高性能彩色碳纳米管具备显著阻燃性能

受自然界中结构色的启发，清华大学化工系张如范课题组首次提出了利用结构致色实现碳纳米管彩色化的思路，并制备出彩色碳纳米管纤维。课题组利用原子层沉积技术在碳纳米管纤维表面覆盖一层厚度仅为50～300纳米的二氧化钛（TiO2）致密涂层，即可使碳纳米管纤维表面呈现出鲜艳的颜色。碳纳米管纤维的致色机理为：当入射光到达涂有TiO2层的碳纳米管纤维表面时，除了少部分光被吸收外，大部分入射光在TiO2层表面产生反射、散射或折射现象，由于TiO2与碳纳米管对可见光反射率与折射率的差异，TiO2层与碳纳米管纤维表面发生薄膜干涉，从而使包覆有TiO2层的碳纳米管纤维产生绚丽的颜色。通过调节氧化物种类和厚度，即可改变碳纳米管纤维表面的颜色。这种致色方法具有很好的普适性，可适用于任何类型的碳纳米管纤维。此外，除了TiO2，其他常见的氧化物（如氧化锌、氧化铝、氧化镁、氧化硅等）均可用作良好的结构致色涂层材料。

基于结构色的彩色碳纳米管纤维能够表现出优异的性能。首先，由于氧化物涂层与碳纳米管纤维表面之间存在化学键，从而使其具有较强的附着力。相比于传统染料和颜料，以氧化物涂层为基础的碳纳米管结构色表现出了超强的耐久性，可经受2000次洗涤实验和10个月以上的高强度紫外线辐照实验。更重要的是，覆盖氧化物涂层的碳纳米管纤维具备显著的阻燃性能，与纯碳纳米管纤维相比，覆盖有氧化物涂层的碳纳米管纤维在接触火焰8小时后仍不发生燃烧，并能保持结构的完整性。此外，氧化物涂层对碳纳米管纤维原有的电学和力学性能的影响非常小。因此，这种基于无机氧化物涂层的碳纳米管结构致色技术显著提高了碳纳米管的本征性能，解决了长期以来碳纳米管难以彩色化和易燃的难题，大大拓宽了其应用领域。