基于石墨烯技術(shù)的體育運(yùn)動(dòng)器材及其性能研究

摘要：基于氧化石墨烯、丁二酸酐、己內(nèi)酰胺、二甲基甲酰胺，利用原位聚合法進(jìn)行纖維尼龍6與羥基化氧化石墨烯改性，以紅外光譜儀、熱重分析儀、掃描電鏡等多元化方式，分析了石墨烯復(fù)合材料化學(xué)結(jié)構(gòu)與組織特性，同時(shí)詳細(xì)探究了石墨烯纖維復(fù)合材料在自行車輪胎胎面、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍中的實(shí)踐應(yīng)用。結(jié)果表明，原位聚合法可基于羥基化氧化石墨烯有效改進(jìn)優(yōu)化纖維尼龍6性能，且可有機(jī)實(shí)現(xiàn)纖維尼龍6與羥基化氧化石墨烯接枝，其中羥基化氧化石墨烯在纖維尼龍6基體中均勻分布，與基體間密切粘合;基于預(yù)期提升度計(jì)算分析得知，石墨烯纖維復(fù)合材料可顯著提升體育運(yùn)動(dòng)器材的整體性能，相信未來隨著石墨烯技術(shù)日趨成熟，可實(shí)現(xiàn)在體育運(yùn)動(dòng)器材各層面的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：石墨烯技術(shù);體育運(yùn)動(dòng)器材;性能

中圖分類號(hào)：TQ327.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0055-03

在科學(xué)技術(shù)實(shí)時(shí)更新優(yōu)化，現(xiàn)代化體育競技水平逐漸提升的趨勢下，社會(huì)相關(guān)各界已明確意識(shí)到體育運(yùn)動(dòng)器材中引進(jìn)新材料的重要意義，因此將材料科學(xué)與體育運(yùn)動(dòng)器材結(jié)合研究勢在必行。纖維作為器材制作基礎(chǔ)材料，在其中引進(jìn)既有石墨烯技術(shù)，可充分了解石墨烯技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)器材中的切實(shí)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯與體育行業(yè)的全面融合。而石墨烯纖維復(fù)合材料具備其獨(dú)特優(yōu)勢，即強(qiáng)度與模量較高，韌性良好，斷裂伸長率偏高，且顏色均衡，而添加石墨烯既能夠提升纖維材料耐老化性、阻燃性，又能提高遠(yuǎn)紅外發(fā)射保健性能，抗菌性等[1]，因此將石墨烯纖維復(fù)合材料應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)器材已成為必然趨勢。

1 石墨烯纖維復(fù)合材料制備與性能分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

氧化石墨烯（GO）、丁二酸酐;雙氧水（30%wt）;N，N-=甲基甲酰胺;已內(nèi)酰胺;6-氨基乙酸;甲酸。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

通過X射線衍射儀進(jìn)行物相分析;基于差示掃描量熱儀進(jìn)行分析;利用烏氏黏度計(jì)測試分析黏度;以場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝形貌。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，丁兒酸酰基過氧化物。根據(jù)1：1.2：1.8的比例添加雙氧水、丁二酸酐、去離子水于燒瓶內(nèi)，低溫?cái)嚢?h，直到混合物變?yōu)榘咨z狀態(tài)，在過濾之后，以48℃狀態(tài)，真空干燥處理24h。其次，氧化石墨烯羥基化。在燒瓶中添加氧化石墨烯（0.16g）與N，N-二甲基甲酰胺（23mL），在室溫狀態(tài)進(jìn)行超聲分散處理，2h之后，溫度上升到88℃，處于保溫狀態(tài)48h，在此過程中，間隔24h時(shí)，添加丁兒酸酰基過氧化物（0.16g），逐漸冷卻到室溫狀態(tài)之后進(jìn)行過濾，反復(fù)清洗，再在78℃狀態(tài)下，真空干燥處理18h，從而獲得羥基化氧化石墨烯。再次，羥基化氧化石墨烯與纖維尼龍6接枝。在燒瓶內(nèi)添加己內(nèi)酰胺（18.02g）與羥基化氧化石墨烯，在78℃狀態(tài)下，進(jìn)行超聲分散處理，0.5h之后，添加氨基乙酸（1.84g），處于150℃使用機(jī)械攪拌，0.5h之后溫度上升到225℃，再使用機(jī)械攪拌5h，在混合物變成粘稠狀態(tài)之后，分割為小塊狀，利用去離子水進(jìn)行清洗，清洗干凈后于88℃狀態(tài)，真空干燥24h，以獲得基于羥基化氧化石墨烯改性的纖維尼龍6復(fù)合物。最后，表層接枝纖維尼龍6分子鏈的羥基化氧化石墨烯制備，纖維尼龍6復(fù)合物溶解在甲酸內(nèi)進(jìn)行離心清洗，清除溶液即可獲取[2]。

