木质晶态纳米纤维素手性向列自组装湿敏薄膜的光响应特性与调控机制

On the basis of frontier research of wood-based self-assembly chiral nematic nanocrystalline cellulose, different size and surface properties of nanocrystalline cellulose were prepared from wood fiber as raw materials. The chiral nematic liquid crystal phase formation mechanism of nanocrystalline cellulose will be investigated systematically. The self-assembly film of humidity sensitive characteristics was analysed under different conditons. The color change and the light response characteristics of the films will be investigated systematically. The change mechanism of chiral nematic structure of humidity sensitive films will be investigated further. Meanwhile, based on the characteristics self-assembled nanocrystals cellulose, the reversible ‘on/off’ light response mechanism of humidity sensitive films will be analysed systematically. This research project aims at providing theoretical and technological support for functionalization of nanocrystalline cellulose.

项目围绕木质晶态纳米纤维素手性向列自组装的研究热点和前沿领域，以木质纤维为原料制备不同尺寸和表面性质的晶态纳米纤维素，系统研究晶态纳米纤维素手性向列液晶自组装形成机制。通过自组装的方式制备手性向列液晶薄膜，研究其在不同条件下自组装薄膜的湿敏特性。系统研究其在不同湿度下的色彩变化以及光响应特性，探明湿敏薄膜的手性向列结构同其在湿度变化下光响应的变化机制，同时基于晶态纳米纤维素自组装特性，揭示其湿敏薄膜的光响应可逆“开关”调控机制。课题将为纤维素纳米晶功能化、高值化利用提供理论和技术支持。

将晶态纳米纤维素手性向列液晶相通过自组装的方式制备出宽光谱响应的湿敏薄膜传感器，通过控制晶态纳米纤维素制备条件赋予木质晶态纳米纤维素薄膜不同湿度下的光响应特性。基于纳米纤维素在一定浓度下的自组装行为，制备了纳米纤维素手性向列薄膜。建立了晶态纳米纤维素手性向列液晶薄膜的调控体系。将制备的纳米纤维素薄膜在不同的湿度下进行湿敏特性研究，建立了湿敏薄膜的控制制备体系。研究手性向列液晶薄膜的湿敏可逆光响应机制，建立了湿敏薄膜的可逆光响应湿度指示体系。为后续的木质纳米纤维素基新型材料的开发和利用提供理论和技术支撑。.研究了以漂白针叶木浆（BSKP）为原料，采用硫酸水解法制备CNC，通过改变反应时间、硫酸浓度、反应温度得到不同的产物。基于CNC自组装的行为，在自然蒸发的条件下制得了含左旋手性结构的薄膜。当胶状溶液中CNC浓度大于2.83 wt%时，CNC组装形成各向异性的手性向列液晶相结构，具有强的双折射特征，偏光显微镜下可观察到明显的指纹织构。干燥成膜后，长程左旋手性结构保留，螺距介于1-2 μm之间。手性纤维素薄膜具有优良的湿敏性能，随着周围环境湿度的增加，对光的吸收波长出现可逆的红移现象，表面官能团以O-H为主，200 ℃以下热稳定性良好。.通过不同超声时间处理CNC悬浮液，干燥后形成了不同颜色和结构特性的手性向列虹彩薄膜。超声时间从30 min增加到60 min，CNC薄膜的颜色由蓝色变成红色；反射波长和圆二色信号发生红移；POM观察下的光子晶体具有明显不同，指纹织构的螺距增加；扫描电镜（SEM）证实了较长时间的超声使手性向列空间结构的螺距变大。.通过将纤维素纳米晶体（CNC）和甘油（Gly）以不同比例混合，制备了多色、柔性和智能响应的虹彩薄膜。虹彩薄膜红移的结构色是由手性向列结构中螺距增加产生的。甘油的添加改善了复合薄膜的机械性能，还促进了薄膜的结晶。由于甘油具有很强的吸水能力，CNC/Gly20薄膜在不同的相对湿度下呈现可逆反射颜色。CNC/Gly纳米复合材料也用于在不同基材上制作虹彩涂层。