一种具有湿度响应特性的结构色薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于结构色薄膜的技术领域，公开了一种具有湿度响应特性的结构色薄膜及其制备方法。方法：1)将纤维素纳米晶悬浮液与低浓度丙三醇溶液混匀，获得混合液；低浓度丙三醇溶液的浓度为1

【技术实现步骤摘要】
一种具有湿度响应特性的结构色薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能膜材料的制备领域，具体涉及一种具有湿度响应特性的结构色薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]具有光，湿度，温度等环境刺激引起的颜色和结构变化的智能材料在防伪材料，可穿戴功能材料和生物材料中具有重要的应用价值。在自然界，许多动植物本身的颜色都会对环境的变化而做出相应的变化，以达到物种之间信息传递的作用。这些生物本身的颜色又称为结构色，结构色的显色源自于光子晶体(PC)的微纳米结构的周期性阵列的相互作用，这些光子晶体可以通过光学干涉效应产生颜色。例如，墨鱼是众所周知的具有结构着色的物种，它们可以根据环境的变化相应的改变皮肤的颜色，图案和质地，使其与环境紧密匹配。受自然实例的启发，开发这种具有环境响应变化的智能材料引起了研究者极大的兴趣，因为它们在防伪商标，信号传输，化学传感和生物技术等领域有很大的应用潜质。
[0003]纤维素纳米晶(NCC)是一种纳米尺寸的刚性棒状纤维素，具有高纯度、高结晶度、高杨氏模量、生物相容性好和可再生性等特性。有意思的是，NCC在一定浓度下可通过蒸发诱导自组装的方法诱导形成具有胆甾相结构的薄膜，这种薄膜在外观上表现出明亮的结构色彩。利用仿生学的原理，制备具有环境响应的纤维素液晶膜一直存在两个难点：1、对环境的快速响应能力不强；2、对环境响应的循环性效果不佳。这两点一直以来都制约着NCC基的液晶膜材料在仿生领域的发展。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种具有湿度响应特性的结构色薄膜(纤维素液晶膜)及其制备方法。本专利技术将丙三醇分子引入液晶膜的体系中，制备出一种三层结构的液晶膜材料，最终达到快速湿度响应且循环响应性能良好的效果。本专利技术的结构色薄膜应用在湿度可视化检测(湿度可视化检测的产品)、装饰防伪等领域。
[0005]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0006]一种具有湿度响应特性的结构色薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0007]1)将纤维素纳米晶悬浮液与低浓度丙三醇溶液混匀，获得混合液；所述低浓度丙三醇溶液的浓度为1
‑
3wt％，溶剂为水；
[0008]2)将混合液通过蒸发诱导自组装的方法成膜，获得纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜；
[0009]3)纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜的一表面涂布高浓度丙三醇溶液，然后在涂布有高浓度丙三醇溶液的表面覆盖一层纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜，获得具有湿度响应特性的结构色薄膜；
[0010]所述高浓度丙三醇溶液的浓度为20
‑
25wt％。
[0011]纤维素纳米晶悬浮液浓度为3wt％；所述纤维素纳米晶悬浮液与低浓度丙三醇溶液的质量比为(10
‑
8)∶1。
[0012]纤维素纳米晶悬浮液中溶剂为水。
[0013]所述纤维素纳米晶悬浮液中纤维素纳米晶的尺寸为200～600nm。
[0014]步骤1)中所述混匀是指搅拌超声混合。
[0015]搅拌的速度为500
‑
800rpm，搅拌时间为30
‑
40min。
[0016]所述超声的功率为(30～45)kW，超声的时间1
‑
2min。
[0017]步骤2)中所述混合液通过蒸发诱导自组装的方法成膜是指将混合液置于模具中，然后在室温和干燥湿度为60
‑
80％的条件下混合液中溶剂挥发成膜。
[0018]蒸发诱导自组装的条件为温度为室温(更优选25
‑
30℃)，干燥湿度为60
‑
80％。
[0019]步骤3)所述高浓度丙三醇溶液涂布后涂层的厚度为20
‑
40um。
