CN112778556B - D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法 - Google Patents

D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种D‑木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体过程如下：将D‑木糖醇溶于纤维素纳米晶中，得到透明溶液，将混合透明溶液加入到烧杯中，室温搅拌后再进行超声处理，得混合溶液，将所得混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置，即得。采用D‑木糖醇手性小分子调控CNC薄膜的螺距使所制作的液晶薄膜不仅随加入量的不同而呈现出不同的偏光，也使得CNC薄膜的韧性增强。

Description

D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法
技术领域
本发明属于纳米高分子材料技术领域，涉及一种D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法。
背景技术
在自然界中，许多生物体会产生五彩斑斓的颜色。在化学色即结构色中,偏振结构色是一种特殊的结构色,通过对自然界中各类生物体偏振结构色的形成机理进行研究,目前科学界己成功开发出一系列具有精细结构的仿生光学材料。本课题选择纤维素纳米晶体作为研究对象,纤维素纳米晶与普通纤维材料相比，拥有优越的机械性能，理论上其杨氏模量可达150GPa，可堪比钢铁、玻璃、碳纤维和碳纳米管同时纤维素纳米晶又具有很低的密度(1.5Kg·m-2)，是理想的结构增强材料。同时纤维素分子链上有三个活泼的羟基，丰富的羟基可进行化学改性和自组装。更重要的是通过硫酸水解制备得到的CNC棒状颗粒具有良好的稳定性,它们能够形成稳定的手性向列相液晶。随着浓度的增加当悬浮液达到临界浓度,在这种浓度下CNC棒状颗粒可以形成各向异性手性向列相或胆甾相液晶相。有趣地是,手性液晶相可以保留到溶剂(一般为水)蒸发后。因此可以通过改变溶液离子强度或施加外部电场或磁场来控制CNC薄膜的反射颜色。CNC悬浮液的胆甾相液晶具有有序结构,在缓慢蒸发形成薄膜的过程中,该有序结构得以保留,使得该薄膜具有独特的光学特性。该薄膜具有很强的旋光性和选择性,其反射光波长等于其螺距长度的特征光,当制得的CNC薄膜的最大反射波长在可见光范围内时,能呈现出来五彩滨纷的颜色。影响薄膜胆甾相螺距的因素有CNC表面电荷密度,温度,溶液浓度,离子强度,外加电场,磁场等。可以通过改变CNC胆甾相的螺距,实现调控CNC薄膜颜色的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，该方法采用D-木糖醇手性小分子调控CNC薄膜的螺距使所制作的液晶薄膜不仅随加入量的不同而呈现出不同的偏光，也使得CNC薄膜的韧性增强。
本发明所采用的技术方案是，D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体过程如下：将D-木糖醇溶于纤维素纳米晶中，得到透明溶液，将混合透明溶液加入到烧杯中，室温搅拌后再进行超声处理，得混合溶液，将所得混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置，即得。
本发明的特点还在于，
D-木糖醇的质量为50-250mg。
纤维素纳米晶的体积为5-20ml。
搅拌时间为80-120min。
超声处理时间为60-120min。
静置时间为4～6天。
本发明的有益效果是；由于D-木糖醇分子结构中含有大量的羟基这使得它拥有手性，当木糖醇与纤维素纳米晶(CNC)相遇时会发生反应使羟基断裂而形成大量的氢键，从而改变复合膜的螺距使其呈现不同的颜色。采用D-木糖醇诱导增强纳米纤维素所制得的手性液晶薄膜不仅工艺简单，性质温和，产品易于获取。此外该手性的纤维素纳米液晶膜随所加比例不同它的偏光各不同，而且韧性增强了。
附图说明
图1(a)～(c)是制作出的纤维纳米液晶薄膜的示意图；
图2是本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法中D-木糖醇溶液的CD光谱图；
图3是纯CNC薄膜的CD光谱图；
图4是本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法制备出的手性液晶复合膜的CD光谱图；
图5是本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法制备的D-木糖醇/CNC手性复合膜的偏光图；
图6是本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法制备的D-木糖醇诱导的手性液晶膜对折的效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)D-木糖醇的合成
