CN102703092A - 一种纳米纤维素液晶膜及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米纤维素液晶膜，该液晶膜具有彩虹条纹，通过以下步骤制备：取纤维素纳米晶粉末加水配制质量百分浓度为0.1-10%的纤维素纳米晶悬浮液；将悬浮液置于培养器皿中或喷涂在介质表面，加热蒸发1-12小时，加热温度为20-80℃，即得到纳米纤维素液晶薄膜。该液晶膜可用于装饰、防伪标记、彩色涂料、温敏传感器或用于光学验证设备，例如将薄膜喷涂在携带数据的基板上，例如身份证或信用卡，以杜绝通过彩色复印机进行伪造的企图。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维素液晶膜及其应用，具体涉及一种纤维素纳米晶胆甾相液晶材料及其制备方法，属于高分子领域，也属于纳米材料领域。
背景技术
纤维素是地球上最丰富的有机化合物，它是高等植物和绿藻的细胞壁结构的主要组成部分，同时细菌，某些真菌，和被囊动物（无脊椎海洋动物）也可以形成纤维素。因其低成本，自更新能力和可回收性，及其化学反应性，使纤维素可用于各种应用，对其进行加工利用势必会带来较高的经济价值。随着纳米技术的发展，科学家发现纳米纤维素晶体在高浓度下会发生各向异性到各向同性，直至形成液晶相的转变。纤维素纳米晶已经成为当前高分子研究领域的一个热点，但是关于纤维素纳米晶胆甾相液晶材料及其制备方法的研究却鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种具有彩虹条纹的纳米纤维素液晶膜及其应用。
为了达到上述目的，本发明提供了一种纳米纤维素液晶膜，该液晶膜具有彩虹条纹，它通过以下步骤制备：
（1）悬浮液制备：取纤维素纳米晶粉末加水配制质量百分浓度为0.1-10%的纤维素纳米晶悬浮液；
（2）薄膜制备：将步骤（1）制备的悬浮液置于培养器皿中或将步骤（1）中制备的悬浮液涂覆在介质表面，加热蒸发5分钟至12小时，加热温度为20-80℃，即得到纳米纤维素液晶膜；所述介质为四氟乙烯、聚苯乙烯、玻璃、纸张、金属或硅片。
上述纤维素纳米晶粉末通过将纤维素纳米晶的悬浮液冷冻干燥制备；纤维素纳米晶为长宽比为1-100的棒状纳米粒子。纳米纤维素液晶膜厚度为0.1-1000 μm。
步骤（2）中将纤维素纳米晶悬浮液进行薄膜制备前，先在室温下静置0.25-30天得到纤维素纳米晶凝胶，再将所述纤维素纳米凝胶置于培养皿中进行加热蒸发制备纳米纤维素液晶薄膜，加热温度为20-50℃，加热时间为5分钟至6小时。
步骤（1）中纤维素纳米晶悬浮液的质量百分浓度为1-10%。
步骤（2）中加热方法为传导、对流、辐射、微波加热或激光加热；培养皿选自玻璃器皿、聚苯乙烯器皿、四氟乙烯器皿或塑料器皿。
纤维素纳米晶悬浮液在进行步骤（2）的薄膜制备前，向悬浮液中加入离子强度为2-15 mmol/L的电解质溶液；电解质溶液中含有钠离子、钾离子、有机磷离子或者有机铵离子。
步骤（2）中纤维素纳米晶悬浮液的加热过程置于一个2-7 T的磁场环境下。该磁场通过置于培养皿底部的通电导线形成。
本发明还提供了上述纳米纤维素液晶膜在防伪标签上的应用，该纳米纤维素液晶膜的厚度为20 μm，将纳米纤维素液晶膜涂覆在带有信息层的基体底材上作为防伪标签，利用不同光照下膜呈现不同的色彩，能杜绝通过彩色复印造假。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明制备的具有彩虹条纹的纳米纤维素液晶膜可用于装饰，或用于光学验证设备，例如将薄膜浇铸在携带数据的基板上，例如身份证或信用卡，以杜绝通过彩色复印机进行伪造的企图。纳米纤维素液晶膜的螺距超过了可以反射出可见光的范围，就可能形成彩色的薄膜。反射彩光的强度主要取决于手性液晶相的一致性以及取向性。这些彩色薄膜在钞票，护照，证件等的防伪纸上有重要的应用。它们也可用于生产光学变色涂料和油墨，其颜色由视角而定。
本发明利用电解质溶液调节液晶膜的颜色，使彩色液晶膜的反射波长在400-800 nm范围内移动。
同时利用通电导线置于培养皿底部形成强磁场的加热环境，增强液晶膜彩虹条纹的强度，使彩色液晶膜的彩虹条纹分布更加均匀。
