摘要：基于氧化石墨烯、丁二酸酐、己内酰胺、二甲基甲酰胺，利用原位聚合法进行纤维尼龙6与羟基化氧化石墨烯改性，以红外光谱仪、热重分析仪、扫描电镜等多元化方式，分析了石墨烯复合材料化学结构与组织特性，同时详细探究了石墨烯纤维复合材料在自行车轮胎胎面、高尔夫球杆、网球拍中的实践应用。结果表明，原位聚合法可基于羟基化氧化石墨烯有效改进优化纤维尼龙6性能，且可有机实现纤维尼龙6与羟基化氧化石墨烯接枝，其中羟基化氧化石墨烯在纤维尼龙6基体中均匀分布，与基体间密切粘合;基于预期提升度计算分析得知，石墨烯纤维复合材料可显著提升体育运动器材的整体性能，相信未来随着石墨烯技术日趋成熟，可实现在体育运动器材各层面的广泛应用。

关键词：石墨烯技术;体育运动器材;性能

中图分类号：TQ327.6

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）06-0055-03

在科学技术实时更新优化，现代化体育竞技水平逐渐提升的趋势下，社会相关各界已明确意识到体育运动器材中引进新材料的重要意义，因此将材料科学与体育运动器材结合研究势在必行。纤维作为器材制作基础材料，在其中引进既有石墨烯技术，可充分了解石墨烯技术在体育运动器材中的切实应用，从而实现石墨烯与体育行业的全面融合。而石墨烯纤维复合材料具备其独特优势，即强度与模量较高，韧性良好，断裂伸长率偏高，且颜色均衡，而添加石墨烯既能够提升纤维材料耐老化性、阻燃性，又能提高远红外发射保健性能，抗菌性等[1]，因此将石墨烯纤维复合材料应用于体育运动器材已成为必然趋势。

1 石墨烯纤维复合材料制备与性能分析

1.1 实验材料

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

1.2 实验仪器

通过X射线衍射仪进行物相分析;基于差示扫描量热仪进行分析;利用乌氏黏度计测试分析黏度;以场发射扫描电子显微镜拍摄形貌。

1.3 实验方法

首先，丁儿酸酰基过氧化物。根据1：1.2：1.8的比例添加双氧水、丁二酸酐、去离子水于烧瓶内，低温搅拌2h，直到混合物变为白色凝胶状态，在过滤之后，以48℃状态，真空干燥处理24h。其次，氧化石墨烯羟基化。在烧瓶中添加氧化石墨烯（0.16g）与N，N-二甲基甲酰胺（23mL），在室温状态进行超声分散处理，2h之后，温度上升到88℃，处于保温状态48h，在此过程中，间隔24h时，添加丁儿酸酰基过氧化物（0.16g），逐渐冷却到室温状态之后进行过滤，反复清洗，再在78℃状态下，真空干燥处理18h，从而获得羟基化氧化石墨烯。再次，羟基化氧化石墨烯与纤维尼龙6接枝。在烧瓶内添加己内酰胺（18.02g）与羟基化氧化石墨烯，在78℃状态下，进行超声分散处理，0.5h之后，添加氨基乙酸（1.84g），处于150℃使用机械搅拌，0.5h之后温度上升到225℃，再使用机械搅拌5h，在混合物变成粘稠状态之后，分割为小块状，利用去离子水进行清洗，清洗干净后于88℃状态，真空干燥24h，以获得基于羟基化氧化石墨烯改性的纤维尼龙6复合物。最后，表层接枝纤维尼龙6分子链的羟基化氧化石墨烯制备，纤维尼龙6复合物溶解在甲酸内进行离心清洗，清除溶液即可获取[2]。

1.4 结果分析

1.4.1 XRD图谱

纤维尼龙6与表层接枝分子链的羟基化氧化石墨烯的XRD（X射线衍射）图谱具体如图1所示。

由图可知，纤维尼龙6与0.5%含量羟基化氧化石墨烯的复合物-0.5的X射线衍射峰值状态，纤维尼龙6在[200]与[002，220]晶面中出现特征峰，而复合物一0.5在[002]晶面构成石墨烯特征峰，这就代表纤维尼龙6与羟基化氧化石墨烯表层接枝已成功[3]。

