介绍了最新最先进的仪器方法用于描述聚合物涂层材料的力学性能。188金宝搏bet官网

聚合物涂层的力学性能是经常被忽视,因为研究人员没有意识到现代仪器如何帮助他们了解一个特定的产品可能在服务生存的条件。在许多应用程序的两个主要因素是美学和耐用性,这两个可以直接与基材的力学性能有关。例如,涂料的耐久性取决于它的硬度、弹性模量、抗划伤、耐磨和坚持它的底物。审美的油漆表面质量将取决于它能够抵抗表面划痕和变形,这将衍射光和使它失去光泽外观。本文所需的测量方法测量准确的机械性能软聚合物涂料中常用的涂料。188金宝搏bet官网

介绍

单个探头测试设备已经存在了许多年,但直到最近,工具被开发出来的分辨率足够精确地测量聚合物涂层的机械性能。涂料的挑战,而不是大量聚合物,是测试探针(或硬度计压头)不能渗透到涂层太深,否则测量力学性能将不能代表涂层,但将是一个复合涂层和基体的性质。此外,聚合物材料很软,所以一个大硬度计压头位移188金宝搏bet官网将对应于一个非常小的应用负载。这意味着需要使用的仪器应该回馈控制负载非常高分辨率和蠕变的影响降到最低。

以前的工作(1 - 3)表明,单个探头的方法可以提供重要的某些聚合物的失效模式的信息。已经做了很多工作在汽车实验(4 - 7),这是一个很好的例子,审美品质和耐用性都是派拉蒙的最终用途的应用程序。工业汽车聚合物清漆经常暴露于恶劣环境条件但他们预计将维持一个高光泽完成至少五年。在汽车高分子领域,我们经常听到“mar抵抗”和“抗划伤”用来描述一个特定的属性材料。Mar阻力特征涂层抵抗破坏的能力,光磨损。

mar和抗划伤的区别在于3月只有相对好相关的表面划伤,破坏涂层的外观。3月阻力取决于粘弹性或热恢复之间的复杂的相互作用,产生或塑性流动,骨折。聚合物具有挑战性,因为它们表现出一系列的机械性能从附近的液体橡胶材料脆性固体。188金宝搏bet官网率和温度相关的机械性能,和粘弹性恢复会导致变形材料随着时间的推移改变。对于汽车实验确定清漆,例如,汽车制造一个很好的质量光泽整理。

汽车自动洗车和清洁。因为很多汽车洗肥皂和洗涤太短,不足的污垢粒子存在于水实际上导致表面划伤车身。这些划痕对人眼不可见(人眼可以解决划痕宽度约10µm或更高),但是当有很多人,他们减少表面的光泽,让它看起来沉闷。现代汽车设计实验是为了让小表面划痕实际上“治愈”几个小时的时间,这是由于聚合物的粘弹性恢复完成。也使用同样的原则在许多类型的审美涂料表面划痕会减少出现,例如,指甲油,消费电子设备涂料、油漆等。为了模拟这么小的划痕和得到一个量化值为粘弹性恢复这种规模需要仪器事实上深度分辨率和nano-Newton负载分辨率。

图1点击放大

方法

三个最常见的测试方法评估聚合物涂层的力学性能是缩进(测量硬度和弹性模量),划痕测试(测量涂层的完整性、抗划伤和粘弹性属性)和磨损测试(测量摩擦性能和磨损率)。每种方法的原理及其特定的解释对聚合物的重要性。

压痕测试
大多数人都熟悉传统的硬度测试,已知的硬度计压头几何(通常布氏、洛氏、维氏或努氏)推到样本的大小通过光学显微镜测量产生的印象。硬度是衡量除以外加负载的残余接触面积计算。这适用于散装材料应用负载一般高,光学显微镜下的残余188金宝搏bet官网痕迹很容易找到。然而,用柔软的聚合物材料,它们的粘弹性特性导致残留的印记加188金宝搏bet官网载后的恢复,因此很难得到有意义的数据。额外的问题出现,当一个人想要测量聚合物薄膜的硬度没有任何从衬底上沉积的影响。

