基于熔融共混法的网球拍用石墨烯复合材料制备及其性能

2020-01-15王长磊

合成材料老化与应用 2020年6期

王长磊

( 陕西国际商贸学院，陕西西安712046)

网球运动逐步普及化，人们对网球运动的认知更加深入，网球运动受众群体扩大的背景下，促使网球拍产业的发展步入全新时期。石墨烯技术的不断成熟，为网球拍的生产提供了支持，重大赛事专用拍普遍采取用了石墨烯技术，这一趋势的出现主要与石墨烯稳定性较强、减震效果好有关。不仅于此，石墨烯网球拍在拍击过程中伴随良好的触觉效果，给予运动员更清脆的声音反馈。但需意识到，石墨烯是一种典型的二维纳米材料，存在缠绕团聚的问题，并具备不溶于水的特点，因此加大了石墨烯复合材料的制备难度，尽管市面上存在石墨烯复合材料，但并不具备优良的力学性能，难以适应于网球运动的发展步伐。

1 熔融共混法

现阶段，石墨烯复合材料生产中较为典型的是熔融共混法，在高温环境下通过剪切作用可有效处理石墨烯，使其达到分散的状态并有效融入聚合物基体中。当引入熔融共混法后，可生成PBT 纳米复合材料，其中含有热膨胀石墨(EG)，该材料与PBT 经3min 的持续性搅拌后，再利用双螺杆挤出机挤出。经试验得知，在EG 含量逐步提升之下，熔融峰逐步推移，由196℃上升至207℃，具备更良好的热稳定性。且受到EG 含量增加的影响，电阻率也得到有效控制，仅为106Ω/cm。采用锰- 钴氧化物与石墨烯混合，可达到对石墨烯修饰的效果，采取母料熔融共混法，可实现与PBT 的复合。由于使用到锰-钴氧化物，使得炭层具备更加致密的特性，大幅提升了隔绝易燃气体的能力，使得PBT 阻燃性更为良好［1］。若使用微波膨胀氧化石墨(MEGONS)，将该材料与PBT 熔融共混后，即可获得综合性能更良好的纳米复合材料。通过红外光谱测试得知，上述两类材料可相互作用，改善了界面结合效果，所得材料的性能更为良好，无论在拉伸强度还是模量上都表现出大幅提升的趋势。总体上，熔融共混法兼具操作便捷、生产效率高的特点，且不会出现试剂污染问题，环保效益较高。

2 石墨复合材料PNG-x/PA6 的制备和分析方法

原材料主要有：片层状氧化石墨烯(GO)，先丰纳米材料科技有限公司；羧基功能化的氧化石墨烯(CFGO)，自制；纯己内酰胺(CL)，阿拉丁生化科技股份有限公司； PA6、6-ACA、甲醇以及无水乙醇，株洲化工研究所。

选取试验装置（要求具备搅拌以及加热双重功能），在其作用下溶解18g CL，精确称量6g CFGO，并创建78℃环境，实行超声分散处理措施，持续0.5h 后可获得棕色悬浮液；随后添加1.8g 聚集乙酸，加热使其达到148℃ ，持续搅拌0.5h，随后再次加热达到248℃，经过充分搅拌后维持恒温并持续3h，经上述操作后即可得到粘性聚合物小块。将所得产品沸水洗涤1h，转移到恒温干燥箱（78℃），给予24h 的持续性烘干处理后可生成PA6 聚合物，选取甲酸溶液并对其处理，通过离心洗涤的方式再筛选下层物质，可获得接枝PA6 分子链的CFGO，该为PNG。在上述操作中，选取纯PA6 切片，将其放置在118℃/6h 真空环境中，主要目的在于干燥处理，使用到SHR-10A 型混合机，将处理后的材料与PNG-0.1 混合，再将生成物置入SHJ-65 型挤出机中，可达到挤出造粒的效果，经上述操作后再转移到HTF90W1注塑机内，成型后便获得了PNG-x/PA6 复合材料，其中，x 表示PNG 质量分数。

将上述得到的复合材料置入TA-Q50 同步热分析仪内，展开热重曲线测试（氮气），升温与降温两个环节的速度都稳定为8℃/min。采用MTS-810 型万能试验机，进行伸强度测试，拉伸速率2mm/min，并利用相同设备进行弯曲性能测试，加载速度恒定为2mm/min；采用660J-2 型试验机进行无缺口冲击强度测试，借助电子显微镜观察，获得断口处的形貌特征［2］。

3 性能与分析

根据热重分析得知，若温度在360℃内，受到湿度影响，致使低分子量聚合物发生分解作用，伴随明显的热失重现象；若温度介于360℃～500℃，此时将出现聚合物分解现象，在此影响下PA6 出现热失重。经对比分析得知，PNG/PA6 复合材料虽然存在热失重现象但程度较为轻微，明显低于PA6，由此表明此复合材料具备优良的热稳定性。除此之外，伴随PNG 含量的增加，此时复合材料的失重温度主要集中在起始阶段，表明PNG 对于热稳定性具有改善效果。

为进一步探明PNG 含量的影响机制，选取多种含量展开试验，和结晶温度结果表明，在PNG 含量提升的环境下，致使PNG/PA6 复合材料的熔融温度表现出持续增加的趋势，且以含量为1%时应用效果最为良好。

进一步探讨PNG 含量对复合材料在各类强度指标上的影响机制。就拉伸强度而言，当PNG 含量增加时，将使得PNG/PA6 复合材料在此项指标上的性能发生改变，即出现先增后减的趋势，且PNG 含量为0.5% 时到达峰值。就弯曲强度而言，当PNG 含量增加时，制备所得的复合材料在此指标上表现出先增后减的趋势，且PNG 含量为0.5% 时到达峰值。就冲击强度而言，当PNG 含量增加时，制备所得的复合材料在此指标上表现出先增后减的趋势，且PNG 含量为0.3% 时到达峰值。基于上述分析得知，若PNG 含量为0.5%，在此条件下制备PNG/PA6 复合材料后，其在抗拉强度与弯曲强度上最为良好；与此同时，若PNG 值为0.3%，在此条件下得到的复合材料在冲击强度这一指标上最为良好。由此表明，尽管PNG 含量的增加具有积极意义，但这一规律并非绝对，较为可行的添加量是0.5%，此环境下可兼顾多项强度要求。

根据复合材料冲击断口形貌分析得知，PA6 产生的冲击断口主要表现出较平滑的特点，尚未出现明显的变形痕迹；当PNG 用量为1% 时，可以得知此时的PNG-1/PA6 复合材料存在一定程度的断面起伏现象，部分区域有塑性变形，但主要表现为脆性断裂的形式，针对细部放大处理后得知，分布有细小颗粒物，这一现象的出现与PNG 含量过高有关，此时各片层间存在较明显的范德华力，由于团聚而衍生出了空间位阻效应，使得复合材料的冲击强度大幅度减小。关于PNG-0.5/PA6 复合材料，针对其断面分析后得知，其分布有大量条状纹路，并伴随有局部撕裂现象，说明当产生冲击荷载时伴随大量的阻力，通过局部放大后可以得知，断面中并不存在任何的PNG 聚合物，由此说明PNG 添加量处于较合适的状态，确保了复合材料的分散性，可提升材料骨架的韧性，制备的复合材料在各项力学指标上都更为优良［3］。