碳纖維由于具有獨特的物理化學性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工、基礎(chǔ)設(shè)施、軍事、體育、能源、紡織等各個領(lǐng)域。但是，碳纖維的類石墨結(jié)構(gòu)使其表面呈化學惰性、界面能低、界面浸潤性能和高溫耐氧化性能差、缺乏具有較高反應(yīng)活性的化學基團，這使得碳纖維與其它基體材料之間不能形成有效的界面耦合作用，界面強度下降，從而嚴重影響其力學性能。另外，與染料分子間低的化學鍵合作用，使其難以染色，從而導(dǎo)致所開發(fā)的碳纖維制品色調(diào)過于單一，難以滿足消費者的時尚化需求。
現(xiàn)有的實現(xiàn)碳纖維織物著色的方法有：織入約50%的可染色紗線，如玻璃纖維、滌綸、銅、芳綸等，但碳纖維織物的機械性能也會相應(yīng)地下降；蘋果公司公布的一項專利US7790637 B2通過增加一個附加的“罩層(scrim)”來改變碳纖維織物的外觀顏色。曼徹斯特大學在不久前開發(fā)出一種新的電致變色樹脂，可用作碳纖維預(yù)浸料，使其在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化。
盡管如此，在保持碳纖維織物高機械性能的同時實現(xiàn)其直接著色仍然是科學家需要攻克的難題。近日，我國湖北大學王世敏教授和武漢紡織大學徐衛(wèi)林教授等指導(dǎo)的研究團隊研究出一種有效、易操作的碳纖維織物著色方法，不僅顏色可調(diào)，還具有優(yōu)良的耐洗滌性能。這項研究已經(jīng)發(fā)表在國際材料科學領(lǐng)域頂級期刊《ACS Nano》上(Facile and Effective Coloration of Dye-Inert Carbon Fiber Fabrics with Tunable Colors and Excellent Laundering Durability)。據(jù)介紹，該研究主要從仿生結(jié)構(gòu)生色的思路出發(fā)，采用ALD(原子層沉積)技術(shù)在碳纖維/織物表面構(gòu)建尺度各異的非晶TiO2薄膜，實現(xiàn)了碳纖維及其織物的著色。
結(jié)構(gòu)色是由于自然界中一系列因特殊光學尺度的微觀結(jié)構(gòu)對可見光進行選擇性反射、色散、散射、干涉、衍射和透射等物理作用而產(chǎn)生的五彩繽紛的生物色彩。結(jié)構(gòu)色所具有的無污染、不褪色、高飽和亮度、無虹彩效應(yīng)的顯色機理也使其具有其他染色技術(shù)所無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。這為碳纖維的生態(tài)著色提供了新的思路。
大自然中的結(jié)構(gòu)色
用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)色的方法包括溶膠-凝膠法、自組裝、全息光刻、噴墨印刷、陽極氧化、電泳沉積、電紡和原子層沉積(ALD)等。ALD是一種特殊的化學氣相沉積技術(shù)，由于自限制表面化學反應(yīng)特性，原子層沉積技術(shù)具有優(yōu)異的保形性、大面積生長的均勻性以及精確的亞單層薄膜厚度可控的特點。納米級可控化學鍵合生長以及優(yōu)異的保形性特性使其兼具耐服役特性，而且操作方便，穩(wěn)定性高，不受基體材料大小和形狀的限制，能夠原子水平上控制膜的組成結(jié)構(gòu)和厚度，適用性廣，對周圍環(huán)境無污染。
但是，由于碳纖維織物表面主要是化學惰性的sp2鍵，啟動CFF上的ALD反應(yīng)比較困難。這項研究利用碳纖維表面存在的缺陷和含氧官能團(如-OH和-COOH)，可有效啟動TiO2薄膜生長的特性，首先引入TIP(四異丙醇鈦)，通過碳纖維表面上-OH或-COOH的活性基團的自限制化學反應(yīng)在碳纖維表面形成-OCH(CH3)2，并引入H2O與-OCH(CH3)2反應(yīng)形成單層TiO2薄膜和外露的-OH，每個步驟之后通過氮氣吹除剩余物質(zhì)。通過重復(fù)上述ALD循環(huán)數(shù)目，可以精確地調(diào)節(jié)所需的TiO2薄膜厚度。
環(huán)繞在碳纖維外部的TiO2薄膜
通過控制非晶TiO2薄膜的厚度，該研究實現(xiàn)了三原色紅、黃、藍的成功制備，并能通過三原色的復(fù)合，即改變碳纖維織物表面ALD TiO2的厚度，獲得其他各種不同的顏色。且所形成的TiO2薄膜耐洗滌性能優(yōu)良，可經(jīng)受50次的洗滌。這一成果為實現(xiàn)碳纖維及其織物的生態(tài)著色指明了方向。
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