碳纖維由于具有獨特的物理化學性能，廣泛應用于航空航天、汽車、化工、基礎設施、軍事、體育、能源、紡織等各個領域。但是，碳纖維的類石墨結構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，從而導致所開發(fā)的碳纖維制品色調過于單一，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，還具有優(yōu)良的耐洗滌性能。這項研究已經發(fā)表在國際材料科學領域頂級期刊《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構生色的思路出發(fā)，采用ALD(原子層沉積)技術在碳纖維/織物表面構建尺度各異的非晶TiO2薄膜，實現(xiàn)了碳纖維及其織物的著色。
結構色是由于自然界中一系列因特殊光學尺度的微觀結構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生的五彩繽紛的生物色彩。結構色所具有的無污染、不褪色、高飽和亮度、無虹彩效應的顯色機理也使其具有其他染色技術所無法比擬的技術優(yōu)勢和廣闊的應用前景。這為碳纖維的生態(tài)著色提供了新的思路。
大自然中的結構色
用于構建結構色的方法包括溶膠-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，由于自限制表面化學反應特性，原子層沉積技術具有優(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構和厚度，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在碳纖維表面形成-OCH(CH3)2，并引入H2O與-OCH(CH3)2反應形成單層TiO2薄膜和外露的-OH，每個步驟之后通過氮氣吹除剩余物質。通過重復上述ALD循環(huán)數(shù)目，可以精確地調節(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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