石墨烯基復(fù)合材料的體育類器材研究

趙明 王春蘭

摘 要：如何把材料科學(xué)、人體科學(xué)與工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)體育類器材的更新，提高運(yùn)動(dòng)者的體驗(yàn)感和收獲感，甚至促進(jìn)競(jìng)技體育成績(jī)的提高，這無(wú)疑成為了高新科技化體育類器材的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。就此對(duì)新型體育類器材的兩大主流材料——石墨烯基橡膠復(fù)合材料和石墨烯纖維基復(fù)合材料的制備方法，及其構(gòu)筑的新型體育類器材的功能性特點(diǎn)進(jìn)行了概括與分析，得出其各自在體育類器材領(lǐng)域的優(yōu)缺性能，同時(shí)提出摻雜或復(fù)合低維納米材料，可能將會(huì)為科技化/智能化體育類器材提供一種全新的思路。

關(guān)鍵詞：石墨烯基;復(fù)合低納米材料;體育器材;制備;性能

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0065-04

二維納米材料石墨烯自2004年首次發(fā)現(xiàn)至今，其大尺寸功能化的生產(chǎn)技術(shù)受到全世界廣泛研究，同時(shí)其相關(guān)的復(fù)合型材料的制造與應(yīng)用也在不斷突破壁壘。尤其是石墨烯因其具有導(dǎo)電性高、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好以及環(huán)境友好等優(yōu)越性，使其在體育類器材領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。眾所周知體育器材是體育運(yùn)動(dòng)不可或缺的基本條件，包括健身鍛煉和競(jìng)技比賽所用的各類器械、裝備以及用品[1]：在學(xué)校體育和大眾體育方面，具有低成本、高性能、高穩(wěn)定性、高安全性以及良好舒適性的體育器材，直接關(guān)系到體育活動(dòng)者的體驗(yàn)感與收獲感;在競(jìng)技體育方面，高科技的體育器材更是可以全方位助力競(jìng)技體育水平。這些無(wú)疑都要求著研究者們要研發(fā)出更高性能的石墨烯基復(fù)合材料的體育類器材，從而更好、更快地實(shí)現(xiàn)科技化/智能化的新模式體育運(yùn)動(dòng)[2]。

1 石墨烯的制備

根據(jù)制備原理，石墨烯制備方法分為物理方法和化學(xué)方法兩大類[3]。其中，物理制備方法主要有：微機(jī)械剝離法、取向附生法、氣相或液相直接剝離法和加熱碳化硅法等，物理制備方法簡(jiǎn)單易操作，但其制備的尺寸小且不能量產(chǎn)?；瘜W(xué)制備方法是大規(guī)模制備石墨烯的主要方法，主要有化學(xué)剝離法、氧化石墨還原法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、溶劑熱法和化學(xué)插層法等，其中，CVD法可制備出高質(zhì)量、大面積且易轉(zhuǎn)移到任意襯底上的單層或多層石墨烯，為功能性石墨烯的應(yīng)用發(fā)展提供了多種新途徑;但由于其生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)條件要求高、技術(shù)工藝復(fù)雜，因此目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。而氧化石墨還原法，是先在氧化階段的濃H2SO4和NaNO3混合液中，以KMnO4為氧化劑，經(jīng)過(guò)低溫-中溫-高溫3個(gè)階段，還原階段則是以化學(xué)還原法為主，在合適反應(yīng)溫度下，利用金屬還原劑（如Al、Zn等）、無(wú)機(jī)還原劑（如檸檬酸鈉、NaBH4等）、有機(jī)還原劑（如還原性糖、VC等），除去石墨烯氧化物碳層的各種含氧官能團(tuán)，從而得到高質(zhì)量的石墨烯基材料;該方法易操作，且制備的石墨烯結(jié)構(gòu)較完整，因此是制備石墨烯基材料的主要方法。

2 石墨烯-橡膠復(fù)合材料

2.1 構(gòu)筑方法

石墨烯-橡膠復(fù)合材料是為了提高橡膠的機(jī)械性能、熱學(xué)性能以及電學(xué)性能，進(jìn)而充分發(fā)揮橡膠的可逆變性和高彈性等優(yōu)點(diǎn)，該合成過(guò)程中最關(guān)鍵的是要保證石墨烯在基體中分布的均一性。目前應(yīng)用較廣泛的有溶液混合法和直接混合法。

溶液混合法是在超聲或攪拌作用下將橡膠基體和石墨烯分散于有機(jī)溶劑中，通過(guò)分離和固化等工藝制備出石墨烯-橡膠復(fù)合材料。有學(xué)者通過(guò)該方法制備出了良好性能的石墨烯摻雜硅橡膠發(fā)泡復(fù)合介電材料[4]。報(bào)道了制備的高性能CeO2/石墨烯/苯基硅橡膠復(fù)合材料[5]。但溶液混合法仍存在著溶劑消耗量大、污染環(huán)境、產(chǎn)業(yè)化困難等問(wèn)題。

直接共混法指利用高速攪拌分散器、超聲波分散儀、高剪切分散乳化儀等儀器，將橡膠和石墨烯進(jìn)行有效復(fù)合，固態(tài)橡膠與石墨烯復(fù)合則用剪切、撞擊、振蕩等物理方法獲取石墨烯-橡膠復(fù)合材料[6]。還有通過(guò)此方法在室溫下制備出了具有良好均勻性的石墨烯-橡膠復(fù)合材料[7]。

