[发明专利]一种应力响应型光学水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种应力响应型光学水凝胶及其制备方法和应用，所述水凝胶由纤维素纳米晶悬浮液抽滤得到的手性纤维素纳米晶膜用含丙烯酰胺和丙烯酸的前驱体溶液溶胀再通过紫外光聚合复合得到。本发明提供的应力响应型光学水凝胶以天然高分子纤维素纳米晶为显色成分，原料可循环再生，生物降解性良好，水凝胶拉伸性能好、显色均匀，具有良好的应力传感性能以及信息储存与显示功能，并且可通过调节制备工艺条件来调整手性纤维素纳米晶膜的螺距，从而控制光学水凝胶力学响应范围和显色程度。

技术领域

本发明属于高分子凝胶技术领域，具体涉及一种应力响应型光学水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

结构色作为自然界最奇妙的现象之一，主要是通过周期性规整纳米结构对光的干涉作用产生，经常能够在动物和植物中发现。与色素色不同的是，如果纳米结构能得以保持，则结构色类材料具有环保、不褪色和高稳定性的显著特征。在自然界中，有些生物甚至能够可逆地快速改变颜色以进行伪装，交配和殖民地防御。其中，变色龙是最重要的代表之一，它可以通过放松/刺激皮肤和调节鸟嘌呤晶体的结构来根据环境改变颜色。过去几十年里，许多研究者受这些有趣现象的启发，利用光子晶体、布拉格堆栈和手性向列相液晶创造出了人工结构颜色。

纤维素纳米晶是一种可再生材料，通常通过硫酸催化水解纤维素而制备得到，由于其表面引入硫酸酯基而带负电，产生的静电斥力使其能够很好地在水中分散，并且可以形成手性向列相液晶。纤维素纳米晶由于其丰富的来源、对环境友好、独特的光学性质以及可作为手性模板而备受学者们关注。即使纤维素纳米晶悬浮液水分完全蒸发，手性向列型结构也能完整保留在膜中，形成独特的彩虹膜，因而可以应用在许多方面，例如着色、反射和防伪。但是由于纤维素纳米晶膜比较脆，严重制约了其应用。解决这一问题最普遍的方法是加入柔性高分子聚合物，制备得到柔韧的复合膜，高分子聚合物的加入也能调控纤维素纳米晶复合膜的螺距，同时赋予复合膜一定的响应性，现阶段已经制备得到可以受电场、磁场、湿度、pH值、温度等刺激响应的复合膜。例如，将聚N-异丙基丙烯酰胺与纤维素纳米晶混合制备得到的复合膜，在环境温度上升时，复合膜的螺距会增大，特异性反射峰会红移。受到这些刺激作用时，复合材料的响应时间较长，而应力刺激所需的响应时间非常短，响应迅速，但现阶段对于力学响应结构色材料的研究较少。已报道的力学响应材料还存在显色不均匀、显色范围较窄、拉伸程度较低等问题。因此，设计显色均匀、显色范围广、可拉伸程度高的力学响应结构色材料仍然具有很大的挑战性，在传感、检测、显示等领域具有广阔的潜在应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种显色均匀、显色范围广、可拉伸程度高的应力响应型光学水凝胶及其制备方法和应用。

根据本申请的一个方面，本申请提供了一种应力响应型光学水凝胶，所述水凝胶由纤维素纳米晶悬浮液抽滤得到的手性纤维素纳米晶膜用含丙烯酰胺和丙烯酸的前驱体溶液溶胀再通过紫外光聚合复合得到。

根据本申请的第二个方面，本申请提供了上述应力响应型光学水凝胶的制备方法，具体步骤如下：

1)将纤维素纳米晶悬浮液经高功率超声处理后，用尼龙滤膜对纤维素纳米晶悬浮液进行真空抽滤，得到手性纤维素纳米晶膜；

2)将步骤1)所得手性纤维素纳米晶膜置于含丙烯酰胺和丙烯酸的前驱体溶液中溶胀5～30min，然后在紫外光照射下进行紫外光聚合，得到应力响应型光学水凝胶。

按上述方案，步骤1)所述纤维素纳米晶悬浮液由微晶纤维素经65wt％硫酸溶液水解1h，再用去离子水透析除去离子，最后稀释或浓缩得到，其中纤维素纳米晶尺寸为243.6±76.3nm，Zeta电位为-62.5mV。

按上述方案，步骤1)高功率超声处理的超声功率为400～800W，超声处理时间为5～10min。高功率超声处理的目的是使纤维素纳米晶在抽滤时能够形成具有较小螺距的层状螺旋结构，采用较低功率超声处理得到的手性纤维素纳米晶膜螺距较大，在后续得不到显色范围广的水凝胶。