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西南林大徐開(kāi)蒙/國(guó)際竹藤中心鐘土華 Carbohyd. Polym.：制備具有可調(diào)透明度和霧度的多尺度纖維素基光學(xué)管理膜
2024-10-24  來(lái)源：高分子科技

  在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，隨著環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提升，生物質(zhì)材料逐漸成為替代傳統(tǒng)石化材料的熱門(mén)選擇，尤其在高分子材料的研究中，如何利用生物質(zhì)資源來(lái)制備具有優(yōu)異光學(xué)和機(jī)械性能的材料，一直是研究的焦點(diǎn)。光學(xué)管理薄膜作為一種關(guān)鍵材料，在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、太陽(yáng)能電池、觸摸屏電極、光學(xué)傳感器以及節(jié)能建筑等眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)管理薄膜多使用不可生物降解且不可再生的石油基聚合物或厚重易碎的玻璃作為基底，不僅高能耗，而且對(duì)環(huán)境造成污染。因此，尋找一種可再生、環(huán)境友好且性能優(yōu)異的材料來(lái)制備光學(xué)管理薄膜，成為當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的一大難題。


  近日，西南林業(yè)大學(xué)徐開(kāi)蒙教授和國(guó)際竹藤中心鐘土華副研究員合作，以巨龍竹薄壁細(xì)胞（PC）和竹纖維（BF）為原料，采用高強(qiáng)度超聲、高速攪拌和微射流均質(zhì)3種方法，對(duì)竹材不同成分進(jìn)行琥珀酸酯化和機(jī)械解纖化處理，獲得具有可調(diào)霧度、抗眩光性、可持續(xù)多尺度的微/納米纖維素光學(xué)管理膜（圖1）。


圖1 各種機(jī)械解纖的機(jī)理及其對(duì)MNC薄膜光學(xué)性能的影響


  通過(guò)調(diào)整微/納米纖維素的比例，獲得具有可調(diào)霧度的可持續(xù)多尺度光學(xué)管理膜。通過(guò)化學(xué)分析和XRD測(cè)量，研究了PC和BF在處理前后的化學(xué)組成和結(jié)晶度變化。結(jié)果表明，處理后的纖維素含量顯著增加，木質(zhì)素幾乎完全去除，并且BF的結(jié)晶度和平均聚合度高于PC。此外，通過(guò)觀察了微/納米纖維素的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，PC的微尺度纖維素表現(xiàn)為薄壁顆粒或塊狀結(jié)構(gòu)，而BF則呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)和結(jié)節(jié)狀的纖維。兩者的納米尺度纖維素直徑均較。▓D2）。


圖2 漂白和酯化后BF和PC的化學(xué)和形貌表征


  AFM圖像顯示，與微米級(jí)纖維素相比，所有納米級(jí)纖維素均呈現(xiàn)出長(zhǎng)、窄且柔性良好的納米纖絲形態(tài)。經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度超聲破碎、高速攪拌和微流化均質(zhì)處理后，PC基和BF基納米纖維素的平均粒徑分別為2.13nm、2.11nm、1.73nm，以及2.26nm、2.08nm和1.80nm。微流化在高壓小通道下的強(qiáng)剪切力有助于納米解纖，形成高長(zhǎng)徑比的納米纖維。結(jié)果顯示，PC在相同工藝條件下解纖更為徹底，生成的纖維素尺寸更。▓D3）。


圖3 微米纖維素的光學(xué)和偏光學(xué)顯微照片和納米纖維素的AFM圖像


  霧度的可控性是本研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。因此，利用國(guó)際竹藤中心的標(biāo)志對(duì)不同處理方式下的膜進(jìn)行了測(cè)試。微射流均質(zhì)法制備的PC-MNC-M和BF-MNC-M薄膜具有良好的透明性，最高透光率為89.5%，最低霧度分別為32.0%和41.3%。超聲法制備的PC-MNC-U和BF-MNC-U薄膜的透過(guò)率最低，分別為84.8%和81.3%，霧度最高，分別為88.4%和96.7%。PC-MNC-B和BF-MNC-B膜的這兩個(gè)參數(shù)處于中等水平，從中說(shuō)明微射流均質(zhì)法是最佳的處理方式（圖4）。


