極簡跑鞋專用聚乳酸復合材料制備及性能研究

摘要：為實現極簡跑鞋的高效率生產，研究提出了一種聚乳酸/石墨烯復合材料，該材料以聚乳酸為主要原料，石墨烯為聚乳酸的改性劑，通過溶液澆鑄法在不改變原材料化學性質的情況下實現共混。為驗證該復合材料的有效性，研究通過XRD、FTIR試驗，以及微觀形貌分析、熱穩定性、力學性能等手段對其綜合性能進行測試。結果表明，在石墨烯和聚乳酸添加比例為0.005∶1的情況下，聚乳酸/石墨烯復合材料化學性能穩定，熱

穩定性較強且具有良好的力學性能，適用于極簡跑鞋的生產加工。

關鍵詞：聚乳酸；石墨烯；溶液澆鑄法；復合材料

中圖分類號：TQ314.2文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0113-04

Preparation and performance study of polylactic acid composite materials for minimalist running shoes

GUO Zhendong，REN Hejie

（School of Physical Education，Yan’an University，Yan’an 716000，Shaanxi China）

Abstract：In order to achieve the high-efficiency production of minimalist running shoes，a polylactic acid/graphene composite material was proposed，which used polylactic acid as the main raw material and graphene as the modifier of polylactic acid，and achieved blending without changing the chemical properties of the raw materials by solution casting method.In order to verify the effectiveness of the composite，XRD，FTIR test，micromorphology analysis，thermal stability，mechanical properties and other means were used to test its comprehensive properties.The results showed that under the condition that the ratio of graphene to polylactic acid was 0.005∶1，the chemical properties of polylactic acid/graphene composites were stable，the thermal stability was strong and the mechanical properties were good，which were suitable for the production and processing of minimalist running shoes.

Key words：polylactic acid；graphene；solution casting method；composite material

聚乳酸是一種應用較為廣泛的高分子可再生材料，具有良好的透氣性和可降解性，在食品包裝、紡織制鞋以及柔性電子等方面得到了廣泛的應用。然而該材料也存在應用成本高、結晶速率低等方面的缺點，在跑鞋制造加工領域方面受到了一定的限制[1-3]。石墨烯具有十分優異的力學性能，容易與高分子材料結合并優化原材料的物理特性。將聚乳酸與石墨烯結合起來制備石墨烯/聚乳酸復合材料，能夠顯著提升跑鞋整體的力學性能，簡化跑鞋內部力學結構，既能夠降低跑鞋的生產成本，也能夠延長跑鞋的使用壽命[4-6]。因此，研究提出了一種聚乳酸/石墨烯復合材料，具體分析了石墨烯含量對于復合材料力學性能與熱性能等方面的影響，發現該材料在極簡跑鞋的生產加工方面具有一定的應用價值。

1試驗部分

1.1試驗所需材料與設備

試驗所需材料：聚乳酸（PLA）（3052D，廈門賽諾邦格生物科技股份）、石墨烯（AR，片層直徑8～14μm，北京潔爾爽高科技有限公司）、二氯甲烷（CP）（廣州佳途科技股份有限公司）。

試驗所需設備：DSC-500B型電子天平（上海艾飛思精密儀器有限公司）、MYP11-2型磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）、BQS-08A超聲波清洗機（杭州寶珀超聲波科技有限公司）、TM2100型涂膜機（佛山南北潮電子商務有限公司）、FT-MIR2-6型傅里葉變換紅外光譜儀（上海昊量光電設備有限公司）、XPT-7型偏光顯微鏡（上海普丹光學儀器有限公司）、TGA-2型熱重分析儀（梅特勒托利多國際有限公司）、WAW2000D型電子萬能試驗機（濟南中路昌試驗機制造有限公司）。

1.2聚乳酸/石墨烯復合材料的制備

通過溶液澆鑄法制備聚乳酸/石墨烯共混復合材料。首先于燒杯中倒入20 mL二氯甲烷，再加入一定質量的石墨烯，用磁力攪拌機將上述體系分散均勻；于燒杯中倒入10 mg聚乳酸并對其進行磁力攪拌處理，攪拌時間為2 h，攪拌速度為120 r/min[7-9]；用超聲清洗機對整個體系進行10 min的超聲處理，去除混合溶液中的氣泡；用涂膜器將上一步所制備的材料涂抹于玻璃板上，膜層厚度為250μm，靜置1 d后得到聚乳酸/石墨烯復合薄膜[10-12]。不同復合材料樣品聚乳酸和石墨烯的具體用量為表1所示。

1.3試驗方法

1.3.1微觀形貌觀測

通過偏光顯微鏡對復合材料的微觀形貌進行觀測。

1.3.2 FTIR測試

FTIR測試即傅里葉變換紅外光譜測試，該項測試能夠幫助研究者獲取樣品中所含有的化學鍵和基本結構，可實現對于極簡跑鞋專用聚乳酸復合材料的性質判定。本次研究通過傅里葉變換紅外光譜儀測試聚乳酸/石墨烯復合材料的特征吸收峰，掃描分辨率為4 cm- 1，測量范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.3熱穩定性分析

