網球拍用石墨烯復合材料的性能研究

徐翠萍

(陜西工業職業技術學院體育部,陜西咸陽 712000)

隨著科學技術的不斷發展和更新,以及體育運動不斷發展和完善,人們已經明確認識到新材料在體育運動器材中的重要作用,如何在體育運動器材中充分運用新材料,發揮其最大的優勢成為目前體育器材方面研究的重要問題。近年來,網球運動的普及以及人們認識的提高,網球逐漸受到人們的喜愛和關注,網球拍的發展也日新月日。纖維作為網球拍中主要的應用材料,在網球拍的發展中起到關鍵作用。但是,單純的利用纖維很難達到網球拍的使用要求,因此引入新的材料從而增強網球拍的各種性能,是相關研究者重點關注的問題。石墨烯復合材料具有較高的強度、彈性模量以及較好的韌性,另外其斷裂伸長率也較高,將其引入到纖維材料中制備網球拍,不僅能夠提高網球拍的穩定性、耐老化性,達到很好的減震效果,還能夠增強使用者的體驗感[1-2]。將石墨烯復合材料運用于網球拍甚至更多的體育運動器材中是其的必然趨勢。

1 石墨烯復合材料的結構

石墨烯復合材料的結構主要有石墨烯負載、石墨烯包裹、石墨烯內嵌、石墨烯層狀復合材料四種類型。石墨烯負載復合材料是將另外的一種組分負載在石墨烯的表面,并向外延伸。石墨烯包裹復合材料是將另外一種組分利用石墨烯包裹起來。石墨烯內嵌復合材料是將石墨烯以填充物的形式分散到另一種組分的基體相中所形成的,其中作為另外一種組分的基體相目前以聚合物居多,另外將陶瓷材料等無機材料嵌入石墨烯中可以形成功能性陶瓷材料等,提高這些無機材料的使用價值,改善其性質[3-5]。石墨烯層狀復合材料主要通過石墨烯和另一種組分通過交替堆疊而成,層狀結構增加了石墨烯與另一種組分的接觸面積,使其導電性等性能提高。石墨烯材料還具有導熱性、韌性較好、比表面積較大等優勢,這些性能均能使石墨烯復合材料表現出更大的性能優勢。例如,利用石墨烯負載納米粒子能夠增強納米粒子的催化性能,將石墨烯添加到高分子材料中,能夠增強其機械性能等[6-7]。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

氧化石墨烯、自制羥基氧化石墨烯、丁二酸酐、雙氧水、N,N-二甲基甲酰胺、己內酰胺、6-氨基乙酸、甲酸。

2.2 實驗過程

①制備丁二酰基過氧化物,取適量的雙氧水、丁二酸酐、純凈水至于500mL的燒瓶中,在低溫條件下攪拌3h,燒瓶中產生大量白色凝膠后停止攪拌,過濾,在真空烘箱中干燥48h。②制備羥基氧化石墨烯,將 適量的氧化石墨烯和N,N-二甲基甲酰胺加入100mL的燒瓶中,室溫條件下超聲2h,將燒瓶置于90℃油浴中48h,保溫24h 后加入適量由上述步驟中制備的丁二酰基過氧化物,繼續保溫24h 使燒瓶中的物質充分反應,然后降溫,使溫度逐漸降低到室溫,過濾,并對反應產物進行沖洗,之后置于真空干燥箱中干燥24h。③羥基氧化石墨烯/ 尼龍6 復合材料制備,在燒瓶中加入18.05g 己內酰胺,加熱溶解后,加入一定量的羥基氧化石墨烯,在80℃超聲30min,然后中加入1.86g的氨基乙酸,加熱并攪拌至150℃,反應30min 之后繼續升溫,在250℃繼續攪拌反應3h,燒瓶中的反應物逐漸變得粘稠,反應完成后將其分成聚合物小塊。將去離子水煮沸后對聚合物進行反復清洗,之后置于真空干燥箱中干燥36h,得到羥基氧化石墨烯/ 尼龍6 復合材料。④復合材料擠出造粒,將真空干燥處理后的純尼龍6 與不同質量的羥基氧化石墨烯/ 尼龍6 復合材料在溫控高速混合機中進行混合,再利用雙螺桿混煉擠出機對上述混合物熔融擠出造粒,再于注塑機中制備成標準試樣,最終得到含羥基氧化石墨烯/ 尼龍6 復合材料質量分數分別為0.2%、0.6%、1.0%的復合材料,并分別命名為復合材料1、復合材料2 和復合材料3。

