阅读说明：本技术 一种基于有机材料的光致变色碳纤维及其制备方法 (Photochromic carbon fiber based on organic material and preparation method thereof ) 是由 吕少仿 张延� 彭雄义 董雄伟 陈卓 刘仰硕 王强 于泽浩 梁永红 杨锋 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于有机材料的光致变色碳纤维及其制备方法,其特征是将3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物接枝乙烯基团,采用聚合与乳化的方法将接枝产物与乙烯基单体通过聚合和乳化制备为丙烯酸酯复合乳液,然后将此乳液涂覆在碳纤维表面,得到基于有机材料的光致变色碳纤维。本发明制备的光致变色碳纤维在光照射下,照射时间为5分钟,光致变色碳纤维由黑色变为蓝色。本发明的整个制备过程简单,对环境无污染,具有较好的应用推广前景。(The invention relates to photochromic carbon fiber based on an organic material and a preparation method thereof, which are characterized in that 3, 7-bis (diamino) phenothiazine-5-poly (phenylene vinylene) chloride is grafted with vinyl groups, a grafting product and a vinyl monomer are polymerized and emulsified by adopting a polymerization and emulsification method to prepare an acrylate composite emulsion, and then the emulsion is coated on the surface of the carbon fiber to obtain the photochromic carbon fiber based on the organic material. The photochromic carbon fiber prepared by the method is irradiated by light for 5 minutes, and the photochromic carbon fiber is changed from black to blue. The whole preparation process is simple, has no pollution to the environment, and has good application and popularization prospects.)

一种基于有机材料的光致变色碳纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维技术领域，具体涉及一种基于有机材料的光致变色碳纤维及其制备方法。

背景技术

光致变色指某些化合物在一定的波长和强度的光照射下发生一定的化学反应，从而使得化合物分子结构发生变化，使得化合物的颜色改变，再经过一定的波长和强度的光照射作用后，化合物颜色又会恢复。具有光致变色性能的化合物可以成为光致变色材料，其在很多领域均有重要应用，目前，光致变色材料的应用越来越受到广大科研人员研究的焦点。

碳纤维是一种新型的纤维，其具有很多其他纤维所不具有的优势，如：轻便、高强度、易导热等。鉴于碳纤维的特殊优点，碳纤维面料也日益成为研究的热点。碳纤维面料经过适当的功能整理后，其被用于作为机器人防护面料等各种新的领域(《棉纺织技术》，2014，42(5)：78-82)。美国Vectorply公司生产了最轻型的碳纤维织物，其碳纤维织物比传统的1K碳纤维织物具有更好的力学性能，它们认为该碳纤维可用于航天航空、汽车、国防和体育设备等市场(《现代纺织技术》，2011，6：41)。俄罗斯柴可夫斯基纺织股份公司开发了碳纤维导电面料，这种面料专用于石油、天然气行业工作服(《江苏纺织》，2005，2：55)。碳纤维面料经过特殊的功能整理后，其可用于各种不同的领域，具有诱人的前景。文献查新表明：具有光致变色功能的碳纤维的研究鲜有报道。

赋予纤维具有光致变色性能可以通过多种方式实现，如：(1)原液纺丝法，即将光致变色材料分散在纺丝液中制得光致变色纤维；(2)化学原料改性法，即将光致变色染料对纤维基材料进行化学改性。这两种方法对碳纤维的光致变色改性是不适合的，这是因为：对于方法(1)，碳纤维在制备过程中需高温烧结，此过程会破坏光致变色材料；对于方法(2)，碳纤维的主要成分的碳元素，其化学性质十分稳定，很难与光致变色染料反应。因此，赋予碳纤维的光致变色性能需寻求新的方法来实现。

发明内容

本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种基于有机材料的光致变色碳纤维及其制备方法。

本发明的目的在于提供一种基于有机材料的光致变色碳纤维，其特征为将具有光致变色性能的3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物接枝乙烯基团，然后采用聚合与乳化的方法将其制备为乳液，最后将此乳液涂覆在碳纤维表面，制得光致变色碳纤维。

