本發(fā)明涉及智能納米材料，特別涉及一種mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料及其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、自然界是材料設(shè)計(jì)、制造的最佳靈感來源。許多先進(jìn)的人造材料都是通過復(fù)制或模仿自然界中的成分、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)來合成和制造的。結(jié)構(gòu)色是一種獨(dú)特的色彩，起源于光與物質(zhì)的周期性亞微米結(jié)構(gòu)之間的物理相互作用，具有優(yōu)異的顏色純度、亮度和不受光化學(xué)降解的能力。自然界存在許多種可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的光子晶體結(jié)構(gòu)，例如在一些動(dòng)物、植物的表面可以觀察到鮮艷的結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色是自然界生物中的一種普遍現(xiàn)象，廣泛存在于許多生命活動(dòng)中，包括生物的交流、偽裝和繁殖。特別是，許多生物采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制來改變其顏色以應(yīng)對(duì)各種外部刺激，這有助于它們?cè)谖ｋU(xiǎn)環(huán)境下偽裝自身以躲避天敵，或者在需要時(shí)發(fā)出警戒和求偶的信號(hào)。一個(gè)典型的例子是變色龍可以通過調(diào)節(jié)皮膚中三維光子晶體的晶格間距來迅速改變其皮膚顏色，從而實(shí)現(xiàn)視覺偽裝。又例如某些頭足類動(dòng)物和變色龍可以在瞬間使自己的顏色適應(yīng)周圍的背景、甲蟲根據(jù)環(huán)境的濕度改變自己的顏色、斑馬魚根據(jù)環(huán)境光線條件改變自己的外觀。受這些生物的啟發(fā)，越來越多的研究開始聚焦于開發(fā)具有刺激響應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)色材料，這種材料可以在受到外界刺激時(shí)改變自身顏色，在傳感器、顯示器、防偽、智能設(shè)備等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。然而，目前開發(fā)的智能變色材料存在初始顏色不可調(diào)、顏色飽和度低、變色響應(yīng)速度慢、變色響應(yīng)靈敏度低和顏色變化范圍窄等缺點(diǎn)。

2、作為一種典型的可持續(xù)生物質(zhì)材料，纖維素的年產(chǎn)量超過900億噸，是地球上最豐富的聚合物。在數(shù)目繁多的纖維素衍生物中，以纖維素納米晶和羥丙基纖維素等為代表的納米手性液晶材料能夠在一定條件下實(shí)現(xiàn)自組裝產(chǎn)生具有結(jié)構(gòu)色的膽甾相(也稱為手性向列相)液晶結(jié)構(gòu)。由于具有環(huán)境友好、成本低、來源廣泛、組裝條件溫和、顏色可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，纖維素手性液晶也成為制備仿生智能變色材料的理想原料。mxene二維納米材料代表了一個(gè)大型二維早期過渡金屬碳化物或氮化物家族，其具有大的比表面積、優(yōu)異的強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和高光熱轉(zhuǎn)化效率。將納米纖維素液晶與mxene二維納米材料復(fù)合有望制備具有優(yōu)異變色特性的智能變色材料。然而，目前基于納米纖維素液晶和mxene的復(fù)合材料還未見報(bào)道。mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料有望應(yīng)用于3d打印、食品、生物醫(yī)用、防偽、顯示器、傳感器、軟體機(jī)器人、可穿戴電子產(chǎn)品和器官芯片等重要領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料。

2、本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料的制備方法。本發(fā)明還提供了一種mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料在3d打印、智能傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：

4、一種mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料，包括具有自組裝結(jié)構(gòu)的納米纖維素液晶和mxene二維納米片。

5、在上述技術(shù)方案中，mxene二維納米片與納米纖維素液晶的質(zhì)量比1:100000～1:10。

6、一種mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料的制備方法，包括以下步驟：

7、步驟1：納米纖維素液晶在溶劑中的自組裝

8、制備具有自組裝能力的納米纖維素液晶基本單元，選取目標(biāo)溶劑，將納米纖維素液晶基本單元與目標(biāo)溶劑混合均勻，得到具有自組裝結(jié)構(gòu)的納米纖維素液晶；

9、步驟2：mxene二維納米片在溶劑中的分散

10、制備具有高導(dǎo)電性、高光熱轉(zhuǎn)化效率的mxene二維納米片，選取目標(biāo)溶劑，將mxene納米片與目標(biāo)溶劑混合均勻，得到mxene二維納米片分散液；

11、步驟3：納米纖維素液晶與mxene二維納米片分散液的混合

12、將步驟1制備的納米纖維素液晶與步驟2制備的mxene二維納米片分散液均勻混合，得到mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料。

