纤维素纳米晶体间界面作用的调控及其结构色薄膜的增强增韧

作     者：胡招湘 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方志强

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 070305[理学-高分子化学与物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：纤维素纳米晶体 结构色 复合薄膜 界面相互作用 增强增韧 

摘      要：模仿光子晶体制备结构色材料是当今世界的研究热点。纤维素纳米晶体（Cellulose nanocrystal,CNC）具有来源丰富、绿色环保、易自组装成有序手性向列结构等特点,成为一种制备结构色材料的优异原料。CNC间的界面作用对手性向列结构的自组装具有重要影响,进而影响其结构色的形成。然而,当前对CNC间界面作用尚缺少量化研究,导致CNC间界面作用与结构色的构效关系不明晰,阻碍了CNC结构色的精准调控。此外,CNC薄膜固有的脆性制约了其工业化应用。本论文采用原子力显微镜（AFM）的力学模块,研究了CNC间的界面作用（主要为静电斥力）,并建立CNC间的静电斥力与结构色之间的内在关联;探究了CNC尺寸和CNC间的静电排斥力对薄膜结构色的影响规律。接着,将海藻酸钠（Sodium alginate,SA）引入到CNC分散体构建强氢键网络,实现CNC结构色薄膜的增强增韧,并探究其增强增韧机理。本文主要研究内容与结论如下:（1）针对CNC间界面作用缺少量化研究这一问题,研究了CNC间静电斥力对结构色的影响规律,建立了CNC间的静电斥力与结构色之间的内在关联。结果表明:CNC间静电排斥力与薄膜最大反射波长呈正相关。当静电斥力从0.26 m N/m逐渐增大至0.95 m N/m时,CNC薄膜的螺距从336 nm逐渐增大至836 nm,最大反射波长从328nm逐渐增大至756 nm,颜色逐渐红移。（2）基于上述CNC间静电斥力与薄膜结构色变化规律的研究,深入探究CNC间静电斥力和CNC尺寸同时对结构色的影响。随着水解时间的增加,CNC的平均长度从364 nm逐渐减小至256 nm,CNC悬浮液的zeta电位从-27.2 m V逐渐减小至-61.4 m V。空间位阻和静电斥力同时影响薄膜的手性向列结构。当水解时间为30 min时,空间位阻作用主导CNC薄膜螺距的变化;当水解时间达45 min时,静电斥力和空间位阻共同作用CNC薄膜的结构;而当水解时间增加至90 min时,手性向列结构主要受静电斥力的影响。随着水解时间的增加,螺距从547 nm减小至353 nm,再增加至836 nm,薄膜的最大反射波长从726 nm蓝移至468 nm,再红移至756 nm。（3）针对CNC薄膜固有的高脆性问题,以SA为增强增韧剂加入到CNC分散体中,构建强氢键网络,并研究了SA添加量对复合薄膜的结构色和力学性能的影响规律。当SA的添加量为10%时,复合薄膜能够在保证手性向列结构的基础上,拉伸强度达104.8±2.5 MPa,韧性达到1.5 MJ/m,显著高于其他同类型CNC结构色复合薄膜。SA对CNC薄膜的增强增韧机理:CNC分散液中的氢离子取代SA中的钠离子,SA-COOH与CNC-OH形成强氢键作用,增强了复合薄膜的强度;同时,在薄膜在拉伸过程中,SA分子链的伸展以及氢键的断裂与重生,都会耗散能量,从而提高复合薄膜的韧性。