對于極簡跑鞋產品來說，聚乳酸/石墨烯復合材料的熱穩定性與產品生產加工工藝直接相關。本次研究采用熱重分析儀來輸出各組樣品的熱失重曲線，進而判斷該材料的熱穩定性。

1.3.4力學性能分析

聚乳酸/石墨烯復合材料的力學性能與極簡跑鞋的產品質量直接相關。通過電子萬能試驗機測試樣品的力學性能，該項檢測依照GB/T 1040.3—2006標準進行操作。

2試驗結果與分析

2.1 FTIR測試結果

聚乳酸/石墨烯復合材料的紅外光譜測試結果如圖1所示。

由圖1可知，1 449 cm-1和2 992 cm-1處的大分子鏈存在明顯的彎曲振動峰和不對稱伸縮振動，2 883 cm-1處出現聚乳酸—CH鍵伸縮振動的弱吸收峰。除此之外，1 086 cm-1、1 135 cm-1、1 190 cm-1處伸縮振動峰對應聚乳酸的C—O鍵，1 750 cm-1處出現了C===O鍵的伸縮振動。聚乳酸的結晶區和非晶區在755 cm-1和870 cm-1處均存在紅外吸收峰。

在聚乳酸中加入石墨烯后，復合材料中依然存在聚乳酸的特征吸收峰。在進一步增加石墨烯含量的情況下，復合材料除聚乳酸和石墨烯以外未出現其他特征吸收峰，說明二者之間并未出現化學反應，充分實現了物理共混。

2.2熱穩定性測試結果

聚乳酸/石墨烯復合材料的熱穩定性測試結果如圖2所示。

由圖2可知，各組樣品的熱失重過程基本一致。不同石墨烯摻量的復合材料殘炭量（400℃）、最大熱分解速率的溫度（Tp）、熱分解50%的溫度（T50）、起始熱分解溫度（T5）如表2所示。

由表2可知，在石墨烯摻量逐漸增加的過程中，各組聚乳酸/石墨烯復合材料的Tp、T50和T5均呈現出先增后減的趨勢。在石墨烯摻量為0.05 mg的情況下，復合材料的熱穩定性最好，分解溫度最高。出現該現象的原因在于，石墨烯的片層結構可遏制聚乳酸大分子鏈段的運動，減少材料熱分解所消耗的能量。與此同時，石墨烯自身所帶有的氣阻效應能夠減少聚乳酸在降解過程中的氣體排放量，進而使降解效率得到提升[13-15]。在進一步增加石墨烯添加量的過程中，復合材料中的石墨烯團聚現象更加嚴重，Tp、T50和T5均呈現出一定程度的下降。總體來看，聚乳酸和石墨烯的導熱特性存在明顯差異，團聚在一起的石墨烯能夠吸收大量熱量，致使復合材料發生熱分解，進而降低該材料的熱分解溫度。由此可知，添加適量的石墨烯有助于提升聚乳酸的熱穩定性，增強該材料在極簡跑鞋生產過程中的熱加工適應性。

2.3力學性能測試結果

聚乳酸/石墨烯復合材料的力學性能測試結果如圖3所示。

由圖3可知，在石墨烯摻量逐漸增加的過程中，復合材料的拉伸強度呈先升后隆的趨勢。在石墨烯摻量為0.05 mg的情況下，該材料的拉伸強度表現出逾滲轉變的特點。該狀況下，聚乳酸/石墨烯復合材料的拉伸強度相較于單純聚乳酸增加了31.9%，達到了33.65 MPa的最高水平。

在石墨烯摻量高于0.05 mg的情況下，該物質會出現一定程度的團聚現象，復合材料的拉伸強度隨之減小。該狀況下，石墨烯難以在聚乳酸中均勻分散，抑制了納米尺度下的物理交聯，致使2種材料之間的界面結合不足，無法充分接觸并使材料表面出現大量缺陷，削弱了石墨烯對于復合材料的增韌效果[16-18]。尤其是在外力作用下，復合材料聚集在一處，使內部組織過早斷裂，降低了整體材料的拉伸強度。

經試驗研究發現，在石墨烯摻量逐漸增加的過程中，聚乳酸/石墨烯復合材料的斷裂伸長率先升后降。在石墨烯摻量為0.05 mg的情況下，該材料的斷裂伸長率同樣表現出逾滲轉變的特點。該狀況下，聚乳酸/石墨烯復合材料的斷裂伸長率相較單純聚乳酸增加了8.6%，達到了4.91%的最高水平。出現該現象的原因，石墨烯材料自身韌性較強，在石墨烯含量較低的情況下，該物質能夠在聚乳酸中均勻分散，充分發揮增韌作用。而當石墨烯摻量過高時，該物質會在復合材料中建立空間網狀結構，使聚乳酸的大分子鍵運動受到限制[19-20]，提升復合材料內部剛性，降低該材料的斷裂伸長率。

3結語

（1）當石墨烯和聚乳酸的添加比例為0.005∶1時，聚乳酸/石墨烯復合材料中聚乳酸的成核效果最為理想，有助于實現良好的物理性能，可用于極簡跑鞋的生產制造；

（2）當石墨烯和聚乳酸的添加比例為0.005∶1時，聚乳酸/石墨烯復合材料的熱穩定性最好，適用于極簡跑鞋的熱加工工藝；

（3）當石墨烯和聚乳酸的添加比例為0.005∶1時聚乳酸/石墨烯復合材料的力學性能最為理想。整體來看，石墨烯能夠有效改善聚乳酸的力學性能，提高極簡跑鞋的生產質量。

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（責任編輯：蘇幔，平海）