一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法

技术领域

本发明属于纳米高分子材料技术领域，涉及一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中含量最丰富的生物聚合物，它是由anhydro-D-gluvose unit(AUG)和β(1-4)-连锁形成的，在过去几十年里它受到世界各地研究人员的广泛关注，他们系统集中精力研究微纳米纤维素纤维的特殊关注。纤维素纳米晶(CNC)是一种纳米级光子晶体材料，可以从各种天然纤维素提取。在临界浓度下，CNC可以自组装成手性向列相液晶(LCs)，手性向列相液晶具有周期性的伪层状结构，其取向在层内具有典型的螺旋节距。许多美丽的虹彩光子膜可以从CNC或者CNC复合材料中得到。CNC是光子晶体材料，它们的颜色和质地对各种分子都有独特的反应。它们为构建智能材料提供了理想的矩阵。CNC因其重量轻，价格低，生物相容性好等优点而受到广泛关注，CNC已经引起了人们的极大兴趣，因为它们可以用于对光，热，湿，力，电场和客体分子等刺激做出反应的各种系统中。

发明内容

本发明的目的是提供一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法，该方法将一种具有亲水基团的光活性D-木糖与纤维素纳米晶(CNC)共组装成具有手性列相序的柔性彩虹液晶纸，在组装过程中，纳米纤维素晶(CNC)的分子间氢键减弱，有利于手性向列相纳米结构的精细调控，通过对D-木糖和纤维素纳米晶(CNC)的共组装，获得了具有可调控手性的柔性彩虹膜。

本发明所采用的技术方案是，一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1，对纤维素纳米晶进行稀释，获得纤维素纳米晶悬浮液；

步骤2，向步骤1得到的纤维素纳米晶悬浮液中加入D-木糖并进行均匀搅拌，得混合溶液；

步骤3，将步骤2所得的混合溶液放入超声仪器中进行超声，然后将超声完成的混合液倒入聚苯乙烯培养皿中采用蒸发自组装方式成膜。

本发明的特点还在于：

步骤1中，纤维素纳米晶的稀释过程为：将浓度为5％的纤维素纳米晶稀释成浓度为1％的纤维素纳米晶悬浮液。

步骤2中，纤维素纳米晶悬浮液与D-木糖的质量比为240：1～5。

步骤2中，纤维素纳米晶悬浮液与D-木糖混合液在60℃的温度下均匀搅拌时间为60～240min。

步骤3中，纤维素纳米晶悬浮液和D-木糖混合液在250W的功率下超声时间为180-300min。

步骤3中，采用蒸发自组装的方式静置5-8天。

本发明的有益效果是，本发明采用D-木糖诱导纤维素纳米晶增强非线性吸收手性相列液晶纸的制作，该手性相列液晶纸的制备可用于激光防护材料等，此外纯CNC液晶纸在干燥的过程中由于收缩而产生裂纹，D－木糖/纤维素纳米晶液晶纸表面光滑，无裂纹和变形，而且反射颜色均匀。

附图说明

图1是本发明一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法中加入了D-木糖后制作的手性向列相液晶纸；

图2(a)、2(b)是本发明一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法中在交叉偏振器的偏光显微镜(POM)下观察纯CNC液晶纸和手性向列相液晶纸的图像；

图3是图2(b)中向列相液晶纸的折叠图；

图4是将本发明一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法实施例2提供的方案与纯CNC液晶纸、CNC/D-木糖醇液晶纸对比的曲线图。

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。

本发明一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法，具体包括如下步骤：

1.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-HSO

2.D-木糖的制备；

天然D-木糖是以多糖的形态存在于植物中。因为它们特别在农产品的废弃部分中(例如玉米的穗轴、秸秆、棉桃的外皮)含量很多，所以自古以来对它的利用法就有很大兴趣。现在大部分厂家玉米芯制取木糖(D-木糖)的典型工艺流程为：收料→上料→水解→中和→次脱色→前阳交换→阴交换→阳交换→次蒸发→二次脱色→二阴交换→二阳交换→三次串联交换→二次浓缩→三次浓缩→结晶→离心分离→干燥→包装→废渣处理。现在的工艺中存在能耗高和活性炭用量大的特点，在国家大力推行节能降耗的形势下，国内大多木糖生产厂家都在积极寻找一条节约能耗，减少活性炭消耗量的新工艺。

