[发明专利]一种纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜及其制备方法：将二氧化钛前驱体钛酸四丁酯溶于乙醇中，再缓慢滴入浓硫酸水解制备的纤维素纳米晶溶液中，通过室温环境下缓慢自然干燥来制备纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜，纤维素纳米晶体在成膜过程中自组装成手性螺旋结构，钛酸四丁酯的水解产物在此过程中均匀的附着于纤维素纳米晶体周围，共同参与自组装过程。该方法通过一步法制备手性螺旋结构的复合薄膜，工艺简单，操作方便，不需要额外的设备，对环境的污染小，可实现宏量制备。制备的复合薄膜可用于光学器件，湿度传感器，防伪材料等。

技术领域

本发明属于材料制备的技术领域，涉及自组装制备纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜，尤其是一步制备纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜的方法。

背景技术

纤维素是一种在自然界中储量十分丰富的可再生资源。上世纪五十年代，Ränby首次报道了通过控制硫酸催化降解纤维素纤维制备纤维素胶体悬浮液。Battista以优质木浆纤维素为原料，经过盐酸辅助降解以及超声后处理，得到了批量制备微晶纤维素的方法。通过硫酸水解，它与纤维素表面的羟基发生化学反应，使其表面接枝带负电荷的磺酸根基团，由于静电排斥作用，促使晶须在水中完全均匀分散。当将纤维素纳米晶体悬浮液置于空气中自然干燥时，由于水相的连续去除，导致纤维素纳米棒以静电相互作用最小化的构型存在，最终形成手性向列结构。一个更引人注目的发现是这种手性向列型结构可以在水分完全蒸发后保存，最终得到彩虹膜。这些固体彩虹薄膜除了可以对其自组装行为进行基础研究之外，还有许多潜在的应用，例如用于防伪材料和传感器等。由于这种特殊的性质，许多研究者都以纤维素纳米晶体为模板，通过添加各种不同的原料来制备具有特殊手性结构的纳米材料。

以往制备具有手性结构二氧化钛材料，需要多次使用手性模板才能得到，并且不能一步得到，与此同时二氧化钛前驱体极易水解，这使制备工艺较为复杂，大大提高了合成过程中的成本。

发明内容

为了解决现有技术中提到的上述问题，本发明提供了一种简单易行，快速高效制备纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜的方法，扩展了制备纳米复合材料的途径，该方法制备手性向列结构复合薄膜工艺简单，操作方便，不需要额外的设备，对环境的污染小，可实现宏观制备。

本发明采用如下技术方案，一种纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜及其制备方法，将二氧化钛前驱体溶解于乙醇等溶液中，充分混合后缓慢滴入纤维素纳米晶体悬浮液中，搅拌均匀，注入聚苯乙烯培养皿中，干燥，得到纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜。

在本发明的优选的实施方案中，所述的方法具体包括以下步骤：

步骤1：纤维素纳米晶体的制备——浓硫酸酸解制得纤维素纳米晶体悬浮液；

步骤2：前驱体稳定溶液的制备——将二氧化钛前驱体溶解在溶剂中得到前驱体溶液，并充分搅拌，获得稳定均匀的溶液；

步骤3：混合溶液的制备——通过计量泵将前驱体溶液缓慢加入纤维素纳米晶体悬浮液；

步骤4：成膜——缓慢蒸发干燥成膜。

在本发明的优选的实施方案中，所述的纤维素纳米晶体通过硫酸酸解得到，浓度不宜过高或过低，优选2.7-3.5 wt%。

在本发明的优选的实施方案中，所述的纤维素纳米晶体应在酸性条件下使用，pH在4-6之间。

在本发明的优选的实施方案中，所述的二氧化钛前驱体选自钛酸四丁酯。

在本发明的优选的实施方案中，所述溶剂选自乙醇、甲醇、叔丁醇等溶剂中的一种或几种。

本发明还保护所述的方法制备得到的纤维素纳米晶/二氧化钛手性向列结构复合薄膜。