一、研究背景(jing)

羥丙基纖維素（HPC）是一(yi)種(zhong)廣泛可(ke)獲(huo)得(de)和生(sheng)物相容的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。它在(zai)水(shui)中自(zi)組裝成(cheng)膽甾相，可(ke)以(yi)展示出生(sheng)動(dong)、金屬感的(de)結(jie)構色(se)。盡管HPC是一(yi)種(zhong)具(ju)(ju)(ju)有吸引力的(de)響應性(xing)(xing)(xing)和低成(cheng)本的(de)光子(zi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，由(you)(you)于(yu)當其溶解(jie)時反(fan)(fan)射的(de)顏色(se)僅(jin)在(zai)可(ke)見光范圍(wei)內（在(zai)水(shui)中50-70 wt%的(de)HPC），干燥時導致(zhi)藍移到一(yi)個無色(se)狀態，這(zhe)使(shi)得(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)加工成(cheng)膜或涂層變(bian)得(de)復雜。此(ci)外，由(you)(you)于(yu)HPC對各(ge)類(lei)溶劑具(ju)(ju)(ju)有溶解(jie)性(xing)(xing)(xing)，這(zhe)些(xie)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)光子(zi)結(jie)構由(you)(you)于(yu)其高吸濕性(xing)(xing)(xing)和水(shui)溶性(xing)(xing)(xing)而(er)與潮濕和液(ye)體環(huan)境(jing)(jing)不兼容，致(zhi)使(shi)HPC衍生(sheng)化材(cai)(cai)料(liao)(liao)無法在(zai)差的(de)環(huan)境(jing)(jing)下維持材(cai)(cai)料(liao)(liao)完整性(xing)(xing)(xing)。如何解(jie)決高強度、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)和生(sheng)動(dong)反(fan)(fan)射顏色(se)之間長期存在(zai)的(de)困境(jing)(jing)，并伴(ban)隨協(xie)同(tong)刺激反(fan)(fan)應，仍(reng)然是HPC材(cai)(cai)料(liao)(liao)面臨的(de)巨大挑戰。為了(le)克服這(zhe)些(xie)問題，使(shi)用(yong)(yong)化學交聯的(de)方(fang)式固定(ding)(ding)HPC光子(zi)結(jie)構，實(shi)現在(zai)固體HPC中保留光子(zi)特征。同(tong)時，增加了(le)材(cai)(cai)料(liao)(liao)在(zai)不同(tong)溶劑環(huan)境(jing)(jing)具(ju)(ju)(ju)備穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)以(yi)及應用(yong)(yong)場(chang)景(jing)下的(de)耐用(yong)(yong)性(xing)(xing)(xing)。化學交聯后的(de)HPC衍生(sheng)化材(cai)(cai)料(liao)(liao)同(tong)時還具(ju)(ju)(ju)有良好的(de)機械(xie)柔韌(ren)性(xing)(xing)(xing)，使(shi)其具(ju)(ju)(ju)備更高的(de)應用(yong)(yong)潛力。

中科院化物(wu)所卿光(guang)(guang)焱(yan)研究(jiu)員(yuan)/武漢紡(fang)織(zhi)大學(xue)張福生(sheng)博士在《Advanced Materials》期刊(kan)（IF=29.4）上(shang)發表了題目(mu)為“Intense Left-handed Circularly Polarized Luminescence in Chiral Nematic Hydroxypropyl Cellulose Composite Films"的(de)高(gao)水平(ping)論文(wen)。文(wen)章(zhang)提出了羥(qian)丙基纖維素結合(he)聚(ju)集誘(you)導(dao)發光(guang)(guang)體共組裝，構筑L-CPL的(de)策略，獲得(de)了大glum（+0.51）和高(gao)Φ（55.8%）的(de)手(shou)性(xing)(xing)(xing)熒光(guang)(guang)薄(bo)(bo)膜。此外，該薄(bo)(bo)膜還(huan)展現柔韌(ren)性(xing)(xing)(xing)、耐溶劑性(xing)(xing)(xing)、結構色(se)可調性(xing)(xing)(xing)和多色(se)L-CPL等綜合(he)特性(xing)(xing)(xing)，可以(yi)作(zuo)為耐用(yong)性(xing)(xing)(xing)和多模式的(de)光(guang)(guang)學(xue)防偽標識(shi)印刷在織(zhi)物(wu)上(shang)，即使(shi)經過(guo)反(fan)復洗滌干燥，仍能保(bao)持光(guang)(guang)學(xue)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)，還(huan)可以(yi)作(zuo)為手(shou)性(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)源(yuan)，實現相反(fan)L-CPL/R-CPL誘(you)導(dao)不對稱(cheng)光(guang)(guang)聚(ju)合(he)反(fan)應(ying)。

