网球拍用石墨烯复合材料的性能研究

徐翠萍

(陕西工业职业技术学院体育部,陕西咸阳 712000)

随着科学技术的不断发展和更新,以及体育运动不断发展和完善,人们已经明确认识到新材料在体育运动器材中的重要作用,如何在体育运动器材中充分运用新材料,发挥其最大的优势成为目前体育器材方面研究的重要问题。近年来,网球运动的普及以及人们认识的提高,网球逐渐受到人们的喜爱和关注,网球拍的发展也日新月日。纤维作为网球拍中主要的应用材料,在网球拍的发展中起到关键作用。但是,单纯的利用纤维很难达到网球拍的使用要求,因此引入新的材料从而增强网球拍的各种性能,是相关研究者重点关注的问题。石墨烯复合材料具有较高的强度、弹性模量以及较好的韧性,另外其断裂伸长率也较高,将其引入到纤维材料中制备网球拍,不仅能够提高网球拍的稳定性、耐老化性,达到很好的减震效果,还能够增强使用者的体验感[1-2]。将石墨烯复合材料运用于网球拍甚至更多的体育运动器材中是其的必然趋势。

1 石墨烯复合材料的结构

石墨烯复合材料的结构主要有石墨烯负载、石墨烯包裹、石墨烯内嵌、石墨烯层状复合材料四种类型。石墨烯负载复合材料是将另外的一种组分负载在石墨烯的表面,并向外延伸。石墨烯包裹复合材料是将另外一种组分利用石墨烯包裹起来。石墨烯内嵌复合材料是将石墨烯以填充物的形式分散到另一种组分的基体相中所形成的,其中作为另外一种组分的基体相目前以聚合物居多,另外将陶瓷材料等无机材料嵌入石墨烯中可以形成功能性陶瓷材料等,提高这些无机材料的使用价值,改善其性质[3-5]。石墨烯层状复合材料主要通过石墨烯和另一种组分通过交替堆叠而成,层状结构增加了石墨烯与另一种组分的接触面积,使其导电性等性能提高。石墨烯材料还具有导热性、韧性较好、比表面积较大等优势,这些性能均能使石墨烯复合材料表现出更大的性能优势。例如,利用石墨烯负载纳米粒子能够增强纳米粒子的催化性能,将石墨烯添加到高分子材料中,能够增强其机械性能等[6-7]。

2 实验部分

2.1 实验材料

氧化石墨烯、自制羟基氧化石墨烯、丁二酸酐、双氧水、N,N-二甲基甲酰胺、己内酰胺、6-氨基乙酸、甲酸。

2.2 实验过程

①制备丁二酰基过氧化物,取适量的双氧水、丁二酸酐、纯净水至于500mL的烧瓶中,在低温条件下搅拌3h,烧瓶中产生大量白色凝胶后停止搅拌,过滤,在真空烘箱中干燥48h。②制备羟基氧化石墨烯,将 适量的氧化石墨烯和N,N-二甲基甲酰胺加入100mL的烧瓶中,室温条件下超声2h,将烧瓶置于90℃油浴中48h,保温24h 后加入适量由上述步骤中制备的丁二酰基过氧化物,继续保温24h 使烧瓶中的物质充分反应,然后降温,使温度逐渐降低到室温,过滤,并对反应产物进行冲洗,之后置于真空干燥箱中干燥24h。③羟基氧化石墨烯/ 尼龙6 复合材料制备,在烧瓶中加入18.05g 己内酰胺,加热溶解后,加入一定量的羟基氧化石墨烯,在80℃超声30min,然后中加入1.86g的氨基乙酸,加热并搅拌至150℃,反应30min 之后继续升温,在250℃继续搅拌反应3h,烧瓶中的反应物逐渐变得粘稠,反应完成后将其分成聚合物小块。将去离子水煮沸后对聚合物进行反复清洗,之后置于真空干燥箱中干燥36h,得到羟基氧化石墨烯/ 尼龙6 复合材料。④复合材料挤出造粒,将真空干燥处理后的纯尼龙6 与不同质量的羟基氧化石墨烯/ 尼龙6 复合材料在温控高速混合机中进行混合,再利用双螺杆混炼挤出机对上述混合物熔融挤出造粒,再于注塑机中制备成标准试样,最终得到含羟基氧化石墨烯/ 尼龙6 复合材料质量分数分别为0.2%、0.6%、1.0%的复合材料,并分别命名为复合材料1、复合材料2 和复合材料3。