因为上述的局限性传统缩进方法,仪器压痕已经发展在过去的几年里。方法是相同的,即硬度计压头压入表面,但随着检测技术的负载和深度硬度计压头不断监控整个装卸循环。这提供了一种load-depth曲线,这是一个“指纹”的机械性能测试材料,硬度和弹性模量可以计算(从初始切线模量计算的卸载曲线)。这意味着成像的残余痕迹不再是要求方法,因此非常低负载可以应用于非常小的材料卷给定量属性值。因为仪器压痕仪器完全软件控制,它们能够使单循环,多周期的动态力学分析(DMA)测量和装卸率可以精确控制。仪器压痕是在ISO 14577和ASTM E 2546 - 07。

在高分子材料的情况下非常时间,显著的额外信息可以获188金宝搏bet官网得关于材料的弹性和塑性变形。因为聚合物往往要比其他工程材料,柔软的应用负载通常milli-Newton范围和渗透深度在纳米范围内。188金宝搏bet官网检测的基本原理硬度计压头(或纳米硬度计)如图1所示,应用负载的负载细胞和合成位移测量的电容传感器。一个典型的load-depth曲线显示在图1 b。

划痕试验

图2点击放大

类似于仪器压痕划痕试验,除了期间流离失所的示例应用程序的负载。通过仔细控制仪器,这允许用户恒定负载,进步的载荷或增量载荷与一个预定义的长度和加载速率。最先进的仪器有活跃的力反馈控制,以确保正确的负载应用甚至在弯曲或粗糙的表面。在抓摩擦力(或切向力)硬度计压头和样品表面之间的记录和一个声发射传感器捕捉任何可能产生的噪音,当测试涂层开始开裂(这是大部分用于脆性涂层,如天气使变脆外观漆)。划痕测试仪的基本原理如图2所示,以及一个典型的结果。

聚合物最有趣的是,这些工具还提供提前扫描和post-scan分析表面。提前扫描由扫描表面的硬度计压头与最低的应用负载给地形剖面。划痕试验本身是沿着相同的路径,然后启动穿透深度(PD)是测量。划痕试验完成后,然后扫描后沿划痕硬度计压头与低外加负载一样提前扫描。最后post-scan给出了残余深度(RD),这是一个衡量材料的粘弹性松弛。为了考虑原样品表面,真正的PD和RD数据集重新计算后减去提前扫描。如果粘弹性研究作为时间的函数,那么可以执行post-scan划痕试验后在预定义的时间。

在scratch中测试,使用硬度计压头往往是球面几何,和各种不同的大小可以用来增加/减少接触压力,因此刮伤的严重程度。关于审美聚合物涂料、划痕形貌和可见性之间的关系是非常复杂的因为许多变量是涉及包括最下面的一层颜色,照明、取向、时间检查,心理因素,以及大小和类型的损伤。一些以前的工作都集中在评估mar和抓挠的光学表征方法,(8),而其他人也调查了划痕对用户感知的影响通过使用统计的意思。(9)

后者,主要目的是解决一些基本问题如有哪些类型(塑料或断裂)和大小的划痕,可以被人类的眼睛在给定的条件。在这种情况下,一系列的恒定负载划痕使用负载低于和高于骨折阈值为特定的聚合物。选择典型的这个产品的用户当时显示的测试面板不同长度的时间和要求计算所有可见的划痕。条件选择模拟能见度最坏的情况:一个黑色的最下面的一层和光强度相当于正午的太阳。划痕测试聚合物是由ISO 19252和ASTM D 7187年,是专注于“测试方法测量划痕/ mar nanoscratching油漆涂料”的行为

图3点击放大

磨损测试
pin-on-disk穿测试执行使用乐器被称为摩擦计,一个的示意图如图3所示。样品是安装在卡盘上,可以在预定的速度旋转。一个球或其他静态合作伙伴是安装在接触旋转样品通过一个弹性臂,可以横向移动,因此测量传感器的样品和球之间的摩擦。数据采集系统记录摩擦力作为时间的函数或数量的革命,虽然它经常被重新计算,所以实际摩擦系数(µ)显示在同一坐标轴。一个典型的例子如图3 b。