二(er)、實驗方法

1.HPC圓偏振發光薄(bo)膜的制(zhi)備

將20 g的(de)(de)(de)(de)(de)羥(qian)(qian)丙基(ji)(ji)(ji)(ji)纖(xian)維(wei)素粉(fen)末分(fen)散在(zai)1000 ml去(qu)離(li)子(zi)水(shui)中，添加(jia)80 ml甲基(ji)(ji)(ji)(ji)丙烯(xi)酸酐（MA）。以2 mL/min的(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度向混(hun)(hun)合(he)物中注入120 ml濃度為(wei)5 M的(de)(de)(de)(de)(de)氫氧化鈉溶(rong)液(ye)。得到(dao)(dao)乳(ru)白色膠體沉(chen)淀(dian)。冷凍(dong)干(gan)燥后(hou)得到(dao)(dao)甲基(ji)(ji)(ji)(ji)丙烯(xi)酸化羥(qian)(qian)丙基(ji)(ji)(ji)(ji)纖(xian)維(wei)素（HPC-MA）。將17.5 mg的(de)(de)(de)(de)(de)2-羥(qian)(qian)基(ji)(ji)(ji)(ji)-2-甲基(ji)(ji)(ji)(ji)-1-[4-(2-羥(qian)(qian)基(ji)(ji)(ji)(ji)乙氧基(ji)(ji)(ji)(ji))苯(ben)基(ji)(ji)(ji)(ji)]-1-丙酮和(he)17.5 mg N-（3-（苯(ben)基(ji)(ji)(ji)(ji)氨基(ji)(ji)(ji)(ji)）亞烯(xi)丙基(ji)(ji)(ji)(ji)）-4-溴苯(ben)胺鹽酸鹽固體粉(fen)末分(fen)散在(zai)3.2 g N,N–二甲基(ji)(ji)(ji)(ji)甲酰胺（DMF）中。然(ran)后(hou)分(fen)批(pi)加(jia)入6.8 gHPC-MA至前(qian)(qian)述DMF混(hun)(hun)合(he)溶(rong)液(ye)中，得到(dao)(dao)HPC-MA含量為(wei)68wt%的(de)(de)(de)(de)(de)HMP前(qian)(qian)驅(qu)(qu)(qu)液(ye)。在(zai)直徑(jing)為(wei)5 cm的(de)(de)(de)(de)(de)聚四氟(fu)乙烯(xi)（PTFE）基(ji)(ji)(ji)(ji)底(di)上滴入1 mL前(qian)(qian)驅(qu)(qu)(qu)液(ye)，將帶有前(qian)(qian)驅(qu)(qu)(qu)液(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)PTFE基(ji)(ji)(ji)(ji)底(di)置于旋涂(tu)儀托臺以60 r/min的(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度旋轉3分(fen)鐘。前(qian)(qian)驅(qu)(qu)(qu)液(ye)均勻成膜(mo)(mo)后(hou)，將薄膜(mo)(mo)和(he)聚四氟(fu)乙烯(xi)基(ji)(ji)(ji)(ji)底(di)一起放入2 ℃冰箱中，避光靜置15 min進(jin)行(xing)自組裝。最后(hou)，使用功率為(wei)5 w、波(bo)長為(wei)365 nm的(de)(de)(de)(de)(de)紫外(wai)光對薄膜(mo)(mo)進(jin)行(xing)5 min的(de)(de)(de)(de)(de)光交聯。室溫下自然(ran)風干(gan)后(hou)即可得到(dao)(dao)結構色為(wei)紅色的(de)(de)(de)(de)(de)羥(qian)(qian)丙基(ji)(ji)(ji)(ji)纖(xian)維(wei)素圓偏振(zhen)發光薄膜(mo)(mo)。