葡萄糖分解为木酮糖，再由外源导入或过量表达的酶的作用下分解为木糖醇。
(2)纤维素纳米晶(CNC)的合成
目前，主要用硫酸和盐酸水解法制备CNC,除此之外也有用磷酸,氢溴酸来制备粒子颗粒为纳米级的纳米晶。CNC悬浮液通过盐酸水解制备得到的,其溶液表面仍然存在羟基带有弱电,导致胶体稳定性很差易形成絮状物。相比之下,通过硫酸水解得到的CNC悬浮液表面有带电的磺酸酯(-O-HSO3),使CNC在水溶液中分散更稳定。将强酸如硫酸添加到纤维素中后,酸中的水合氢离子迁移到有序的无定形区域并且破坏纤维素主链上的糖苷键。值得注意地是,渗透的有效性和糖苷键的分离程度取决于外部因素如:酸类型、酸浓度、水解温度和纤维素来源。同样,这些因素也影响纳米晶的性质,如形状、长度和直径等因此,仔细选择纤维素的类型和控制酸强度、水解过程中酸水解的时间和湿度及高压均质的条件是非常重要的。否则可能导致延长反应时间(如酸水解程度不够)和碳化(酸浓度过高或反应时间过长超过最佳的反应时间)。
(3)手性液晶薄膜的制备
将D-木糖醇(50-250mg)溶于纤维素纳米晶(5-20ml，wt％＝1％)中，得到透明溶液，将混合透明溶液加入到烧杯中，室温搅拌80-120min后，超声处理(60-120min)，得混合溶液，将所得混合溶液倒入一个聚苯乙烯培养皿(直径＝60毫米，高度＝15毫米)，采用蒸发自组装的方式静置4-6天。
实施例1
本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体过程如下：取50mg的D-木糖醇，然后将其溶于5ml、wt％＝1％的纤维素纳米晶(CNC)中，然后均匀搅拌80min，将搅拌完全的混合液在超声仪器中超声60min，然后将D-木糖醇/CNC混合液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置4天。
实施例2
本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体过程如下：取150mg的D-木糖醇，然后将其溶于15ml的纤维素纳米晶(CNC)中，然后均匀搅拌120min，将搅拌完全的混合液在超声仪器中超声120min，然后将D-木糖醇/CNC混合液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置5天。
实施例3
本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体过程如下：取200mg的D-木糖醇，然后将其溶于20ml的纤维素纳米晶(CNC)中，然后均匀搅拌120min，将搅拌完全的混合液在超声仪器中超声120min，然后将D-木糖醇/CNC混合液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置5天。
实施例4
本发明D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，具体过程如下：取250mg的D-木糖醇，然后将其溶于20ml的纤维素纳米晶(CNC)中，然后均匀搅拌100min，将搅拌完全的混合液在超声仪器中超声100min，然后将D-木糖醇/CNC混合液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置6天。
图1(a)为纯CNC复合膜，图1(b)为实施例2中加入150mgD-木糖醇的手性液晶复合膜，图1(c)为实施例3中加入200mgD-木糖醇的手性液晶复合膜，通过比较可以看出复合膜的偏光颜色明显发生变化。
图2为现有D-木糖醇溶液的CD光谱图；图3为纯CNC薄膜的CD光谱图，产生光子带隙的波长范围在200-280，图4为实施例2制备的D-木糖醇/CNC手性液晶复合膜的CD光谱图，产生光子带隙的波长范围在300-400之间。说明由于D-木糖醇的加入使得CNC的光子带隙变宽，改变了CNC的螺距，从而显不同的偏光。图5为实施例2制备的D-木糖醇/CNC手性复合膜的偏光图；图6为本发明实施例2制备的D-木糖醇诱导的手性液晶膜对折的结果图，可以明显的看到手性液晶膜的韧性增强了。

Claims (1)

1.D-木糖醇诱导增强纳米纤维素手性液晶膜的制备方法，其特征在于：具体过程如下：将D-木糖醇溶于纤维素纳米晶中，得到透明溶液，将混合透明溶液加入到烧杯中，室温搅拌后再进行超声处理，得混合溶液，将所得混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，采用蒸发自组装的方式静置，即得；
所述D-木糖醇的质量为50-250mg；
所述纤维素纳米晶的体积为5-20ml；
所述搅拌时间为80-120min；
所述超声处理时间为60-120min；
所述静置时间为4～6天。
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