测试完成后,样品的实际磨损率和合作伙伴可以通过两种方式计算:首先是用表面光度仪来测量这个概要文件在穿跟踪和计算截面积移除。如果这是乘以磨损轨道周长的材料去除量可以计算,因此量作为时间的函数,磨损率(通常引用mm3 / N / m)。第二种方法是衡量测试之前和之后的示例一个高度精确的平衡和计算材料移除,虽然这种方法更有问题,因为在测试期间产生的垃圾必须完全切除,防止重大错误。

图4点击放大

这与聚合物通常是困难的,因为碎片倾向于坚持两个表面。现在大多数摩擦计提供的旋转样品和/或样本的线性往复运动。选择将取决于最终用途的应用程序。对这个测试有用的标准包括ASTM G 99, ASTM G 133和DIN 50324。


应用程序

压痕测试
插装的美丽nanoindentation是装卸部分测试周期是完全可编程,以及任何中间部分如暂停在某个负载或深度。标准测试聚合物可能包含式装卸循环在最大负载应用于暂停调查材料的蠕变特性。测试的一个典型的例子在PMMA涂层如图4所示的最大负载是5 mN 20秒暂停卸货。从这条曲线,硬度值(H)和弹性模量(E)分别为270 MPa和4.2绩点计算。材料的蠕变在最大负载67 nm 963海里的深度。

为了获得进一步的聚合物的力学性能和粘弹性的关系是什么,最好使用DMA或动态压痕试验过程。小振幅振荡是叠加在外加负载信号和合成位移振幅测量。力和位移之间的相移,一些机械性能(包括H和E)可以测量深度的连续函数在一个缩进。动态测试结果的一个例子在同一PMMA涂层如图4 b,窦1赫兹的频率与振幅1 mN。使用

粘弹性聚合物将显示一些弹性(储能)和粘性(能量损失)的行为。这种材料受到的应力诱导正弦压力将由某一阶段的角度。弹性响应和粘性的大小反应因此用于定义存储(E)和损失(E)模。储能模量可以看作是几乎等于应力松弛模量。损耗模量往往是小储能模量显示了高原地区,但会增加发生转变时。这种方法假设线性粘弹性行为,即。的存储和损失模独立实施应变幅度(这种假设是有效的对大多数聚合物提供应变幅度不超过approximatey 0.5 - 1.0%)。

图5点击放大

样品温度的控制是至关重要的在测量存储和损失模都是依赖于温度的。现代仪器通常有可选的加热/冷却模块允许精确控制样品的温度(图5)。例如,一个测试可能包含温度保持恒定频率而增加在该地区的利益。通过这种方式,可以监控特定的转换,例如,聚合物的变化从一个硬条件粘性/橡胶条件(玻璃化转变温度,Tg)。

动态压痕测试还可以用于研究蠕变和疲劳性能。在一个典型的动态蠕变试验,硬度计压头振荡在预定的振幅和频率在load-depth周期的部分。时间变形发生在缩进位移增加,而平均应力测量硬度降低。在一个典型的疲劳试验中,大的振幅振荡是用来获得疲劳变形和损伤。接触刚度的变化将代表形成的损伤,可以监测到故障。失败的周期数可以从运行时间确定。

图6点击放大

划痕试验
最常见的划痕试验由逐步加载到一个最大值。然后使用光学显微镜与特定事件(如涂料分层)的测量信号:穿透深度(Pd)、残余深度(Rd)和摩擦力(英尺)。划痕测试通常在三个不同的例子,然而常见,聚合物涂料如图6所示。

光学显微镜通常提供了重要的附加信息的方法失败的涂层和一个想法产生的塑性变形的严重程度。例如在图6中,材料(一)失败在一个独特的和脆弱的方式,产生大量的碎片,将衍射光和使表面看起来粗糙。

