纤维素基防伪材料的制备及其性能研究

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纤维素是一种储量丰富的可再生天然聚合物,纳米纤维素作为其基本组成单元,具有优异的力学性能、独特的光学特性及良好的生物相容性等优势,在光学加密及防伪材料领域展现出极大的应用潜力。目前,基于纳米纤维素的防伪材料存在制备工艺对环境不友好、力学性能不佳、光学防伪功能过于局限等问题,这在极大程度上限制了其发展和应用。本论文通过不同的绿色工艺及材料体系制备了高性能的纤维素基防伪材料,不仅解决了上述问题,还展示了其作为光学加密器件及防伪功能材料的相关应用。主要研究内容如下:(1)采用界面聚电解质络合(IPC)纺丝法将纤维素纳米纤维(CNF)与Cd Te量子点进行有序组装,制备了纤维素基荧光纤维,系统的研究了不同荧光颜色的Cd Te量子点对纤维结构与性能的影响,并将纤维编织成荧光标签,探究其在隐藏织物及光学防伪材料领域的潜在应用。结果表明,荧光纤维具备高度的取向结构和优异的力学性能,其拉伸强度最高可达(761.52±8.31)MPa。由其制成的荧光标签在自然光下可以隐藏在白色纺织物中,经紫外灯照射后具有明显的光致发光现象,展现出良好的光学加密性能以及作为荧光防伪织物的应用潜力。(2)为拓宽纤维素基防伪材料的应用领域并提高其光学加密性能,采用蒸发诱导自组装(EISA)法得到具有旋光性结构色的纤维素纳米晶体(CNC)薄膜,并使用原位聚合法引入聚丙烯酸羟乙酯(PHEA)以提高CNC薄膜的韧性。通过调控PHEA的含量,探究其对薄膜的增韧机制以及结构色的演变规律。研究表明,PHEA的加入使薄膜的韧性得到了显著的提升,当CNC与PHEA的比例为1:1时,薄膜具有最高的断裂伸长率,可达到(12.62±0.58)%,与比例为1:0.1的薄膜相比提升了近10倍。此外,薄膜还可以反射左旋的圆偏振光而产生结构色,并随PHEA含量的增加从蓝绿色逐渐变为橙红色,有望用于颜色防伪材料及光学加密器件。(3)为进一步提高薄膜的光学加密性能,以CNC为主体,Cd Te量子点为客体,采用EISA法制备多色可调的圆偏振荧光(CPL)薄膜,并加入水性聚氨酯(WPU)在改善薄膜脆性的同时对紫外最大吸收波长进行调控,探究薄膜CPL信号的变化规律。研究证实,薄膜的最大吸收波长随WPU含量的增大而逐渐红移,当其与荧光发射波长相近时,薄膜的CPL信号最强。此外,Cd Te量子点的加入对薄膜结构和力学性能的影响较小。因此,所制备的纤维素基结构色/荧光薄膜具有良好的力学性能以及双重光学加密特性,为手性光学加密器件及防伪功能材料的研发提供了新的思路。
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