一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法，利用原子层沉积在碳纤维材料表面交替沉积具有高、低折射率的薄膜来构筑一维光子晶体，使碳纤维材料表面呈现出亮丽的结构色。所述的彩色碳纤维材料反射光谱峰在可见光区范围内，在自然光的照射下呈现出紫色、蓝色、青色、绿色、黄绿色、黄色、红色。本发明专利技术不仅适用于彩色碳纤维的制备，同样适用于彩色碳纤维布的制备，在摩擦牢度及水洗实验中验证了着色层与碳纤维布具有很强的结合力。本发明专利技术没有化学染料的参与，绿色环保无污染；制备出的彩色碳纤维材料不仅饱和度高，颜色鲜艳明亮，不褪色，而且进一步提高了力学性能；工艺技术简单易操作，具有很好的应用前景。

A Color Carbon Fiber Material Based on One-dimensional Photonic Crystal and Its Preparation Method

The invention provides a color carbon fiber material based on one-dimensional photonic crystal and a preparation method. The one-dimensional photonic crystal is constructed by alternately depositing thin films with high and low refractive index on the surface of the carbon fiber material by atomic layer deposition, so that the surface of the carbon fiber material presents a bright structural color. The reflection spectrum peak of the color carbon fiber material is in the visible light region, and shows purple, blue, cyan, green, yellow-green, yellow and red under the irradiation of natural light. The invention is not only applicable to the preparation of color carbon fibers, but also to the preparation of color carbon fibers. The strong bonding force between the coloring layer and the carbon fibers is verified in the friction fastness and washing experiments. The invention has no participation of chemical dyes and is environmentally friendly and pollution-free; the prepared color carbon fiber material not only has high saturation, bright color, non-fading, but also further improves the mechanical properties; the process technology is simple and easy to operate, and has a good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法
本专利技术属于碳纤维着色领域，具体涉及一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维作为耐磨损、高导电、质轻高强的新型材料广泛应用于建筑、航空、文体、交通等领域，但碳纤维表面呈惰性，所含官能团种类、含量较少。因此，低活性的碳纤维很难“染色”，若能找到一种高效简捷的使碳纤维着色的方法，那么就可进一步使其更广泛的被应用。中国专利公开号201410455979.1，名称为“一种基于P(NIPAAm-co-AAc)纳米球制备结构色碳纤维的方法”，该方法将采用乳液聚合法制备得到的P(NIPAAm-co-AAc)纳米球与超纯水混合制得分散液，通过电泳沉积，纳米微球组装到碳纤维表面；K.Q.Zhang等在AcsMacroLettersVol.2(2013)pp.116-120中报道了利用电场力在碳纤维表面沉积不同粒径的PS纳米微球，制备出了“红”、“绿”、“蓝”三种颜色的彩色碳纤维。以上两种通过电泳沉积制备结构色碳纤维的方法由于胶体微球与碳纤维及各胶体微球之间仅通过氢键、范德华力等结合起来，结合力较弱导致微球易碎裂，受环境影响较大，这种较差的结合力使得制备的结构色并不稳定。中国专利公开号201510127348.1，名称为“一种基于环基聚麟腈膜的彩色碳纤维”，该方法采用原位聚合的方法在碳纤维表面引入环簇聚磷腈薄膜，制备出了蓝色碳纤维，但随着反应时间的延长，单体与单体之间的副反应增加，导致制备的薄膜厚度不均一，颜色不均匀，而且环簇聚磷腈制备工艺繁琐复杂；中国专利公开号201510207446.6，名称为“一种彩色碳纤维的制备方法”，该方法利用原子层沉积在碳纤维布上沉积不同厚度的TiO2，利用单层膜干涉的原理产生颜色。不同于薄膜干涉，本专利技术从光子晶体的显色原理出发，利用原子层沉积在碳纤维及碳纤维布表面交替生长由高、低折射率材料构成的一维光子晶体结构，使其层层环绕包覆在碳纤维外表面，将沉积厚度控制在光学尺度范围之内或相近，制备出的一维光子晶体由于其周期结构对光线的干涉、衍射、反射等作用而呈现出亮丽的颜色。
技术实现思路
为了解决以上几种彩色碳纤维存在的问题，本专利技术提供一种颜色亮丽、均匀，色饱和度高，结合力较强，摩擦牢度高，颜色持久稳定的基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法。本专利技术利用原子层沉积(AtomicLayerDeposition，ALD)在碳纤维(CarbonFiber，CF)及碳纤维布(CarbonFiberFabric，CFF)表面交替沉积具有高、低折射率的介质薄膜来构筑一维光子晶体，使碳纤维/碳纤维布表明呈现出亮丽的结构色。本专利技术的基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料，该一维光子晶体的彩色碳纤维材料由两部分构成，即碳纤维材料本体和包覆在碳纤维材料本体表面的一维光子晶体膜，所述的一维光子晶体膜是由低折射率的材料、高折射率的材料由内向外通过交替层层叠加形成的周期性排布的微结构；所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布。该彩色碳纤维材料颜色亮丽，色饱和度高，色彩均匀，而且表面包覆的一维光子晶体膜与碳纤维材料之间结合力较强，摩擦牢度高，颜色持久稳定。本专利技术所述一维光子晶体膜是由低折射率材料形成低折射率薄膜，高折射率材料形成高折射率薄膜。由高、低折射率材料通过交替层层叠加形成的一维光子晶体与碳纤维材料相结合可以赋予碳纤维亮丽的颜色，它的颜色来自于该一维光子晶体周期微结构对光线的干涉、衍射、反射等物理光学过程。根据上文技术方案，优选的情况下，所述低折射率材料沉积低折射率薄膜，高折射率材料沉积高折射率薄膜，为一个完整的周期，所述周期为2个周期。根据上文技术方案，优选的情况下，所述高折射率材料选自GeO2、TiO2和ZnO中的一种，所述低折射率材料选自MgO、SiO2和Al2O3中的一种。根据上文技术方案，优选的情况下，所述高折射率材料(薄膜)厚度为40-80nm，所述低折射率材料(薄膜)厚度为40-130nm。本专利技术从光子晶体的显色原理出发，利用原子层沉积在碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面交替生长由高、低折射率材料构成的一维光子晶体结构，使其层层环绕包覆在碳纤维材碳纤维外表面，将沉积厚度控制在光学尺度范围之内或相近，制备出的一维光子晶体由于其周期结构对光线的干涉、衍射、反射等作用而呈现出亮丽的颜色。所述的碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)反射光谱峰在可见光区范围内(380-800nm)，在自然光的照射下呈现出紫色、蓝色、青色、绿色、黄绿色、黄色、红色。本专利技术基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)先后置于丙酮和去离子水中超声清洗2-5分钟，除去碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面杂质，再将清洗后的碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)置于烘箱中烘干；(2)将经步骤(1)处理后的碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)进行等离子表面活化处理，通过N2、O2、空气等离子体可在碳纤维表面引入-NH3、-OH、-COOH等活性基团；(3)将经步骤(2)处理后的碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)置于原子层沉积仪中，反应腔温度加热到120-200℃，以高纯氮气(纯度为99.999％)作为载气，流量设置为20sccm(标况下，20毫升每分钟)；采用氧源为第一前驱体，将其在温度为150℃的进气管道以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，脉冲时间0.02-0.5s；接着用高纯氮气(纯度为99.999％)吹扫多余的前驱体，吹扫时间5-20s；采用低折射率材料的金属有机物前驱体源为第二前驱体，并在150℃的进气管道以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，脉冲时间0.02-0.5s，此时第一前驱体与第二前驱体反应生成低折射率材料(薄膜)；最后再用高纯氮气(纯度为99.999％)吹扫多余的前驱体及副产物，吹扫时间5-20s；此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面沉积了一层低折射率材料(薄膜)；(4)按照步骤(3)所述方法重复此沉积循环400次；(5)继续在步骤(4)的基础上沉积，反应腔温度加热到120-200℃，以高纯氮气(纯度为99.999％)作为载气，流量设置为20sccm；采用氧源为第一前驱体，将其在温度为150℃的进气管道以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，脉冲时间0.02-0.5s；接着用高纯氮气(纯度为99.999％)吹扫多余的前驱体，吹扫时间5-20s；采用高折射率材料的金属有机/无机物前驱体源为第二前驱体，并在150℃的进气管道以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，脉冲时间0.02-0.5s，此时第一前驱体与第二前驱体反应生成高折射率材料(薄膜)；最后再用高纯氮气(纯度为99.999％)吹扫多余的前驱体及副产物，吹扫时间5-20s，此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面沉积了一层高折射率材料(薄膜)；(6)按照步骤(5)所述方法重复此沉积循环200-600次；(7)步骤(3)-(6)为一个完整的周期，按照步骤(3)-(6)所述方法沉积第二个周期，得到基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)。按照步骤(3)-(7)所述方法制备的二个周期彩色碳纤维/碳纤维布分别用CF-2(400+200)/CFF-2(400+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料由两部分构成，即碳纤维材料本体和包覆在碳纤维材料本体表面的一维光子晶体膜，所述的一维光子晶体膜是由低折射率材料、高折射率材料由内向外通过交替层层叠加形成周期性排布的微结构；所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布。

