纤维素纳米晶体柔性虹彩膜的制备及其光学性能调控的研究
发布时间：2020-03-18 05:16
【摘要】：纤维素纳米晶体(CNC)是一种来源于天然纤维素的绿色纳米材料,近年来这种材料的研究热度很高,尤其是在它独特的自组装和光学性能方面。CNC悬浮液当达到一定临界浓度时能够自组装形成溶致胆甾型液晶,它具有很特殊的光学性质。并且发现CNC胆甾型液晶的螺旋结构能够保留在其经过缓慢蒸发溶剂后得到的固体膜材料中,称为CNC虹彩膜。CNC虹彩膜的颜色是一种结构色,这种结构色不能够被复制,在特殊的光学器件及防伪标识等领域有巨大的应用潜力,因而很多研究者对其进行了大量研究。然而目前这个领域也存在很多问题有待解决。目前应用最多的酸水解法制备的CNC尺寸并不均一,这对CNC悬浮液的相分离及自组装行为有很大影响;另外,纯粹的CNC虹彩膜具有硬脆性而难以加工利用;并且目前制备颜色可调控的柔性CNC虹彩膜的方法还尚待开发。因此,本课题以微晶纤维素(MCC)为原料,研究了CNC的尺寸均匀化方法;制备得到了CNC胆甾型液晶和CNC虹彩膜,研究了CNC虹彩膜增韧改性的方法,制备得到柔韧性好、有使用价值的柔性虹彩膜,并对其光学性能调控的方法进行了简单研究。具体研究内容如下:本课题首先对硫酸催化水解MCC制备高品质CNC的过程进行了研究;然后深入的探究了离心分级对CNC尺寸的分选作用。结果表明,硫酸催化水解MCC制备CNC的最佳工艺条件为:硫酸浓度64%、反应温度45℃、反应时间90 min。在此条件下可以制备得到直径在10~20 nm,长度在150~300 nm之间的短棒状CNC,CNC得率较高且比较稳定。离心分级对CNC的粒径及尺寸分布具有明显的分选作用。随着离心转速的逐渐提高,所得CNC的尺寸会明显减小且分布更加均匀。采用这样的方法可以制备得到呈短棒状、尺寸均一且分布较窄的一系列纳米纤维素产品,具有重要的实际应用价值。然后将CNC悬浮液进行提浓,通过改变CNC悬浮液的浓度,从而探究了胆甾型液晶出现的临界浓度。并且针对CNC虹彩膜脆性大的问题,以两种淀粉基材料常用增塑剂,甲酰胺和山梨醇为塑化改性剂对CNC虹彩膜进行增韧改性,并从多个角度评价了其各自的增韧效果。结果显示,CNC胆甾型液晶相出现的临界浓度为5.4 wt%,此时在偏光显微镜(POM)下可以观察到胆甾型液晶漂亮的虹彩色和特殊的指纹织构图案;CNC液晶悬浮液经过缓慢干燥得到的虹彩膜在POM下能够观察到复杂的多畴结构,具有应用到光学防伪领域的潜力。山梨醇和甲酰胺都可以作为增塑改性剂来提高CNC虹彩膜的柔韧性,但是山梨醇的增塑效果优于甲酰胺。40%的山梨醇用量最为合适,此时得到的CNC虹彩膜表面光滑平整、厚度均匀且十分柔软,同时力学性能也达到最佳。另外,添加这两种塑化剂对CNC虹彩膜的液晶性能基本没有影响。最后深入的研究了超声功率、超声时间及体系离子浓度变化对CNC柔性虹彩膜光学性能的影响规律,并简单探讨了CNC柔性虹彩膜在光学防伪领域的应用潜力。研究发现,不论是超声功率的增强还是超声时间的延长都会使CNC胆甾型液晶螺距增大,导致CNC柔性虹彩膜在POM下和紫外可见反射光谱下发生的红移现象;电解质NaCl的加入会屏蔽CNC胆甾型液晶表面电荷而使螺距减小,因此CNC柔性虹彩膜发生蓝移现象。CNC柔性虹彩膜在POM下的多畴结构具有唯一性、不可重复性,符合现代光学防伪技术要求,可以将其制成防伪标签应用到现代防伪领域。
【图文】：
OOHOHOHCH2OHOCH2OHOHOHOOOHOHCH2OHOOHCH2OHOHOHOOn-22图 1-1 纤维素的分子结构Fig. 1-1 Molecule chain structure of cellulose1.2.2 纤维素的聚集态结构自然界中的纤维素不是以独立的单根分子链存在的，而是会组装成为独立的纤维。在植物细胞壁中大约 36 根独立的纤维素分子链聚集在一起会形成基元纤维（Elementarfibrils），基元纤维之间相互组装会形成微纤丝（Microfibril），微纤丝继续组装会形成我们所讲的纤维[10]。木质纤维组成结构如图 1-2 所示。在生物体内合成纤维过程中，分子间作用力和氢键使得纤维素分子链相互平行堆叠。由于分子内与分子间的氢键相互作用使得纤维素的结构相对稳定，并且具有很高的轴向刚度[13-14]。对于生物体来说，纤维是其内部最主要的增强部分。
