纤维素纳米晶体(CNC)是生物来源的可降解、可再生的新型光子晶体。CNC复合膜的结构色调控被广泛研究,但添加物的聚合度对结构色及其湿度响应的影响尚未有报道。本文利用不同聚合度的甘油与CNC复合。系统地研究了甘油聚合度对CNC复合虹彩膜结构色、力学性能和湿度响应能力的影响。
利用不同聚合度的甘油与CNC通过蒸发诱导自组装的方法制备了CNC复合虹彩薄膜。通过控制(聚)甘油的添加量,实现了CNC复合虹彩膜结构色的精确调控。在相同条件下对比不同聚合度的(聚)甘油之间的性能差异,分析研究了聚合度对复合膜光学特性、手性向列相结构、力学性能以及湿度响应能力的影响。
由CNC与不同聚合度(聚)甘油复合的虹彩膜的反射光谱中可以看出,随着(聚)甘油添加量的增加,复合膜反射峰逐渐红移,其截面的SEM图片中的周期有序结构的尺寸也相应增加,且两者的数值符合Segal经验公式;而当(聚)甘油添加量相同时,随着(聚)甘油的聚合度增加,复合膜反射峰逐渐蓝移。表明复合膜的螺距与(聚)甘油的添加量呈正比,与其聚合度呈反比,其调节CNC复合膜结构色的能力下降。所有的CNC复合膜都形成了规整有序的手性向列相结构,在SEM图像中可以清楚看到CNC的左旋组装。这种长程有序的周期性结构是CNC复合膜颜色的起源,其周期结构的尺寸决定了结构色颜色。当(聚)甘油含量增加,其周期性结构尺寸相应增加,而相同添加量的甘油CNC复合膜与十聚甘油CNC复合膜相比,十聚甘油CNC复合膜的周期性结构尺寸较小,与反射光谱结果一致。(聚)甘油的加入显著提升了复合虹彩膜的力学性能。而随着甘油聚合度的增加,复合虹彩膜的断裂伸长率和抗拉强度逐渐增强,这得益于长分子链之间的作用力增加。其中CNC/10G20(十聚甘油添加量为20%的CNC复合膜)的断裂伸长率和抗拉强度相较于CNC/G20(甘油添加量为20%的CNC复合膜)分别增加了1.58倍和2.48倍。(聚)甘油的加入使得CNC虹彩膜获得了湿度响应能力。不同(聚)甘油的CNC复合膜(添加量均为20%)同时在相对湿度为35%、70%、85%和98%下的湿度响应实验表面,随着(聚)甘油聚合度的增加,其复合膜在同一湿度下的红移量减少,表明湿度响应能力下降。由其FTIR图谱中可以看出,随着(聚)甘油聚合度增加,CNC复合膜在1030cm处的峰值下降,这表明了复合膜中的伯羟基数量减少。伯羟基数量下降主要是由甘油聚合导致的,随着甘油的聚合,其伯羟基之间缩合形成醚键,羟基数量的下降导致了其亲水能力下降,最终使复合膜的湿度响应能力下降。
(聚)甘油的加入可以精确调控CNC虹彩膜的结构色,显著增加CNC虹彩膜的力学性能并且使CNC虹彩膜获得湿度响应能力。随着(聚)甘油聚合度的提升,其力学性能增加,但其调节CNC虹彩膜结构色的能力和湿度响应能力逐渐下降。
为了探究添加物聚合度对纤维素纳米晶体(CNC)复合虹彩膜的影响,利用不同聚合度的甘油与CNC通过蒸发诱导自组装的方法制备了CNC/(聚)甘油复合虹彩薄膜。系统地研究了甘油聚合度对CNC复合虹彩膜结构色、力学性能和湿度响应能力的影响。结果表明:随甘油聚合度的增加,复合膜中CNC手性向列相结构的螺距变小,复合虹彩膜的颜色蓝移,最大反射波长降低了最多约40 nm。甘油的加入显著提高了复合虹彩膜的湿度响应能力,甘油聚合度越低,复合虹彩膜湿度响应能力越强,在高湿度下反射波长越大。其中甘油添加量为20wt%的虹彩膜在相对湿度为98%的环境中发生了170 nm的红移,膜颜色由青色变为红色;相较于纯CNC膜,(聚)甘油复合虹彩膜的力学性能显著提升。对于复合虹彩膜,随(聚)甘油分子链增长,虹彩膜的断裂伸长率和抗拉强度最大分别提升了1.58倍和2.48倍。
为了探究添加物聚合度对纤维素纳米晶体(CNC)复合虹彩膜的影响,利用不同聚合度的甘油与CNC通过蒸发诱导自组装的方法制备了CNC/(聚)甘油复合虹彩薄膜。系统地研究了甘油聚合度对CNC复合虹彩膜结构色、力学性能和湿度响应能力的影响。结果表明:随甘油聚合度的增加,复合膜中CNC手性向列相结构的螺距变小,复合虹彩膜的颜色蓝移,最大反射波长降低了最多约40 nm。甘油的加入显著提高了复合虹彩膜的湿度响应能力,甘油聚合度越低,复合虹彩膜湿度响应能力越强,在高湿度下反射波长越大。其中甘油添加量为20wt%的虹彩膜在相对湿度为98%的环境中发生了170 nm的红移,膜颜色由青色变为红色;相较于纯CNC膜,(聚)甘油复合虹彩膜的力学性能显著提升。对于复合虹彩膜,随(聚)甘油分子链增长,虹彩膜的断裂伸长率和抗拉强度最大分别提升了1.58倍和2.48倍。