CN110820123B - 一种多孔彩色碳纤维材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种多孔彩色碳纤维材料及其制备方法
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
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，本发明从单层薄膜干涉的显色原理出发，提供一种颜色均匀亮丽，薄膜结合力强，孔径是介孔的多孔薄膜彩色碳纤维材料及其制备方法。本方法在碳纤维材料表面制备了单层多孔薄膜，这种彩色碳纤维材料的多孔薄膜是具有较高比表面积的介孔结构，而且薄膜与碳纤维之间通过化学键牢固结合，色彩鲜艳结构稳定，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。
一种多孔彩色碳纤维材料，所述的多孔彩色碳纤维材料由两部分构成，即内层的黑色碳纤维和包裹在黑色碳纤维表面的单层多孔薄膜；
所述的碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布（碳布）。
该多孔彩色碳纤维材料色彩鲜艳，其表面包覆的单层多孔薄膜的孔径是介孔，而且具有较高吸附量。
本发明所述单层多孔薄膜，它的颜色来自于单层薄膜微结构对光线的干涉、衍射和反射等物理光学过程。
根据上文技术方案，优选的情况下，所述单层多孔薄膜材料选自ZnO、Al2O3、TiO2、SiO2中的一种。
根据上文技术方案，优选的情况下，金属前驱体源选自三甲基铝、二乙基锌、四氯化钛、三（二甲胺基）硅烷中的一种。
根据上文技术方案，优选的情况下，所述有机前驱体源选自乙二醇、丙三醇中的一种。
根据上文技术方案，优选的情况下，所述的单层薄膜厚度为160-380 nm。
本发明从薄膜干涉显色原理出发，利用高温热处理方法去除薄膜中的有机成分，使多孔薄膜不仅具有50-500 ml/g的吸附量，而且通过控制薄膜厚度在光学尺度范围之内，单层薄膜微结构对光线的干涉和反射作用而使得黑色碳布呈现出亮丽的结构色，所述的碳布反射光谱峰在可见光区范围内（380-800 nm），在自然光的照射下呈现出蓝色、绿色、黄色、红色。
本发明所述的多孔彩色碳纤维材料的制备方法，是采用金属前驱体源为第一前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，之后高纯氮气吹扫；采用有机前驱体源为第二前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入反应腔室，最后再用高纯氮气吹扫，此过程为一个完整的循环；重复此沉积循环350-2000次；具体的，包括如下步骤：
（1）将碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）经过清洗后再干燥；
（2）将经步骤（1）处理后的碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）放入等离子清洗机中进行表面活化处理；通过N2、O2、空气等离子体可在碳纤维表面引入-OH、-COOH、-NH3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）置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热为70-110℃，以高纯氮气（纯度为99.999%）作为载气，流量设置为20 sccm（标况下，20毫升每分钟）；采用金属前驱体源为第一前驱体，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0.02-0.5 s；接着用高纯氮气（纯度为99.999%）吹扫，吹扫时间10-20 s；采用有机氧源为为第二前驱体，并将有机前驱体源加热至75℃-100℃来增大有机组分前驱体源的挥发性，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0.5-2 s；最后再用高纯氮气（纯度为99.999%）吹扫，吹扫时间15-30 s，此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）表面制备（沉积）了一层单层有机-无机杂化薄膜；
（4）按照步骤（3）所述方法重复此沉积循环350-2000次，得到彩色碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）；
（5）将步骤（4）得到彩色碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）在空气气氛下进行热处理，热处理条件如下：在5 -50℃/h升温速率下，将彩色碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）加热到400℃-600℃，在400℃-600℃保持10 min-30 min，之后在5 -50℃/h的降温速率下，将彩色碳纤维材料从400℃-600℃降温到25℃，得到多孔彩色碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布）。
例如，按照步骤（3）-（5）所述方法制备的碳纤维材料（碳纤维/碳纤维布），步骤（4）中重复步骤（3）沉积循环1500次、1600次、2000次，分别用CF-1500/CFF-1500、CF-1600/CFF-1600、CF-1800/CFF-1800 、CF-2000/CFF-2000表示。
上述方法制备出的单层多孔薄膜具有较高比表面积，孔径属于介孔，而且薄膜厚度与光学尺度相近。根据布拉格衍射原理，当自然光入射到碳布表面时，光线在碳布表面发生干涉、衍射、反射等，从而反射出亮丽的颜色。
根据上文技术方案，优选的情况下，步骤（1）具体为：将碳纤维材料经过乙醇浸泡5min-30 min，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥。
根据上文技术方案，优选的情况下，步骤（2）中所述碳纤维材料的等离子活化处理的条件为：温度10-60 ℃，真空度10-20 Pa，功率7-30 W，时间 3-10分钟。
根据上文技术方案，优选的情况下，步骤（3）中所述薄膜材料的金属前驱体源选自三甲基铝、二乙基锌、四氯化钛、三（二甲胺基）硅烷中的一种。