2.2 在體育類器材的應(yīng)用與特性

體育器材類一般采用具有高彈性和可逆變性的合成橡膠，再將其與石墨烯再?gòu)?fù)合形成石墨烯-橡膠復(fù)合材料，可應(yīng)用于需要優(yōu)化或增加特種功能性的運(yùn)動(dòng)鞋、球拍手柄、賽車輪胎等體育類器材[8-10]，其具體的應(yīng)用與性能見表1。

因此，鑒于石墨烯-橡膠復(fù)合材料的良好力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等性能，使其應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材類有著更好更多潛在可能性。但隨著人們對(duì)健身器材和運(yùn)動(dòng)裝備性能要求的不斷提升，以及運(yùn)動(dòng)生理學(xué)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展需求，更高性能的功能化石墨烯-橡膠復(fù)合材料的研制與實(shí)用化進(jìn)程還有很長(zhǎng)的一段距離。

3 石墨烯基纖維復(fù)合材料

3.1 構(gòu)筑方法

石墨烯纖維作為二維原子晶體材料展現(xiàn)出眾多奇特的性能，如強(qiáng)度（>100 GPa）、高導(dǎo)熱性（5 300 W/（m·K））、高電學(xué)性能、高穩(wěn)定性等。借助濕法紡絲法和干法紡絲法等制備方法，其可以兼容各類可紡絲材料，進(jìn)而可直接合成或編織成功能化的石墨烯基復(fù)合纖維，因此其具有著廣闊的應(yīng)用前景[11]。濕法紡絲法是借鑒傳統(tǒng)高分子材料液晶紡絲方法，先將氧化石墨烯在極性溶劑中分散均勻，再加入到特定紡絲材料的溶液或溶膠，隨著氧化石墨烯質(zhì)量濃度的增加，使其液晶相逐漸向指紋狀轉(zhuǎn)變，進(jìn)而制備出石墨烯基復(fù)合纖維[12]。高超教授團(tuán)隊(duì)將液晶態(tài)的氧化石墨分散液注入到NaOH/甲醇凝固浴中形成了凝膠纖維，再經(jīng)過(guò)水洗、干燥、還原等過(guò)程，首次制備出石墨烯纖維;隨后開啟了石墨烯纖維束絲的生產(chǎn)線，推動(dòng)了石墨烯纖維基材料的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)程[13]。該方法簡(jiǎn)單易操作、效率高、可規(guī)?；a(chǎn)，是當(dāng)前研制石墨烯基纖維材料最普遍的方法之一。

干法紡絲法是選用甲醇、丙酮等低表面張力、高飽和蒸氣壓的溶劑，將氧化石墨烯溶液（質(zhì)量濃度>8 mg/mL）直接在噴口擠出，在空氣中干燥、收集、還原等過(guò)程，制備出石墨烯基復(fù)合纖維的方法[14]。該方法制備的石墨烯基纖維柔韌性高、紡絲效率高、溶劑可循環(huán)使用，是較環(huán)保的連續(xù)制備方法之一。

綜上所述，石墨烯基纖維復(fù)合材料有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性模量好、耐腐性好且易于加工等特點(diǎn)，在體育類器材領(lǐng)域呈現(xiàn)了特有的魅力?，F(xiàn)有石墨烯基纖維復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)比較成熟，且范圍比較廣泛。但我們?nèi)匀幌嘈烹S著石墨烯基纖維技術(shù)和工藝的不斷成熟，其可以完全按照運(yùn)動(dòng)需求，制造出針對(duì)性功能化的石墨烯基纖維復(fù)合材料，以便更好的服務(wù)于大眾體育與競(jìng)技體育。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以新穎的二維材料石墨烯的制備及其特性出發(fā)，探討了石墨烯基主流復(fù)合材料，即石墨烯-橡膠復(fù)合材料和石墨烯基纖維復(fù)合材料的制備方法，及其構(gòu)筑的體育類器材的綜合性能。石墨烯-橡膠復(fù)合材料與傳統(tǒng)橡膠材料相比，其具有更好的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱導(dǎo)性、穩(wěn)定性、耐磨性等特點(diǎn);石墨烯基纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料相比，其更具有輕質(zhì)性、熱穩(wěn)定性、防腐性、延展性及抗菌性等優(yōu)點(diǎn)。

盡管在過(guò)去的近10年，石墨烯基復(fù)合材料在體育類器材取得了很大的工業(yè)化進(jìn)程，但在面臨高質(zhì)量、高性能、高穩(wěn)定性、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)以及環(huán)境友好等難以共存的瓶頸問(wèn)題方面，其制備方法和性能研究仍然有很大的挖掘和拓展空間，比如引入離子摻雜技術(shù)或復(fù)合其他無(wú)機(jī)/有機(jī)低維度納米材料，進(jìn)一步針對(duì)性提升石墨烯基復(fù)合材料的各項(xiàng)性能，使得體育類器材獲得更好的先進(jìn)材料基保障，從而創(chuàng)新助力科技/智能化運(yùn)動(dòng)和綠色運(yùn)動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。

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