[发明专利]一种基于单层薄膜干涉的渐变彩虹色碳纤维及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于薄膜干涉的具有渐变彩虹色碳纤维材料及其制备方法，不仅解决了碳纤维着色的问题，同时提供了一种简单便捷制备渐变彩虹色碳纤维的方法，从单层薄膜干涉的原理出发，在碳纤维表面构筑了一层厚度逐渐变化的单层薄膜。该碳纤维材料由内层的碳纤维和外层单层厚度渐变的薄膜组成。碳纤维表面的单层薄膜因其厚度不同，因此在自然光的照射下，使碳纤维呈现出两种或两种以上的颜色。本发明扩大了彩色碳纤维的应用范围。

技术领域

本发明属于碳纤维着色领域，具体涉及一种渐变彩虹色碳纤维材料及其制备方法

背景技术

碳纤维是一种具有独特物理化学性能、应用广泛的无机高分子材料。因为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，缺乏较高反应活性的化学基团难以使用传统的染料进行着色。目前存在很多彩色碳纤维的制备方法，随着人们审美需求的日益变化，单一的颜色已经不能满足人们的审美要求，颜色的规律性改变即渐变色，带来的新的审美体验成为人们所目前所推崇的目标。中国专利号CN201510127348.1名称为“一种基于环基聚膦腈膜的彩色碳纤维”该方法采用原位聚合的方法的碳纤维表面共价接枝了聚膦腈膜层，通过单层薄膜干涉使碳纤维产生颜色；中国专利号CN201910303347.6名称为“一种基于电聚合技术制备彩色碳纤维材料的方法”该方法采用电聚合的方法”使色粉随着聚合反应的发生附着在碳纤维表面上，达到着色的效果。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，利用单层薄膜干涉的原理产生颜色。中国专利号CN201810557206.2“一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法”该方法是在碳纤维表面交替的沉积高、低折射率材料，利用一维光子晶体对光的折射、反射和衍射使碳纤维产生亮丽的颜色。目前制备彩色碳纤维的方法中，都只能制备出某一种单一的颜色，颜色的丰富性不够。本发明从单层薄膜干涉的原理出发，利用原子层沉积技术，通过控制在单层薄膜在同一块碳纤维上厚度逐渐变化，使碳纤维材料呈现渐变彩虹色。

发明内容

为了解决目前彩色碳纤维的颜色很单一的问题，本发明从单层薄膜干涉的显色原理出发，提供一种颜色丰富、薄膜结合力强具有渐变彩虹色的碳纤维材料及其制备方法。本发明在碳纤维材料表面制备了单层厚度渐变薄膜。

一种基于单层薄膜干涉的渐变彩虹色碳纤维材料，该渐变彩虹色碳纤维材料由两部分构成，包括内部的碳纤维材料和包裹在碳纤维材料表面的单层薄膜；所述的单层薄膜为厚度渐变的薄膜，它的颜色来自于单层薄膜对光线发生干涉的过程。

根据上文技术方案，优选的情况下，所述单层厚度渐变薄膜材料选自ZnO、Al₂O₃、TiO₂、SiO₂中的一种。

根据上文技术方案，优选的情况下，所述单层薄膜的厚度为120-400nm，其中单层薄膜的厚度变化区间为30-300nm，纵向的碳纤维包裹的单层薄膜的厚度沿碳纤维轴向方向增加。

本发明从薄膜干涉的显色原理出发，通过控制薄膜厚度在可见光区的尺度范围内，单层薄膜的微观结构对光线发生干涉和衍射使黑色碳布呈现丰富的结构色，所述的碳纤维的反射峰位置处在380-800nm范围内，在自然光的照射下在碳纤维材料上呈现出紫色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色，颜色中的两种或两种以上。

本发明所述的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，采用水作为第一前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入真空反应腔中，之后用高纯氮气吹扫；采用金属有机物前驱体作为第二前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入真空反应腔室，再用高纯氮气进行吹扫，同时改变第一前驱体和第二前驱体的脉冲量，加上一个较小的数，不断循环直到增加至一个较大的脉冲量，此过程为一个完整的循环；重复此循环200-400次；具体的包括如下步骤：