图7点击放大

汽车涂料的一些结果如图7和图8和来自一个研究,包括选择10个不同的材料,都是high-bake聚合物面漆(140ºC)。188金宝搏bet官网他们由一个色素最下面的一层(厚度= 12µm),应用第一,紧随其后的是实验(厚度= 45µm)和随后的发酵。每个样本的基本成分包括丙烯酸、三聚氰胺,氨基甲酸乙酯、硅烷和氨基甲酸酯。样品被评估为“未风化的”和“风化”,后者包括400 h氙弧老化测试机使用硼硅内部和外部过滤器。这种过滤器给更好的等效光谱阳光和400 h约等于三个月的服务。这也是客户的时间为制造商提供反馈他们的车辆的质量。

图8点击放大

结果呈现在图7显示进步的负载测量范围0 - 20 mN在两个不同的面漆。CSM的预处理和post-scan模式有纳米划痕试验仪的仪器使用期间为了情节渗透深度划痕测试,因此测试后评估viscoelestic复苏的水平。显然,样品比样品B显示了一个更大的放松和更少的塑性变形的路径。变形越大,就越失去光泽的表面涂层。

典型的残余划痕深度和保光性之间的相关性如图8的八个测试样本似乎组成了一个线性关系的恒定负载测试执行5 mN。注意,这些结果为未风化的样本。

图8 b演示了一些样品,风化后的耐擦伤性提高。在这个例子中,两个点为每个样本绘制箭头指示风化后的过渡时期;在某些情况下(样本E、H和J)涂层断裂所需的应用负荷显著增加。这种现象可以解释为硬化涂层由于风化过程,由于紫外线照射或化学修饰。

在聚合物如汽车面漆,有三种基本变形机制:弹性变形、塑性变形和断裂。也有一些复杂,时间弛豫现象(粘弹性和粘塑性)聚合物涂料。弹性变形不会导致永久损伤,不会影响涂层的外观。塑性变形和断裂是两个损伤机制,将影响涂层的外观,和这两个机制非常复杂的方式有关,但通常竞争、相互制约。当发生骨折时,弹性能量在加载过程中被释放。大多数的能量被用来生产新材料表面裂纹传播到涂层。塑性变形改变材料的形状只有最小的表面积的变化。在塑性变形过程中,能量耗散和热生成。

图9点击放大

塑性变形的能量耗散阻碍弹性能量积累,防止骨折。很难评估mar阻力基于单个数量,因为两个不同的变形机制。此外,两种变形机制导致不同形态和视觉效果。许多目前使用“mar”测试报告一个数字为3月业绩没有考虑损伤的机理。这些测试忽略不同的视觉冲击,不同的形态可能产生。

划痕试验,硬度计压头可以通过这三个驱动变形的政权,从弹性到塑性和最后断裂。机械阈值不同变形机制显然是最重要的在评估mar电阻材料。188金宝搏bet官网阈值从塑性变形到断裂表明抵抗骨折损伤的大小。骨折阈值很容易从划痕试验获得,通过寻找第一个突然波动发生骨折的地方。

骨折的发病明显会有所不同取决于涂层和底物,这就是为什么它总是建议衬底上的涂层被测试的目的是最终使用的应用程序。不同骨折阈值的例子如图9所示,它显示了进步的负载划痕在四个商用油漆完成。这些油漆都注定要应用木基板,测试本身进行松木板,刷涂和空气干燥。干燥时间是非常重要的高分子材料,因为他们将治疗和评估硬化在相当大量的时间周期(一些汽车完成只被认为是“硬”6个月后沉188金宝搏bet官网积!)。在这四个例子中,它们之间的区别是非常明显的:样本(a)和(d)失败屡次涂层的断裂,而样本(c)倾向于裂缝和样本(b)只有骨折非常小的裂缝,在这个低放大率是不可见的。如果这四个样品受到光泽测试或消费者研究然后样本(b)可能是最好的可见表面受损。

