[发明专利]一种手性向列相多孔气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种手性向列相多孔气凝胶的制备方法，基于纳米纤维素悬浮液的蒸发自组装得到手性向列相的纳米纤维素薄膜，该薄膜经过纤维素良溶剂的浸泡溶胀处理，其体积发生膨胀，手性向列相螺距显著增加。再将薄膜中的纤维素溶剂用合适的溶剂洗涤除去，然后经冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥后，得到具有手性向列相结构的纳米纤维素气凝胶。该结构有序的气凝胶可以作为合成复合材料的有序骨架，又可以作为硬模板制备其它功能有序材料，还可以合成有序的光学碳材料等。因此，制备手性向列相结构的纳米纤维素气凝胶具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，尤其是涉及一种手性向列相纳米纤维素多孔气凝胶的制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中最丰富的可再生高分子，其纳米结晶形态，即纤维素纳米晶体纤维素，不但具有纤维素的基本结构与性能，而且具有较高的杨氏模量、大的比表面积、高的反应活性和强的吸附能力。纤维素由D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接而成的线型大分子多糖，二聚体纤维二糖是纤维素的重复单元。自然界的纤维素纤维包含非结晶区与结晶区。非结晶区结构较为疏松，酸、碱、氧化剂等的溶液极容易渗入其中，使得非结晶区的纤维素分子优先发生水解；而其结晶区纤维素分子排列非常致密，从而具有较高的抗酸、碱和氧化的能力。由此，纤维素纤维经一定程度的酸解或氧化，可得到纳米级的纤维素晶体。

纤维素在酸解或氧化过程中，部分羟基发生磺酸化或羧酸化，所得到的纳米纤维素的表面会带有负电，因此纳米纤维素由于相互间的静电排斥作用能在水中均匀的分散。纳米纤维素有蒸发自组装的特性。随着溶剂含量的降低，达到纳米纤维素的某一临界浓度的时候，能够自发组装形成手性向列相的液晶结构；即使水分完全蒸发，该结构仍然得以保留，形成纳米纤维素的一维光子晶体膜。纳米纤维素的手性向列相光子晶体能够选择性反射左旋圆偏振光，在光学器件领域有重要的应用价值。

纳米纤维素不仅可以自发组装，也可以与其他无机材料、聚合物等发生复合组装。例如用聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酰胺(PAA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚硅氧烷、乳胶颗粒、酚醛树脂等与纳米纤维素共组装，制备外界刺激(如湿度)响应的光子晶体材料。另外，可以利用酸、碱、氧化剂将其中的纳米纤维素刻蚀以后，生成手性向列相的多孔聚合物或无机材料，赋予材料独特的光学、驱动等性能。例如：本发明课题组前期专利文件CN109880134A公开了一种具有手性向列相结构的智能响应性复合材料的制备方法。本发明通过纳米纤维素悬浮液与有机硅改性的丙烯酸酯乳液或酚醛树脂前驱体溶液或丙烯酸改性的环氧树脂乳液，以及与氧化石墨烯分散液混合，在自然或加热条件下蒸发，诱导三者的混合组装，在溶剂蒸发干燥后获得复合薄膜材料的基础上，再将复合薄膜进行碱或酸处理除去纳米纤维素，最后得到具有手性向列相结构的多孔复合薄膜材料。该复合薄膜对水具有明显的变色和驱动响应。该专利文件主要是利用纤维素的骨架作用得到氧化石墨烯和高分子的复合薄膜材料，并没有保留纤维素的原料和结构。

目前，既保留纤维素的原料又保留纤维素的结构，充分发挥纤维素材料的环保和可再生的优势的具有手性向列相结构的纳米纤维素多孔气凝胶，迄今为止尚没有文献或专利报道。为此，提出本发明。

发明内容

针对目前为止，尚没有一种方法得到结构有序的手性向列相结构的纳米纤维素气凝胶，本发明提供一种简单的获得纳米纤维素气凝胶的方法。首先利用纳米纤维素悬浮液在蒸发诱导自组装下形成结构致密的手性向列相光子晶体薄膜，然后通过纤维素的良好溶剂，使得纳米纤维素薄膜发生膨胀，改变了纳米纤维素之间的距离。当纤维素的良溶剂被去除以后，再通过超临界或冷冻干燥的方法，得到结构有序的手性向列相结构的纳米纤维素气凝胶。

本发明的技术方案如下：

一种结构有序的手性向列相结构的纳米纤维素气凝胶的制备方法，包括步骤如下：