我国研究出碳纤维着色新技术，彩色碳纤维织物将面世？

摘要

碳纤维因其独特的物理化学性能在多个领域得到广泛应用，但其表面化学惰性导致界面性能差，影响力学性能且难以染色。目前实现碳纤维织物着色的方法存在局限性。近日，我国研究团队通过原子层沉积技术在碳纤维表面构建非晶TiO2薄膜，实现可调颜色及优良耐洗涤性能，为碳纤维生态着色提供新思路。该方法利用碳纤维表面缺陷和含氧官能团启动ALD反应，通过控制薄膜厚度实现三原色制备，并具有优良的耐洗涤性能。这一成果为碳纤维织物的着色指明了方向。

正文

碳纤维由于具有独特的物理化学性能，广泛应用于航空航天、汽车、化工、基础设施、军事、体育、能源、纺织等各个领域。但是，碳纤维的类石墨结构使其表面呈化学惰性、界面能低、界面浸润性能和高温耐氧化性能差、缺乏具有较高反应活性的化学基团，这使得碳纤维与其它基体材料之间不能形成有效的界面耦合作用，界面强度下降，从而严重影响其力学性能。另外，与染料分子间低的化学键合作用，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尚化需求。

现有的实现碳纤维织物着色的方法有：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性能也会相应地下降；苹果公司公布的一项专利US7790637B2通过增加一个附加的“罩层（scrim）”来改变碳纤维织物的外观颜色。曼彻斯特大学在不久前开发出一种新的电致变色树脂，可用作碳纤维预浸料，使其在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化。

尽管如此，在保持碳纤维织物高机械性能的同时实现其直接着色仍然是科学家需要攻克的难题。近日，我国湖北大学王世敏教授和武汉纺织大学徐卫林教授等指导的研究团队研究出一种有效、易操作的碳纤维织物着色方法，不仅颜色可调，还具有优良的耐洗涤性能。这项研究已经发表在国际材料科学领域顶级期刊《ACSNano》上（FacileandEffectiveColorationofDye-InertCarbonFiberFabricswithTunableColorsandExcellentLaunderingDurability）。据介绍，该研究主要从仿生结构生色的思路出发，采用ALD（原子层沉积）技术在碳纤维/织物表面构建尺度各异的非晶TiO2薄膜，实现了碳纤维及其织物的着色。

结构色是由于自然界中一系列因特殊光学尺度的微观结构对可见光进行选择性反射、色散、散射、干涉、衍射和透射等物理作用而产生的五彩缤纷的生物色彩。结构色所具有的无污染、不褪色、高饱和亮度、无虹彩效应的显色机理也使其具有其他染色技术所无法比拟的技术优势和广阔的应用前景。这为碳纤维的生态着色提供了新的思路。

大自然中的结构色

用于构建结构色的方法包括溶胶-凝胶法、自组装、全息光刻、喷墨印刷、阳极氧化、电泳沉积、电纺和原子层沉积（ALD）等。ALD是一种特殊的化学气相沉积技术，由于自限制表面化学反应特性，原子层沉积技术具有优异的保形性、大面积生长的均匀性以及精确的亚单层薄膜厚度可控的特点。纳米级可控化学键合生长以及优异的保形性特性使其兼具耐服役特性，而且操作方便，稳定性高，不受基体材料大小和形状的限制，能够原子水平上控制膜的组成结构和厚度，适用性广，对周围环境无污染。

但是，由于碳纤维织物表面主要是化学惰性的sp2键，启动CFF上的ALD反应比较困难。这项研究利用碳纤维表面存在的缺陷和含氧官能团（如－OH和－COOH），可有效启动TiO2薄膜生长的特性，首先引入TIP（四异丙醇钛），通过碳纤维表面上－OH或－COOH的活性基团的自限制化学反应在碳纤维表面形成－OCH（CH3）2，并引入H2O与－OCH（CH3）2反应形成单层TiO2薄膜和外露的－OH，每个步骤之后通过氮气吹除剩余物质。通过重复上述ALD循环数目，可以精确地调节所需的TiO2薄膜厚度。

环绕在碳纤维外部的TiO2薄膜

通过控制非晶TiO2薄膜的厚度，该研究实现了三原色红、黄、蓝的成功制备，并能通过三原色的复合，即改变碳纤维织物表面ALDTiO2的厚度，获得其他各种不同的颜色。且所形成的TiO2薄膜耐洗涤性能优良，可经受50次的洗涤。这一成果为实现碳纤维及其织物的生态着色指明了方向。