[发明专利]一种旋光性纤维素纳米晶体/共轭导电聚合物复合膜的制备方法

说明书

本发明涉及纤维素溶致胆甾相液晶、水溶性导电聚合物以及旋光性共轭导电复合膜的制备，属于导电高分子复合材料领域。不同于传统的原位聚合法和电化学法合成导电聚合物用于纤维素基导电聚合物复合材料的制备，这里我们选用了水溶性的导电聚合物，很好地解决了纤维素纳米晶体与导电聚合物的兼容性问题，使得纤维素溶致胆甾相液晶的手性螺旋结构得以保留，并利用其作为诱导模板，成功地制备出了旋光性纤维素纳米晶体/共轭导电复合膜。这种材料同时具有较好的光学特性和电化学特性，在超级电容器、化学生物传感器、非线性光学材料和圆偏振发光材料等领域将具有十分广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于导电高分子复合材料领域，具体说来就是以纤维素溶致胆甾相液晶为模板，通过共组装法诱导导电聚合物聚集形成有序的螺旋结构，从而制备旋光性共轭导电复合膜。

背景技术

为满足具有可持续发展前景的绿色高性能材料的迫切需求，纤维素纳米晶体(CNC)已成为材料科学的一个热点，应用前景十分广阔。胆甾相液晶(N*-LCs)大多是胆甾醇的衍生物，通常为手性分子，具有较高的旋光性，N*-LCs特殊的螺旋结构就是来源于分子的手性结构，因此N*-LCs又称手性向列相液晶。胆甾相结构通常被认为是一维光子晶体，可以选择性反射特定波长的光。纤维素经硫酸水解后可以形成稳定的CNC胶体悬浮液，达到一定的临界浓度后，会自发形成溶致N*-LCs，它由许多平面堆积而成，平面内的棒状CNC沿长轴方向平行排列，层与层之间CNC长轴取向方向不同，相邻层之间分子取向方向依次偏转，形成螺旋状。这种独特的螺旋结构也使得纤维素N*-LCs成为一种极佳的手性基体材料，引起了研究者广泛的兴趣。

导电聚合物主要是主链含长程π共轭结构的共轭高分子，经过激发处于激发态时，会具备独特的光、电、磁性质，其具有重量轻、易成型、工艺简单、可大面积成膜、绿色环保的特点，因而具有十分诱人的发展前景。此外，这类材料具有良好的导电性和电化学可逆性，是制作超级电容器的理想材料。应用较为广泛的导电聚合物有聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTH)、聚吡咯(PPy)、聚乙炔(PA)、聚对亚苯(PPP)等，其在生物传感器、组织工程和有机太阳能电池材料等方面的应用研究已经取得了重要的进展。

旋光性共轭材料兼具旋光特性和共轭结构，因而具有单一组分材料所没有的独特性能，从而具有更广泛的潜在应用，包括手性识别、电极表面修饰、化学生物传感器、非线性光学材料和圆偏振发光材料等。然而，通过原位聚合法和电化学法制备的导电聚合物通常不具有线性二色性和圆二色性。为了解决这一问题，Akagi等尝试在小分子液晶场中进行反应，并成功地制备出了旋光性共轭导电聚合物。

前驱体和基体材料的兼容性是制备复合材料成功与否的关键，所以要制备CNC/共轭导电聚合物复合材料首先要解决的就是两者的相分离问题。众所周知，通过传统方法制备的PANI具有不溶不熔的特性，如果只是将CNC与PANI进行简单的混合，将会发生相分离的现象，并不能实现两者的复合。此外，类似于专利CN 106674558 A中制备的PANI/纤维素复合材料，是在纤维素悬浮液中通过原位聚合的方法制备PANI，以实现PANI对纤维素的包覆。这种方法的结果是纤维素表面的电荷被屏蔽，而且由于酸掺杂使得体系pH急剧下降，在这种情况下，根本无法形成液晶，只是制备了一种导电复合材料。因此，解决CNC与共轭导电聚合物的兼容性和保留N*-LCs结构特有的光学活性是本发明的关键所在。

本发明中，我们创新性地制备并使用了水溶性的导电聚合物，很好地解决了CNC与导电聚合物的相分离问题。复合材料呈现出周期性的螺旋结构，在氢键和静电引力的作用下，实现了手性传递，从而首次成功地制备出了旋光性共轭导电复合膜。

发明内容

本发明创新性地利用CNC溶致N*-LCs作为手性模板材料，通过共组装的方法诱导水溶性的导电聚合物聚集形成有序的螺旋结构，从而成功地制备出了旋光性共轭导电复合膜。

本发明所述的旋光性纤维素纳米晶体/共轭导电聚合物复合膜的制备方法包括如下步骤：