石墨烯基复合材料的体育类器材研究

2022-04-01赵明王春兰

粘接 2022年2期

赵明王春兰

摘要：如何把材料科学、人体科学与工程技术有机结合，推动体育类器材的更新，提高运动者的体验感和收获感，甚至促进竞技体育成绩的提高，这无疑成为了高新科技化体育类器材的出发点和落脚点。就此对新型体育类器材的两大主流材料——石墨烯基橡胶复合材料和石墨烯纤维基复合材料的制备方法，及其构筑的新型体育类器材的功能性特点进行了概括与分析，得出其各自在体育类器材领域的优缺性能，同时提出掺杂或复合低维纳米材料，可能将会为科技化/智能化体育类器材提供一种全新的思路。

关键词：石墨烯基;复合低纳米材料;体育器材;制备;性能

中图分类号：TB33 文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）02-0065-04

二维纳米材料石墨烯自2004年首次发现至今，其大尺寸功能化的生产技术受到全世界广泛研究，同时其相关的复合型材料的制造与应用也在不断突破壁垒。尤其是石墨烯因其具有导电性高、质量轻、强度高、韧性好以及环境友好等优越性，使其在体育类器材领域得到了长足的发展。众所周知体育器材是体育运动不可或缺的基本条件，包括健身鍛炼和竞技比赛所用的各类器械、装备以及用品[1]：在学校体育和大众体育方面，具有低成本、高性能、高稳定性、高安全性以及良好舒适性的体育器材，直接关系到体育活动者的体验感与收获感;在竞技体育方面，高科技的体育器材更是可以全方位助力竞技体育水平。这些无疑都要求着研究者们要研发出更高性能的石墨烯基复合材料的体育类器材，从而更好、更快地实现科技化/智能化的新模式体育运动[2]。

1 石墨烯的制备

根据制备原理，石墨烯制备方法分为物理方法和化学方法两大类[3]。其中，物理制备方法主要有：微机械剥离法、取向附生法、气相或液相直接剥离法和加热碳化硅法等，物理制备方法简单易操作，但其制备的尺寸小且不能量产。化学制备方法是大规模制备石墨烯的主要方法，主要有化学剥离法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法（CVD）、溶剂热法和化学插层法等，其中，CVD法可制备出高质量、大面积且易转移到任意衬底上的单层或多层石墨烯，为功能性石墨烯的应用发展提供了多种新途径;但由于其生产成本较高、生产条件要求高、技术工艺复杂，因此目前无法实现大规模生产。而氧化石墨还原法，是先在氧化阶段的浓H2SO4和NaNO3混合液中，以KMnO4为氧化剂，经过低温-中温-高温3个阶段，还原阶段则是以化学还原法为主，在合适反应温度下，利用金属还原剂（如Al、Zn等）、无机还原剂（如柠檬酸钠、NaBH4等）、有机还原剂（如还原性糖、VC等），除去石墨烯氧化物碳层的各种含氧官能团，从而得到高质量的石墨烯基材料;该方法易操作，且制备的石墨烯结构较完整，因此是制备石墨烯基材料的主要方法。

2 石墨烯-橡胶复合材料

2.1 构筑方法

石墨烯-橡胶复合材料是为了提高橡胶的机械性能、热学性能以及电学性能，进而充分发挥橡胶的可逆变性和高弹性等优点，该合成过程中最关键的是要保证石墨烯在基体中分布的均一性。目前应用较广泛的有溶液混合法和直接混合法。

溶液混合法是在超声或搅拌作用下将橡胶基体和石墨烯分散于有机溶剂中，通过分离和固化等工艺制备出石墨烯-橡胶复合材料。有学者通过该方法制备出了良好性能的石墨烯掺杂硅橡胶发泡复合介电材料[4]。报道了制备的高性能CeO2/石墨烯/苯基硅橡胶复合材料[5]。但溶液混合法仍存在着溶剂消耗量大、污染环境、产业化困难等问题。

直接共混法指利用高速搅拌分散器、超声波分散仪、高剪切分散乳化仪等仪器，将橡胶和石墨烯进行有效复合，固态橡胶与石墨烯复合则用剪切、撞击、振荡等物理方法获取石墨烯-橡胶复合材料[6]。还有通过此方法在室温下制备出了具有良好均匀性的石墨烯-橡胶复合材料[7]。