1.4 結(jié)果分析

1.4.1 XRD圖譜

纖維尼龍6與表層接枝分子鏈的羥基化氧化石墨烯的XRD（X射線衍射）圖譜具體如圖1所示。

由圖可知，纖維尼龍6與0.5%含量羥基化氧化石墨烯的復(fù)合物-0.5的X射線衍射峰值狀態(tài)，纖維尼龍6在[200]與[002，220]晶面中出現(xiàn)特征峰，而復(fù)合物一0.5在[002]晶面構(gòu)成石墨烯特征峰，這就代表纖維尼龍6與羥基化氧化石墨烯表層接枝已成功[3]。

1.4.2 DSC曲線

纖維尼龍6與羥基化氧化石墨烯的復(fù)合物DSC曲線具體如圖2、圖3所示。

由圖可知，纖維尼龍6與不同量羥基化氧化石墨烯的復(fù)合物處于218℃周圍時(shí)，都存在熔融峰，相較于α型平行鏈架構(gòu)而言，只在熔融峰的具體位置上有所差異，即復(fù)合物在羥基化氧化石墨烯含量逐漸增大的趨勢下，熔融峰具體位置開始朝向低溫轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度逐步減弱，峰寬隨之變大[4]。

由圖可知，纖維尼龍6與不同量羥基化氧化石墨烯的復(fù)合物處于183℃周圍時(shí)，都存在結(jié)晶峰，且位置對(duì)應(yīng)纖維尼龍6正向遷移，然而并非結(jié)晶溫度隨羥基化氧化石墨烯含量增多而上升。總之，羥基化氧化石墨烯含量是0.5%的時(shí)候，可促進(jìn)復(fù)合物結(jié)晶溫度升高，且熔融溫度降低[5]。

1.4.3 黏度分析

以馬克一霍溫克方程計(jì)算所獲復(fù)合物與纖維尼龍6黏度測試結(jié)果，具體如表1所示。

由表可知，與纖維尼龍6相比，不同量羥基化氧化石墨烯的復(fù)合物黏度均相對(duì)分子質(zhì)量相對(duì)較小，復(fù)合物一1黏度均相對(duì)分子質(zhì)量即1 1343，復(fù)合物特征黏度明顯超出纖維尼龍6[6]。

1.4.4 形貌分析

基于石墨烯纖維尼龍6復(fù)合物的宏觀形貌可知，表層接枝尼龍6分子鏈的羥基化氧化石墨烯呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀形態(tài)，形貌特征類似于尼龍6。基于羥基化氧化石墨烯改性的纖維尼龍6復(fù)合物高倍顯微形貌可知，石墨烯通過發(fā)揮高導(dǎo)電特征，以及其在尼龍6基體中的均衡分布，導(dǎo)致斷面層出現(xiàn)均衡分布的明亮范圍，而且石墨烯呈現(xiàn)半透明薄膜狀態(tài)。表層接枝尼龍6分子鏈的羥基化氧化石墨烯表層為蜂窩狀態(tài)，其中部分可發(fā)現(xiàn)接枝片層卷曲現(xiàn)象，可厚度均勻，所以尼龍6基體的羥基化氧化石墨烯具備均衡分布特性，與基體界面友好交互[7]。

2 石墨烯纖維復(fù)合材料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用

2.1 高爾夫球桿

以石墨烯纖維復(fù)合材料為載體，在高爾夫球桿需同等重量的時(shí)候，可強(qiáng)化球桿強(qiáng)度與斷裂強(qiáng)度，延長使用壽命，且可提升阻尼性，以保障擊球效率與質(zhì)量[8]。

