基于石墨烯技術的體育運動器材及其性能研究

摘要：基于氧化石墨烯、丁二酸酐、己內酰胺、二甲基甲酰胺，利用原位聚合法進行纖維尼龍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，分析了石墨烯復合材料化學結構與組織特性，同時詳細探究了石墨烯纖維復合材料在自行車輪胎胎面、高爾夫球桿、網球拍中的實踐應用。結果表明，原位聚合法可基于羥基化氧化石墨烯有效改進優化纖維尼龍6性能，且可有機實現纖維尼龍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;基于預期提升度計算分析得知，石墨烯纖維復合材料可顯著提升體育運動器材的整體性能，相信未來隨著石墨烯技術日趨成熟，可實現在體育運動器材各層面的廣泛應用。

關鍵詞：石墨烯技術;體育運動器材;性能

中圖分類號：TQ327.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0055-03

在科學技術實時更新優化，現代化體育競技水平逐漸提升的趨勢下，社會相關各界已明確意識到體育運動器材中引進新材料的重要意義，因此將材料科學與體育運動器材結合研究勢在必行。纖維作為器材制作基礎材料，在其中引進既有石墨烯技術，可充分了解石墨烯技術在體育運動器材中的切實應用，從而實現石墨烯與體育行業的全面融合。而石墨烯纖維復合材料具備其獨特優勢，即強度與模量較高，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，又能提高遠紅外發射保健性能，抗菌性等[1]，因此將石墨烯纖維復合材料應用于體育運動器材已成為必然趨勢。

1 石墨烯纖維復合材料制備與性能分析

1.1 實驗材料

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

1.2 實驗儀器

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

1.3 實驗方法

首先，丁兒酸酰基過氧化物。根據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，低溫攪拌2h，直到混合物變為白色凝膠狀態，在過濾之后，以48℃狀態，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），在室溫狀態進行超聲分散處理，2h之后，溫度上升到88℃，處于保溫狀態48h，在此過程中，間隔24h時，添加丁兒酸酰基過氧化物（0.16g），逐漸冷卻到室溫狀態之后進行過濾，反復清洗，再在78℃狀態下，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。在燒瓶內添加己內酰胺（18.02g）與羥基化氧化石墨烯，在78℃狀態下，進行超聲分散處理，0.5h之后，添加氨基乙酸（1.84g），處于150℃使用機械攪拌，0.5h之后溫度上升到225℃，再使用機械攪拌5h，在混合物變成粘稠狀態之后，分割為小塊狀，利用去離子水進行清洗，清洗干凈后于88℃狀態，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復合物溶解在甲酸內進行離心清洗，清除溶液即可獲取[2]。

1.4 結果分析

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合物-0.5的X射線衍射峰值狀態，纖維尼龍6在[200]與[002，220]晶面中出現特征峰，而復合物一0.5在[002]晶面構成石墨烯特征峰，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合物處于218℃周圍時，都存在熔融峰，相較于α型平行鏈架構而言，只在熔融峰的具體位置上有所差異，即復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變，強度逐步減弱，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合物處于183℃周圍時，都存在結晶峰，且位置對應纖維尼龍6正向遷移，然而并非結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%的時候，可促進復合物結晶溫度升高，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算所獲復合物與纖維尼龍6黏度測試結果，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合物黏度均相對分子質量相對較小，復合物一1黏度均相對分子質量即1 1343，復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不規則的片狀形態，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復合物高倍顯微形貌可知，石墨烯通過發揮高導電特征，以及其在尼龍6基體中的均衡分布，導致斷面層出現均衡分布的明亮范圍，而且石墨烯呈現半透明薄膜狀態。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，其中部分可發現接枝片層卷曲現象，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 石墨烯纖維復合材料在體育運動器材中的應用

2.1 高爾夫球桿

以石墨烯纖維復合材料為載體，在高爾夫球桿需同等重量的時候，可強化球桿強度與斷裂強度，延長使用壽命，且可提升阻尼性，以保障擊球效率與質量[8]。

2.2 網球拍

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

基于成本、質量、重量等多方面要求，可基于纖維尼龍6與適量石墨烯的結合進行性能優化，以提升羽毛球拍網線綜合性能。此外球拍也可通過石墨烯纖維尼龍6復合物作為材料，在總重量不變的基礎上，提高球拍強度，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復合材料可有效強化自行車架的抗沖擊性、拉伸強度、耐沖擊性，基于車架重量不變，提升車架抗沖擊能力，以此保護自行車與運動員的安全。

2.4 數據分析

以預期提升度表征石墨烯纖維尼龍6復合材料體育運動器材對運動成績的提升效度，結果[10]具體如表2所示。

3 結語

綜上所述，原位聚合法可有效改進優化石墨烯性能，且可有機實現纖維尼龍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。基于預期提升度計算分析得知，石墨烯纖維復合材料可顯著提升體育運動器材的整體性能，大約在1.8%一5.5%之間。相信未來隨著石墨烯技術日趨成熟，可實現在體育運動器材各層面的廣泛應用。

參考文獻

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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。