一种颜色可控的纤维素基结构色膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种颜色可控的纤维素基结构色膜及其制备方法与应用。该纤维素基结构色膜的制备方法包括以下步骤：(1)将生物纤维素加入到稀硫酸中进行水解处理，水解后经离心、透析纯化、超声分散，得到CNC悬浮液；(2)将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和KOH加入到二甲基亚砜中，搅拌反应，待反应结束后加水得到N

【技术实现步骤摘要】
一种颜色可控的纤维素基结构色膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于结构色膜功能材料制备领域，特别涉及一种颜色可控的纤维素基结构色膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]纤维素是自然界中最丰富且具有生物降解性的一种天然高分子材料，它也是最早被人类发现并利用的一种天然聚合物材料。在纤维素纤维内部分布着高度有序的结晶区，和排列不规则的无定型区，它们依靠纤维素分子内及分子间大量的氢键和分子间作用力维持着自组装的大分子结构。纤维素纳米晶体(CNC)长度一般在10～1000nm，直径在5～30nm之间，通常由无机强酸水解纤维素原料得到，水解过程中纤维素的无定形区被破坏，结晶区得以保留，最终得到可以稳定分散在水介质中形成悬浮液的呈晶须棒状的CNC。然而利用浓酸制备CNC存在强腐蚀性、高能耗、大量废水等缺点，限制了其规模化的制备及高值化应用。
[0003]CNC可以在水溶液中经过缓慢蒸发过程自组装形成胆甾型液晶相，且干燥后所得到的纤维素膜材料仍保留这一特殊结构，并能够在自然光下呈现虹彩现象，得到的颜色膜称之为结构色膜。结构色是物理色，相比色素更加环保，因此这种结构色膜材料在信息安全、防伪识别、智能包装等领域具有广阔应用前景。但是单纯CNC形成的结构色膜机械性能差，遇水易溶胀，不利于现实应用，目前未见基于CNC结构色膜规模化和产品化应用场景。
[0004]芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有质地柔软、低密度、高强度、高模量、耐高温等特点，广泛应用于航空航天、复合材料、绳索线缆、特种防护服装、电子设备等领域。聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)分子链排列呈直线状，在我国被称为芳纶1414。PPTA表现出溶致液晶性，是一种主链型高分子液晶。PPTA经化学处理后能得到具有各向异性的液晶溶液，能用于制备液晶态的材料，目前未见其用于结构色膜材料报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种颜色可控的纤维素基结构色膜的制备方法。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供所述方法制备得到的颜色可控的纤维素基结构色膜。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供所述颜色可控的纤维素基结构色膜的应用。
[0008]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0009]一种颜色可控的纤维素基结构色膜的制备方法，包括以下操作步骤：
[0010](1)CNC悬浮液的制备：将生物纤维素加入到稀硫酸中进行水解处理，水解后经离心、透析纯化、超声分散，得到CNC悬浮液；
[0011](2)N
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PPTA溶液的制备：将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)和KOH加入到二甲基亚砜(DMSO)中，搅拌反应，待反应结束后加水得到N
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PPTA(纳米聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)溶液；
[0012](3)成膜混合液的制备：将步骤(1)中得到的CNC悬浮液、步骤(2)中得到的N
‑
PPTA
溶液以及葡萄糖溶液混合搅拌均匀，得到成膜混合液；其中，葡萄糖为左旋葡萄糖(L
‑
GLU)或右旋葡萄糖(D
‑
GLU)中的至少一种；
[0013](4)结构色膜的制备：将步骤(3)中得到的成膜混合液通过浇铸的方式倒入培养皿中，干燥，得到颜色可控的纤维素基结构色膜。
[0014]步骤(1)中所述的生物纤维素可通过常规市售或通过发酵合成得到；优选为购自海南亿德食品有限公司，其液膜厚度为3mm。
[0015]步骤(1)中所述的稀硫酸的浓度为质量百分比0.20～0.40％。
[0016]步骤(1)中所述的生物纤维素与稀硫酸溶液的质量比为(7.5～10):100。
[0017]步骤(1)中所述的酸水解处理的条件为：搅拌速度220～320rpm，反应温度150～180℃，反应时间75～120min。
[0018]步骤(1)中所述的离心的条件为：8500～10000rpm离心25～35min。
[0019]步骤(1)中所述的透析为采用截留分子量12000～14000的透析袋进行透析，直至透析液的pH值恒定。
[0020]所述的透析液为去离子水。
[0021]步骤(1)中所述的超声分散的条件为：25～30℃、250～400W超声处理20～30min。
[0022]步骤(2)中所述的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)的纤维直径为600～1500nm。
