基于电泳沉积的彩色碳纤维材料及其制备方法

本发明涉及碳纤维着色，尤其涉及一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料及其制备方法。

背景技术：

1、碳纤维(carbon fiber，简称cf)是一种含碳量在93％以上的高分子纤维材料，通常是由聚丙烯、聚丙烯腈等聚合物的高分子纤维经过碳化等工艺得到。其具有轻质、高强度、高模量的特性，同时兼具高热稳定性、化学稳定性良好以及良好的导热性和导电性。

2、目前，绝大多数碳纤维材料均为单一的黑色，由于碳纤维在制造过程中经过高温碳化，其结构中主要成分是纯碳，而碳是一种黑色的元素，导致原始碳纤维呈黑色。其表面光滑且不吸收染料的特性使得传统染色方法难以在碳纤维上着色。此外，碳纤维通常具有高度的化学惰性，使得一些涂层或染料难以与其表面形成牢固的结合，从而限制了对其着色的选择和效果。随着碳纤维的应用场景越来越广泛，单一的黑色已经无法满足人们日渐提升的审美需求。

3、现有技术中，申请号为202111357814.7，发明名称为“彩色碳纤维的制备方法”的发明专利通过将碳纤维基材加入糖类碳源溶液中，通过高温炭化在碳纤维表面形成炭微球层，进而得到彩色碳纤维。申请号为202310825472.x，名称为“高性能彩色碳纤维增强复合材料的制备方法”的专利文件中通过预处理在碳纤维织物表面引入活性含氧基团的显色层，再在真空条件下附着环氧树脂聚合物层，利用碳纤维织物和显色层及显色层和聚合物层之间的化学键合作用制得彩色碳纤维。上述方法虽然可以使碳纤维着色，但所需高温、真空等工艺条件均较为苛刻且整个着色过程繁琐，生产周期较长，效率较低，很难适应大规模的工业化生产。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的彩色碳纤维材料的制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，以解决现有技术中碳纤维着色困难，对生产条件要求高、时间周期长、大规模生产受到限制的问题。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，包括如下步骤：

3、s1，碳纤维表面清洗处理：将碳纤维清洗除杂并干燥，得到表面洁净的碳纤维；

4、s2，配制浓度为1～5wt％的纤维素纳米晶悬浮液；配制浓度为5～50wt％的助剂；

5、s3，将步骤s2配制的纤维素纳米晶悬浮液、助剂混合得到混合液；

6、s4，将步骤s3得到的混合液在功率为350～400w条件下超声处理；

7、s5，电泳装置的安装：将步骤s1得到的所述表面洁净的碳纤维放入盛有步骤s3所述混合液的电泳槽中，碳纤维连接电源的正极，惰性对电极与电源的负极相连，并使碳纤维的表面正对对电极表面并保持0.5～5cm的距离；

8、s6，彩色碳纤维的制备：接通电泳装置电源，控制电路的通断，以接通0.1～10s，断开0.1～100s，为一个沉积循环；

9、s7，重复步骤s6的沉积循环5～1000次；

10、s8，将步骤s7沉积处理后的碳纤维从电泳槽中取出，在常温常压条件下干燥，得到基于电泳沉积的彩色碳纤维材料。

11、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述纤维素纳米晶悬浮液中纤维素纳米晶的直径为10～20nm，长度为200～400nm。

12、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述助剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、羟丙基纤维素或者海藻酸钠。

13、作为本发明的进一步改进，在步骤s3的混合过程中，所述纤维素纳米晶悬浮液与所述助剂的溶质质量比为1：(1.0-4)，优选为1：(1.0-2.0)。

14、作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，所述混合液超声处理的时间为30～1000s。

15、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述纤维素纳米晶悬浮液的制备方法如下：在40～50℃下用质量百分数为54％～74％的硫酸处理微晶纤维素粉末1～2h，处理完后添加去离子水，再将得到的溶液静置24～48h；将悬浮液离心处理后，利用去离子水洗涤和透析除去多余的硫酸，得到纤维素纳米晶悬浮液，将所述纤维素纳米晶悬浮液在恒温水浴锅中浓缩12～24h，即得到浓度为1～5wt％的纤维素纳米晶悬浮液。

16、作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，超声处理时，所述混合液的体积为15～50ml。