[0020]步骤3)的具体步骤为在纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜的上表面涂布高浓度丙三醇溶液形成涂层，然后在涂层上覆盖一层纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜，形成三层结构的具有湿度响应特性的结构色薄膜(即液晶膜/涂层/液晶膜三层结构的结构色薄膜)。
[0021]本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的湿度响应膜。
[0022]本专利技术的薄膜具有湿度响应特性，特别是环境中湿度响应特性。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：
[0024](1)本专利技术选用的混合原料均来源广泛，绿色环保，是可降解的产物，对于产品的制备、利用和再回收具有一定的经济性和实用性；
[0025](2)本专利技术的三层结构的液晶膜材料对环境中湿度的变化具有快速响应的特点，并且其湿度响应性能的可重复性较好，使其具备商业生产价值的潜力；
[0026](3)本专利技术的薄膜具有明亮的结构色彩，膜的内部呈现明显双折射现象；随着湿度的变化，膜内部结构发生变化，从而薄膜的颜色也会变化；在不同的湿度下本专利技术的薄膜会快速进行颜色的切换，可逆性好。
附图说明
[0027]图1为实施例1制得的湿度响应膜的光学显微镜图；
[0028]图2为实施例1制得的湿度响应膜局部区域的扫描电镜图；a为50％湿度条件下所测，b为80％湿度条件下所测；
[0029]图3为实施例1制得的湿度响应膜的透射光谱；
[0030]图4为实施例1制得的湿度响应膜在40％和100％湿度环境中可逆次数的表征图。
具体实施方式
[0031]以下结合附图和实施例对本专利技术的具体实施作进一步说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
[0032]本专利技术的纤维素纳米晶通过以下方法制备得到：以木材纤维为原料，通过浓硫酸溶液酸水解、离心、过均质机的方法制备出尺寸均匀的纤维素纳米晶。
[0033]所述浓硫酸溶液的浓度为60
‑
65wt％，所述木材纤维与浓硫酸溶液的质量体积比为1∶10
‑
14g/mL，所述酸解的时间为60
‑
90min。
[0034]所述离心的速度为9500～12000rpm，离心处理的时间为6
‑
8min，离心处理的温度为10
‑
15℃。
[0035]所述过均质机规格为D12(代表口径为300um的型号)或Z8(口径200um的型号)，过10
‑
15次。
[0036]本专利技术所采用的纤维素纳米晶的尺寸为200～600nm，优选300
‑
500nm。
[0037]在本专利技术所制备的湿度响应膜中上下两层液晶膜每一层的厚度为70
‑
100um。本专利技术在酸水解后通过离心和过均质机两种方法结合的方法，制得的纤维素纳米晶体尺寸均一。
[0038]通过本专利技术的方法所制备的三层结构液晶膜比普通膜具有更快速响应速度(本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有湿度响应特性的结构色薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将纤维素纳米晶悬浮液与低浓度丙三醇溶液混匀，获得混合液；所述低浓度丙三醇溶液的浓度为1
‑
3wt％，溶剂为水；2)将混合液通过蒸发诱导自组装的方法成膜，获得纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜；3)纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜的一表面涂布高浓度丙三醇溶液，然后在涂布有高浓度丙三醇溶液的表面覆盖一层纤维素纳米晶/丙三醇液晶膜，获得具有湿度响应特性的结构色薄膜；所述高浓度丙三醇溶液的浓度为20
‑
25wt％。2.根据权利要求1所述具有湿度响应特性的结构色薄膜的制备方法，其特征在于：所述纤维素纳米晶悬浮液浓度为3wt％；所述纤维素纳米晶悬浮液与低浓度丙三醇溶液的质量比为(10
‑
8)∶1；所述纤维素纳米晶悬浮液中纤维素纳米晶的尺寸为200～600nm。3.根据权利要求1所述具有湿度响应特性的结构色薄膜的制备方法，其特征在于：蒸发诱导自组装的条件：温度为25
‑
30℃，干燥湿度为60
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：段承良，王斌，李金鹏，曾劲松，陈克复，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：