以生物质多糖微球为模板的反蛋白石生色材料的构建与性能

A number of problems concerning organic chromogenic conjugated system are required to solve, which include over many structures, long production process, serious safety and environmental issues in production and application of many dyes, as well as unsatisfactory fastness properties of some of them. However, structural color materials have no such disadvantages because structural color is not aroused by organic conjugated system. This project designs to manufacture inverse opal structural color materials using biomass polysaccharide microspheres as templates and materials with adjustable refractive index, toughness and tensile properties as fillings. It aims to (1) study the biomass template materials and manufacture of their uniform microspheres, and the programs of opal structure assembly and removal of the template by enzymolysis for ensuring stable and highly ordered inverse opal structure; (2) design and develop metal-crosslinked space network polymeric fillings with adjustable properties; (3) prepare stable inverse opal structural color material with adjustable color, thickness, toughness and tensile properties; (4) investigate the relationship between the dielectric constant, refractive index, structure, thickness and color of the materials; and (5) study the application feasibility of inverse opal structural color materials as coloring and display materials, to provide a theoretical basis and technical feasibility for structural color materials as new chemical materials..Keywords: inverse opal; structural color materials; polysaccharide microsphere template; enzymolysis; metal-crosslinked space network polymeric

有机发色体系结构众多，生产流程长，很多染料生产和使用的安全环境问题、还有一些染料的牢度性能等都需要逐个解决。结构生色材料不使用有机共轭体系，因而不存在相应的问题。本项目拟设计制造出以生物质多糖微球为模板、以折射率、韧性及抗张力性能可调控的填充材料制造反蛋白石生色材料，(1) 研究生物质模板材料及均匀微球制造、蛋白石结构组装和酶解去除模板方案，以保证反蛋白石结构规整和稳定；(2) 设计开发出性能可调控的金属离子交联网络高分子填充材料；(3) 制备出颜色、厚度、韧性和抗张力性能可调的结构稳定的反蛋白石生色材料；(4) 研究该材料的介电常数、折射率、结构、厚度等与颜色的关系；(5) 研究反蛋白石结构作为着色材料、显示材料等应用的可行性，为结构生色材料作为化工新材料提供理论依据和技术可行性。

按照研究目标和研究内容，全面完成了项目研究工作。具体内容如下。. 本项目以生物质淀粉为原料，（1）开发出高取代度乙酰化淀粉和三甲基硅基淀粉醚。成功开发出两步法制备100 nm至1400 nm的淀粉乙酸酯纳米球和单分散乙基纤维素纳米球，PDI≤0.05，并完成了十倍量的稳定放大制备，具有操作简便，低成本和环境友好的特点。（2）利用空心球为模板制备闭孔反蛋白石结构的纤维素结构色薄膜；研制出金属离子交联高分子反蛋白石填充材料，羟丙基甲基纤维素增强的锌离子络合聚丙烯酸基复合填充材料，均具有抗拉伸结构色稳定等性能。（3）利用加热自组装方法组装出生物质多糖微球三维和二维光子晶体，组装出乙基纤维素微球三维和二位光子晶体；研究了水汽界面大规模构建光子晶体结构阵列技术，纤维表面大面积印花技术。（4）研制出羟丙基甲基纤维素增强、抗拉伸锌离子络合聚丙烯酸基复合弹性体色膜等，预计在包装和装饰中具有应用价值；大面积聚丙烯酸酯类光子晶体(PC)膜可作为水写显色材料；浸润性可控的双响应双层光子晶体扩展了隐形信息编码模式的设计方法；响应透明化的双层逆异质结构光子晶体提供了由乙醇或水激发的信息可逆加密和解密、同时提供了一种简单而敏感的光学技术；利用由两种不同厚度的反蛋白石组成的双分子层光子晶体可以制备出具有全可见光谱的周期旋转光开关。. 本项研究的科学意义为结构生色材料作为化工新材料提供理论依据和技术可行性。. 项目执行期间举办国际学术研讨会和国内学术研讨会各一次；发表论文121篇，其中标注为第一资助号的文章31篇；发表在Adv. Functional Materials 的文章（2019, 29, 1906799）同时被Materials Views China和高分子科学前沿报道。共申请中国发明专利11项，PCT专利1项；已授权中国发明专利2项。培养博士生10位，硕士生6位，其中毕业博士3人，硕士4人。