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我國(guó)研究出彩色碳纖維織物,仿生結(jié)構(gòu)生色顏色鮮艷且耐洗滌!

來(lái)源:紡織導(dǎo)報(bào) 發(fā)布時(shí)間:2018年03月06日

碳纖維由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、化工、基礎(chǔ)設(shè)施、軍事、體育、能源、紡織等各個(gè)領(lǐng)域。但是,碳纖維的類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)使其表面呈化學(xué)惰性、界面能低、界面浸潤(rùn)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(xué)基團(tuán),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(qiáng)度下降,從而嚴(yán)重影響其力學(xué)性能。另外,與染料分子間低的化學(xué)鍵合作用,使其難以染色,從而導(dǎo)致所開(kāi)發(fā)的碳纖維制品色調(diào)過(guò)于單一,難以滿(mǎn)足消費(fèi)者的時(shí)尚化需求。

現(xiàn)有的實(shí)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(jī)械性能也會(huì)相應(yīng)地下降;蘋(píng)果公司公布的一項(xiàng)專(zhuān)利US7790637B2通過(guò)增加一個(gè)附加的“罩層(scrim)”來(lái)改變碳纖維織物的外觀顏色。曼徹斯特大學(xué)在不久前開(kāi)發(fā)出一種新的電致變色樹(shù)脂,可用作碳纖維預(yù)浸料,使其在外加電場(chǎng)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(jī)械性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其直接著色仍然是科學(xué)家需要攻克的難題。近日,我國(guó)湖北大學(xué)王世敏教授和武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林教授等指導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《ACSNano》上(FacileandEffectiveColorationofDye-InertCarbonFiberFabricswithTunableColorsandExcellentLaunderingDurability)。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(shí)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(xué)尺度的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)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(wú)污染、不褪色、高飽和亮度、無(wú)虹彩效應(yīng)的顯色機(jī)理也使其具有其他染色技術(shù)所無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(yáng)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(xué)氣相沉積技術(shù),由于自限制表面化學(xué)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(zhǎng)的均勻性以及精確的亞單層薄膜厚度可控的特點(diǎn)。納米級(jí)可控化學(xué)鍵合生長(zhǎng)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(duì)周?chē)h(huán)境無(wú)污染。

但是,由于碳纖維織物表面主要是化學(xué)惰性的sp2鍵,啟動(dòng)CFF上的ALD反應(yīng)比較困難。這項(xiàng)研究利用碳纖維表面存在的缺陷和含氧官能團(tuán)(如-OH和-COOH),可有效啟動(dòng)TiO2薄膜生長(zhǎng)的特性,首先引入TIP(四異丙醇鈦),通過(guò)碳纖維表面上-OH或-COOH的活性基團(tuán)的自限制化學(xué)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(gè)步驟之后通過(guò)氮?dú)獯党S辔镔|(zhì)。通過(guò)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。

彩色碳纖維的形成機(jī)制及其實(shí)際效果圖

環(huán)繞在碳纖維外部的TiO2薄膜

通過(guò)控制非晶TiO2薄膜的厚度,該研究實(shí)現(xiàn)了三原色紅、黃、藍(lán)的成功制備,并能通過(guò)三原色的復(fù)合,即改變碳纖維織物表面ALDTiO2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(shí)現(xiàn)碳纖維及其織物的生態(tài)著色指明了方向。

(a)彩色碳纖維上不同色彩的WTULOGO圖;(b)WTULOGO不同色彩所對(duì)應(yīng)的CIE值


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