CN110656488A - 一种碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法及得到的碳纤维编织布 - Google Patents
一种碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法及得到的碳纤维编织布 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法及得到的碳纤维编织布，制备包括以下步骤：第一步，将三氯化铁粉末超声分散到去离子水中，室温下搅拌，溶液由无色变为橙色，随后向溶液中加入氟化铵粉末并搅拌，得到透明澄清溶液，随后将混合溶液转入反应釜中；第二步，将经过丙酮和乙醇的混合溶液清洗过的碳纤维编织布裁剪成一定尺寸，浸入反应釜中；第三部，在高温烘箱中水热反应使羟基氧化铁纳米颗粒以不同密度和厚度负载到碳纤维编织布表面，并最终获得不同的结构色的碳纤维编织布；解决了碳纤维编织布表面沉积结构色的技术难题，制备方法简单易行，重复性强，且所用原料环保安全无毒，易于实现工业化。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料制备领域，具体涉及一种碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法及得到的碳纤维编织布。
背景技术
丰富的色彩世界给人一种美的视觉体验。化学色和结构色(又称物理色)是两大类色彩。化学色指的是通过色素沉着产生色彩，虽然这些化学物质色彩缤纷且成色简单，但是容易造成资源浪费和环境污染。结构色通过物体本身特殊的组织结构与白光发生光栅衍射，干涉和折射而呈现出的色彩。结构色不是色素沉着，是一种物理着色，其具有呈色稳定，永不退色，环境友好，制备周期短等优点，在防伪、绘画、隐身、装饰等领域都有广泛的应用。碳纤维作为一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量、热膨胀系数小和摩擦系数低等优良性能，是近年来应用最广泛的增强材料之一。而通过与结构色成色技术相结合，可以使碳纤维呈现出不同的色彩，从而使其用途更加广泛。
申请号201910071203.2的中国发明专利公开了一种基于原子层沉积的结构色的制备方法，该方法包括提供样品、沉积材料以及沉积气体三个过程。原子层沉积一次只能镀一层薄膜，具有极均匀的厚度和极好的保形性，但是另一方面，这种方法沉积速率低，耗时耗力，且沉积成本较高。申请号201510604482.6的中国发明专利公开了一种紫色光子晶体结构色薄膜及其制备方法，该方法采用均匀沉积法制备硫化锌微球，然后采用垂直沉积法在玻璃基材表面自组装成紫色光子晶体结构色薄膜，这种结构色紫色薄膜颜色艳丽且不易褪色，但是该方法制备工艺复杂，所需原料较多，导致制备成本的提高。
尽管有大量关于结构色呈色的中国发明专利，但是对于碳纤维编织布表面着色的制备方法还鲜有报道，特别是碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒的复合结构色材料还未见相关报道。
发明内容
本发明目的在于提出一种的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法及得到的碳纤维编织布，该方法重复性强，制备工艺简单方便，制备周期短；该方法制备的羟基氧化铁纳米颗粒具有粒径均匀，形貌单一，且呈现出的结构色具有颜色鲜艳，永不褪色，不随观察角度变化而变化的优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，包括如下步骤：
步骤1：配制三氯化铁-氟化铵混合溶液：将三氯化铁粉末和去离子水均匀混合，并充分搅拌均匀，超声分散，加入氟化铵并搅拌均匀，得到澄清透明的混合溶液；
步骤2：碳纤维编织布预处理：将商用碳纤维编织进行处理以去除碳纤维编织布表面的工业上浆剂，随后采用等离子体刻蚀提高碳纤维表面的粗糙度，并引入活性基团；
步骤3：包裹羟基氧化铁纳米颗粒结构：将步骤1制得的混合溶液置于反应釜中，然后将经步骤2处理过的碳纤维编织布浸入混合溶液中，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为50-100℃，反应时间为8-16h，反应结束后取出碳纤维编织布，用乙醇清洗碳纤维布表面，低温烘干，即得到负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的碳纤维编织布。
进一步，所述步骤1中三氯化铁、去离子水和氟化铵的用量比为4～6g:50～70 ml:1～1.5g。
进一步，所述步骤2中将商用碳纤维编织布置入乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗去除碳纤维编织布表面的工业上浆剂。
进一步，超声清洗时间为2h。
进一步，所述步骤1中将三氯化铁粉末加入去离子水中采用磁力搅拌器在室温下搅拌处理30min，使溶液充分搅拌均匀。
进一步，所述步骤1中超声分散时间为60min。
进一步，所述步骤2中等离子体刻蚀时间为10min。
进一步，所述步骤3中低温烘干时间为60min。
