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胆甾相纤维素纳米晶的手性光学调控

郭梦娜  
【摘要】:纤维素经酸解、酶解等方式去除无定形区得到高度结晶的纤维素纳米晶体(CNC),是一种环境友好的光学材料。螺旋扭曲的CNC纳米棒经自组装形成手性向列相结构,可以选择性反射偏振光,但是它的手性结构容易受到各种因素影响,比如浓度、剪切力、界面、离子强度、温度、掺杂剂等,严重限制了CNC在环境友好光学材料领域中的大规模应用。本论文采用硫酸水解纸浆的方法制备CNC,考察基底效应、水平轴向剪切作用、无手性添加剂(聚乙烯醇)、手性添加剂(阿拉伯糖、酒石酸)、手性螺旋剪切力等多个因子对CNC胆甾相结构的影响,深度剖析CNC手性结构及结构色的保留机制。研究发现基底界面稳定性越好越有利于CNC胆甾相结构的组装,对于不稳定界面或者高吸水的基底可通过提高干燥温度、基底材料的保水率等方式确保CNC自组装形成手性向列相液晶。同时,降低轴向剪切速率、提高CNC初始浓度可以有效减少CNC胆甾相结构被破坏。此外,添加多羟基掺杂剂(葡萄糖、聚乙二醇、聚乙烯醇)既可以调节涂层结构颜色又可以提高涂层的耐久性,比如调控聚乙烯醇(PVA)的加入量可以调节CNC柔性膜的结构,聚乙烯醇分子量的改变可以使结构颜色有不同程度的红移现象。在螺旋剪切作用下,CNC/PVA薄膜图案受剪切速率、PVA分子量、薄膜直径等因素的影响,反射波长随PVA添加量增加而红移。手性阿拉伯糖掺杂CNC反射波长随阿拉伯糖含量的增加逐渐红移,手性酒石酸掺杂反射波长以8%掺杂量为临界点,先蓝移后红移,这与酒石酸的解离和聚集有关,而右手性螺旋剪切在保留CNC结构色的同时会放大CNC的手性特性,形成宏观“等角螺线”图案。当CNC与手性掺杂剂复合时,悬浮液的黏度以及螺旋扭曲力发生改变,在手性螺旋剪切作用下形成多样化的宏观虹彩图案,同时改变螺旋剪切速率形成的图案和反射波长均有所改变。综上,通过调节掺杂剂、界面作用、剪切力等因素,高效稳定地大规模化制备具有鲜艳色彩、高柔性、图案化的薄膜,解决了CNC在实际应用中的结构稳定性问题,促进了CNC在光学复合薄膜、传感器、涂层等领域的应用。


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