手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)取尺寸分布窄的纤维素纳米晶体与去离子水配置成纤维素纳米晶体溶液；(2)对步骤(1)中制备得到的纤维素纳米晶体溶液进行超声处理；(3)将超声处理后的纤维素纳米晶体溶液蒸发自组装成膜，即得到手性向列纤维素纳米晶体薄膜。本发明专利技术还相应提供一种上述手性向列纤维素纳米晶体薄膜在智能防伪领域的应用。本发明专利技术利用尺寸分布窄的纤维素纳米晶体与去离子水配置成纤维素纳米晶体溶液，再经过超声处理、蒸发自组装成膜，制备得到了一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜，该制备方法可以精确可控的制备手性向列纤维素纳米晶体薄膜。

Preparation and Application of Chiral Nematic Cellulose Nanocrystalline Films

The invention discloses a preparation method of chiral nematic cellulose nanocrystalline film, which comprises the following steps: (1) taking cellulose nanocrystals with narrow size distribution and deionized water to form cellulose nanocrystalline solution; (2) ultrasonic treatment of cellulose nanocrystalline solution prepared in step (1) evaporation self-assembly of cellulose nanocrystalline solution after ultrasonic treatment; (3) self-assembly of cellulose nanocrystalline solution after ultrasonic treatment. Chiral nematic cellulose nanocrystalline films are obtained by film formation. The invention also provides an application of the chiral nematic cellulose nanocrystalline film in the field of intelligent anti-counterfeiting. A chiral nematic cellulose nanocrystalline film is prepared by using cellulose nanocrystals with narrow size distribution and deionized water to form cellulose nanocrystalline solution, and then self-assembled by ultrasonic treatment and evaporation. The preparation method can accurately and controllably prepare chiral nematic cellulose nanocrystalline film.