圖4 不同處理方式下的霧度測(cè)試


  LED光源對(duì)MNC膜進(jìn)行了防眩光效果測(cè)試。未覆蓋膜的LED光透射清晰，對(duì)照膜幾乎無(wú)散射。微射流均質(zhì)法制備的PC-MNC-M和BF-MNC-M膜因微米級(jí)纖維素含量低，霧度較低，防眩效果有限。相比之下，高速攪拌和高強(qiáng)度超聲處理的散射膜覆蓋下，LED光變得均勻柔和，顯示出最佳防眩效果。隨著角度增加，BF-MNC-U膜保持較高透光率和廣泛的光分布，微米級(jí)纖維素比例達(dá)79.7%，霧度最高達(dá)96.7%，展現(xiàn)出更高的防眩能力。高強(qiáng)度超聲法處理產(chǎn)生更高的納米纖維比例，增強(qiáng)了光散射和霧度（圖5）。


圖5 防眩光性能測(cè)試


  通過(guò)調(diào)整纖維素的尺寸和分布，可以有效地調(diào)控MNC薄膜的光學(xué)性能，包括透明度和霧度。這些薄膜在LED光源上的抗眩光效果測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)高速攪拌和超聲處理的BF-MNC薄膜展現(xiàn)了最佳的抗眩光效果。此外，與其它來(lái)源的纖維素光學(xué)管理薄膜相比，本研究所制備的竹基MNC薄膜在透明度和霧度方面具有競(jìng)爭(zhēng)力，這表明竹材是一種有潛力的生物基材料來(lái)源，可用于制備光學(xué)管理薄膜。


  以上研究成果近期以“Multiscale cellulose-based optical management films with tunable transparency and haze fabricated by different bamboo components and mechanical defibrillation approaches”為題發(fā)表在《Carbohydrate Polymers》期刊上。西南林大-國(guó)際竹藤中心聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生陳宇為論文的第一作者，西南林大徐開(kāi)蒙教授和國(guó)際竹藤中心鐘土華副研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際竹藤中心基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金、云南省農(nóng)業(yè)聯(lián)合研究重點(diǎn)項(xiàng)目、云南省基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目和云南省高層次人才支持計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目等的資助。近年來(lái)，西南林大生物質(zhì)基功能復(fù)合材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)主要圍繞竹木基微納米纖維分離與改性、纖維素/殼聚糖基微納米纖維對(duì)污染物的熒光探測(cè)、吸附、催化等環(huán)境功能材料開(kāi)展相關(guān)研究，徐開(kāi)蒙教授以第一及通訊作者在《Nano-Micro Lett》《Chem Eng J》《Adv Compos Hybrid Mater》《Compos Part B: Eng》《Carbohydr Polym》《Compos Sci Technol》《Int J Biolog Macro》等發(fā)表SCI論文50余篇，一區(qū)TOP19篇，以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利12項(xiàng)，以第一著者在化學(xué)工業(yè)出版社、云南科技出版社和英國(guó)IntechOpen出版社等出版中英文著作（章）6部（項(xiàng)），以第一指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生獲中國(guó)大學(xué)生國(guó)際創(chuàng)新大賽銀獎(jiǎng)、全國(guó)節(jié)能減排大賽一等獎(jiǎng)、全國(guó)金相技能大賽二等獎(jiǎng)、挑戰(zhàn)杯中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽銅獎(jiǎng)等國(guó)家級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)，省級(jí)金獎(jiǎng)5項(xiàng)，銀銅獎(jiǎng)多項(xiàng)。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861724010373

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