基于熔融共混法的網(wǎng)球拍用石墨烯復(fù)合材料制備及其性能

王長(zhǎng)磊

( 陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西西安712046)

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)逐步普及化，人們對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知更加深入，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)受眾群體擴(kuò)大的背景下，促使網(wǎng)球拍產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步入全新時(shí)期。石墨烯技術(shù)的不斷成熟，為網(wǎng)球拍的生產(chǎn)提供了支持，重大賽事專用拍普遍采取用了石墨烯技術(shù)，這一趨勢(shì)的出現(xiàn)主要與石墨烯穩(wěn)定性較強(qiáng)、減震效果好有關(guān)。不僅于此，石墨烯網(wǎng)球拍在拍擊過程中伴隨良好的觸覺效果，給予運(yùn)動(dòng)員更清脆的聲音反饋。但需意識(shí)到，石墨烯是一種典型的二維納米材料，存在纏繞團(tuán)聚的問題，并具備不溶于水的特點(diǎn)，因此加大了石墨烯復(fù)合材料的制備難度，盡管市面上存在石墨烯復(fù)合材料，但并不具備優(yōu)良的力學(xué)性能，難以適應(yīng)于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展步伐。

1 熔融共混法

現(xiàn)階段，石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)中較為典型的是熔融共混法，在高溫環(huán)境下通過剪切作用可有效處理石墨烯，使其達(dá)到分散的狀態(tài)并有效融入聚合物基體中。當(dāng)引入熔融共混法后，可生成PBT 納米復(fù)合材料，其中含有熱膨脹石墨(EG)，該材料與PBT 經(jīng)3min 的持續(xù)性攪拌后，再利用雙螺桿擠出機(jī)擠出。經(jīng)試驗(yàn)得知，在EG 含量逐步提升之下，熔融峰逐步推移，由196℃上升至207℃，具備更良好的熱穩(wěn)定性。且受到EG 含量增加的影響，電阻率也得到有效控制，僅為106Ω/cm。采用錳- 鈷氧化物與石墨烯混合，可達(dá)到對(duì)石墨烯修飾的效果，采取母料熔融共混法，可實(shí)現(xiàn)與PBT 的復(fù)合。由于使用到錳-鈷氧化物，使得炭層具備更加致密的特性，大幅提升了隔絕易燃?xì)怏w的能力，使得PBT 阻燃性更為良好［1］。若使用微波膨脹氧化石墨(MEGONS)，將該材料與PBT 熔融共混后，即可獲得綜合性能更良好的納米復(fù)合材料。通過紅外光譜測(cè)試得知，上述兩類材料可相互作用，改善了界面結(jié)合效果，所得材料的性能更為良好，無論在拉伸強(qiáng)度還是模量上都表現(xiàn)出大幅提升的趨勢(shì)?？傮w上，熔融共混法兼具操作便捷、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，且不會(huì)出現(xiàn)試劑污染問題，環(huán)保效益較高。

2 石墨復(fù)合材料PNG-x/PA6 的制備和 分析方法

原材料主要有：片層狀氧化石墨烯(GO)，先豐納米材料科技有限公司；羧基功能化的氧化石墨烯(CFGO)，自制；純己內(nèi)酰胺(CL)，阿拉丁生化科技股份有限公司； PA6、6-ACA、甲醇以及無水乙醇，株洲化工研究所。

選取試驗(yàn)裝置（要求具備攪拌以及加熱雙重功能），在其作用下溶解18g CL，精確稱量6g CFGO，并創(chuàng)建78℃環(huán)境，實(shí)行超聲分散處理措施，持續(xù)0.5h 后可獲得棕色懸浮液；隨后添加1.8g 聚集乙酸，加熱使其達(dá)到148℃ ，持續(xù)攪拌0.5h，隨后再次加熱達(dá)到248℃，經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬缶S持恒溫并持續(xù)3h，經(jīng)上述操作后即可得到粘性聚合物小塊。將所得產(chǎn)品沸水洗滌1h，轉(zhuǎn)移到恒溫干燥箱（78℃），給予24h 的持續(xù)性烘干處理后可生成PA6 聚合物，選取甲酸溶液并對(duì)其處理，通過離心洗滌的方式再篩選下層物質(zhì)，可獲得接枝PA6 分子鏈的CFGO，該為PNG。在上述操作中，選取純PA6 切片，將其放置在118℃/6h 真空環(huán)境中，主要目的在于干燥處理，使用到SHR-10A 型混合機(jī)，將處理后的材料與PNG-0.1 混合，再將生成物置入SHJ-65 型擠出機(jī)中，可達(dá)到擠出造粒的效果，經(jīng)上述操作后再轉(zhuǎn)移到HTF90W1注塑機(jī)內(nèi)，成型后便獲得了PNG-x/PA6 復(fù)合材料，其中，x 表示PNG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

