基于熔融共混法的網球拍用石墨烯復合材料制備及其性能

王長磊

( 陜西國際商貿學院，陜西西安712046)

網球運動逐步普及化，人們對網球運動的認知更加深入，網球運動受眾群體擴大的背景下，促使網球拍產業的發展步入全新時期。石墨烯技術的不斷成熟，為網球拍的生產提供了支持，重大賽事專用拍普遍采取用了石墨烯技術，這一趨勢的出現主要與石墨烯穩定性較強、減震效果好有關。不僅于此，石墨烯網球拍在拍擊過程中伴隨良好的觸覺效果，給予運動員更清脆的聲音反饋。但需意識到，石墨烯是一種典型的二維納米材料，存在纏繞團聚的問題，并具備不溶于水的特點，因此加大了石墨烯復合材料的制備難度，盡管市面上存在石墨烯復合材料，但并不具備優良的力學性能，難以適應于網球運動的發展步伐。

1 熔融共混法

現階段，石墨烯復合材料生產中較為典型的是熔融共混法，在高溫環境下通過剪切作用可有效處理石墨烯，使其達到分散的狀態并有效融入聚合物基體中。當引入熔融共混法后，可生成PBT 納米復合材料，其中含有熱膨脹石墨(EG)，該材料與PBT 經3min 的持續性攪拌后，再利用雙螺桿擠出機擠出。經試驗得知，在EG 含量逐步提升之下，熔融峰逐步推移，由196℃上升至207℃，具備更良好的熱穩定性。且受到EG 含量增加的影響，電阻率也得到有效控制，僅為106Ω/cm。采用錳- 鈷氧化物與石墨烯混合，可達到對石墨烯修飾的效果，采取母料熔融共混法，可實現與PBT 的復合。由于使用到錳-鈷氧化物，使得炭層具備更加致密的特性，大幅提升了隔絕易燃氣體的能力，使得PBT 阻燃性更為良好［1］。若使用微波膨脹氧化石墨(MEGONS)，將該材料與PBT 熔融共混后，即可獲得綜合性能更良好的納米復合材料。通過紅外光譜測試得知，上述兩類材料可相互作用，改善了界面結合效果，所得材料的性能更為良好，無論在拉伸強度還是模量上都表現出大幅提升的趨勢。總體上，熔融共混法兼具操作便捷、生產效率高的特點，且不會出現試劑污染問題，環保效益較高。

2 石墨復合材料PNG-x/PA6 的制備和 分析方法

原材料主要有：片層狀氧化石墨烯(GO)，先豐納米材料科技有限公司；羧基功能化的氧化石墨烯(CFGO)，自制；純己內酰胺(CL)，阿拉丁生化科技股份有限公司； PA6、6-ACA、甲醇以及無水乙醇，株洲化工研究所。

選取試驗裝置（要求具備攪拌以及加熱雙重功能），在其作用下溶解18g CL，精確稱量6g CFGO，并創建78℃環境，實行超聲分散處理措施，持續0.5h 后可獲得棕色懸浮液；隨后添加1.8g 聚集乙酸，加熱使其達到148℃ ，持續攪拌0.5h，隨后再次加熱達到248℃，經過充分攪拌后維持恒溫并持續3h，經上述操作后即可得到粘性聚合物小塊。將所得產品沸水洗滌1h，轉移到恒溫干燥箱（78℃），給予24h 的持續性烘干處理后可生成PA6 聚合物，選取甲酸溶液并對其處理，通過離心洗滌的方式再篩選下層物質，可獲得接枝PA6 分子鏈的CFGO，該為PNG。在上述操作中，選取純PA6 切片，將其放置在118℃/6h 真空環境中，主要目的在于干燥處理，使用到SHR-10A 型混合機，將處理后的材料與PNG-0.1 混合，再將生成物置入SHJ-65 型擠出機中，可達到擠出造粒的效果，經上述操作后再轉移到HTF90W1注塑機內，成型后便獲得了PNG-x/PA6 復合材料，其中，x 表示PNG 質量分數。