根据上文技术方案，优选的情况下，步骤（3）中所述的薄膜材料中有机前驱体源选自乙二醇、丙三醇中的一种。
根据上文技术方案，优选的情况下，所述三甲基铝的纯度为99.999%，所述二乙基锌的纯度为99.999%，所述四氯化钛纯度为99.99%，所述三（二甲胺基）硅烷纯度为99.999%，所述乙二醇纯度为99.99%，所述丙三醇纯度为99.99%。
本发明从单层薄膜干涉的显色原理出发，在碳纤维材料表面制备一层有机-无机分子杂化薄膜，通过热处理除掉有机组分，而无机组分在热处理后形成金属氧化物保留下来，这样就使得薄膜形成均匀多孔结构。本方法不仅可以为碳纤维材料着色，也可以形成多孔结构，从而制备一种多孔的彩色碳纤维材料。
本发明的有益效果：
（1）本发明首先解决了碳纤维材料不具备多孔结构问题。通过制备了多孔彩色碳纤维材料，极大地拓展了碳纤维材料的应用范围，使得结构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方面，具有很好的应用前景。
（2）本发明其次解决了大部分多孔碳纤维不是彩色的问题，通过在碳纤维材料表面构建单层多孔薄膜微结构，微结构对光线的干涉和反射产生颜色，使得多孔碳纤维具有亮丽的颜色。
（3）本发明碳纤维材料表面的颜色可通过精确调控单层薄膜厚度进行改变，可制备出蓝色、绿色、黄色、红色的多孔彩色碳纤维材料，且颜色均一，光学性能优异。
（4）本发明的工艺技术和操作步骤简单。
（5）本发明没有化学染料和有毒的有机溶剂参与，绿色环保无污染。
附图说明
图1为多孔彩色碳纤维材料结构示意图。
图2为实施例1中多孔彩色碳布的反射光谱图及其数码照片，其中a为反射光谱图，b为数码照片。图示信息显示对CFF-1500结构色碳布进行反射光谱的测试，分析其在500 nm左右出现反射峰，该反射峰波长对应可见光中的蓝色，如数码照片所示。
图3为实施例1、2、3、4中多孔薄膜彩色碳布截面扫描电镜图，其中a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3，d为实施例4，图示信息显示对CFF-1500、CFF-1600、CFF-1800、CFF-2000彩色碳布进行截面扫描电镜的表征，分析其截面微观形貌，多孔薄膜整体呈柱状包覆在碳纤维表面。
图4为没有经过任何处理的黑色碳布（a）和实施例4中（b）多孔薄膜彩色碳纤维材料的氮气吸附脱附等温线图。分别取没有经过任何处理的黑色碳布和实施例4中CFF-2000多孔薄膜彩色碳布样品100 mg，在150℃下脱气6 h之后，在-196℃下分别测试获得氮气的吸附等温线。对比发现实施例4中的多孔薄膜彩色碳布的最大吸附量达到164.2 ml/g，比表面积为302.1 m2/g，结果表明制备多孔薄膜彩色碳布有较高的比表面积和较大的吸附量。
图5是对实施例4中CFF-2000多孔薄膜彩色碳布的孔径分布图，平均孔径为3.53nm，属于介孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步详细阐述本发明，应当理解，实施例仅用于更好的解释本发明而不用于限制本发明。
本发明是一种多孔彩色碳纤维材料及其制备方法，该多孔彩色碳纤维材料由两部分构成，即内层的黑色碳纤维材料和包裹在黑色碳纤维材料表面的单层多孔薄膜。所述的碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布。所述的单层多孔薄膜，多孔薄膜的孔径大小属于介孔，具有较高的吸附量。所述单层多孔薄膜选自ZnO、Al2O3、TiO2、SiO2中的一种，所述的单层多孔薄膜厚度为160-380 nm。该多孔薄膜彩色碳纤维材料的颜色来自于薄膜结构对光线的干涉、衍射、反射等物理光学过程。该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蓝色、绿色、黄色、红色。较高的吸附量使得多孔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方面，具有很好的应用前景。
实施例1
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳布置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用三甲基铝（TMA，99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间10 s；采用乙二醇（EG，99.99%）为第二前驱体，并将乙二醇前驱体源加热至75℃来增大乙二醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体乙二醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环1500次，最后制备出CFF-1500彩色碳布，此彩色碳布颜色为蓝色。之后将CFF-1500碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(1500)，此多孔彩色碳布颜色为蓝色。
实施例2
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用二乙基锌（DEZ，99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ，吹扫时间10 s；采用乙二醇（EG，99.99%）为第二前驱体，并将乙二醇前驱体源加热至75℃来增大乙二醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体乙二醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环1600次，最后制备出CFF-1600彩色碳布，彩色碳布颜色为绿色。之后将CFF-1600彩色碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(1600)，此多孔彩色碳布颜色为绿色。
实施例3