3 結果與分析

3.1 熱穩定性分析

圖1 為純尼龍6 以及石墨烯復合材料2、復合材料3的熱穩定性分析曲線。

圖1 純尼龍6 和石墨烯復合材料的熱失重曲線Fig.1 Thermogravimetric curves of pure nylon 6 and graphene composites

由圖1 中純尼龍6的的熱失重曲線可以發現,在溫度低于350℃的情況下,尼龍6的熱失重較小,說明此種條件主要是由于分子量較小的聚合物分解而導致的熱失重,而隨著溫度的升高,尼龍6的熱失重變化較明顯,說明隨著溫度的升高,分子量較大的聚合物開始分解并導致失重。相對于尼龍6的熱失重曲線來說,石墨烯復合材料2 和復合材料3的曲線位置偏上,說明在相同的條件下,石墨烯復合材料的熱失重較小,表明尼龍6 與石墨烯復合之后所產生的復合材料的熱穩定性有所提高。另外,通過石墨烯復合材料2 和復合材料3的熱失重曲線對比可以發現,石墨烯復合材料3 熱失重曲線位置偏上,說明石墨烯復合材料3的熱穩定性高于石墨烯復合材料2,進一步說明,隨著石墨烯含量的提高,復合材料的熱穩定性越好。

3.2 DSC 曲線

圖2 為尼龍6 與石墨烯復合材料1～ 復合材料3的DSC 分析曲線。

圖2 尼龍6 與石墨烯復合材料的DSC 分析曲線Fig.2 DSC analysis curve of pure nylon 6 and graphene composites

由圖2 中可以明顯看出,隨著石墨烯含量的提高,石墨烯復合材料的DSC 曲線逐漸向右偏移,說明石墨烯復合材料的熔融溫度在逐漸提高,與尼龍6的熔融溫度相比,在羥基氧化石墨烯/ 尼龍6的質量分數為1% 時,熔融溫度增加了7℃左右,且峰的寬度減小。

3.3 黏度分析

表1 為尼龍6 與石墨烯復合材料1～復合材料3的黏度測試和計算結果。

表1 尼龍6 與石墨烯復合材料黏度相關數據Table 1 Viscosity data of pure nylon 6 and graphene composites

由表1 數據可知,石墨烯復合材料的特性黏度均高于尼龍6,且隨著石墨烯含量的提高,石墨烯復合材料的黏均分子量逐漸降低。說明石墨烯復合材料的黏度特性要優于尼龍6。

3.4 力學性能

表2 為對尼龍6 與石墨烯復合材料1～復合材料3 進行拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度測試后所得到的數據。

表2 尼龍6 與石墨烯復合材料的力學性能Table 2 Mechanical properties of pure nylon 6 and graphene composites

由表2 數據可以得知,在拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度三個方面,尼龍6 均處于最低水平,復合材料的這三種力學性能隨著石墨烯含量的增加,呈現出先增加后減小的趨勢。石墨烯復合材料力學性能測試結果說明,石墨烯組分的加入有助于提高尼龍6的力學性能,但并不是石墨烯含量越高越好,從數據分析來看,當羥基氧化石墨烯/ 尼龍6的質量分數為0.6% 時,石墨烯復合材料的力學性能處于最佳狀態。

4 結語

石墨烯的綜合性能優異,無論是在力學、電學還是熱學等方面都表現出巨大的應用潛力,在各種材料中都有望得到廣泛應用。尤其是在體育運動器材中,石墨烯材料的引入,提高了其各方面的性能,例如在高爾夫球桿中引入石墨烯可以增強球桿的強度和斷裂強度,使其使用期限延長；在自行車架材料中引入石墨烯材料也可以增強車架的各項力學性能,從而保證運動員的安全。