[0023]步骤(2)中所述的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)与KOH质量比为(1～3):(1～2)。
[0024]步骤(2)中所述的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)和KOH的总质量之和与二甲基亚砜(DMSO)的固液比为1:(100～200)(g/ml)。
[0025]步骤(2)中所述的搅拌反应的条件为：600～1000rpm搅拌反应24～48h。
[0026]步骤(2)中所述的水为去离子水。
[0027]步骤(2)中所述的水和二甲基亚砜(DMSO)的体积比为(1～2)：1。
[0028]步骤(3)中所述的CNC悬浮液的浓度为质量百分比4.2～5.0％。
[0029]步骤(3)中所述的N
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PPTA溶液的浓度为质量百分比0.5～0.8％。
[0030]步骤(3)中所述的葡萄糖溶液的浓度为质量百分比8.0～9.5％。
[0031]步骤(3)中所述的CNC悬浮液、N
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PPTA溶液、葡萄糖溶液的体积比为(8～10)：1：(1～3)。
[0032]步骤(4)中所述的成膜混合液的浓度为质量百分比3.0～4.5％。
[0033]步骤(4)中所述的纤维素基结构色膜的厚度为40～55μm；优选为46～54μm(即直径60mm的聚四氟乙烯圆形塑料培养皿，倒入的成膜混合液的体积为6～8ml)。
[0034]步骤(4)所述的干燥为自然干燥，干燥温度为35～40℃，干燥时间为72～90h(优选为78～90h)。
[0035]一种颜色可控的纤维素基结构色膜，通过上述任一项所述的方法制备得到。
[0036]所述的颜色可控的纤维素基结构色膜的性能指标为：CNC的长度：28～85nm，直径：25～48nm；N
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PPTA的长度：54～143nm，直径：35～58nm；膜的抗张强度：118～163MPa；接触角：94.5～131.2
°
；复合膜对可见光的最大反射峰波长：475～648nm(从蓝到红)。
[0037]所述的颜色可控纤维素基结构色膜在结构色防伪领域中的应用。
[0038]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0039](1)本专利技术基于绿色与高效制备纳米纤维素的理念，采用低浓度的稀硫酸为催化剂，通过水热反应水解生物纤维素制备纤维素纳米晶体，不仅能节约生产成本，还可减少废酸排放，该方法产生的废酸少，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种颜色可控的纤维素基结构色膜的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：(1)CNC悬浮液的制备：将生物纤维素加入到稀硫酸中进行水解处理，水解后经离心、透析纯化、超声分散，得到CNC悬浮液；(2)N
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PPTA溶液的制备：将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和KOH加入到二甲基亚砜中，搅拌反应，待反应结束后加水得到N
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PPTA溶液；(3)成膜混合液的制备：将步骤(1)中得到的CNC悬浮液、步骤(2)中得到的N
‑
PPTA溶液以及葡萄糖溶液混合搅拌均匀，得到成膜混合液；其中，葡萄糖为左旋葡萄糖或右旋葡萄糖中的至少一种；(4)结构色膜的制备：将步骤(3)中得到的成膜混合液通过浇铸的方式倒入培养皿中，干燥，得到颜色可控的纤维素基结构色膜。2.根据权利要求1所述的颜色可控的纤维素基结构色膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的稀硫酸的浓度为质量百分比0.20～0.40％；步骤(1)中所述的生物纤维素与稀硫酸溶液的质量比为7.5～10:100；步骤(2)中所述的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维与KOH质量比为1～3:1～2。3.根据权利要求1所述的颜色可控的纤维素基结构色膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的CNC悬浮液的浓度为质量百分比4.2～5.0％；步骤(3)中所述的N
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PPTA溶液的浓度为质量百分比0.5～0.8％；步骤(3)中所述的葡萄糖溶液的浓度为质量百分比8.0～9.5％；步骤(3)中所述的CNC悬浮液、N
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PPTA溶液、葡萄糖溶液的体积比为8～10：1：1～3。4.根据权利要求1所述的颜色可控的纤维素基结构色膜的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：程峥，曾劲松，陈奇峰，杨仁党，高文花，成锐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：