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我國研究出彩色碳纖維織物
發(fā)布日期： [2017/10/27]
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碳纖維由于具有獨特的物理化學(xué)性能，廣泛應用于航空航天、汽車(chē)、化工、基礎設施、軍事、體育、能源、紡織等各個(gè)領(lǐng)域。但是，碳纖維的類(lèi)石墨結構使其表面呈化學(xué)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(xué)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(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，從而導致所開(kāi)發(fā)的碳纖維制品色調過(guò)于單—，難以滿(mǎn)足消費者的時(shí)尚化需求。
現有的實(shí)現碳纖維織物著(zhù)色的方法有：織入約50%的可染色紗線(xiàn)，如玻璃纖維、滌綸、銅、芳綸等，但碳纖維織物的機械性能也會(huì )相應地下降;蘋(píng)果公司公布的—項專(zhuān)利US7790637 B2通過(guò)增加—個(gè)附加的“罩層(scrim)”來(lái)改變碳纖維織物的外觀(guān)顏色。曼徹斯特大學(xué)在不久前開(kāi)發(fā)出—種新的電致變色樹(shù)脂，可用作碳纖維預浸料，使其在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生穩定、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(shí)實(shí)現其直接著(zhù)色仍然是科學(xué)家需要攻克的難題。近日，我國湖北大學(xué)王世敏教授和武漢紡織大學(xué)徐衛林教授等指導的研究團隊研究出—種有效、易操作的碳纖維織物著(zhù)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(jīng)發(fā)表在國際材料科學(xué)領(lǐng)域頂高等期刊《ACS Nano》上(Facile and Effective Coloration of Dye-Inert Carbon Fiber Fabrics with Tunable Colors and Excellent Laundering Durability)。據介紹，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(shù)在碳纖維/織物表面構建尺度各異的非晶TiO2薄膜，實(shí)現了碳纖維及其織物的著(zhù)色。
結構色是由于自然界中—系列因特殊光學(xué)尺度的微觀(guān)結構對可見(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。結構色所具有的無(wú)污染、不褪色、高飽和亮度、無(wú)虹彩效應的顯色機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)勢和廣闊的應用前景。這為碳纖維的生態(tài)著(zhù)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(yáng)好氧化、電泳沉積、電紡和原子層沉積(ALD)等。ALD是—種特殊的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，由于自限制表面化學(xué)反應特性，原子層沉積技術(shù)具有優(yōu)異的保形性、大面積生長(cháng)的均勻性以及準確的亞單層薄膜厚度可控的特點(diǎn)。納米高等可控化學(xué)鍵合生長(cháng)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?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(dòng)TiO2薄膜生長(cháng)的特性，單先引入TIP(四異丙醇鈦)，通過(guò)碳纖維表面上-OH或-COOH的活性基團的自限制化學(xué)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(gè)步驟之后通過(guò)氮氣吹除剩余物質(zhì)。通過(guò)重復上述ALD循環(huán)數目，可以準確地調節所需的TiO2薄膜厚度。
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)現了三原色紅、黃、藍的成功制備，并能通過(guò)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(jīng)受50次的洗滌。這—成果為實(shí)現碳纖維及其織物的生態(tài)著(zhù)色指明了方向。
本文由《紡織導報》根據論文《Facile and Effective Coloration of Dye-Inert Carbon Fiber Fabrics with Tunable Colors and Excellent Laundering Durability》整理。