2.HPC薄(bo)膜拉伸性能(neng)測試

將薄膜(mo)(mo)樣品(pin)切成寬(kuan)度為4毫(hao)米，長度為40毫(hao)米的(de)(de)長條。在(zai)進(jin)行(xing)干膜(mo)(mo)測(ce)試(shi)之前，樣品(pin)在(zai)40℃的(de)(de)溫度下(xia)在(zai)真(zhen)空干燥(zao)箱中干燥(zao)30分鐘，以去除多(duo)余的(de)(de)水分。對于濕膜(mo)(mo)測(ce)試(shi)，薄膜(mo)(mo)樣品(pin)在(zai)去離子水中浸(jin)泡(pao)30分鐘以確保潤濕薄膜(mo)(mo)。樣品(pin)使用質(zhi)構(gou)儀（TA.TOUCH，上(shang)海保圣）以拉(la)伸速(su)度為0.01 mm/s進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。顯示的(de)(de)數據代表在(zai)相同組成的(de)(de)同一樣品(pin)上(shang)進(jin)行(xing)的(de)(de)三次(ci)或更多(duo)次(ci)測(ce)量的(de)(de)平(ping)均值和標準(zhun)偏差。

三、實驗結果

1.機械(xie)性(xing)能分析

圖（a）HMP?Br薄膜舉重實驗照片。（b）HMP?Br和(he)聚(ju)（HPC-MA）（HM）薄膜拉(la)伸應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)-應(ying)(ying)(ying)變曲(qu)線的比較。（c）雷達圖顯示了HMP?Br和(he)HM薄膜在(zai)潮濕或干燥條件下(xia)的密度、拉(la)伸應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)、拉(la)伸應(ying)(ying)(ying)變、比拉(la)伸應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)，楊氏模量和(he)韌性的比較。（d）比較HMP?Br、HMP?Bip、HMP?CF3和(he)聚(ju)（HPC-MA）（HM）膜拉(la)伸應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)-應(ying)(ying)(ying)變曲(qu)線。

圖a顯示了(le)矩形HMP?Br薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)，該薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)長40 mm，寬4 mm，厚度約(yue)250 μm，成功承(cheng)受了(le)500 g的(de)(de)(de)重量，相當于其重量的(de)(de)(de)1033倍。聚(ju)（HPC-MA）（HM）和HMP?Br薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)機(ji)械拉伸性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)如圖b所示。此外，HMP?Br膜(mo)(mo)(mo)(mo)在(zai)與PA-Br組(zu)(zu)分共組(zu)(zu)裝后表現出(chu)強的(de)(de)(de)韌性(xing)(xing)(xing)。這種增強在(zai)薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)極限(xian)強度（HMP?Br薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)為17.5±3.4 MPa，HM薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)為15.7±2.3 MPa）和應(ying)變(bian)（HMP–Br薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)7.8±2.1%，HM薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)6.9±1.3%）中(zhong)表現得(de)很明(ming)顯。在(zai)HMP?Br薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)在(zai)應(ying)力(li)應(ying)變(bian)曲線(xian)中(zhong)計算得(de)到高達0.9 MJ/m3下的(de)(de)(de)韌性(xing)(xing)(xing)，此外，還評(ping)估了(le)潤濕對(dui)HM和HMP?Br薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)機(ji)械性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)影響，結(jie)果總結(jie)在(zai)圖c中(zhong)。盡(jin)管(guan)HMP材料表現出(chu)吸濕趨勢，導致強度下降，但它(ta)們保持了(le)結(jie)構完整性(xing)(xing)(xing)，并表現出(chu)更大的(de)(de)(de)應(ying)變(bian)。這些優異(yi)的(de)(de)(de)機(ji)械性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)也延伸到HPC和其他PA衍生(sheng)物的(de)(de)(de)復合膜(mo)(mo)(mo)(mo)（圖d）。這些研究證明(ming)了(le)HMP薄(bo)(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)體(ti)系(xi)具有(you)優異(yi)的(de)(de)(de)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)，即使在(zai)潮濕的(de)(de)(de)環境中(zhong)也能(neng)(neng)表現出(chu)優異(yi)的(de)(de)(de)機(ji)械性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，為材料的(de)(de)(de)耐用性(xing)(xing)(xing)提供了(le)必要條(tiao)件(jian)。