將上述得到的復(fù)合材料置入TA-Q50 同步熱分析儀內(nèi)，展開熱重曲線測(cè)試（氮?dú)猓?，升溫與降溫兩個(gè)環(huán)節(jié)的速度都穩(wěn)定為8℃/min。采用MTS-810 型萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行伸強(qiáng)度測(cè)試，拉伸速率2mm/min，并利用相同設(shè)備進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，加載速度恒定為2mm/min；采用660J-2 型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試，借助電子顯微鏡觀察，獲得斷口處的形貌特征［2］。

3 性能與分析

根據(jù)熱重分析得知，若溫度在360℃內(nèi)，受到濕度影響，致使低分子量聚合物發(fā)生分解作用，伴隨明顯的熱失重現(xiàn)象；若溫度介于360℃～500℃，此時(shí)將出現(xiàn)聚合物分解現(xiàn)象，在此影響下PA6 出現(xiàn)熱失重。經(jīng)對(duì)比分析得知，PNG/PA6 復(fù)合材料雖然存在熱失重現(xiàn)象但程度較為輕微，明顯低于PA6，由此表明此復(fù)合材料具備優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。除此之外，伴隨PNG 含量的增加，此時(shí)復(fù)合材料的失重溫度主要集中在起始階段，表明PNG 對(duì)于熱穩(wěn)定性具有改善效果。

為進(jìn)一步探明PNG 含量的影響機(jī)制，選取多種含量展開試驗(yàn)，和結(jié)晶溫度結(jié)果表明，在PNG 含量提升的環(huán)境下，致使PNG/PA6 復(fù)合材料的熔融溫度表現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢(shì)，且以含量為1%時(shí)應(yīng)用效果最為良好。

進(jìn)一步探討PNG 含量對(duì)復(fù)合材料在各類強(qiáng)度指標(biāo)上的影響機(jī)制。就拉伸強(qiáng)度而言，當(dāng)PNG 含量增加時(shí)，將使得PNG/PA6 復(fù)合材料在此項(xiàng)指標(biāo)上的性能發(fā)生改變，即出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且PNG 含量為0.5% 時(shí)到達(dá)峰值。就彎曲強(qiáng)度而言，當(dāng)PNG 含量增加時(shí)，制備所得的復(fù)合材料在此指標(biāo)上表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，且PNG 含量為0.5% 時(shí)到達(dá)峰值。就沖擊強(qiáng)度而言，當(dāng)PNG 含量增加時(shí)，制備所得的復(fù)合材料在此指標(biāo)上表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，且PNG 含量為0.3% 時(shí)到達(dá)峰值?；谏鲜龇治龅弥鬚NG 含量為0.5%，在此條件下制備PNG/PA6 復(fù)合材料后，其在抗拉強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度上最為良好；與此同時(shí)，若PNG 值為0.3%，在此條件下得到的復(fù)合材料在沖擊強(qiáng)度這一指標(biāo)上最為良好。由此表明，盡管PNG 含量的增加具有積極意義，但這一規(guī)律并非絕對(duì)，較為可行的添加量是0.5%，此環(huán)境下可兼顧多項(xiàng)強(qiáng)度要求。

根據(jù)復(fù)合材料沖擊斷口形貌分析得知，PA6 產(chǎn)生的沖擊斷口主要表現(xiàn)出較平滑的特點(diǎn)，尚未出現(xiàn)明顯的變形痕跡；當(dāng)PNG 用量為1% 時(shí)，可以得知此時(shí)的PNG-1/PA6 復(fù)合材料存在一定程度的斷面起伏現(xiàn)象，部分區(qū)域有塑性變形，但主要表現(xiàn)為脆性斷裂的形式，針對(duì)細(xì)部放大處理后得知，分布有細(xì)小顆粒物，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與PNG 含量過高有關(guān)，此時(shí)各片層間存在較明顯的范德華力，由于團(tuán)聚而衍生出了空間位阻效應(yīng)，使得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度大幅度減小。關(guān)于PNG-0.5/PA6 復(fù)合材料，針對(duì)其斷面分析后得知，其分布有大量條狀紋路，并伴隨有局部撕裂現(xiàn)象，說明當(dāng)產(chǎn)生沖擊荷載時(shí)伴隨大量的阻力，通過局部放大后可以得知，斷面中并不存在任何的PNG 聚合物，由此說明PNG 添加量處于較合適的狀態(tài)，確保了復(fù)合材料的分散性，可提升材料骨架的韌性，制備的復(fù)合材料在各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)上都更為優(yōu)良［3］。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的PA6，基于熔融共混法制備的PNG/PA6 復(fù)合材料綜合性能更為良好；在PNG 含量提升的背景下，該復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性較為優(yōu)良，更符合網(wǎng)排拍的使用需求。