2.2 網(wǎng)球拍

石墨烯纖維復(fù)合材料具備高于普通纖維的強(qiáng)度、彈性模量，可提升球拍剛度與強(qiáng)度。網(wǎng)球拍網(wǎng)線具有顯著特性，即球拍網(wǎng)厚度在擊球性能與耐久性均衡中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用;力量、擊球感、耐磨性、吸震性、控制性等為網(wǎng)線主要使用性能。為實(shí)現(xiàn)耐用性與擊球感的雙重優(yōu)勢，選用石墨烯纖維尼龍6復(fù)合物作為材料，其回彈性與抗疲勞性較高，硬度適中，脆性小，不易剛性斷裂，且價(jià)格低，合成工藝簡單。據(jù)此，在羽毛球網(wǎng)線市場中，石墨烯纖維尼龍6聚合物在羽毛球網(wǎng)線中的應(yīng)用范圍最廣泛。

基于成本、質(zhì)量、重量等多方面要求，可基于纖維尼龍6與適量石墨烯的結(jié)合進(jìn)行性能優(yōu)化，以提升羽毛球拍網(wǎng)線綜合性能。此外球拍也可通過石墨烯纖維尼龍6復(fù)合物作為材料，在總重量不變的基礎(chǔ)上，提高球拍強(qiáng)度，提升球拍剛度，延長使用壽命[9]。

2.3 自行車架

石墨烯纖維尼龍6復(fù)合材料可有效強(qiáng)化自行車架的抗沖擊性、拉伸強(qiáng)度、耐沖擊性，基于車架重量不變，提升車架抗沖擊能力，以此保護(hù)自行車與運(yùn)動(dòng)員的安全。

2.4 數(shù)據(jù)分析

以預(yù)期提升度表征石墨烯纖維尼龍6復(fù)合材料體育運(yùn)動(dòng)器材對(duì)運(yùn)動(dòng)成績的提升效度，結(jié)果[10]具體如表2所示。

3 結(jié)語

綜上所述，原位聚合法可有效改進(jìn)優(yōu)化石墨烯性能，且可有機(jī)實(shí)現(xiàn)纖維尼龍6與羥基化氧化石墨烯接枝，其中羥基化氧化石墨烯在纖維尼龍6基體中均勻分布，與基體間密切粘合。基于預(yù)期提升度計(jì)算分析得知，石墨烯纖維復(fù)合材料可顯著提升體育運(yùn)動(dòng)器材的整體性能，大約在1.8%一5.5%之間。相信未來隨著石墨烯技術(shù)日趨成熟，可實(shí)現(xiàn)在體育運(yùn)動(dòng)器材各層面的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]羅春平.Pt、Pd/石墨烯復(fù)合材料制備及其電催化性能研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2016.

[2]張麗萍.體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備與性能分析[J].熱加工工藝，2015 （12）：148-150.

[3]朱振峰，程莎，董曉楠，石墨烯的制備和應(yīng)用[J].功能材料，2013，（21）：3060-3064+3071.

[4]張寧，體育器材用石墨烯鎂基復(fù)合材料的制備與性能分析[J].粘接，2019，40（7）：120-123.

[5]閏雪鋒，體育器材用石墨烯表面改性與表征[J].化學(xué)與粘合，2019，41（6）：464-466+476.

[6]嘉興多凌體育器材有限公司，石墨烯乒乓球拍面膠及其制備方法：CN201910548995.8[P].2019-09-20.

[7]何志球，盤冠華，胡泳賓，氧化石墨烯對(duì)環(huán)氧一橡膠兩相體系性能的影響研究[J].粘接，2019，（4）：41-44.

[8]蘆雨澤，石墨烯技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)器材中應(yīng)用的探索[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[9]汪毅，曾黎明，石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].粘接，2015，（4）：87-91+74.

[10]韓瑞連，基于石墨烯片層增強(qiáng)碳材料的制備及性能研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2016.

作者簡介：史巖峰（1982-），男，河南武陟人，碩士研究生，講師，研究方向：體育管理。