[发明专利]一种纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜及其快速制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种由纤维素纳米晶/石墨烯复合形成的彩色膜及其快速制备方法，尤其是基于纤维素纳米晶(CNC)的固体彩色薄膜制备方法，属于薄膜制备技术领域。

【背景技术】

纤维素是地球上最丰富的有机物之一，是自然界取之不尽、用之不竭的可再生资源。石墨烯作为一种完美的二维碳材料由于其优异的导电性能、光学性能、力学性能以及耐热性能受到广泛的关注，并且已经被广泛应用于光电领域。

硫酸酸解制备的纤维素纳米晶因为表面接枝上了磺酸根基团，特殊的表面形貌及所含的大量负电荷使其能够在水溶液中排列成胆甾型液晶，具有形成彩色膜的能力。纤维素纳米晶彩色膜的制备多采用溶液浇铸的方法。但该方法耗时长，需要几天的时间。在专利“一种快速制备多彩纳米晶纤维素薄膜的方法”(CN103172886)中，采用真空干燥的方法加快了成膜的速度，但仍然采用溶液浇铸成膜的方法，且未加入第二成分。采用纤维素纳米晶制备薄膜的另一方法是与其它材料复合，但目前还未有报道或发明涉及制备多彩性的纤维素纳米晶复合薄膜。本发明将纤维素纳米晶和石墨烯复合，用真空抽滤的方法制备具有独特螺旋结构的彩色膜，使所制彩色膜具有吸水性，薄膜的颜色随吸水率的不同而改变，且这种变化是可逆的。从而可通过控制吸水率的方法调控薄膜的色彩。该彩色膜在防伪技术领域具有潜在的应用价值。

【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的在于提供一种纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜。

本发明的另一目的是提供一种纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜的制备方法。

本发明的另一目的还在于提供通过控制超声时间来调控纤维素纳米晶/石墨烯彩色膜颜色的方法。

本发明的另一目的还在于提供通过控制吸水率来调控纤维素纳米晶/石墨烯彩色膜色彩的方法。

[技术方案]

本发明的技术方案提供了一种快速制备纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜的方法，该方法通过将纤维素纳米晶和石墨烯复合，采用真空抽滤的方法实现快速制备彩色的薄膜，整个过程仅需10个小时左右，与现有制备纤维纳米晶彩色薄膜的技术相比，可节约几十个小时。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜，其特征在于：该纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜的原料包括以下重量百分比的组份：

纤维素纳米晶  99.0～99.7％；

石墨烯        0.3～1.0％；

该复合彩色膜是纤维素纳米晶/石墨烯复合溶液通过真空抽滤的方法制得。

所述的纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)纤维素纳米晶悬浮液的制备：将纤维素加入55～69wt％的H₂SO₄在40～60℃下搅拌进行酸解，加入去离子水终止反应，并将所得溶液静置后，使用离心机进行离心分离，将分离得到的沉淀洗涤，并重复分离至上清液变浑浊；由此得到纤维素纳米晶悬浮液，将该悬浮液在冰水浴中超声处理10～40分钟，然后保存备用；

(2)石墨烯的制备：将氧化石墨烯粉末分散于水中，用超声仪进行分散处理得到氧化石墨烯溶液，将溶液冷冻干燥得到氧化石墨烯气凝胶，随后将气凝胶在220～270℃下热退火处理得到低温热还原石墨烯；

(3)纤维素纳米晶/石墨烯彩色复合膜的制备：将制备好的纳米晶悬浮液稀释至0.5～2wt％，按照纤维素纳米晶99.0～99.7％，石墨烯0.3～1.0％的重量比例进行复合，经10～25h超声处理后，石墨烯均匀分散于溶液中形成复合溶液；

(4)最后用真空抽滤装置将复合溶液抽滤成膜。

根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于，所制得的复合彩色膜的颜色可以通过纤维素纳米晶/石墨烯彩色复合膜的制备步骤中的超声处理时间进行控制。

根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于，该复合彩色膜具有吸水性。

根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于该复合彩色膜具有湿度效应，可以通过改变膜所含水分来改变复合彩色膜的颜色。

根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于纤维素纳米晶在垂直于膜表面的方向发生取向。

所述的纤维素纳米晶/石墨烯复合彩色膜制备方法在薄膜制备中的应用。

其中，所述纤维素是纸浆纤维素和棉浆纤维素中的一种，用搅拌机打碎形成棉絮状，然后经硫酸酸解得到纤维素纳米晶。

所述石墨烯也可采用化学还原氧化石墨烯制备。