本发明的另一目的在于提供上述所述一种基于有机材料的光致变色碳纤维的制备方法，所述方法包含如下步骤：

(1)光致变色单体的制备：在冰浴条件下，将适量羟甲基丙烯酰胺加入装有50～100mL四氢呋喃的三口烧瓶中，将适量3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物和1～3g碳酸钾溶解于30～100mL四氢呋喃中得到混合溶液，然后将上述混合溶液在一定时间内滴加到装有羟甲基丙烯酰胺的三口烧瓶中，滴加的时间为1～3h，滴加完毕后继续搅拌反应的时间为2～3h；旋转蒸发仪将反应溶液中的四氢呋喃溶剂除去，用去离子水多次洗涤反应产物，最后在一定条件下干燥产物，得到光致变色单体A；

优选地，所述羟甲基丙烯酰胺与3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物的质量(g)比为1∶0.2～1。

(2)乳液的制备：称取适量步骤(1)制备的光致变色单体A、十二烷基苯磺酸钠、辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂、丙烯酸、丙烯酸丁酯和过硫酸铵，将全部的十二烷基苯磺酸钠、辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂和占总量1/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶解于适量的去离子水中，均匀搅拌，控制温度为75～85℃，搅拌1～2h；然后，将剩余2/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶于适量去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2～3h，滴加完毕后，保温2～3h，即可；此乳液放置一月，不发生分层或沉淀现象即可制得聚丙烯酸酯复合乳液；

优选地，所述光致变色单体A(g)、十二烷基苯磺酸钠(g)、辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂(g)、丙烯酸(mol)、丙烯酸丁酯(mol)和过硫酸铵(g)的质量体积比为：1～2∶0.5～1∶1～2∶0.1～0.2∶0.1～0.2∶0.5～1。

(3)光致变色碳纤维的制备：将碳纤维浸入丙烯酸酯复合乳液，浴比为1∶10～30，乳液的固含量调节为10～20％，浸入温度为50～65℃，浸入结束后，于80℃烘干10分钟，然后，于110～120℃焙烘5分钟。

本发明所述步骤(1)中具有光致变色单体A的制备方法涉及的化学反应如下：

本发明具有如下显著特点：

(1)本发明制备的光致变色碳纤维在日光照射下，照射时间为5分钟，光致变色碳纤维由黑色变为蓝色。

(2)有机化合物3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物具有光致变色性能，本发明将其接枝乙烯基团，采用聚合与乳化的方法将其制备为乳液，然后将此乳液涂覆在碳纤维表面，实现碳纤维的光致变色性能；整个制备过程简单，对环境无污染。

(3)对光致变色碳纤维进行标准洗涤20次，再次进行光致变色性能测试，结果发现，光致变色碳纤维具有与洗涤前相同的光致变色性能；这表明：本发明制备的聚丙烯酸酯复合乳液与碳纤维的结合力较强，经过20次洗涤后，碳纤维的光致变色性能仍没被削弱。

具体实施方式

以下所述实施例详细说明了本发明。

实施例1

本发明所述的一种基于有机材料的光致变色碳纤维的制备方法，所述方法包含如下步骤：

(1)光致变色单体的制备：在冰浴条件下，将2g羟甲基丙烯酰胺加入装有80mL四氢呋喃的三口烧瓶中，将1g 3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物和2g碳酸钾溶解于50mL四氢呋喃中得到混合溶液，然后将上述混合溶液在一定时间内滴加到装有羟甲基丙烯酰胺的三口烧瓶中，滴加的时间为2h，滴加完毕后继续搅拌反应的时间为2.5h；旋转蒸发仪将反应溶液中的四氢呋喃溶剂除去，用去离子水多次洗涤反应产物，最后在一定条件下干燥产物，得到光致变色单体A。

(2)乳液的制备：称取1.5g步骤(1)制备的光致变色单体A、0.8g十二烷基苯磺酸钠、1.5g辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂、0.15mol丙烯酸、0.15mol丙烯酸丁酯和0.75g过硫酸铵；将全部的十二烷基苯磺酸钠、辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂和占总量1/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶解于200mL的去离子水中，均匀搅拌，控制温度为75～85℃，搅拌1～2h；然后，将剩余2/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶于80mL去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2.5h，滴加完毕后，保温2.5h，即可；此乳液放置一月，不发生分层或沉淀现象即可制得聚丙烯酸酯复合乳液。

