摘要：為實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)跑鞋的高效率生產(chǎn)，研究提出了一種聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料，該材料以聚乳酸為主要原料，石墨烯為聚乳酸的改性劑，通過(guò)溶液澆鑄法在不改變?cè)牧匣瘜W(xué)性質(zhì)的情況下實(shí)現(xiàn)共混。為驗(yàn)證該復(fù)合材料的有效性，研究通過(guò)XRD、FTIR試驗(yàn)，以及微觀(guān)形貌分析、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能等手段對(duì)其綜合性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在石墨烯和聚乳酸添加比例為0.005∶1的情況下，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料化學(xué)性能穩(wěn)定，熱

穩(wěn)定性較強(qiáng)且具有良好的力學(xué)性能，適用于極簡(jiǎn)跑鞋的生產(chǎn)加工。

關(guān)鍵詞：聚乳酸；石墨烯；溶液澆鑄法；復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ314.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）02-0113-04

Preparation and performance study of polylactic acid composite materials for minimalist running shoes

GUO Zhendong，REN Hejie

（School of Physical Education，Yan’an University，Yan’an 716000，Shaanxi China）

Abstract：In order to achieve the high-efficiency production of minimalist running shoes，a polylactic acid/graphene composite material was proposed，which used polylactic acid as the main raw material and graphene as the modifier of polylactic acid，and achieved blending without changing the chemical properties of the raw materials by solution casting method.In order to verify the effectiveness of the composite，XRD，F(xiàn)TIR test，micromorphology analysis，thermal stability，mechanical properties and other means were used to test its comprehensive properties.The results showed that under the condition that the ratio of graphene to polylactic acid was 0.005∶1，the chemical properties of polylactic acid/graphene composites were stable，the thermal stability was strong and the mechanical properties were good，which were suitable for the production and processing of minimalist running shoes.

Key words：polylactic acid；graphene；solution casting method；composite material

聚乳酸是一種應(yīng)用較為廣泛的高分子可再生材料，具有良好的透氣性和可降解性，在食品包裝、紡織制鞋以及柔性電子等方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而該材料也存在應(yīng)用成本高、結(jié)晶速率低等方面的缺點(diǎn)，在跑鞋制造加工領(lǐng)域方面受到了一定的限制[1-3]。石墨烯具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，容易與高分子材料結(jié)合并優(yōu)化原材料的物理特性。將聚乳酸與石墨烯結(jié)合起來(lái)制備石墨烯/聚乳酸復(fù)合材料，能夠顯著提升跑鞋整體的力學(xué)性能，簡(jiǎn)化跑鞋內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)，既能夠降低跑鞋的生產(chǎn)成本，也能夠延長(zhǎng)跑鞋的使用壽命[4-6]。因此，研究提出了一種聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料，具體分析了石墨烯含量對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能與熱性能等方面的影響，發(fā)現(xiàn)該材料在極簡(jiǎn)跑鞋的生產(chǎn)加工方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)所需材料與設(shè)備

試驗(yàn)所需材料：聚乳酸（PLA）（3052D，廈門(mén)賽諾邦格生物科技股份）、石墨烯（AR，片層直徑8～14μm，北京潔爾爽高科技有限公司）、二氯甲烷（CP）（廣州佳途科技股份有限公司）。

試驗(yàn)所需設(shè)備：DSC-500B型電子天平（上海艾飛思精密儀器有限公司）、MYP11-2型磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）、BQS-08A超聲波清洗機(jī)（杭州寶珀超聲波科技有限公司）、TM2100型涂膜機(jī)（佛山南北潮電子商務(wù)有限公司）、FT-MIR2-6型傅里葉變換紅外光譜儀（上海昊量光電設(shè)備有限公司）、XPT-7型偏光顯微鏡（上海普丹光學(xué)儀器有限公司）、TGA-2型熱重分析儀（梅特勒托利多國(guó)際有限公司）、WAW2000D型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南中路昌試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）。

1.2聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的制備

通過(guò)溶液澆鑄法制備聚乳酸/石墨烯共混復(fù)合材料。首先于燒杯中倒入20 mL二氯甲烷，再加入一定質(zhì)量的石墨烯，用磁力攪拌機(jī)將上述體系分散均勻；于燒杯中倒入10 mg聚乳酸并對(duì)其進(jìn)行磁力攪拌處理，攪拌時(shí)間為2 h，攪拌速度為120 r/min[7-9]；用超聲清洗機(jī)對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行10 min的超聲處理，去除混合溶液中的氣泡；用涂膜器將上一步所制備的材料涂抹于玻璃板上，膜層厚度為250μm，靜置1 d后得到聚乳酸/石墨烯復(fù)合薄膜[10-12]。不同復(fù)合材料樣品聚乳酸和石墨烯的具體用量為表1所示。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1微觀(guān)形貌觀(guān)測(cè)

通過(guò)偏光顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

1.3.2 FTIR測(cè)試

FTIR測(cè)試即傅里葉變換紅外光譜測(cè)試，該項(xiàng)測(cè)試能夠幫助研究者獲取樣品中所含有的化學(xué)鍵和基本結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于極簡(jiǎn)跑鞋專(zhuān)用聚乳酸復(fù)合材料的性質(zhì)判定。本次研究通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的特征吸收峰，掃描分辨率為4 cm- 1，測(cè)量范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.3熱穩(wěn)定性分析