13、在上述技術(shù)方案中，步驟1中，具有自組裝能力的納米纖維素液晶基本單元通過以下步驟制備：通過物理方法去除天然纖維素的無定形區(qū)保留結(jié)晶區(qū)域，或者將天然纖維素在堿處理后與醚化試劑發(fā)生醚化反應(yīng)制備具有自組裝能力的納米纖維素液晶基本單元；

14、所述物理方法選自酸水解法、酶水解法、生物合成法、氧化法或離子液體法中的一種或幾種；

15、所述醚化試劑包括但不限于環(huán)氧丙烷。

16、在上述技術(shù)方案中，步驟1中所述制備納米纖維素液晶的天然纖維素原料選自棉花、木漿粕、竹子漿粕或農(nóng)林木質(zhì)纖維素廢棄物中分離的植物纖維素的一種或幾種，優(yōu)選自微晶纖維素、α-纖維素；

17、步驟1中所述具有自組裝能力的納米纖維素液晶基本單元選自羥丙基纖維素或纖維素納米晶。

18、在上述技術(shù)方案中，步驟1和步驟2中目標(biāo)溶劑選自水、二甲基亞砜、乙二醇、二甲基甲酰胺、苯胺、甲酰胺、乙腈、甲苯、三氟乙酸、甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、乙醚、二氯甲烷、氯仿、環(huán)己烷的一種或幾種；

19、所述步驟1中納米纖維素液晶基本單元與目標(biāo)溶劑的質(zhì)量比為1:100～100:1；

20、所述步驟2中mxene二維納米片與目標(biāo)溶劑的質(zhì)量比為1:10000～1:0。

21、在上述技術(shù)方案中，步驟2中mxene二維納米片選自ti3c2tx、ti2ctx、ti4n3tx、ti3cntx、mo2tic2tx、nb2ctx、v2ctx中的一種或幾種。

22、在上述技術(shù)方案中，步驟3中所述納米纖維素液晶與mxene納米片分散液的質(zhì)量比為10:0～1:100000。

23、本發(fā)明的另一方面，還包括所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料在3d打印、生物醫(yī)用、人機(jī)交互和智能機(jī)器人等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

24、在上述技術(shù)方案中，所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料，其智能感知變色過程如下：

25、將mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料置于干凈的載玻片上，靜置15分鐘使其充分自組裝以產(chǎn)生靚麗的結(jié)構(gòu)色。然后將其置于高低溫箱內(nèi)，設(shè)置程序升溫步驟，隨著溫度的升高，mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料的反射光譜峰值逐漸紅移，mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料的顏色發(fā)生明顯變化。在外界電場(chǎng)變化、磁場(chǎng)變化、施加光照和應(yīng)力等情況下，mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料也具有類似的變色效果。

26、在上述技術(shù)方案中，所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料發(fā)生顏色變化的溫度范圍為-100℃～300℃；

27、所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料發(fā)生顏色變化的電場(chǎng)范圍為0.1v/m～200kv/m；

28、所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料發(fā)生顏色變化的磁場(chǎng)范圍為0.2mg～20g；

29、所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料發(fā)生顏色變化的光源為全光譜的白光或者波長(zhǎng)范圍為800～1200nm波段的光，光強(qiáng)為20mw/cm2～1w/cm2；

30、所述mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料發(fā)生顏色變化的外界應(yīng)力范圍為0.01pa～10mpa。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

32、1)本發(fā)明提供的mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料自身初始顏色能夠在可見光譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，也可以是透明的或者黑色的，其初始顏色、顏色飽和度、變色響應(yīng)速度、變色響應(yīng)靈敏度和顏色變化范圍可以通過改變復(fù)合墨水中mxene二維納米片和納米纖維素液晶組分的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，該材料有望在3d打印、智能傳感、生物醫(yī)用、人機(jī)交互和智能機(jī)器人等領(lǐng)域獲得應(yīng)用；

33、2)本發(fā)明將mxene二維納米片與納米纖維素液晶相復(fù)合，mxene二維納米片可以作為寬帶吸收劑和黑色基底顯著提高納米纖維素液晶結(jié)構(gòu)色的飽和度，同時(shí)mxene所具有的二維納米片形貌、高光熱轉(zhuǎn)化效率和高導(dǎo)電性賦予了智能變色材料靈活可調(diào)的初始顏色、變色響應(yīng)速度、變色響應(yīng)靈敏度和顏色變化范圍，基于納米纖維素液晶和mxene二維納米片的優(yōu)異特性，mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料具有對(duì)于環(huán)境溫度變化、電場(chǎng)變化、磁場(chǎng)變化、光照和外界施加應(yīng)力等多種刺激因素的顏色變化響應(yīng)；

34、3)本發(fā)明提供的mxene復(fù)合納米纖維素液晶智能變色材料具有形狀靈活可調(diào)、易于加工和貯存方便等優(yōu)勢(shì)，能夠在一定條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期貯存、靈活取用。