17、作为本发明的进一步改进，在步骤s5～s7中，所述电源为稳压直流电源，所述稳压直流电源输出电压为1～40v。

18、本发明还提供了一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述基于电泳沉积的彩色碳纤维材料是根据前述技术方案中任一技术方案所述的方法制备得到；所述基于电泳沉积的彩色碳纤维材料包括碳纤维材料基材及包覆在碳纤维表面的结构色涂层，所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布，所述结构色涂层由纤维素纳米晶悬浮液与助剂的混合液在电场的作用下，沉积在碳纤维材料表面形成的凝胶干燥后的胆甾相液晶得到。

19、本发明的有益效果是：

20、1.本发明通过将纤维素纳米晶悬浮液、助剂溶液混合，经过超声分散结合电泳沉积方法，使其沉积在碳纤维表面形成凝胶状涂层，利用纤维素纳米晶自组装形成手性螺旋结构而反射可见光内特定波长显现颜色的特性，以及其在电场下的定向移动，将纤维素纳米晶悬浮液与助剂混合进行电泳沉积，在碳纤维表面形成具有高微观结构均匀性的凝胶，静置干燥后呈现出亮丽的结构色。所制得的彩色碳纤维着色稳定，不易褪色，且进一步提高了碳纤维基材的力学性能。

21、2.本发明提供的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，通过对混合液的性质、助剂的配比及电泳沉积参数等条件的控制，可以实现对碳纤维颜色的简单快速调控。

22、3.本发明提供的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，生产工艺流程简单，对生产设备的要求低，无需对碳纤维进行复杂的预处理，且反应简单快捷。

技术特征：

1.一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述纤维素纳米晶悬浮液中纤维素纳米晶的直径为10～20nm，长度为200～400nm。

3.根据权利要求1所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述助剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、羟丙基纤维素或者海藻酸钠。

4.根据权利要求1所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s3的混合过程中，所述纤维素纳米晶悬浮液与所述助剂的溶质质量比为1：(1.0-4)。

5.根据权利要求4所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s3的混合过程中，所述纤维素纳米晶悬浮液与所述助剂的溶质质量比为1：(1.0-2.0)。

6.根据权利要求1所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，所述混合液超声处理的时间为60～600s。

7.根据权利要求1所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述纤维素纳米晶悬浮液的制备方法如下：在40～50℃下用质量百分数为54％～74％的硫酸处理微晶纤维素粉末1～2h，处理完后添加去离子水，再将得到的溶液静置24～48h；将悬浮液离心处理后，利用去离子水洗涤和透析除去多余的硫酸，得到纤维素纳米晶悬浮液，将所述纤维素纳米晶悬浮液在恒温水浴锅中浓缩12～24h，即得到浓度为1～5wt％的纤维素纳米晶悬浮液。

8.根据权利要求6所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，超声处理时，所述混合液的体积为15～50ml。

9.根据权利要求1所述的基于电泳沉积的彩色碳纤维材料的制备方法，其特征在于，在步骤s5～s7中，所述电源为稳压直流电源，所述稳压直流电源输出电压为1～40v。

10.一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料，其特征在于，所述基于电泳沉积的彩色碳纤维材料是根据权利要求1-9中任一权利要求所述的方法制备得到；所述基于电泳沉积的彩色碳纤维材料包括碳纤维材料基材及包覆在碳纤维表面的结构色涂层，所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布，所述结构色涂层由纤维素纳米晶悬浮液与助剂的混合液在电场的作用下，沉积在碳纤维材料表面形成的凝胶干燥后的胆甾相液晶得到。

技术总结
本发明公开了一种基于电泳沉积的彩色碳纤维材料及其制备方法，通过将纤维素纳米晶悬浮液、助剂溶液混合，经过超声分散结合电泳沉积方法，使其沉积在碳纤维表面形成凝胶状涂层，利用纤维素纳米晶自组装形成手性螺旋结构而反射可见光内特定波长显现颜色的特性，使其在碳纤维表面干燥的过程中进一步自组装从而显示结构色。通过对混合液的性质、助剂的配比及电泳沉积参数等条件的控制，可以实现对碳纤维颜色的调控。通过上述方式所制得的碳纤维着色稳定，不易褪色，而且进一步提高了其力学性能。该制备方法工艺简单，生产成本低，适合工业化生产。

技术研发人员：张晓芳,焦海星,宋百琪,李芳玲,罗日楚,徐卫林
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/25