聚合物材料的耐候性与纳米尺度表征技术

### 聚合物材料的耐候性与纳米尺度表征技术 #### 1. 深度传感纳米压痕技术评估风化聚合物表面降解 在户外应用中，聚合物材料会受到环境因素的影响而发生降解，这种降解过程复杂且会影响材料的性能。传统的表面外观测量往往难以预测材料的机械失效，而宏观机械测试则需在长时间风化暴露后才能确认材料是否失效。为了在早期检测风化过程中材料表面机械性能的微小变化，研究人员采用了深度传感纳米压痕技术。 ##### 1.1 实验材料与方法 - **样品选择**：选择了紫外线稳定的聚碳酸酯（PC）和一种耐候性聚碳酸酯共聚物（Lexan* SLX树脂），其中Lexan* SLX树脂含有0.5%（重量百分比）的炭黑。这些样品是实验室规模的配方，与任何商业等级都不匹配。 - **风化暴露**：使用Atlas Material Testing Groups的Ci5000老化试验箱进行风化暴露。采用ISO 4892 - 2A户外风化测试协议，这是一种氙弧风化测试标准。测试条件包括：在340nm光学滤光片下辐照水平为0.50 W/m²，黑板温度（BPT）为65°C，相对湿度（RH）为50%。滤光片组合为内外层均为硼硅酸盐玻璃。测试周期为120分钟，其中包含18分钟的喷水循环，且无暗循环。样品分别暴露300、500、1000、1500、2000、3000和4000小时。 - **性能测量** - **光学性能**：使用GretagMacbeth的ColorEye 7000A分光光度计测量颜色，仪器设置为CIE Lab颜色空间，测量模式为SCI - 包含紫外线，大透镜/大孔径，观察角度为10°，光源为D65。使用BYK Gardner Tri - Glossmeter在60°角度测量光泽度。 - **宏观机械性能**：根据ISO 180标准，在室温（23°C）下使用Resil Impactor手动刹车装置测定缺口悬臂梁冲击强度。 - **红外光谱**：使用Perkin Elmer GX - 2000系列进行红外光谱测量，所有样品采用ATR FTIR技术扫描32次，扫描范围为4000cm⁻¹至400cm⁻¹，以空气为背景。 - **纳米压痕实验**：使用Nan0 Indenter@ XP（Agilent System Corporation）进行纳米压痕实验，采用三面Berkovich形金刚石压头。根据Oliver和Pharr的方法，使用供应商提供的软件分析纳米压痕测试中获得的载荷和位移数据。采用连续刚度测量（CSM）技术测量绝对和深度相关的硬度和模量值。 ##### 1.2 实验结果与讨论 - **光学性能变化**：从图1可以看出，随着暴露时间的增加，PC的光泽度和颜色从风化暴露开始（500小时内）就呈现下降趋势，而Lexan* SLX树脂样品在较长时间的暴露下能更好地保持光泽和颜色。这是因为Lexan* SLX树脂中存在芳基酯键。 - **宏观机械性能**：测量结果表明，在暴露2000小时之前，Lexan* SLX树脂的悬臂梁冲击性能优于PC样品。未暴露时，Lexan* SLX树脂的冲击强度比PC高14.5%。在不同暴露时间下，如500、1000、1500和2000小时，Lexan* SLX树脂的冲击强度分别比PC高74%、33%、136%和10%。 - **红外光谱分析**：聚碳酸酯样品在1780 cm⁻¹处的红外光谱变化与羰基（C = O）有关，这种变化被认为是由于碳酸酯键的链断裂。Lexan* SLX树脂样品在1628 cm⁻¹处出现新的谱带，与酮有关，表明聚合物链的酯键发生了Fries重排。 - **纳米压痕结果** - **PC的硬度和模量变化**：从图2可以看出，在暴露1500小时之前，PC表面的硬度和模量随着暴露时间的增加而增加。在2000小时及以上的暴露时间，表面硬度和模量下降。随着材料表面暴露时间的延长，硬度 - 模量达到临界点，表面开始崩解。崩解从表面开始，可能是逐层发生的。深度传感测量的硬度和模量清楚地表明了降解层的厚度，并揭示了风化表面机械性能的梯度变化。 - **Lexan* SLX树脂的硬度和模量变化**：Lexan* SLX树脂的硬度和模量随暴露时间的变化远低于PC。虽然在暴露1500小时后，PC和Lexan* SLX树脂的硬度和模量都有所下降，但Lexan* SLX树脂对机械性能的保留明显高于PC。在4000小时的暴露后，Lexan* SLX树脂仅在约 - 1μm深度处的硬度和模量低于未暴露样品，而PC在压痕深度超过3μm时出现完全内聚破坏。 以下是样品的部分性能对比表格： | 样品 | 未暴露冲击强度优势