降，很快就再上升了（压头连带压颗粒和基底）。而低压溃力的微球被压溃后，随着压头的持续下压，在较短的压缩量变化时出现明显下降和波动。这同样说明高压溃力的微球由于其内部结构的坚固性，崩裂后的碎片仍然能够保持一定的结构完整性，使得应力水平不发生显著衰减。

四、小结

综上所述，通过IEST元能科技的SPFT设备对不同类型的聚苯乙烯微球进行单颗粒压缩性能测试，不仅揭示了不同种类微球在抗压性能上的显著差异，还深入分析了其形变机制和破碎行为。这些发现不仅有助于我们更好地理解聚苯乙烯微球的力学性能，还为其在各个领域的应用提供了重要的参考依据。

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