本发明利用可再生资源制备纳米材料，成本低廉，合成工艺简单，合成过程绿色无污染，所得的产品绿色环保。
附图说明
图1为实施例5得到的纤维素纳米晶凝胶的实物黑白照片。
图2为实施例9得到的纳米纤维素液晶膜在偏光显微镜下观察到的黑白图片。
图3为实施例15得到的纳米纤维素液晶膜的实物黑白照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
纤维素纳米晶粉末制备实例：
（1）原料预处理
原料选用微晶纤维素粉末（也可选用纤维素纸浆或者漂白木浆等），将原料加入去离子水（配制浓度3%），浸泡12小时后，倒入球磨机内碾磨5次，每次5分钟。
（2）氧化剂水解
向预处理后的纤维素原料中加入15倍重的硫酸溶液（浓度为70%），加热温度30℃，水解5小时，稀释后12000 rpm离心洗涤、透析至溶液pH=7，得纤维素纳米晶溶液。
（3）机械解纤
得到的纤维素纳米晶溶液在200 MPa下，以100 mL/min的速率通过高压均质化器10次，得到分散良好，尺寸均一的纤维素纳米晶悬浮液。
将纤维素纳米晶的悬浮液冷冻后真空冻干制得纤维素纳米晶粉末备用，其中的纤维素纳米晶呈长宽比为1到100的棒状纳米粒子，其长度为90±50 nm，宽度为10±4 nm。
实施例1
悬浮液制备：
向纤维素纳米晶粉末中加入去离子水，配制浓度为1.15%的纤维素纳米晶悬浮液。实施例2
悬浮液制备：
向纤维素纳米晶粉末加入去离子水，配制浓度为2.03%的纤维素纳米晶悬浮液。
实施例3
凝胶制备：
向纤维素纳米晶粉末加入去离子水，配制浓度为1.0%的纤维素纳米晶悬浮液。室温下静置一个月得到纤维素纳米晶凝胶。制备得到的凝胶用肉眼能明显观察到蓝光。
实施例4
凝胶制备：
向纤维素纳米晶粉末加入去离子水，配制浓度为2.13%的纤维素纳米晶悬浮液。室温下静置15天得到纤维素纳米晶凝胶。制备得到的凝胶用肉眼能明显观察到蓝光。
实施例5
凝胶制备：
向纤维素纳米晶粉末加入去离子水，配制浓度为3.17%的纤维素纳米晶悬浮液。
将悬浮液在室温下静置6小时得到纤维素纳米晶凝胶。制备得到的凝胶用肉眼能明显观察到蓝光，如图1所示。
实施例6
凝胶制备：
向纤维素纳米晶粉末加入去离子水，配制浓度为5%的纤维素纳米晶悬浮液。室温下静置一个月得到纤维素纳米晶凝胶。制备得到的凝胶用肉眼能明显观察到蓝光。
实施例7
薄膜制备：
取实施例1得到的含量为1.15%的纤维素纳米晶悬浮液置于直径9厘米的玻璃培养皿中，放置在30 ℃的烘箱中24 h后成膜，得到具有彩虹条纹的纳米纤维素液晶薄膜，膜厚度约为100±80 μm。
实施例8
薄膜制备：
将由实施例3得到的含量为2.13%的纤维素纳米晶凝胶置于直径9厘米的玻璃培养皿中，放置在40℃的烘箱中18h后成膜，得到具有彩虹条纹的纳米纤维素液晶薄膜。制备得到的纳米纤维素液晶膜在偏光显微镜（PL-1双目偏光显微镜，各个倍数）下观察，可以很明显的看到彩虹条纹,如图2所示，膜厚度约为370±40 μm。
实施例9
薄膜制备：
将由实施例4得到的含量为3.17%的纤维素纳米晶凝胶置于直径9厘米的塑料培养皿中，放置在50℃的烘箱中10 h后成膜，得到具有彩虹条纹的纳米纤维素液晶薄膜，膜厚度约为500±50 μm。
实施例10
薄膜制备：
向实施例1得到的含量为1.15%的的纤维素纳米晶悬浮液中加入离子强度为7 mmol/L的氯化钠溶液，置于直径9 cm的玻璃培养皿中，放置在70℃的烘箱中7h后成膜，膜厚度约为100±80 μm，得到能明显用肉眼观察到螺旋状红色条纹的纳米纤维素液晶薄膜。
实施例11
薄膜制备：
向实施例2得到的含量为2.03%的的纤维素纳米晶悬浮液中加入离子强度为 15 mmol/L的有机铵离子（R4N+）溶液，置于直径9 cm的玻璃培养皿中，放置在80℃的微波炉中1h后成膜，膜厚度约为200±50 μm，得到能明显用肉眼观察到螺旋状黄色条纹的纳米纤维素液晶薄膜。
实施例12
薄膜制备：
将由实施例3得到的含量为2.13%的纤维素纳米晶凝胶中置于直径9厘米的四氟乙烯培养皿中，器皿底部放置一个直径2.4 mm的铜丝，放置在50℃的烘箱中10h后成膜，形成能明显用肉眼观察到螺旋状条纹规整的彩虹液晶膜，膜厚度约为370±40 μm。
