[发明专利]一种多孔彩色碳纤维材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种多孔彩色碳纤维材料及其制备方法，为了解决碳纤维材料不具备多孔结构和大部分多孔碳纤维不是彩色的问题，从单层薄膜干涉的显色原理出发，在碳纤维表面制备了多孔薄膜的彩色碳纤维材料，该材料由内层的黑色碳纤维和包裹在碳纤维表面的单层多孔薄膜两部分构成。多孔薄膜不仅具有较高的吸附量，而且薄膜的反射光谱峰在可见光区范围内，在自然光的照射下呈现出蓝色、绿色、黄色、红色四种亮丽的颜色，使得这种彩色碳纤维材料在电催化载体，多孔湿度传感器，航空航天，医疗器械，生物工程，建筑材料和化工机械等方面有了更加广泛的应用，本发明绿色环保无污染，没有化学染料的参与，极大地拓展了碳纤维材料的应用范围。

技术领域

本发明属于碳纤维材料着色领域，具体涉及一种多孔彩色碳纤维材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向堆砌而成，之后经过碳化、氧化处理而得到的含碳量高于90%的新型功能性纤维。碳纤维耐腐蚀、耐摩擦和具有高导电导热等优异性能，在纺织、建筑和能源等领域都有广泛应用。但是而且碳纤维本身是实心结构，使得碳纤维比表面积低，这些问题都极大地限制了碳纤维的应用。可以通过构建多孔结构来增大碳纤维比表面积。中国专利公开号201210548768.3，名称为“多孔碳纤维及其制备方法”，该方法将对苯二甲酸溶于N,N-二甲基甲酰胺，再加入聚丙烯腈，采用静电纺丝的方法将对苯二甲酸-聚丙烯腈纤维膜在充满空气的管式炉中氧化，最后在氮气保护下高温碳化得到多孔碳纤维，应用于超级电容器和锂离子电池等领域。中国专利公开号201810960771.3，名称为“纳米多孔碳纤维及其制备方法”，该方法是将一定浓度的海藻酸钠溶液搅拌至澄清后滴加FeCl₂溶液，冷冻干燥48 h后，在氮气保护下的管式炉中碳化，之后分别用盐酸和去离子水清洗至中性，最后干燥得到柔性多孔纳米碳纤维，具有良好的电化学性能。

以上制备多孔碳纤维材料的方法操作复杂，操作难度大，而且制备的碳纤维材料都是黑色，并不是彩色碳纤维，黑色碳纤维的表面活性官能团少，使用传统染料印染的方法很难将将碳纤维材料着色，极大地限制了碳纤维应用。为了将碳纤维着色，名称为“一种基于P(NIPAAm-co-HEAC)纳米球制备结构色碳纤维的方法”（中国专利公开号201410647400.1），以N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和十二烷基磺酸钠为起始原料，采用乳液聚合法制备得到的P(NIPAAm-co-HEAC)纳米球与超纯水混合制得分散液，采用电泳沉积的方法，将纳米微球自组装在碳纤维表面，不仅起始原料多，而且微球容易脱落，由于微球组成都为有机物，通过焙烧等热处理方法只会完全将有机薄膜去除，不仅失去结构色，而且不能获得多孔结构；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”，该方法在碳纤维表面引入了环簇聚磷腈薄膜，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，导致颜色不均匀，而且不具备多孔结构。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薄膜，利用单层膜干涉的原理制备了彩色碳布，但是该彩色碳布通过焙烧不会破坏TiO₂薄膜，只会使TiO₂薄膜结晶，通过酸刻蚀等常规制备多孔的方法会完全溶解TiO₂薄膜，不仅会完全失去颜色，而且并不能制备出多孔结构。以上三种方法虽然制备了彩色碳纤维，但是因为薄膜组成全部是有机物或者全部是金属氧化物，所以通过常规的制备多孔的焙烧、酸刻蚀等方法只会完全破坏薄膜结构，不仅会失去颜色，而且也不会出现多孔结构。

发明内容