图10点击放大

大多数聚合物涂料目前提到相对软但一些商用聚合物完成可以显示相当脆弱的属性。图10显示了两个不同的指甲油涂料:示例(a)在本质上是明显的脆性和显微图确认分层立即发生没有任何过渡阶段可能发生开裂。此外,周围的分层区域延伸,这表明可能存在很大的残余应力在这个coating-substrate系统。结果图样本(一个)显示,一些粘弹性复苏后发生抓(视为Pd和Rd信号之间的差异)。样本(b)的光学显微图表明,该漆有一个非常不同的变形模式,沿着边缘显著的塑性变形的特征。它也可以观察到样品(b)失败更低的负载(和更低的穿透深度)比样本(a)。

所有这些例子展示的力量划痕试验测量相关的机械数量在损伤的形成,以及这种定量方法的准确度高、重现性好。

磨损测试
磨损试验的优点,当压痕或划痕测试相比,它可以衡量特定的聚合物coating-substrate系统的生命周期。在许多涂料应用,耐磨性比所需的负载更重要材料造成永久性损伤。一套典型的数据如图11所示,pin-on-disk测试油漆样本。摩擦系数和距离的图显示了一个稳定的价值直到涂层失败(即摩擦。完全损坏)。故障对应的出现,在这种情况下,一个明显的变化在摩擦信号,由于分解的涂料和摩擦学的转移膜的形成,这是一个混合的涂料,衬底和静态伙伴材料混合在一起。188金宝搏bet官网涂层性能测试和它的基质沉积涂层时将影响摩擦信号穿:在某些情况下,这种信号将大幅度上升,在别人可能下降。任何变化,涂层破裂将几乎总是体现为从稳定的滑动状态急剧变化。

图11点击放大

如图11所示的示例中,滑动距离后的涂层没有穿的37 m和后续的光学显微镜跟踪表明,涂层几乎完全移除。一个概要文件在这个穿轨道将使穿截面积计算,因此这个涂层材料的磨损率。应用负载的选择和几何的静态合作伙伴将决定涂层的生命周期。如果一个人想要模拟恶劣的条件那么高负载和较小的半径可以使用静态伙伴为了增加接触压力,使涂层很快失败。另一方面,一个可能希望评估摩擦系数的演变在很长一段时间没有破坏涂层,在这种情况下,低负荷和/或更大的接触几何可能选择。

除了评价涂层的摩擦磨损性能,有时有趣的评价属性的函数表示大气,温度和干/液体环境。CSM仪器摩擦计具备处理样品完全淹没在一个特定的液体和有能力执行测试1000ºC。大气也可以注入机器如果需要,如氩,N2,等。高真空摩擦计也可用于评估涂料,这可能是用于空间或真空条件和真空下降到10 - 7托结果的能力。

图12点击放大

选择穿在三个不同的钉子涂层样品测试结果如图12所示。所有三个样本准备用同样的厚度,沉积在同一衬底和测试使用相同的测量参数,以能够直接比较其耐磨性。这组测试的标准是调查后涂层的抗滑动距离100米的1 N应用负载和10厘米/秒的速度。穿的跟踪与直径10毫米,这总距离对应于1592旋转(或圈)的样本和测试时间大约是17分钟。

在这个例子中,摩擦痕迹不显示不同的涂层分解,但随后光学显微镜图像显示清晰多少红色的涂层仍在每种情况下。样本(a)只有轻微剥落的测试,而样本(c)完全剥落。样本(b)给出了几乎完全分层和沿着穿一些相当锯齿状边缘跟踪表明,这个特殊的清漆在本质上是相当脆弱的。

结论

本文介绍了最新最先进的仪器方法用于描述聚合物涂层材料的力学性能。188金宝搏bet官网几个例子的测试执行常见的商用涂层已经提出为了突出每种类型的测试的适用性。在大多数最终用途的应用涂料、外观依然的主要标准之一,它已经表明,这种材料的力学性能可以直接相关的美学品质。188金宝搏bet官网通过了解材料变形,研究人员可以开发一个涂层,将最适合在职情况它会遇到。理解的胶粘剂性能coating-substrate组合将允许一个更好的选择特定底物类型的涂料。

更多信息,联系尼古拉斯·x兰德尔博士在电话:781/444.2250;传真:781/444.2251;电子邮件nra@csm-instruments.com或访问www.csm-instruments.com