對(duì)于極簡(jiǎn)跑鞋產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性與產(chǎn)品生產(chǎn)加工工藝直接相關(guān)。本次研究采用熱重分析儀來(lái)輸出各組樣品的熱失重曲線(xiàn)，進(jìn)而判斷該材料的熱穩(wěn)定性。

1.3.4力學(xué)性能分析

聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能與極簡(jiǎn)跑鞋的產(chǎn)品質(zhì)量直接相關(guān)。通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的力學(xué)性能，該項(xiàng)檢測(cè)依照GB/T 1040.3—2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 FTIR測(cè)試結(jié)果

聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的紅外光譜測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，1 449 cm-1和2 992 cm-1處的大分子鏈存在明顯的彎曲振動(dòng)峰和不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，2 883 cm-1處出現(xiàn)聚乳酸—CH鍵伸縮振動(dòng)的弱吸收峰。除此之外，1 086 cm-1、1 135 cm-1、1 190 cm-1處伸縮振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)聚乳酸的C—O鍵，1 750 cm-1處出現(xiàn)了C===O鍵的伸縮振動(dòng)。聚乳酸的結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)在755 cm-1和870 cm-1處均存在紅外吸收峰。

在聚乳酸中加入石墨烯后，復(fù)合材料中依然存在聚乳酸的特征吸收峰。在進(jìn)一步增加石墨烯含量的情況下，復(fù)合材料除聚乳酸和石墨烯以外未出現(xiàn)其他特征吸收峰，說(shuō)明二者之間并未出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，充分實(shí)現(xiàn)了物理共混。

2.2熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，各組樣品的熱失重過(guò)程基本一致。不同石墨烯摻量的復(fù)合材料殘?zhí)苛浚?00℃）、最大熱分解速率的溫度（Tp）、熱分解50%的溫度（T50）、起始熱分解溫度（T5）如表2所示。

由表2可知，在石墨烯摻量逐漸增加的過(guò)程中，各組聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的Tp、T50和T5均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。在石墨烯摻量為0.05 mg的情況下，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最好，分解溫度最高。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)可遏制聚乳酸大分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，減少材料熱分解所消耗的能量。與此同時(shí)，石墨烯自身所帶有的氣阻效應(yīng)能夠減少聚乳酸在降解過(guò)程中的氣體排放量，進(jìn)而使降解效率得到提升[13-15]。在進(jìn)一步增加石墨烯添加量的過(guò)程中，復(fù)合材料中的石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象更加嚴(yán)重，Tp、T50和T5均呈現(xiàn)出一定程度的下降?？傮w來(lái)看，聚乳酸和石墨烯的導(dǎo)熱特性存在明顯差異，團(tuán)聚在一起的石墨烯能夠吸收大量熱量，致使復(fù)合材料發(fā)生熱分解，進(jìn)而降低該材料的熱分解溫度。由此可知，添加適量的石墨烯有助于提升聚乳酸的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)該材料在極簡(jiǎn)跑鞋生產(chǎn)過(guò)程中的熱加工適應(yīng)性。

2.3力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在石墨烯摻量逐漸增加的過(guò)程中，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈先升后隆的趨勢(shì)。在石墨烯摻量為0.05 mg的情況下，該材料的拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出逾滲轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。該狀況下，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相較于單純聚乳酸增加了31.9%，達(dá)到了33.65 MPa的最高水平。

在石墨烯摻量高于0.05 mg的情況下，該物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)一定程度的團(tuán)聚現(xiàn)象，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨之減小。該狀況下，石墨烯難以在聚乳酸中均勻分散，抑制了納米尺度下的物理交聯(lián)，致使2種材料之間的界面結(jié)合不足，無(wú)法充分接觸并使材料表面出現(xiàn)大量缺陷，削弱了石墨烯對(duì)于復(fù)合材料的增韌效果[16-18]。尤其是在外力作用下，復(fù)合材料聚集在一處，使內(nèi)部組織過(guò)早斷裂，降低了整體材料的拉伸強(qiáng)度。

經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯摻量逐漸增加的過(guò)程中，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率先升后降。在石墨烯摻量為0.05 mg的情況下，該材料的斷裂伸長(zhǎng)率同樣表現(xiàn)出逾滲轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。該狀況下，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率相較單純聚乳酸增加了8.6%，達(dá)到了4.91%的最高水平。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，石墨烯材料自身韌性較強(qiáng)，在石墨烯含量較低的情況下，該物質(zhì)能夠在聚乳酸中均勻分散，充分發(fā)揮增韌作用。而當(dāng)石墨烯摻量過(guò)高時(shí)，該物質(zhì)會(huì)在復(fù)合材料中建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使聚乳酸的大分子鍵運(yùn)動(dòng)受到限制[19-20]，提升復(fù)合材料內(nèi)部剛性，降低該材料的斷裂伸長(zhǎng)率。

3結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)石墨烯和聚乳酸的添加比例為0.005∶1時(shí)，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料中聚乳酸的成核效果最為理想，有助于實(shí)現(xiàn)良好的物理性能，可用于極簡(jiǎn)跑鞋的生產(chǎn)制造；

（2）當(dāng)石墨烯和聚乳酸的添加比例為0.005∶1時(shí)，聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最好，適用于極簡(jiǎn)跑鞋的熱加工工藝；

（3）當(dāng)石墨烯和聚乳酸的添加比例為0.005∶1時(shí)聚乳酸/石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能最為理想。整體來(lái)看，石墨烯能夠有效改善聚乳酸的力學(xué)性能，提高極簡(jiǎn)跑鞋的生產(chǎn)質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：蘇幔，平海）