一种自变色的生物基光子晶体涂料及其制备与应用

本发明属于光子涂层的，具体涉及一种自变色的生物基光子晶体涂料及其制备与应用。

背景技术：

1、随着微纳米技术的进步，利用仿生显色原理，由高度有序的微观结构而产生的结构颜色被广泛的应用到光学涂层材料。颜色作为最直观的观察方式，在环境监测方面具有独特的优势，因此，利用结构颜色搭建可视化检测产品是非常有必要的。目前，仿生结构颜色主要来自于搭建光子晶体结构，市场上最常见的为利用控制单分散聚合物微球(如聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球等等)的粒径大小来调控光子晶体所呈现的颜色。然而，这类制备光子晶体的材料往往对环境有一定的污染性：一方面，这类物质不易应用在食品安全，更不易与食品直接接触；另一方面，这类物质降解过程繁琐以及回收利用率低。此外，由微球构筑的结构色彩的调控一般在制备时调控粒径大小，在定型之后很难去改变自身的颜色，这并不利于直观式(肉眼观察)环境的检测。

2、为了有效解决上述弊端，选用生物材料作为结构显色的原料是核心。目前，纤维素纳米晶是构建结构颜色的主要生物原料。然而，基于纤维素纳米晶的结构色材料以膜的呈现形式为主，再加其脆性大、环境感应时间久、不易黏附等缺点，在光子涂层领域，尤其是光子包装涂层领域很难应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种自变色的生物基光子晶体涂料及其制备与应用。本发明分为两步：先将纤维素纳米晶复合体系引入乙醇体系中，制备出一种能快速提浓显色的光子涂料；再将光子涂料进行光聚合制备高柔韧性且可自变色的光子涂层材料。本发明的光子涂层材料应用在可视化光子包装涂层等领域。

2、本发明的目的通过如下技术方案实现：

3、一种自变色的生物基光子晶体涂料的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)通过传统硫酸法制备纤维素纳米晶：采用浓硫酸处理原料浆，加入水混匀，静置，然后离心，获得纤维素纳米晶分散液；所述离心是指先室温离心并采用水洗涤，后低温离心并采用乙醇溶液洗涤；所述浓硫酸的质量浓度为62～66％，所述浓硫酸处理的条件为45～55℃处理原料浆35～45min，优选为50℃处理40min；所述原料浆为木浆、棉浆、草浆，优选为木浆；所述纤维素纳米晶分散液中乙醇与水的体积比为(4-6)：(6-4)，纤维素纳米晶分散液中纤维素纳米晶的浓度为2.5-3wt％；所述室温离心并用水洗涤的次数为1～3次，优选2次，所述低温离心并用乙醇溶液洗涤的次数为1～3次，优选2次；所述乙醇溶液洗涤中乙醇溶液的浓度为90～96％，优选为95％；所述低温的温度为2～8℃；

5、(2)将纤维素纳米晶分散液与丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂和光引发剂混匀，获得混合液；所述丙烯酰胺、丙烯酸的摩尔比为3-4∶1，交联剂和光引发剂各自的加入量为丙烯酰胺摩尔量的0.2～0.4％，优选为o.3％；所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺、羟甲基丙烷三甲烯酸酯中一种以上，优选为亚甲基双丙烯酰胺；所述光引发剂类型为光引发剂651、光引发剂tpo、光引发剂2959中一种以上，优选为2959；所述丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂和光引发剂的加入量为纤维素纳米晶分散液的20-40wt％；

6、(3)将步骤(2)获得的混合液浓缩，获得光子涂料；

7、所述浓缩为旋蒸浓缩，温度为30℃，旋蒸时间为5-30min；所述光子涂料浓度为4-8wt％；

8、(4)将步骤(3)获得的光子涂料进行紫外光聚合，得到高韧性且自变色的光子涂层。所述紫外光聚合为365nm照射，聚合时间为20-30min。所述光子涂层的厚度为80-120um。特征为在此过程中，热量的产生会带动剩余乙醇的进一步挥发，加快聚合时间。

9、本发明提供一种由上述的制备方法制得的光子涂层。

10、本发明的薄膜具有高韧性特性和可自变色特性，特别是在不同的湿度环境下可迅速的自变色，又因其良好的生物相容特性，可用在食品包装领域检测食品是否受潮。

11、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

12、(1)本发明选用的混合原料取之自然界，绿色环保，并且可降解的产物，对于产品的制备、利用和再回收具有一定的经济性和实用性；

13、(2)本发明的光子涂料可实现自变色特性，同时具有高的柔韧性，使其在食品包装检测领域具有很强的应用潜力；

14、(3)本发明为光子涂料，因此颜色在涂料产生过程中就已经出现。与结构色膜材料相比，本发明的光子涂料在构筑不同显色形状的物品具有独特的优势，并且此类颜色不会因外部形状的改变而褪色。

技术特征：

1.一种自变色的生物基光子晶体涂料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述自变色的生物基光子晶体涂料的制备方法，其特征在于：所述浓硫酸的质量浓度为62～66％，所述浓硫酸处理的条件为45～55℃处理原料浆35～45min；

3.根据权利要求2所述自变色的生物基光子晶体涂料的制备方法，其特征在于：所述浓硫酸处理的条件为50℃处理原料浆40min；

4.根据权利要求1所述自变色的生物基光子晶体涂料的制备方法，其特征在于：所述原料浆为木浆；所述乙醇溶液洗涤中乙醇溶液的浓度为90～96％；所述室温离心并用水洗涤的次数为1～3次，所述低温离心并用乙醇溶液洗涤的次数为1～3次；所述低温的温度为2～8℃；

5.根据权利要求4所述自变色的生物基光子晶体涂料的制备方法，其特征在于：所述乙醇溶液洗涤中乙醇溶液的浓度为95％；所述室温离心并用水洗涤的次数为2次，所述低温离心并用乙醇溶液洗涤的次数为2次。

6.一种由权利要求1～5任一项所述制备方法得到的自变色的生物基光子晶体涂料。

7.一种自变色的生物基光子晶体涂层，其特征在于：是由权利要求6所述生物基光子晶体涂料紫外光聚合制备而成。

8.根据权利要求7所述自变色的生物基光子晶体涂层，其特征在于：所述紫外光聚合为365nm照射，聚合时间为20-30min；所述光子涂层的厚度为80-120um。

9.根据权利要求7所述自变色的生物基光子晶体涂层的应用，其特征在于：所述自变色的生物基光子晶体涂层用于检测湿度。

10.根据权利要求7所述自变色的生物基光子晶体涂层的应用，其特征在于：所述自变色的生物基光子晶体涂层用于在食品包装领域检测食品是否受潮。

技术总结
本发明属于光子涂料的技术领域，公开了一种自变色的生物基光子晶体涂料及其制备与应用。制备方法：1)采用浓硫酸处理原料浆，加入水混匀，静置，然后离心，获得纤维素纳米晶分散液；所述离心是指先室温离心并采用水洗涤，后低温离心并采用乙醇溶液洗涤；2)将纤维素纳米晶分散液与丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂和光引发剂混匀，获得混合液，浓缩，获得光子涂料。将光子涂料进行紫外光聚合，得到光子涂层。本发明的方法简单，涂料所形成的涂层具有高韧性特性和自变色特性，特别是在不同的湿度环境下可迅速的自变色。所述涂层用于食品包装领域检测食品是否受潮。

技术研发人员：王斌,段承良,李金鹏,陈克复
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15