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳布置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用四氯化钛（99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体四氯化钛，吹扫时间10 s；采用乙二醇（EG，99.99%）为第二前驱体，并将乙二醇前驱体源加热至75℃来增大乙二醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体乙二醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环1800次，最后制备出CFF-1800彩色碳布，此彩色碳布颜色为黄色。之后将CFF-1800彩色碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(1800)，此多孔彩色碳布颜色为黄色。
实施例4
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法、具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用三（二甲胺基）硅烷（99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体三（二甲胺基）硅烷，吹扫时间10 s；采用乙二醇（EG，99.99%）为第二前驱体，并将乙二醇前驱体源加热至75℃来增大乙二醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体乙二醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环2000次，最后制备出CFF-2000彩色碳布，此彩色碳布颜色为红色。之后将CFF-2000彩色碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(2000) ，此多孔彩色碳布颜色为红色。
实施例5
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法、具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用三甲基铝（TMA，99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间10 s；采用丙三醇（GL，99.99%）为第二前驱体，并将丙三醇前驱体源加热至75℃来增大丙三醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体丙三醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环1500次，最后制备出CFF-1500彩色碳布，此彩色碳布颜色为蓝色。之后将CFF-1500碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(1500) ，此多孔彩色碳布颜色为蓝色。
实施例6
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法、具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用二乙基锌（DEZ，99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ，吹扫时间10 s；采用丙三醇（GL，99.99%）为第二前驱体，并将丙三醇前驱体源加热至75℃来增大丙三醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体丙三醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环1600次，最后制备出CFF-1600彩色碳布，此彩色碳布颜色为绿色。之后将CFF-1600彩色碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(1600) ，此多孔彩色碳布颜色为绿色。
实施例7
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法、具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用四氯化钛（99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体四氯化钛，吹扫时间10 s；采用丙三醇（GL，99.99%）为第二前驱体，并将丙三醇前驱体源加热至75℃来增大丙三醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体丙三醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环1800次，最后制备出CFF-1800彩色碳布，此彩色碳布颜色为黄色。之后将CFF-1800彩色碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(1800) ，此多孔彩色碳布颜色为黄色。
实施例8
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法、具体如下：
将碳布经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳布置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用三（二甲胺基）硅烷（99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体三（二甲胺基）硅烷，吹扫时间10 s；采用丙三醇（GL，99.99%）为第二前驱体，并将丙三醇前驱体源加热至75℃来增大丙三醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体丙三醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳布表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环2000次，最后制备出CFF-2000彩色碳布，此碳布颜色为红色。之后将CFF-2000彩色碳布放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳布从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳布从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳布CFF-(2000) ，此多孔彩色碳布颜色为红色。