(3)光致变色碳纤维的制备：将碳纤维浸入丙烯酸酯复合乳液，浴比为1∶20，乳液的固含量调节为15％，浸入温度为55℃，浸入结束后，于80℃烘干10分钟，然后，于115℃焙烘5分钟，制得光致变色碳纤维a。

实施例2

本发明所述的一种基于有机材料的光致变色碳纤维的制备方法，所述方法包含如下步骤：

(1)光致变色单体的制备：在冰浴条件下，将2g羟甲基丙烯酰胺加入装有50mL四氢呋喃的三口烧瓶中，将0.4g 3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物和1g碳酸钾溶解于30mL四氢呋喃中得到混合溶液，然后将上述混合溶液在一定时间内滴加到装有羟甲基丙烯酰胺的三口烧瓶中，滴加的时间为2h，滴加完毕后继续搅拌反应的时间为2h；旋转蒸发仪将反应溶液中的四氢呋喃溶剂除去，用去离子水多次洗涤反应产物，最后在一定条件下干燥产物，得到光致变色单体A。

(2)乳液的制备：称取1g步骤(1)制备的光致变色单体A、0.5g十二烷基苯磺酸钠、1g辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂、0.1mol丙烯酸、0.1mol丙烯酸丁酯和0.5g过硫酸铵；将全部的十二烷基苯磺酸钠、辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂和占总量1/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶解于200mL的去离子水中，均匀搅拌，控制温度为75～80℃，搅拌1h；然后，将剩余2/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶于80mL去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2h，滴加完毕后，保温2h，即可；此乳液放置一月，不发生分层或沉淀现象即可制得聚丙烯酸酯复合乳液。

(3)光致变色碳纤维的制备：将碳纤维浸入丙烯酸酯复合乳液，浴比为1∶10，乳液的固含量调节为10％，浸入温度为50℃，浸入结束后，于80℃烘干10分钟，然后，于110℃焙烘5分钟，制得光致变色碳纤维b。

实施例3

本发明所述的一种基于有机材料的光致变色碳纤维的制备方法，所述方法包含如下步骤：

(1)光致变色单体的制备：在冰浴条件下，将2g羟甲基丙烯酰胺加入装有100mL四氢呋喃的三口烧瓶中，将2g 3,7-双(二氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物和3g碳酸钾溶解于90mL四氢呋喃中得到混合溶液，然后将上述混合溶液在一定时间内滴加到装有羟甲基丙烯酰胺的三口烧瓶中，滴加的时间为3h，滴加完毕后继续搅拌反应的时间为3h；旋转蒸发仪将反应溶液中的四氢呋喃溶剂除去，用去离子水多次洗涤反应产物，最后在一定条件下干燥产物，得到光致变色单体A。

(2)乳液的制备：称取2g步骤(1)制备的光致变色单体A、1g十二烷基苯磺酸钠、2g辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂、0.2mol丙烯酸、0.2mol丙烯酸丁酯和1g过硫酸铵；将全部的十二烷基苯磺酸钠、辛烷基酚聚氧乙烯醚(n＝4)乳化剂和占总量1/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶解于200mL的去离子水中，均匀搅拌，控制温度为78～80℃，搅拌2h；然后，将剩余2/3的丙烯酸、光致变色单体A、丙烯酸丁酯和过硫酸铵引发剂溶于80mL去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在3h，滴加完毕后，保温3h，即可；此乳液放置一月，不发生分层或沉淀现象即可制得聚丙烯酸酯复合乳液。

(3)光致变色碳纤维的制备：将碳纤维浸入丙烯酸酯复合乳液，浴比为1∶30，乳液的固含量调节为20％，浸入温度为65℃，浸入结束后，于80℃烘干10分钟，然后，于120℃焙烘5分钟，制得光致变色碳纤维c。

性能评价实施例：

将本发明中上述具体实施例1～3制备得到的光致变色碳纤维a、b和c进行光致变色性能测试。在日光照射下，照射时间为5分钟，光致变色碳纤维a、b和c由黑色变为蓝色。对光致变色碳纤维a、b和c进行标准洗涤20次，再次进行光致变色性能测试，结果发现，光致变色碳纤维a、b和c具有与洗涤前相同的光致变色性能。