【技术特征摘要】
1.一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料由两部分构成，即碳纤维材料本体和包覆在碳纤维材料本体表面的一维光子晶体膜，所述的一维光子晶体膜是由低折射率材料、高折射率材料由内向外通过交替层层叠加形成周期性排布的微结构；所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布。2.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述周期为2个周期。3.根据权利要求1或2所述的基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述高折射率材料选自GeO2、TiO2和ZnO中的一种，所述低折射率材料选自MgO、SiO2和Al2O3中的一种。4.根据权利要求3所述的基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料，其特征在于：所述高折射率材料厚度为40-80nm，所述低折射率材料厚为40-130nm。5.如权利要求1-4中任意一项所述的基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法按以下步骤进行：(1)将碳纤维材料经过清洗再烘干；(2)将经步骤(1)处理后的碳纤维材料进行等离子表面活化处理；(3)将经步骤(2)处理后的碳纤维材料置于原子层沉积设备中，反应腔温度加热到120-200℃，以纯度为99.999％的高纯氮气作为载气，流量设置为20sccm；采用氧源为第一前驱体，将其在温度为150℃的进气管道以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，脉冲时间0.02-0.5s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫，吹扫时间5-20s；低折射率材料的金属有机物前驱体源为第二前驱体，并在150℃的进气管道以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，脉冲时间0.02-0.5s；最后再用纯度为99.999％的高纯氮气，吹扫时间5-20s，此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料表面沉积了一层低折射率材料；(4)按照步骤(3)所述方法重复此沉积循环400次；(5)继续在步骤(4)的基础上沉积，反应腔温度加热到120-200℃，以纯度为99.999％的高纯氮气作为载气，流量设置为20sccm；采用氧源为第一前驱体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛文斌，张乐乐，张淑芬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21