[发明专利]一种多形形状记忆驱动的多重结构色转变的智能光学膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光学智能材料技术领域，公开了一种多形形状记忆驱动的多重结构色转变的智能光学膜及其制备方法和应用。所述智能光学膜是先将纤维素纳米微晶粉末溶于去离子水中，室温下超声，调节pH至5～7，制得CNCs悬浮液；将该CNCs悬浮液滴涂到玻璃片基体上，室温下干燥，制得自组装纤维素纳米微晶薄膜；再将非晶态高分子的有机溶液均匀滴涂转移到自组装纤维素纳米微晶薄膜的表面，在真空下40～80℃固化制得。本发明的智能光学膜具有热、水‑湿气多重刺激下的多形形状记忆性能，同时具有可调控的多重结构色转变性能。不仅保持纤维素纳米微晶的手性向列结构，且在热稳定性、力学强度、柔韧性等方面均有显著提高。

技术领域

本发明属于光学智能材料技术领域，具体地，涉及一种多形形状记忆驱动的多重结构色转变的智能光学膜及其制备方法和应用。

背景技术

多形形状记忆聚合物(Multi-Shape Memory Polymers)是一类重要的智能聚合物，具有二个及以上的临时形变，在特定的流程中实现三个以上的形状转变。多形形状记忆聚合物的研究主要集中在包含两个不同温度转变的形状记忆弹性网络，比如两个T_g，或者两个T_m，或者一个T_g一个T_m，两个温度转变分别作为开关机制，当外界温度触发时，在熵弹性的作用下依次实现多个临时形状的转变。另外，宽的Tg转变，也可以作为多个阶梯型的温度响应开关。多形形状记忆的研究，目前还存在2个问题：一是研究集中于热刺激响应，对于同时包含热刺激和水-湿气等刺激的异质型多重刺激响应下的多形效应的研究较少；另外，多形形状记忆聚合物很多并不透明，目前还较少研究多形形状记忆驱动下的光学性能。

纤维素纳米微晶广泛用于聚合物复合体系的力学增强。前期报道，纤维素纳米微晶在聚合物内部可以构建基于可逆氢键作用的应力传递网络结构，能够实现在干湿态下模量的可逆转变。作为水、湿气的响应开关，在水分子与氢键渗滤传递网络相互作用下，聚合物复合材料的模量在干-湿态条件下发生1～3个数量级的可逆转变。当纳米复合物处于干态下时，遇到水或湿气可以在数秒以内模量降低1～3个数量级，从而实现机械的自适应性(Mechanical adaptiveness)。

另外，由于纤维素纤维经酸或氧化剂处理会产生带负电的磺酸根或羧酸根基团。表面电荷的静电排斥力使纤维素纳米晶能够在水中形成稳定的胶体分散体系，水蒸发诱导下能够进行自组装。当其浓度高于临界浓度时，纤维素纳米晶会自发组织成手性向列相溶致型液晶，在水完全蒸发后，此结构会保留在纤维素纳米晶膜中。该手性向列相的结构特征是纤维素纳米晶层层堆叠、扭曲旋转，是一种一维光子晶体材料。根据布拉格方程λ＝nPsinθ(其中，n是平均折射率，P是手性向列相的螺距，θ是入射光传播方向与螺旋轴的垂直方向的夹角)，由螺距的大小所决定纳米纤维素自组装薄膜对某一特定波长的光具有选择性的反射，使得其具有一定的结构色。因为，这一有序结构的螺距在可见光波长范围，纤维素纳米微晶在溶剂蒸发诱导下自组装成手性向列结构可以实现反射光谱集中在蓝光区域的结构色。

目前，虽然纤维素纳米微晶的自组装行为形成的结构色已经被广泛研究，但多数是与水溶性分子体相共混进行自组装，从而利用高分子的溶胀效应行为，在外界水/湿气刺激下，手性向列结构的螺距变化从而发生结构色的转变(参见Wan,Hao,Li,Xiaofeng,Zhang,Liang等.(2018).Rapidly responsive and flexible chiral nematiccellulose nanocrystal composites as multifunctional rewritable photonicpapers with eco-friendly inks.ACS applied materialsinterfaces.)。多形形状记忆的研究，目前还存在两个问题：一是研究集中于热刺激响应，对于同时包含热刺激和水-湿气等刺激的异质型多重刺激响应下的多形效应的研究较少；另外，多形形状记忆聚合物很多并不透明，目前还较少研究多形形状记忆驱动下的光学性能。

发明内容