[发明专利]一种应力响应的多色彩变化的复合薄膜及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种应力响应的多色彩变化的复合薄膜材料，复合薄膜包括50～90wt％的有机物和10～50wt％的磷酸钙纳米簇，所述有机物包括聚乙烯醇和海藻酸钠，所述聚乙烯醇和海藻酸钠的质量比为3～9:1。本发明还公开了一种制备应力响应的多色彩变化的复合薄膜材料的方法：(1)使用磷酸钙纳米簇作为无机单元前驱体，先后加入海藻酸钠水溶液和聚乙烯醇水溶液，通过乳液蒸发诱导自组装法制备各向同性的复合薄膜。本发明提供的复合薄膜现出优异的韧性，可以卷曲、折叠和具有较高的力学承载能力，具有优异的弹性。在正交偏振光系统下具有可逆的高度灵敏的色彩变化，可应用于光学器件、传感器或信息存储材料。

技术领域

本发明涉及功能薄膜材料技术领域，特别涉及一种应力响应的多色彩变化的复合薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

各向异性材料因其独特的力学和光学性能成为材料科学领域的一个重要研究热点。在自然界中，动物的骨骼和海洋贝壳能够抵抗轴向压缩、弯曲和拉伸，都是因为其特殊的分级有序结构。蝴蝶翅膀和海洋贝壳的五颜六色和变色龙的变色行为同样源于结构的各向异性，即它们都是具有定向排列的晶体阵列的材料，在特定的光线下，会产生双折射，光的衍射，反射最终表现出五颜六色。兼具有各向异性和双折射的韧性材料在光学传感器，信息存储方面具有巨大的应用前景。

然而，目前人工合成的此类材料主要通过施加电场，磁场，机械力，温度梯度和离子浓度梯度等。且这些材料一般局限于水凝胶体系，这是由于其结构的柔韧性和可逆性。比如利用纤维素纳米晶或者纤维素纳米纤维在水凝胶中通过轴向拉伸获得的各向异性弹性水凝胶。如公开号为CN108409997A的中国专利文献公开了一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法。该方法是通过主客体作用制得以纤维素纳米晶须物理交联的单交联水凝胶，且在二次交联之前，通过外力实现对单交联水凝胶预拉伸取向，加入Fe³⁺二次交联可固定网络中纤维素纳米晶须的取向，制得力学性能更优的各向异性水凝胶。如公开号为CN107043441A的中国专利文献公开了一种海鞘纤维素纳米晶体/聚合物水凝胶及其制备方法和应用。该发明将海鞘纤维素制备成海鞘纤维素纳米晶体水悬浮液，向海鞘纤维素纳米晶体水悬浮液中加入亲水性聚合物单体和引发剂，混合均匀后在一定条件下发生交联反应，得到海鞘纤维素纳米晶体/聚合物水凝胶。

与固态材料相比，水凝胶材料的力学性能较弱，且必须存储在稳定的水环境中。在弹性固态薄膜中构建有序的纳米晶体阵列以获得具有可逆应力响应的光学薄膜仍然比较困难。因此，探索一种简单制备具有可逆应力响应的光学弹性薄膜的方法在物理，材料科学领域都有重大的研究意义与实际应用价值。

发明内容

本发明提供了一种应力响应的多色彩变化的复合薄膜及其制备方法，具有优异的弹性恢复和可逆的高度灵敏的色彩变化，应用于光学器件、传感器或信息存储材料。

本发明提供如下技术方案：

一种应力响应的多色彩变化的复合薄膜，所述复合薄膜包括50～90wt％的有机物和10～50wt％的磷酸钙纳米簇，所述有机物包括聚乙烯醇和海藻酸钠，所述聚乙烯醇和海藻酸钠的质量比为3～9:1。

优选的，所述复合薄膜包括52.5～61.4wt％的有机物和10.6～38.6wt％的磷酸钙纳米簇，所述有机物包括聚乙烯醇和海藻酸钠，所述聚乙烯醇和海藻酸钠的质量比为6:1。通过优化组分比例，上述范围的复合薄膜的弹性恢复能力和对色彩变化的灵敏度更好。

所述磷酸钙纳米簇的尺寸(直径)为1.75±0.27nm。

本发明还提供一种应力响应的多色彩变化的复合薄膜的制备方法，所述制备方法包括：

(1)使用磷酸钙纳米簇作为无机结晶单元前驱体，加入海藻酸钠水溶液和聚乙烯醇水溶液复合形成均匀的乳液；

(2)乳液通过蒸发诱导的自组装法得到各向同性的复合薄膜。