將上述得到的復合材料置入TA-Q50 同步熱分析儀內，展開熱重曲線測試（氮氣），升溫與降溫兩個環節的速度都穩定為8℃/min。采用MTS-810 型萬能試驗機，進行伸強度測試，拉伸速率2mm/min，并利用相同設備進行彎曲性能測試，加載速度恒定為2mm/min；采用660J-2 型試驗機進行無缺口沖擊強度測試，借助電子顯微鏡觀察，獲得斷口處的形貌特征［2］。

3 性能與分析

根據熱重分析得知，若溫度在360℃內，受到濕度影響，致使低分子量聚合物發生分解作用，伴隨明顯的熱失重現象；若溫度介于360℃～500℃，此時將出現聚合物分解現象，在此影響下PA6 出現熱失重。經對比分析得知，PNG/PA6 復合材料雖然存在熱失重現象但程度較為輕微，明顯低于PA6，由此表明此復合材料具備優良的熱穩定性。除此之外，伴隨PNG 含量的增加，此時復合材料的失重溫度主要集中在起始階段，表明PNG 對于熱穩定性具有改善效果。

為進一步探明PNG 含量的影響機制，選取多種含量展開試驗，和結晶溫度結果表明，在PNG 含量提升的環境下，致使PNG/PA6 復合材料的熔融溫度表現出持續增加的趨勢，且以含量為1%時應用效果最為良好。

進一步探討PNG 含量對復合材料在各類強度指標上的影響機制。就拉伸強度而言，當PNG 含量增加時，將使得PNG/PA6 復合材料在此項指標上的性能發生改變，即出現先增后減的趨勢，且PNG 含量為0.5% 時到達峰值。就彎曲強度而言，當PNG 含量增加時，制備所得的復合材料在此指標上表現出先增后減的趨勢，且PNG 含量為0.5% 時到達峰值。就沖擊強度而言，當PNG 含量增加時，制備所得的復合材料在此指標上表現出先增后減的趨勢，且PNG 含量為0.3% 時到達峰值。基于上述分析得知，若PNG 含量為0.5%，在此條件下制備PNG/PA6 復合材料后，其在抗拉強度與彎曲強度上最為良好；與此同時，若PNG 值為0.3%，在此條件下得到的復合材料在沖擊強度這一指標上最為良好。由此表明，盡管PNG 含量的增加具有積極意義，但這一規律并非絕對，較為可行的添加量是0.5%，此環境下可兼顧多項強度要求。

根據復合材料沖擊斷口形貌分析得知，PA6 產生的沖擊斷口主要表現出較平滑的特點，尚未出現明顯的變形痕跡；當PNG 用量為1% 時，可以得知此時的PNG-1/PA6 復合材料存在一定程度的斷面起伏現象，部分區域有塑性變形，但主要表現為脆性斷裂的形式，針對細部放大處理后得知，分布有細小顆粒物，這一現象的出現與PNG 含量過高有關，此時各片層間存在較明顯的范德華力，由于團聚而衍生出了空間位阻效應，使得復合材料的沖擊強度大幅度減小。關于PNG-0.5/PA6 復合材料，針對其斷面分析后得知，其分布有大量條狀紋路，并伴隨有局部撕裂現象，說明當產生沖擊荷載時伴隨大量的阻力，通過局部放大后可以得知，斷面中并不存在任何的PNG 聚合物，由此說明PNG 添加量處于較合適的狀態，確保了復合材料的分散性，可提升材料骨架的韌性，制備的復合材料在各項力學指標上都更為優良［3］。

4 結語

相比于傳統的PA6，基于熔融共混法制備的PNG/PA6 復合材料綜合性能更為良好；在PNG 含量提升的背景下，該復合材料的熱穩定性較為優良，更符合網排拍的使用需求。