3.手性相列液晶纸的制备；

首先将5％纤维素纳米晶(CNC)稀释成浓度为1％，然后按照纤维素纳米晶混合液和D-木糖质量比为240：1-5的配比得到了混合液，将该混合液在60℃的温度下均匀搅拌60-240min，将均匀搅拌后的混合液在超声仪器中超声，且超声功率为250W，超声时间为180-300min。

然后将混合液倒入聚苯乙烯培养皿(直径＝60毫末，高度＝15毫米)中，采用蒸发自组装的方式静置5-8天。

实施例1

一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法，具体包括如下步骤：

用去离子水将浓度为5％的纤维素纳米晶(CNC)稀释成浓度为1％，然后将稀释后的纤维素纳米晶悬浮液和D-木糖按照240：1的质量比混合倒入烧杯中，在60℃的温度下均匀搅拌60min，而后在功率为250W的超声仪器中超声280min，完成以上操作后将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天成膜。

实施例2

一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法，具体包括如下步骤：用去离子水将浓度为5％的纤维素纳米晶(CNC)稀释成浓度为1％，然后将稀释后的纤维素纳米晶悬浮液和D-木糖按照240：3的质量比混合倒入烧杯中，在60℃的温度下均匀搅拌100min，而后在功率为250W的超声仪器中超声180min，完成以上操作后将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7天成膜。

实施例3

一种光限幅特性的纳米纤维素液晶纸的制备方法，具体包括如下步骤：用去离子水将浓度为5％的纤维素纳米晶(CNC)稀释成浓度为1％，然后将稀释后的纤维素纳米晶悬浮液和D-木糖按照240：5的质量比混合倒入烧杯中，在60℃的温度下均匀搅拌240min，而后在功率为250W的超声仪器中超声300min，完成以上操作后将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8天成。

图1是加入了D-木糖后制作的手性向列相液晶纸，此液晶纸偏黄光且韧性和强度极好。通过对比可见纯CNC液晶纸在干燥过程中由于收缩而产生裂纹和变形，而手性向列相液晶纸表面光滑，无裂纹和变形且反射颜色均匀，通过对D-木糖和CNC的共组装，获得了具有可控手性的向列有序的柔性彩虹膜。

图2是在交叉偏振器的偏光显微镜(POM)下观察纯CNC液晶纸和手性向列相液晶纸的图像。

图2(a)是纯CNC液晶纸的偏光图，该液晶纸在50倍的倍镜下观察到该液晶纸偏蓝。

图2(b)是手性向列相液晶纸的偏光图，该液晶纸在50倍的倍镜下观察到呈现彩色。

图3为图2(b)向列相液晶纸的折叠图，通过D-木糖和CNC的共组装，使得该液晶纸的韧性和强度极大的增强了。

图4的D-木糖/CNC是采用本发明实施例2制作出来的光限幅，本发明中用纯CNC液晶纸和CNC/D-木糖醇液晶纸做对照，很明显的看出D-木糖对光限幅有很大的增强作用。(需要指出的是，激光能量密度与Z-轴位置有关，O点位置为光源焦点，激光能量密度最大。因此，当远离0点时，液晶纸具有很好的透光率，随着能量密度的增大，透光略逐渐变低)。

在光限幅的测试中发现D-木糖/CNC液晶纸具有优良的光限幅特性，随着D-木糖浓度的增大，光限幅性质逐渐提高。该手性向列相液晶纸可以用于激光防护，保护眼睛和光学传感等免受激光损害。