[发明专利]一种纳米纤维素聚合物光学复合水凝胶的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米纤维素聚合物光学复合水凝胶的制备方法和应用，将纳米纤维素平行取向排列，通过引发高分子交联将纳米纤维素有序排列结构固定，成功制备出正交偏振片下呈现均匀干涉色的光学复合水凝胶固定其颜色，通过改变纳米纤维素取向方向、纳米纤维素浓度、材料厚度等因素改变亮度差或色差形成带有不同图案的光学材料，并使其同时具有软材料的刺激响应性，在防伪、信息存储、传感等方面应用前景广阔。

技术领域：

本发明涉及智能高分子材料、光学材料技术领域，具体涉及一种纳米纤维素聚合物光学复合水凝胶的制备方法和应用。

背景技术：

自然界中色彩的形成按照显色原理分为色素色和结构色。色素色是色素分子通过选择性对光进行吸收、反射和透射产生，属于化学生色。结构色由物体自身的特殊物理结构特与光的衍射、干涉和散射产生，属于物理生色。由于结构色不受环境影响而发生褪色现象，其相较于色素色有明显优势。自然界中生物的结构色在交流、警示、伪装等日常生命活动中起着重要作用，通过对其物理结构的探索和研究，各种仿生材料被制备，广泛应用于传感、显示、防伪、信息存储等多种领域(Chem.Soc.Rev.2016,45,(24),6698-6724)。

可再生生物质资源纤维素经酸水解纤维素非晶区制备得到纤维素纳米晶体，其在水悬浮液中自组装形成胆甾型液晶，在干燥过程中胆甾型结构可以保留，反射特定波长的光(Adv.Mater.2017,30,(19),e1704477)。当波长在可见光范围内时，薄膜显现出彩色，其颜色可通过湿度、盐浓度等调控。然而，纳米纤维素彩色膜制备所需自组装时间长，尺寸多分散性和自组装过程中的缺陷会造成颜色不均匀。此外，彩色膜中纤维素纳米晶体所需含量高(一般高于50wt％)，表现为硬脆易损坏，水环境中纤维素纳米晶体间氢键被破坏，强度也会骤减，因此仍然需要开发新型纤维素光学材料。

单轴取向的各向异性材料具有双折射性质，入射光经过材料被分成振动方向垂直的两种偏振光，他们之间的相位差满足公式δ＝2πdΔn/λ，其中δ为相位差，d为材料厚度，Δn为双折射率，λ为入射光波长。在偏光场下，由于相位差的存在，两种偏振光干涉出现鲜明颜色(ACS Nano 2016,10,(3),3078-3086；MaterialsHorizons 2018,5,(6),1076-1081)。纳米纤维素溶液由于各项异性结构在偏光场下显现多色域彩虹图案(Biomacromolecules2007,8,(4),1353-1357)。当纳米纤维素沿着固定方向排列时，在偏光场下显示均匀单一的结构色，并且旋转样品时，光强会发生变化。因此通过不同方向排列纳米纤维素得到的材料，在偏光场下可观察到图案，而明场可隐藏信息。取向的纳米纤维素溶液在撤销外力长时间放置后，纳米纤维素溶液自发向熵增方向转变，纳米纤维素排列趋向无规混乱状态，恢复成多色。

发明内容：

本发明的目的是提供一种纳米纤维素聚合物光学复合水凝胶的制备方法和应用，将纳米纤维素平行取向排列，通过引发高分子交联将纳米纤维素有序排列结构固定，成功制备出正交偏振片下呈现均匀干涉色的光学复合水凝胶固定其颜色，通过改变纳米纤维素取向方向、纳米纤维素浓度、材料厚度等因素改变亮度差或色差形成带有不同图案的光学材料，并使其同时具有软材料的刺激响应性，在防伪、信息存储、传感等方面应用前景广阔。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种纳米纤维素聚合物光学复合水凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：

将纳米纤维素水分散液、水溶性单体、引发剂、交联剂混合均匀，然后将纳米纤维素沿固定方向取向排列，引发单体聚合交联；

或

将纳米纤维素水分散液和水溶性聚合物混合均匀，然后将纳米纤维素沿固定方向取向排列，加入交联剂使水溶性聚合物链交联；

沿固定方向取向排列的纳米纤维素即被固定于交联高分子网络中，除掉未反应的物质，得到纳米纤维素聚合物光学复合水凝胶。