3 结果与分析

3.1 热稳定性分析

图1 为纯尼龙6 以及石墨烯复合材料2、复合材料3的热稳定性分析曲线。

图1 纯尼龙6 和石墨烯复合材料的热失重曲线Fig.1 Thermogravimetric curves of pure nylon 6 and graphene composites

由图1 中纯尼龙6的的热失重曲线可以发现,在温度低于350℃的情况下,尼龙6的热失重较小,说明此种条件主要是由于分子量较小的聚合物分解而导致的热失重,而随着温度的升高,尼龙6的热失重变化较明显,说明随着温度的升高,分子量较大的聚合物开始分解并导致失重。相对于尼龙6的热失重曲线来说,石墨烯复合材料2 和复合材料3的曲线位置偏上,说明在相同的条件下,石墨烯复合材料的热失重较小,表明尼龙6 与石墨烯复合之后所产生的复合材料的热稳定性有所提高。另外,通过石墨烯复合材料2 和复合材料3的热失重曲线对比可以发现,石墨烯复合材料3 热失重曲线位置偏上,说明石墨烯复合材料3的热稳定性高于石墨烯复合材料2,进一步说明,随着石墨烯含量的提高,复合材料的热稳定性越好。

3.2 DSC 曲线

图2 为尼龙6 与石墨烯复合材料1～ 复合材料3的DSC 分析曲线。

图2 尼龙6 与石墨烯复合材料的DSC 分析曲线Fig.2 DSC analysis curve of pure nylon 6 and graphene composites

由图2 中可以明显看出,随着石墨烯含量的提高,石墨烯复合材料的DSC 曲线逐渐向右偏移,说明石墨烯复合材料的熔融温度在逐渐提高,与尼龙6的熔融温度相比,在羟基氧化石墨烯/ 尼龙6的质量分数为1% 时,熔融温度增加了7℃左右,且峰的宽度减小。

3.3 黏度分析

表1 为尼龙6 与石墨烯复合材料1～复合材料3的黏度测试和计算结果。

表1 尼龙6 与石墨烯复合材料黏度相关数据Table 1 Viscosity data of pure nylon 6 and graphene composites

由表1 数据可知,石墨烯复合材料的特性黏度均高于尼龙6,且随着石墨烯含量的提高,石墨烯复合材料的黏均分子量逐渐降低。说明石墨烯复合材料的黏度特性要优于尼龙6。

3.4 力学性能

表2 为对尼龙6 与石墨烯复合材料1～复合材料3 进行拉伸强度、弯曲强度、冲击强度测试后所得到的数据。

表2 尼龙6 与石墨烯复合材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of pure nylon 6 and graphene composites

由表2 数据可以得知,在拉伸强度、弯曲强度和冲击强度三个方面,尼龙6 均处于最低水平,复合材料的这三种力学性能随着石墨烯含量的增加,呈现出先增加后减小的趋势。石墨烯复合材料力学性能测试结果说明,石墨烯组分的加入有助于提高尼龙6的力学性能,但并不是石墨烯含量越高越好,从数据分析来看,当羟基氧化石墨烯/ 尼龙6的质量分数为0.6% 时,石墨烯复合材料的力学性能处于最佳状态。

4 结语

石墨烯的综合性能优异,无论是在力学、电学还是热学等方面都表现出巨大的应用潜力,在各种材料中都有望得到广泛应用。尤其是在体育运动器材中,石墨烯材料的引入,提高了其各方面的性能,例如在高尔夫球杆中引入石墨烯可以增强球杆的强度和断裂强度,使其使用期限延长；在自行车架材料中引入石墨烯材料也可以增强车架的各项力学性能,从而保证运动员的安全。