碳纤维因为具有共同的物理化学功能,广泛使用于航空航天、轿车、化工、基础设施、军事、体育、动力、纺织等各个范畴。可是,碳纤维的类石墨结构使其外表呈化学慵懒、界面能低、界面滋润功能和高温耐氧化功能差、缺少具有较高反响活性的化学基团,这使得碳纤维与其它基体资料之间不能构成有用的界面耦合效果,界面强度下降,从而严重影响其力学功能。别的,与染料分子间低的化学键合效果,使其难以染色,从而导致所开发的碳纤维制品色调过于单一,难以满足消费者的时髦化需求。
现有的完成碳纤维织物上色的办法有:织入约50%的可染色纱线,如玻璃纤维、涤纶、铜、芳纶等,但碳纤维织物的机械功能也会相应地下降;苹果公司发布的一项专利US7790637 B2经过添加一个附加的“罩层(scrim)”来改动碳纤维织物的外观色彩。曼彻斯特大学在不久前开宣布一种新的电致变色树脂,可用作碳纤维预浸料,使其在外加电场的效果下发作稳定、可逆的色彩变化。
尽管如此,在坚持碳纤维织物高机械功能的一起完成其直接上色仍然是科学家需求霸占的难题。近来,我国湖北大学王世敏教授和武汉纺织大学徐卫林教授等辅导的研讨团队研讨出一种有用、易操作的碳纤维织物上色办法,不只色彩可调,还具有优秀的耐洗刷功能。这项研讨现已宣布在世界资料科学范畴尖端期刊《ACS Nano》上(Facile and Effective Coloration of Dye-Inert Carbon Fiber Fabrics with Tunable Colors and Excellent Laundering Durability)。据介绍,该研讨主要从仿生结构生色的思路动身,选用ALD(原子层堆积)技能在碳纤维/织物外表构建标准各异的非晶TiO2薄膜,完成了碳纤维及其织物的上色。
结构色是因为自然界中一系列因特别光学标准的微观结构对可见光进行选择性反射、色散、散射、干与、衍射和透射等物理效果而发生的五彩缤纷的生物色彩。结构色所具有的无污染、不褪色、高饱满亮度、无虹彩效应的显色机理也使其具有其他染色技能所无法比拟的技能优势和广阔的使用远景。这为碳纤维的生态上色供给了新的思路。
大自然中的结构色
用于构建结构色的办法包含溶胶-凝胶法、自拼装、全息光刻、喷墨印刷、阳极氧化、电泳堆积、电纺和原子层堆积(ALD)等。ALD是一种特别的化学气相堆积技能,因为自约束外表化学反响特性,原子层堆积技能具有优异的保形性、大面积成长的均匀性以及准确的亚单层薄膜厚度可控的特点。纳米级可控化学键合成长以及优异的保形性特性使其兼具耐执役特性,并且操作便利,稳定性高,不受基体资料大小和形状的约束,可以原子水平上操控膜的组成结构和厚度,适用性广,对周围环境无污染。
可是,因为碳纤维织物外表主要是化学慵懒的sp2键,发动CFF上的ALD反响比较困难。这项研讨使用碳纤维外表存在的缺点和含氧官能团(如-OH和-COOH),可有用发动TiO2薄膜成长的特性,首先引进TIP(四异丙醇钛),经过碳纤维外表上-OH或-COOH的活性基团的自约束化学反响在碳纤维外表构成-OCH(CH3)2,并引进H2O与-OCH(CH3)2反响构成单层TiO2薄膜和外露的-OH,每个过程之后经过氮气吹除剩下物质。经过重复上述ALD循环数目,可以准确地调理所需的TiO2薄膜厚度。
环绕在碳纤维外部的TiO2薄膜
经过操控非晶TiO2薄膜的厚度,该研讨完成了三原色红、黄、蓝的成功制备,并能经过三原色的复合,即改动碳纤维织物外表ALD TiO2的厚度,取得其他各种不同的色彩。且所构成的TiO2薄膜耐洗刷功能优秀,可饱尝50次的洗刷。这一效果为完成碳纤维及其织物的生态上色指明晰方向。