2.2 在体育类器材的应用与特性

体育器材类一般采用具有高弹性和可逆变性的合成橡胶，再将其与石墨烯再复合形成石墨烯-橡胶复合材料，可应用于需要优化或增加特种功能性的运动鞋、球拍手柄、赛车轮胎等体育类器材[8-10]，其具体的应用与性能见表1。

因此，鉴于石墨烯-橡胶复合材料的良好力学、热学和电学等性能，使其应用于运动器材类有着更好更多潜在可能性。但随着人们对健身器材和运动装备性能要求的不断提升，以及运动生理学与运动医学的发展需求，更高性能的功能化石墨烯-橡胶复合材料的研制与实用化进程还有很长的一段距离。

3 石墨烯基纤维复合材料

3.1 构筑方法

石墨烯纤维作为二维原子晶体材料展现出众多奇特的性能，如强度（>100 GPa）、高导热性（5 300 W/（m·K））、高电学性能、高稳定性等。借助湿法纺丝法和干法纺丝法等制备方法，其可以兼容各类可纺丝材料，进而可直接合成或编织成功能化的石墨烯基复合纤维，因此其具有着广阔的应用前景[11]。湿法纺丝法是借鉴传统高分子材料液晶纺丝方法，先将氧化石墨烯在极性溶剂中分散均匀，再加入到特定纺丝材料的溶液或溶胶，随着氧化石墨烯质量浓度的增加，使其液晶相逐渐向指纹状转变，进而制备出石墨烯基复合纤维[12]。高超教授团队将液晶态的氧化石墨分散液注入到NaOH/甲醇凝固浴中形成了凝胶纤维，再经过水洗、干燥、还原等过程，首次制备出石墨烯纤维;随后开启了石墨烯纤维束丝的生产线，推动了石墨烯纤维基材料的规模化生产和应用进程[13]。该方法简单易操作、效率高、可规模化生产，是当前研制石墨烯基纤维材料最普遍的方法之一。

干法纺丝法是选用甲醇、丙酮等低表面张力、高饱和蒸气压的溶剂，将氧化石墨烯溶液（质量浓度>8 mg/mL）直接在喷口挤出，在空气中干燥、收集、还原等过程，制备出石墨烯基复合纤维的方法[14]。该方法制备的石墨烯基纤维柔韧性高、纺丝效率高、溶剂可循环使用，是较环保的连续制备方法之一。

综上所述，石墨烯基纤维复合材料有质量轻、强度高、弹性模量好、耐腐性好且易于加工等特点，在体育类器材领域呈现了特有的魅力。现有石墨烯基纤维复合材料的应用技术比较成熟，且范围比较广泛。但我们仍然相信随着石墨烯基纤维技术和工艺的不断成熟，其可以完全按照运动需求，制造出针对性功能化的石墨烯基纤维复合材料，以便更好的服务于大众体育与竞技体育。

4 结语

综上所述，本文以新颖的二维材料石墨烯的制备及其特性出发，探讨了石墨烯基主流复合材料，即石墨烯-橡胶复合材料和石墨烯基纤维复合材料的制备方法，及其构筑的体育类器材的综合性能。石墨烯-橡胶复合材料与传统橡胶材料相比，其具有更好的力学性能、电学性能、热导性、稳定性、耐磨性等特点;石墨烯基纤维复合材料和传统纤维复合材料相比，其更具有轻质性、热稳定性、防腐性、延展性及抗菌性等优点。

尽管在过去的近10年，石墨烯基复合材料在体育类器材取得了很大的工业化进程，但在面临高质量、高性能、高稳定性、低成本、大规模生产以及环境友好等难以共存的瓶颈问题方面，其制备方法和性能研究仍然有很大的挖掘和拓展空间，比如引入离子掺杂技术或复合其他无机/有机低维度纳米材料，进一步针对性提升石墨烯基复合材料的各项性能，使得体育类器材获得更好的先进材料基保障，从而创新助力科技/智能化运动和绿色运动的可持续发展。

【参考文献】

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