1.4.2 DSC曲线

纤维尼龙6与羟基化氧化石墨烯的复合物DSC曲线具体如图2、图3所示。

由图可知，纤维尼龙6与不同量羟基化氧化石墨烯的复合物处于218℃周围时，都存在熔融峰，相较于α型平行链架构而言，只在熔融峰的具体位置上有所差异，即复合物在羟基化氧化石墨烯含量逐渐增大的趋势下，熔融峰具体位置开始朝向低温转变，强度逐步减弱，峰宽随之变大[4]。

由图可知，纤维尼龙6与不同量羟基化氧化石墨烯的复合物处于183℃周围时，都存在结晶峰，且位置对应纤维尼龙6正向迁移，然而并非结晶温度随羟基化氧化石墨烯含量增多而上升。总之，羟基化氧化石墨烯含量是0.5%的时候，可促进复合物结晶温度升高，且熔融温度降低[5]。

1.4.3 黏度分析

以马克一霍温克方程计算所获复合物与纤维尼龙6黏度测试结果，具体如表1所示。

由表可知，与纤维尼龙6相比，不同量羟基化氧化石墨烯的复合物黏度均相对分子质量相对较小，复合物一1黏度均相对分子质量即1 1343，复合物特征黏度明显超出纤维尼龙6[6]。

1.4.4 形貌分析

基于石墨烯纤维尼龙6复合物的宏观形貌可知，表层接枝尼龙6分子链的羟基化氧化石墨烯呈现不规则的片状形态，形貌特征类似于尼龙6。基于羟基化氧化石墨烯改性的纤维尼龙6复合物高倍显微形貌可知，石墨烯通过发挥高导电特征，以及其在尼龙6基体中的均衡分布，导致断面层出现均衡分布的明亮范围，而且石墨烯呈現半透明薄膜状态。表层接枝尼龙6分子链的羟基化氧化石墨烯表层为蜂窝状态，其中部分可发现接枝片层卷曲现象，可厚度均匀，所以尼龙6基体的羟基化氧化石墨烯具备均衡分布特性，与基体界面友好交互[7]。

2 石墨烯纤维复合材料在体育运动器材中的应用

2.1 高尔夫球杆

以石墨烯纤维复合材料为载体，在高尔夫球杆需同等重量的时候，可强化球杆强度与断裂强度，延长使用寿命，且可提升阻尼性，以保障击球效率与质量[8]。

2.2 网球拍

石墨烯纤维复合材料具备高于普通纤维的强度、弹性模量，可提升球拍刚度与强度。网球拍网线具有显著特性，即球拍网厚度在击球性能与耐久性均衡中发挥着关键性作用;力量、击球感、耐磨性、吸震性、控制性等为网线主要使用性能。为实现耐用性与击球感的双重优势，选用石墨烯纤维尼龙6复合物作为材料，其回弹性与抗疲劳性较高，硬度适中，脆性小，不易刚性断裂，且价格低，合成工艺简单。据此，在羽毛球网线市场中，石墨烯纤维尼龙6聚合物在羽毛球网线中的应用范围最广泛。

基于成本、质量、重量等多方面要求，可基于纤维尼龙6与适量石墨烯的结合进行性能优化，以提升羽毛球拍网线综合性能。此外球拍也可通过石墨烯纤维尼龙6复合物作为材料，在总重量不变的基础上，提高球拍强度，提升球拍刚度，延长使用寿命[9]。

2.3 自行车架

石墨烯纤维尼龙6复合材料可有效强化自行车架的抗冲击性、拉伸强度、耐冲击性，基于车架重量不变，提升车架抗冲击能力，以此保护自行车与运动员的安全。

2.4 数据分析

以预期提升度表征石墨烯纤维尼龙6复合材料体育运动器材对运动成绩的提升效度，结果[10]具体如表2所示。

3 结语

综上所述，原位聚合法可有效改进优化石墨烯性能，且可有机实现纤维尼龙6与羟基化氧化石墨烯接枝，其中羟基化氧化石墨烯在纤维尼龙6基体中均匀分布，与基体间密切粘合。基于预期提升度计算分析得知，石墨烯纤维复合材料可显著提升体育运动器材的整体性能，大约在1.8%一5.5%之间。相信未来随着石墨烯技术日趋成熟，可实现在体育运动器材各层面的广泛应用。

参考文献

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作者简介：史岩峰（1982-），男，河南武陟人，硕士研究生，讲师，研究方向：体育管理。