实施例13
防伪标记应用
将实施例制得的纳米纤维素液晶悬浮液喷涂至带有信息层的基底材料上，室温下干燥后成为薄膜，纳米纤维素液晶膜的厚度为20 μm；形成的液晶膜在可见光下呈现的橙黄色，波长主要集中在550 nm波段，可通过测量来判断产品的真伪，根据此原理本发明的液晶膜可以作为防伪标签，保护产品，杜绝通过彩色复印等方式造假。
实施例14
彩色涂料应用
将实施例制得的纳米纤维素液晶悬浮液涂覆于有机玻璃等基底材料上，30℃下干燥成型，纳米纤维素液晶膜的厚度约为30 μm，制得的玻璃在不同角度光照下呈现不同的色彩，具有一定的装饰效果，可应用于汽车、手机等保护外壳的装饰品上。
实施例15
防伪标记应用
将实施例制得的纳米纤维素液晶凝胶旋涂于纸张上面，室温下干燥，纳米纤维素液晶膜的厚度为10 μm；制得的纸张有相应的波长，可通过测量辨别，此特性使得制得产品可用于正式文件中，也可代替条形码的使用，从而达到判断真伪的功能。
实施例16
温敏传感器应用
本发明纳米纤维素液晶膜会根据外部温度的变化发生颜色的变化，将纤维素液晶膜放置于一个温度变化的环境中，当温度从室温（25℃）升至50℃以上时，肉眼可观察到颜色从蓝绿色变化至红色，根据此特性本发明的液晶膜可用于温敏传感器的核心部件应用上。
Claims (10)
1.一种纳米纤维素液晶膜，其特征在于：该纳米纤维素液晶膜具有彩虹条纹，它通过以下步骤制备：
（1）悬浮液制备：取纤维素纳米晶粉末加水配制质量百分浓度为0.1-10%的纤维素纳米晶悬浮液；
（2）薄膜制备：将步骤（1）制备的悬浮液置于培养器皿中或将步骤（1）制备的悬浮液涂覆在介质表面，加热蒸发5分钟至12小时，加热温度为20-80℃，即得到纳米纤维素液晶膜；所述介质为四氟乙烯、聚苯乙烯、玻璃、纸张、金属或硅片。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述纤维素纳米晶粉末通过将纤维素纳米晶的悬浮液冷冻干燥制备；所述纤维素纳米晶为长宽比为1-100的棒状纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述纳米纤维素液晶膜厚度为0.1-1000 μm。
4.根据权利要求1、2或3所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述步骤（2）中将纤维素纳米晶悬浮液进行薄膜制备前，先在室温下静置0.25-30天得到纤维素纳米晶凝胶，再将所述纤维素纳米凝胶置于培养皿中进行加热蒸发制备纳米纤维素液晶薄膜；所述加热温度为20-50℃，加热时间为5分钟至6小时。
5.根据权利要求1、2或3所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述步骤（1）中纤维素纳米晶悬浮液的质量百分浓度为1-10%。
6.根据权利要求1、2或3所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述步骤（2）中加热方法为传导、对流、辐射、微波加热或激光加热；所述培养皿选自玻璃器皿、聚苯乙烯器皿、四氟乙烯器皿或塑料器皿。
7.根据权利要求1、2或3所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述纤维素纳米晶悬浮液在液晶膜制备前，向悬浮液中加入离子强度为2-15 mmol/L的电解质溶液；所述电解质溶液中含有钠离子、钾离子、有机磷离子或者有机铵离子。
8.根据权利要求1、2或3所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述步骤（2）中纤维素纳米晶悬浮液的加热过程置于一个2-7T的磁场环境下。
9.根据权利要求8所述的纳米纤维素液晶膜，其特征在于：所述磁场通过置于培养皿底部的通电导线形成。
10.权利要求1所述的纳米纤维素液晶膜在防伪标记、彩色涂料、温敏传感器上的应用。
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