一种负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的碳纤维编织布。
与现有技术相比，本发明具有以下优异的技术效果：
本发明通过简单的水热法在碳纤维编织布表面负载一定厚度的均匀羟基氧化铁纳米颗粒，由于均匀的羟基氧化铁纳米颗粒与光线发生衍射、干涉等作用从而导致产品表面产生结构色。
本发明的方法由于采用水热法制备，无方向性，所负载的羟基氧化铁纳米颗粒均匀致密，碳纤维编织布的颜色不会随着观察角度的变化而变化，呈色稳定，不易褪色，具有良好的化学稳定性，在酸、碱、盐溶液中长期浸泡之后依然能够保持鲜艳的颜色，具有较好的成色稳定性，解决了碳纤维编织布表面沉积结构色的技术难题。
制备过程只需要少量水和先驱物就可以制备出具有鲜艳结构色的产品，反应前驱体容易获得，且节约原料，所需原料制备成本低廉，适用于大规模的工业生产。通过调节反应温度和时间控制负载羟基氧化铁纳米颗粒的密度，从而控制产品表面的结构色，本发明制备方法简单易行，重复性强，且所用原料环保安全无毒，易于实现工业化。
附图说明
图1是本发明制备的不同水热温度和时间下碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒的产品实物图
图2是本发明制备的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒的SEM
图3是本发明制备的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒的能谱图
图4是本发明制备的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒的能谱图
图5是本发明制备的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒的XRD
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
本发明所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，包括以下步骤：
1)配制三氯化铁-氟化铵混合溶液：将4～6g三氯化铁粉末和50～70ml去离子水均匀混合，并充分搅拌均匀，磁力搅拌时间控制为30min，随后将溶液置于超声中分散，超声时间为60min，超声结束，加入1～1.5g氟化铵并磁力搅拌30min，最终得到澄清透明的三氯化铁-氟化铵混合溶液。
2)碳纤维编织布预处理：将商用碳纤维编织布裁剪成15*15cm2固定尺寸，置入乙醇和丙酮的混合溶液中进行2h的超声清洗，以去除碳纤维编织布表面的工业上浆剂，然后用去离子水冲洗干净并用鼓风干燥箱烘干后取出，随后采用等离子体刻蚀 10min，以提高碳纤维表面的粗糙度，并引入活性基团。
3)包裹羟基氧化铁纳米颗粒结构：将步骤一所得三氯化铁-氟化铵混合溶液置于反应釜中，然后将处理过的碳纤维编织布浸入溶液中，在烘箱中进行水热反应，反应温度为50-100℃，反应时间为8-16h。反应结束，取出碳纤维编织布，用去离子水和乙醇清洗碳纤维布表面，随后用鼓风机低温60℃烘干60min，即得到复合结构色材料。并且，可以通过改变水热反应温度和反应时间来控制羟基氧化铁纳米颗粒沉积的密度，不同密度羟基氧化铁纳米颗粒具有不同的衍射和干涉作用，进而控制产品的颜色。发明人经过多次重复试验发现，当反应温度和反应时间分别为50℃，8h；50℃， 16h；70℃，16h；90℃，16h；100℃，16h时，产品分别呈现出浅蓝色；深蓝色；紫色；蓝绿色和金色。
下面将结合具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
1.配制三氯化铁-氟化铵混合溶液：将4g三氯化铁粉末和50ml去离子水均匀混合，并充分搅拌均匀，磁力搅拌时间控制为30min，随后将溶液置于超声中分散，超声时间为60min，超声结束，加入1.2g氟化铵并磁力搅拌30min，最终得到澄清透明的三氯化铁-氟化铵混合溶液。
2.碳纤维编织布预处理：将商用碳纤维编织布裁剪成15*15cm2固定尺寸，置入乙醇和丙酮的混合溶液中进行2h的超声清洗，以去除碳纤维编织布表面的工业上浆剂，然后用去离子水冲洗干净并用鼓风干燥箱烘干后取出，随后采用等离子体刻蚀 10min，以提高碳纤维表面的粗糙度，并引入活性基团。
3.包裹羟基氧化铁纳米颗粒结构：将步骤一所得三氯化铁-氟化铵混合溶液置于反应釜中，然后将处理过的碳纤维编织布浸入溶液中，在烘箱中进行水热反应，反应温度为50℃，反应时间为8h。反应结束，取出碳纤维编织布，用去离子水和乙醇清洗碳纤维布表面，随后用鼓风机低温60℃烘干60min，即得到复合结构色材料。在本实施例中，所得到的产品颜色为浅蓝色。
实施例2
采用与实施例1相同的方法，区别之处在于三氯化铁用量为5g,去离子水用量为60ml,氟化铵用量为1.3g，水热反应温度为50℃，反应时间为16h。此时得到的产品结构色为深蓝色。
实施例3
采用与实施例1相同的方法，区别之处在于三氯化铁用量为6g,去离子水用量为60ml,氟化铵用量为1.3g，水热反应温度为70℃，反应时间为16h。此时得到的产品结构色为紫色。
