一、研究背景

羥丙基纖維素（HPC）是一種廣泛可獲得和生物相容的材料。它在水中自組裝成膽甾相，可以展示出生動、金屬感的結(jié)構(gòu)色。盡管HPC是一種具有吸引力的響應(yīng)性和低成本的光子材料，由于當(dāng)其溶解時反射的顏色僅在可見光范圍內(nèi)（在水中50-70 wt%的HPC），干燥時導(dǎo)致藍移到一個無色狀態(tài)，這使得材料加工成膜或涂層變得復(fù)雜。此外，由于HPC對各類溶劑具有溶解性，這些材料的光子結(jié)構(gòu)由于其高吸濕性和水溶性而與潮濕和液體環(huán)境不兼容，致使HPC衍生化材料無法在差的環(huán)境下維持材料完整性。如何解決高強度、韌性和生動反射顏色之間長期存在的困境，并伴隨協(xié)同刺激反應(yīng)，仍然是HPC材料面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了克服這些問題，使用化學(xué)交聯(lián)的方式固定HPC光子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在固體HPC中保留光子特征。同時，增加了材料在不同溶劑環(huán)境具備穩(wěn)定性以及應(yīng)用場景下的耐用性。化學(xué)交聯(lián)后的HPC衍生化材料同時還具有良好的機械柔韌性，使其具備更高的應(yīng)用潛力。

中科院化物所卿光焱研究員/武漢紡織大學(xué)張福生博士在《Advanced Materials》期刊（IF=29.4）上發(fā)表了題目為“Intense Left-handed Circularly Polarized Luminescence in Chiral Nematic Hydroxypropyl Cellulose Composite Films"的高水平論文。文章提出了羥丙基纖維素結(jié)合聚集誘導(dǎo)發(fā)光體共組裝，構(gòu)筑L-CPL的策略，獲得了大glum（+0.51）和高Φ（55.8%）的手性熒光薄膜。此外，該薄膜還展現(xiàn)柔韌性、耐溶劑性、結(jié)構(gòu)色可調(diào)性和多色L-CPL等綜合特性，可以作為耐用性和多模式的光學(xué)防偽標識印刷在織物上，即使經(jīng)過反復(fù)洗滌干燥，仍能保持光學(xué)穩(wěn)定性，還可以作為手性光源，實現(xiàn)相反L-CPL/R-CPL誘導(dǎo)不對稱光聚合反應(yīng)。

二、實驗方法

1.HPC圓偏振發(fā)光薄膜的制備

將20 g的羥丙基纖維素粉末分散在1000 ml去離子水中，添加80 ml甲基丙烯酸酐（MA）。以2 mL/min的速度向混合物中注入120 ml濃度為5 M的氫氧化鈉溶液。得到乳白色膠體沉淀。冷凍干燥后得到甲基丙烯酸化羥丙基纖維素（HPC-MA）。將17.5 mg的2-羥基-2-甲基-1-[4-(2-羥基乙氧基)苯基]-1-丙酮和17.5 mg N-（3-（苯基氨基）亞烯丙基）-4-溴苯胺鹽酸鹽固體粉末分散在3.2 g N,N–二甲基甲酰胺（DMF）中。然后分批加入6.8 gHPC-MA至前述DMF混合溶液中，得到HPC-MA含量為68wt%的HMP前驅(qū)液。在直徑為5 cm的聚四氟乙烯（PTFE）基底上滴入1 mL前驅(qū)液，將帶有前驅(qū)液的PTFE基底置于旋涂儀托臺以60 r/min的速度旋轉(zhuǎn)3分鐘。前驅(qū)液均勻成膜后，將薄膜和聚四氟乙烯基底一起放入2 ℃冰箱中，避光靜置15 min進行自組裝。最后，使用功率為5 w、波長為365 nm的紫外光對薄膜進行5 min的光交聯(lián)。室溫下自然風(fēng)干后即可得到結(jié)構(gòu)色為紅色的羥丙基纖維素圓偏振發(fā)光薄膜。

2.HPC薄膜拉伸性能測試

將薄膜樣品切成寬度為4毫米，長度為40毫米的長條。在進行干膜測試之前，樣品在40℃的溫度下在真空干燥箱中干燥30分鐘，以去除多余的水分。對于濕膜測試，薄膜樣品在去離子水中浸泡30分鐘以確保潤濕薄膜。樣品使用質(zhì)構(gòu)儀（TA.TOUCH，上海保圣）以拉伸速度為0.01 mm/s進行測試。顯示的數(shù)據(jù)代表在相同組成的同一樣品上進行的三次或更多次測量的平均值和標準偏差。

三、實驗結(jié)果

1.機械性能分析

圖（a）HMP?Br薄膜舉重實驗照片。（b）HMP?Br和聚（HPC-MA）（HM）薄膜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較。（c）雷達圖顯示了HMP?Br和HM薄膜在潮濕或干燥條件下的密度、拉伸應(yīng)力、拉伸應(yīng)變、比拉伸應(yīng)力，楊氏模量和韌性的比較。（d）比較HMP?Br、HMP?Bip、HMP?CF3和聚（HPC-MA）（HM）膜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖a顯示了矩形HMP?Br薄膜的彈性，該薄膜長40 mm，寬4 mm，厚度約250 μm，成功承受了500 g的重量，相當(dāng)于其重量的1033倍。聚（HPC-MA）（HM）和HMP?Br薄膜的機械拉伸性能如圖b所示。此外，HMP?Br膜在與PA-Br組分共組裝后表現(xiàn)出強的韌性。這種增強在薄膜的極限強度（HMP?Br薄膜為17.5±3.4 MPa，HM薄膜為15.7±2.3 MPa）和應(yīng)變（HMP–Br薄膜的7.8±2.1%，HM薄膜的6.9±1.3%）中表現(xiàn)得很明顯。在HMP?Br薄膜在應(yīng)力應(yīng)變曲線中計算得到高達0.9 MJ/m3下的韌性，此外，還評估了潤濕對HM和HMP?Br薄膜機械性能的影響，結(jié)果總結(jié)在圖c中。盡管HMP材料表現(xiàn)出吸濕趨勢，導(dǎo)致強度下降，但它們保持了結(jié)構(gòu)完整性，并表現(xiàn)出更大的應(yīng)變。這些優(yōu)異的機械性能也延伸到HPC和其他PA衍生物的復(fù)合膜（圖d）。這些研究證明了HMP薄膜體系具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，即使在潮濕的環(huán)境中也能表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，為材料的耐用性提供了必要條件。