实施例9。
本实施例公开了一种多孔彩色碳纤维材料的制备方法、具体如下：
将碳纤维经过乙醇浸泡30 min，除去表面杂质，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥；接着将碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25 ℃及真空度为15 Pa的条件下采用10.2 W的功率进行活化处理5分钟，通过N2、O2、空气等离子体可在碳纤维表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维置于分子层沉积设备反应腔室中，反应腔温度加热到85 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用三（二甲胺基）硅烷（99.999%）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 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体三（二甲胺基）硅烷，吹扫时间10 s；采用丙三醇（GL，99.99%）为第二前驱体，并将丙三醇前驱体源加热至75℃来增大丙三醇的挥发性；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0.5 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫多余的前驱体丙三醇，吹扫时间15 s，此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；重复此沉积循环2000次，最后制备出CFF-2000彩色碳纤维，此碳纤维颜色为红色。之后将CFF-2000彩色碳纤维放入马弗炉，在空气中进行热处理，热处理条件如下：首先在20℃/h升温速率下，将彩色碳纤维从常温25℃加热到500℃，在500℃保持10 min，之后在40℃/h的降温速率下，将彩色碳纤维从500℃降温到25℃，得到多孔彩色碳纤维CFF-(2000) ，此多孔彩色碳纤维颜色为红色。

Claims (8)

1.一种多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，所述的多孔彩色碳纤维材料由两部分构成，即内层的黑色碳纤维和包裹在黑色碳纤维表面的单层多孔薄膜；
所述的碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布；
所述单层多孔薄膜材料选自ZnO、Al2O3、TiO2、SiO2中的一种；
所述的单层多孔薄膜的厚度为160-380 nm；
所述多孔彩色碳纤维材料的制备方法按以下步骤进行：
（1）将碳纤维材料经过清洗后再干燥；
（2）将经步骤（1）处理后的碳纤维材料放入等离子清洗机中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分子层沉积设备中，反应腔温度加热到70-180 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量设置为20 sccm；采用金属前驱体源为第一前驱体，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0.02-0.5 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫，吹扫时间10-20 s；采用有机前驱体源为第二前驱体，并将其加热至75℃-100℃，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0.5-2 s；最后再用纯度为99.999%的高纯氮气，吹扫时间15-30 s，此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料表面制备了一层单层有机-无机杂化薄膜；
（4）按照步骤（3）重复沉积循环350-2000次，得到彩色碳纤维材料；
（5）将步骤（4）得到的彩色碳纤维材料在空气中进行热处理，热处理条件如下：在5-50℃/h升温速率下，将彩色碳纤维材料加热到400℃-600℃，在400℃-600℃保持10 min-30min，之后在5-50℃/h的降温速率下，将彩色碳纤维材料从400℃-600℃降温到25℃，得到多孔彩色碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，所述单层多孔薄膜的孔径为介孔的孔径。
3.根据权利要求1所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，步骤（1）具体为：将碳纤维材料经过乙醇浸泡5-30 min，取出后在25℃、空气湿度小于50 %的环境下自然干燥。
4.根据权利要求1所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，步骤（2）中所述碳纤维材料的等离子表面活化处理的条件为：温度10-60 ℃，真空度10-20 Pa，功率7-30 W，时间 3-10分钟。
5.根据权利要求1所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，步骤（3）中所述金属前驱体源选自三甲基铝、二乙基锌、四氯化钛和三（二甲胺基）硅烷中的一种。
6.根据权利要求1所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，步骤（3）中所述有机前驱体源选自乙二醇和丙三醇中的一种。
7.根据权利要求5所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，所述三甲基铝的纯度为99.999%，所述二乙基锌的纯度为99.999%，所述四氯化钛纯度为99.99%，所述三（二甲胺基）硅烷纯度为99.999%。
8.根据权利要求6所述的多孔彩色碳纤维材料，其特征在于，所述乙二醇纯度为99.99%，所述丙三醇的纯度为99.99%。
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