实施例4
采用与实施例1相同的方法，区别之处在于三氯化铁用量为5g,去离子水用量为50ml,氟化铵用量为1.4g，水热反应温度为90℃，反应时间为16h。此时得到的产品结构色为蓝绿色。
实施例5
采用与实施例1相同的方法，区别之处在于三氯化铁用量为4g,去离子水用量为50ml,氟化铵用量为1.5g，水热反应温度为100℃，反应时间为16h。此时得到的产品结构色为金色。
实施例6
采用与实施例1相同的方法，区别之处在于三氯化铁用量为4g,去离子水用量为70ml,氟化铵用量为1g，水热反应温度为80℃，反应时间为12h。此时得到的产品结构色为浅绿色。
经本实施例1-5制得的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒产品实物图如图1所示，可以在碳纤维编织布表面成色，不同反应温度和反应时间对应不同的结构色，且结构色不随观察角度的变化而变化，对角度依赖小。
经实施例2制得的产品扫描电镜图如图2所示，羟基氧化铁纳米颗粒均匀沉积在碳纤维丝表面，颗粒分布较为致密，粒径均一，无团聚现象出现，保持高度分散。
经实施例2制得的产品EDS能谱图如图3和图4所示，Fe元素的存在进一步证明了所沉积的羟基氧化铁纳米颗粒的存在，且颗粒均匀致密的包裹在碳纤维表面。
经实施例1-3制得的产品XRD谱图如图5所示，CF的XRD曲线中只出现了一个峰，在26°的位置，为碳的特征峰。在另外三条曲线中所出现的衍射峰及其位置与四方相的FeOOH(JCPDS no.75-1594)一致。
综上所述，本发明的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法通过水热反应在碳纤维编织布表面沉积不同密度的羟基氧化铁纳米颗粒，由于颗粒的衍射和干涉作用，从而导致产品表面产生结构色。
该制备方法由于采用水热法，其无方向性，沉积的羟基氧化铁纳米颗粒均匀致密，无团聚现象。且该方法所需原料较少，节约资源，且通过调节水热反应温度和反应时间就可以控制产品的色彩，参数调节简单易行。通过该制备方法得到的产品，颜色鲜艳且不易褪色，能够经受酸、碱和盐的腐蚀，呈色稳定。这种低成本、环境友好的复合结构色材料的制备方法，扩展了碳纤维及其复合材料在工业上的应用范围和前景。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：配制三氯化铁-氟化铵混合溶液：将三氯化铁粉末和去离子水均匀混合，并充分搅拌均匀，超声分散，加入氟化铵并搅拌均匀，得到澄清透明的混合溶液；
步骤2：碳纤维编织布预处理：将商用碳纤维编织进行处理以去除碳纤维编织布表面的工业上浆剂，随后采用等离子体刻蚀提高碳纤维表面的粗糙度，并引入活性基团；
步骤3：包裹羟基氧化铁纳米颗粒结构：将步骤1制得的混合溶液置于反应釜中，然后将经步骤2处理过的碳纤维编织布浸入混合溶液中，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为50-100℃，反应时间为8-16h，反应结束后取出碳纤维编织布，用乙醇清洗碳纤维布表面，低温烘干，即得到负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的碳纤维编织布。
2.根据权利要求1所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：所述步骤1中三氯化铁、去离子水和氟化铵的用量比为4～6g:50～70ml:1～1.5g。
3.根据权利要求1所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：所述步骤2中将商用碳纤维编织布置入乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗去除碳纤维编织布表面的工业上浆剂。
4.根据权利要求3所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：超声清洗时间为2h。
5.根据权利要求1所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：所述步骤1中将三氯化铁粉末加入去离子水中采用磁力搅拌器在室温下搅拌处理30min，使溶液充分搅拌均匀。
6.根据权利要求1所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：所述步骤1中超声分散时间为60min。
7.根据权利要求1所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：所述步骤2中等离子体刻蚀时间为10min。
8.根据权利要求1所述的碳纤维编织布负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的方法，其特征在于：所述步骤3中低温烘干时间为60min。
9.一种根据权利要求1-8方法制备的负载羟基氧化铁纳米颗粒复合结构色的碳纤维编织布。
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