[发明专利]基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物的制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物的制备方法和应用，调整纤维素纳米晶水性悬浮液至特定浓度并调节其pH值至接近硅酸酯等电点以抑制硅酸酯缩合反应；将硅酸酯滴加至纤维素纳米晶水性悬浮液中混合均匀，制得组装前体；然后控制组装条件以匹配纤维素纳米晶的单轴定向组装过程与硅酸酯的缩合反应过程得到纤维素纳米晶单轴取向共组装材料；取适量纤维素纳米晶单轴取向共组装材料在空气氛围下高温处理控制纤维素纳米晶的转化和介孔的尺寸，得到基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料或进一步通过颗粒化和复合得到其衍生物，在光学防伪、信息加密、装饰、建材等领域具有应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及一种基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物的制备方法和应用。

背景技术

光子晶体是由两种或多种介电常数不同的物质在空间中周期性排列而成的材料，按照周期特点通常可将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体具有光子带隙，而处于光子带隙频率范围内的光子无法传播。反蛋白石结构则是以二氧化硅、聚苯乙烯等蛋白石为模板，在其孔隙中填充前体材料，经煅烧、化学腐蚀等方法除去二氧化硅等得到的具有孔隙的光子晶体。

纤维素纳米晶是一种生物质来源的棒状纳米颗粒，具有自发组装的特性。当纤维素纳米晶的悬浮液达到临界浓度时自发形成长程有序的手性向列相结构，该手性向列相结构在溶剂挥发后可保留在固体薄膜中，具有鲜明的结构彩虹色。此类材料可视为一维光子晶体，具有明显的光子带隙。通过与二氧化硅溶胶-凝胶前体共组装形成纤维素纳米晶/二氧化硅共组装膜，经煅烧后形成的二氧化硅薄膜保留了手性向列相结构，且具有明显的虹彩色，表明该材料仍具有光子晶体特性，可视为反蛋白石结构。另一方面，纤维素纳米晶也可在重力、毛细力等的诱导下进行单轴定向组装，得到具有结构单色的光子薄膜。具有单轴取向结构的纤维素纳米晶薄膜在可见光下呈现为无色透明，而在紫外辐照下发射出强烈的蓝光，在光学防伪领域具有应用潜力。然而，该具有单轴取向结构的纤维素纳米晶薄膜结构色单一，且颜色难以调控；因此，其光学性质的强化与调控方法有待进一步研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物；目的之二在于提供该基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物的制备方法；目的之三在于提供该基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物在光学防伪、信息加密、建筑、装饰领域中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料及衍生物的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备纤维素纳米晶悬浮液：将纤维素纳米晶水性悬浮液溶液浓缩至1～3wt％，酸溶液调节纤维素纳米晶悬浮液的pH值至2.4～3，该pH值接近硅酸酯等电点以抑制步骤(2)硅酸酯缩合反应；

(2)制备纤维素纳米晶单轴取向共组装材料：为调控共组装材料中各组分占比以调节材料的光致发光性质，取步骤(1)中纤维素纳米晶水性悬浮液60mL，将8.50～14.00mmol硅酸酯(对应浓度为0.14～0.23mol/L)滴加至纤维素纳米晶水性悬浮液中室温搅拌均匀混合，制得组装前体，将组装前体在温度为20～30℃，相对湿度为20～40％条件下组装2～3天以同步纤维素纳米晶的单轴定向组装过程与硅酸酯的缩合反应过程，得到纤维素纳米晶单轴取向共组装材料；

(3)制备基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料：取步骤(2)制备的纤维素纳米晶单轴取向共组装材料进行高温热处理，空气氛围下分阶段升温、保温1～6h以控制介孔尺寸与硅基材料中纤维素纳米晶的转化，然后以一定的速率降至室温，得到基于棒状生物基纳米颗粒单轴取向阵列的反蛋白石结构发光材料；