高性能彩色碳納米管具備顯著阻燃性能

受自然界中結(jié)構(gòu)色的啟發(fā)，清華大學(xué)化工系張如范課題組首次提出了利用結(jié)構(gòu)致色實(shí)現(xiàn)碳納米管彩色化的思路，并制備出彩色碳納米管纖維。課題組利用原子層沉積技術(shù)在碳納米管纖維表面覆蓋一層厚度僅為50～300納米的二氧化鈦（TiO2）致密涂層，即可使碳納米管纖維表面呈現(xiàn)出鮮艷的顏色。碳納米管纖維的致色機(jī)理為：當(dāng)入射光到達(dá)涂有TiO2層的碳納米管纖維表面時(shí)，除了少部分光被吸收外，大部分入射光在TiO2層表面產(chǎn)生反射、散射或折射現(xiàn)象，由于TiO2與碳納米管對可見光反射率與折射率的差異，TiO2層與碳納米管纖維表面發(fā)生薄膜干涉，從而使包覆有TiO2層的碳納米管纖維產(chǎn)生絢麗的顏色。通過調(diào)節(jié)氧化物種類和厚度，即可改變碳納米管纖維表面的顏色。這種致色方法具有很好的普適性，可適用于任何類型的碳納米管纖維。此外，除了TiO2，其他常見的氧化物（如氧化鋅、氧化鋁、氧化鎂、氧化硅等）均可用作良好的結(jié)構(gòu)致色涂層材料。

基于結(jié)構(gòu)色的彩色碳納米管纖維能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。首先，由于氧化物涂層與碳納米管纖維表面之間存在化學(xué)鍵，從而使其具有較強(qiáng)的附著力。相比于傳統(tǒng)染料和顏料，以氧化物涂層為基礎(chǔ)的碳納米管結(jié)構(gòu)色表現(xiàn)出了超強(qiáng)的耐久性，可經(jīng)受2000次洗滌實(shí)驗(yàn)和10個(gè)月以上的高強(qiáng)度紫外線輻照實(shí)驗(yàn)。更重要的是，覆蓋氧化物涂層的碳納米管纖維具備顯著的阻燃性能，與純碳納米管纖維相比，覆蓋有氧化物涂層的碳納米管纖維在接觸火焰8小時(shí)后仍不發(fā)生燃燒，并能保持結(jié)構(gòu)的完整性。此外，氧化物涂層對碳納米管纖維原有的電學(xué)和力學(xué)性能的影響非常小。因此，這種基于無機(jī)氧化物涂層的碳納米管結(jié)構(gòu)致色技術(shù)顯著提高了碳納米管的本征性能，解決了長期以來碳納米管難以彩色化和易燃的難題，大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。