组装的大分子结构[16-17]。在纤维素的结晶区，，氢键网络和分子取向的差异导致它有多种晶型结构。目前已知的植物纤维素具有 4 种不同的晶型，分别为纤维素 I、II、III、IV[18]。天然纤维素主要是 I 晶型。纤维素 I 可以通过 NaOH 处理转化成为纤维素 II[19-21]，II 晶型是最稳定存在的晶型结构。纤维素 III 晶型可以对纤维素 I 和 II 进行氨水处理得到，如果再进一步热处理可以得到纤维素 IV 晶型。1.3 纤维素纳米晶体纤维素纳米晶体（Cellulose nanocrystals, CNC）又被称为纳米结晶纤维素（Nanocrystalline cellulose, NCC）或纤维素纳米晶须（Cellulose nanowhiskers, CNW）[22]，它是由高度结晶的纳米尺度纤维素组成，其长度在 10~1000 nm，直径在 5~30 nm 之间。一般通过无机强酸或酶水解纤维素原料可以得到 CNC，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状或球状的 CNC。CNC 具有长径比高、比表面积大、结晶度高、特殊的光学效应和自组装性能等特点，具有应用在高性能复合材料、防伪涂料、液晶材料等领域的潜力[23-26]。1.3.1 CNC 的制备原理
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O636.11;TB383.2
【图文】：
OOHOHOHCH2OHOCH2OHOHOHOOOHOHCH2OHOOHCH2OHOHOHOOn-22图 1-1 纤维素的分子结构Fig. 1-1 Molecule chain structure of cellulose1.2.2 纤维素的聚集态结构自然界中的纤维素不是以独立的单根分子链存在的，而是会组装成为独立的纤维。在植物细胞壁中大约 36 根独立的纤维素分子链聚集在一起会形成基元纤维（Elementarfibrils），基元纤维之间相互组装会形成微纤丝（Microfibril），微纤丝继续组装会形成我们所讲的纤维[10]。木质纤维组成结构如图 1-2 所示。在生物体内合成纤维过程中，分子间作用力和氢键使得纤维素分子链相互平行堆叠。由于分子内与分子间的氢键相互作用使得纤维素的结构相对稳定，并且具有很高的轴向刚度[13-14]。对于生物体来说，纤维是其内部最主要的增强部分。
组装的大分子结构[16-17]。在纤维素的结晶区，，氢键网络和分子取向的差异导致它有多种晶型结构。目前已知的植物纤维素具有 4 种不同的晶型，分别为纤维素 I、II、III、IV[18]。天然纤维素主要是 I 晶型。纤维素 I 可以通过 NaOH 处理转化成为纤维素 II[19-21]，II 晶型是最稳定存在的晶型结构。纤维素 III 晶型可以对纤维素 I 和 II 进行氨水处理得到，如果再进一步热处理可以得到纤维素 IV 晶型。1.3 纤维素纳米晶体纤维素纳米晶体（Cellulose nanocrystals, CNC）又被称为纳米结晶纤维素（Nanocrystalline cellulose, NCC）或纤维素纳米晶须（Cellulose nanowhiskers, CNW）[22]，它是由高度结晶的纳米尺度纤维素组成，其长度在 10~1000 nm，直径在 5~30 nm 之间。一般通过无机强酸或酶水解纤维素原料可以得到 CNC，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状或球状的 CNC。CNC 具有长径比高、比表面积大、结晶度高、特殊的光学效应和自组装性能等特点，具有应用在高性能复合材料、防伪涂料、液晶材料等领域的潜力[23-26]。1.3.1 CNC 的制备原理
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O636.11;TB383.2
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 ;我国实现一维纳米晶体精准控制[J];中国粉体工业;2016年05期
2 谢元彪;许俊男;陈颖
本文编号：2588271
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/2588271.html