【技术实现步骤摘要】
手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法、应用
本专利技术属于高分子复合材料领域，尤其涉及一种纤维素纳米晶体薄膜的制备方法、应用。
技术介绍
用硫酸水解得到的棒状纤维素纳米晶体因为粒径小，长径比大具有刚性，表面带有负电荷(硫酸酯基团)等原因可以稳定的悬浮在水中，当纤维素纳米晶体悬浮液的浓度达到一个临界浓度之上时可以通过手性自组装形成有序排列，这种有序排列称之为手性向列结构。并且，随着溶剂的蒸发，浓度升高，直至水分完全蒸发形成薄膜，其仍然能保持其手性向列结构。在前期研究纳米纤维素晶体自组装过程时发现纤维素的微纳结构是形成手性的关键，具有高长径比、刚性的纳米纤维素晶体易形成具有手性排列的纳米纤维薄膜。另外，自组装也是一个可控的反应过程，如何调节纳米纤维素晶体自组装的深入研究还未开展。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法，该薄膜通过纤维素纳米晶体自组而成，该制备方法可实现纤维素纳米晶体精确可控化自组装。另外，本专利技术还相应提供一种上述薄膜的应用。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)取尺寸分布窄的纤维素纳米晶体与去离子水配置成纤维素纳米晶体溶液；(2)对步骤(1)中制备得到的纤维素纳米晶体溶液进行超声处理；(3)将超声处理后的纤维素纳米晶体溶液蒸发自组装成膜，即得到手性向列纤维素纳米晶体薄膜。上述制备方法中，优选的，尺寸分布窄的纤维素纳米晶体是指纤维素纳米晶体呈椭球状，且其长轴为55-200nm，短轴为20-70nm。上述制备方法中，优选的，所述尺寸分布窄的纤维素纳米晶体的制备方法包括以下步骤：S1：将纳米纤维微晶粉通过硫酸水解得到纤维素纳米晶体悬浮液；S2：采用微射流高压均质法对步骤(1)中得到的纤维素纳米晶体悬浮液的尺寸进行均质化处理；S3：反透析浓缩即得到尺寸分布窄的纤维素纳米晶体。上述制备方法中，优选的，硫酸水解得到纤维素纳米晶体悬浮液包括以下步骤：将纳米纤维素微晶粉加入到浓硫酸中，加热搅拌水解，待水解完毕后加入超纯水终止水解反应，得到经硫酸处理的纤维素混合溶液，然后将纤维素混合溶液进行高速离心处理，去掉残余的酸。上述制备方法中，优选的，所述硫酸浓度为50-60wt.％；加热搅拌水解时，控制加热温度为40-70℃，搅拌速度为200-350r/min，水解时间为0.3-1h；高速离心处理时，控制离心速度为9000-10000r/min，离心时间5-10min。上述制备方法中，优选的，微射流高压均质法处理时，压力为1000-10000MPa，次数为5-10次；反透析浓缩包括以下步骤：将均质化处理后的纤维素纳米晶体置于分子量为20000-100000的聚乙二醇溶液中进行反透析，将纤维素纳米晶体浓度浓缩至3.5-50wt.％。上述采用硫酸水解法联合高压均质法制备了尺寸均一、尺寸分布窄的纤维素纳米晶体，通过上述工艺步骤及工艺条件的控制可以解决常规纤维素纳米晶体由于尺寸不均一，导致难自组装形成手性向列结构的问题，不在上述工艺条件，纤维素纳米晶体难以满足尺寸均一、尺寸分布窄这一要求。上述制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，纤维素纳米晶体配置成溶液时，控制去离子水与纤维素纳米晶体的质量比为(20-200)：1，并搅拌溶液5-10min。研究表明，上述去离子水与纤维素纳米晶体的质量比的控制非常重要，纤维素纳米晶体溶液浓度影响着纤维素纳米晶体溶液的黏度，通过调节浓度改变纤维素纳米晶体的流动性，可以控制自组装，纤维素纳米晶体溶液的浓度是实现自组装的一个重要条件，超过或低于都不能实现自组装。搅拌的作用是使原来团聚的纤维素纳米晶体重新在溶液中充分分散，时间不够会导致分散不完全。上述制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，超声处理时，控制超声功率为400-1600W，超声时间为5-20min。纤维素纳米晶体的周围可能存在硫酸水解后没有透析完全的等离子体，这些离子的存在将挤压静态层，并屏蔽纤维素纳米晶体间的静电斥力。超声处理是给纤维素纳米晶体传递能量，打散离子，使纤维素纳米晶体间的静电斥层减少，从而减小纤维素纳米晶体层之间的扭转角，以便进行自组装调控，超声的功率不能过高，过高的能量输入会导致局部温度过高，从而导致纤维素纳米晶体脱硫酸酯基，阻碍自组装。上述制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，蒸发时，控制蒸发温度为20-45℃。蒸发温度条件对纤维素纳米晶体自组装过程中的热力学行为和动力学行为有着重要的影响，蒸发温度过低，溶液挥发的较慢，难以自组装形成手性向列结构，蒸发温度过高，溶剂挥发的太快，纤维素来不及自组装形成手性向列结构。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述制备方法得到的手性向列纤维素纳米晶体薄膜在智能防伪领域的应用。我们研究表明，手性向列纤维素纳米晶体薄膜的形成是一个复杂的热力学与动力学平衡的过程，与溶剂的种类、挥发速率、超声处理条件等有关。通过本专利技术中的方法，可以实现纤维素纳米晶体的可控化自组装，得到一种可用于智能防伪领域的手性向列纤维素纳米晶体薄膜。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术利用尺寸分布窄的纤维素纳米晶体与去离子水配置成纤维素纳米晶体溶液，再经过超声处理、蒸发自组装成膜，制备得到了一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜，该制备方法可以精确可控的制备手性向列纤维素纳米晶体薄膜。2、本专利技术的制备方法简单，成本低，且无需采用有毒的有机试剂作为溶剂，对环境和生产操作人员都没有危害。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为实施例1中在不同浓度下得到的纤维素纳米晶体薄膜的偏光测试图。图2为实施例2中在不同超声条件下得到的纤维素纳米晶体薄膜的偏光测试图。图3为实施例3中在不同蒸发温度下得到的纤维素纳米晶体薄膜的偏光测试图。图4为对比例1中得到的纤维素纳米晶体薄膜的偏光测试图。图5为实施例4中得到的纤维素纳米晶体薄膜的偏光测试图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术作更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体的实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1：一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)称量五份5.9wt.％的尺寸均一、尺寸分布窄的纤维素纳米晶体10g于烧杯，然后加入去离子水分别将其浓度稀释至4.5wt.％，3.5wt.％，2.5wt.％，1.5wt.％，0.5wt.％；(2)分别用玻璃棒搅拌8min，使其混合均匀；(3)将不同浓度的纤维素纳米晶体分别进行冰水浴超声，超声功率540W，超声时间5min；(4)超声完毕，待样品冷却后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取尺寸分布窄的纤维素纳米晶体与去离子水配置成纤维素纳米晶体溶液；(2)对步骤(1)中制备得到的纤维素纳米晶体溶液进行超声处理；(3)将超声处理后的纤维素纳米晶体溶液蒸发自组装成膜，即得到手性向列纤维素纳米晶体薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种手性向列纤维素纳米晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取尺寸分布窄的纤维素纳米晶体与去离子水配置成纤维素纳米晶体溶液；(2)对步骤(1)中制备得到的纤维素纳米晶体溶液进行超声处理；(3)将超声处理后的纤维素纳米晶体溶液蒸发自组装成膜，即得到手性向列纤维素纳米晶体薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，尺寸分布窄的纤维素纳米晶体是指纤维素纳米晶体呈椭球状，且其长轴为55-200nm，短轴为20-70nm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述尺寸分布窄的纤维素纳米晶体的制备方法包括以下步骤：S1：将纳米纤维微晶粉通过硫酸水解得到纤维素纳米晶体悬浮液；S2：采用微射流高压均质法对步骤(1)中得到的纤维素纳米晶体悬浮液的尺寸进行均质化处理；S3：反透析浓缩即得到尺寸分布窄的纤维素纳米晶体。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，硫酸水解得到纤维素纳米晶体悬浮液包括以下步骤：将纳米纤维素微晶粉加入到浓硫酸中，加热搅拌水解，待水解完毕后加入超纯水终止水解反应，得到经硫酸处理的纤维素混合溶液，然后将纤维素混合溶液进行高速离心处理，去掉残余的酸。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硫酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：卿彦，吴义强，王礼军，罗莎，刘明，田翠花，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43