本发明属于功能膜材料的制备领域，具体涉及一种细菌纤维素液晶相虹彩膜及其制备方法与应用。
背景技术：
细菌纤维素(bc)是由葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接成的高分子聚合物，直径通常在30～80nm，长度可以达到几微米，长径比＞50，具有高纯度、高结晶度﹑高聚合度﹑高杨氏模量、纳米网络结构、生物可降解性以及可调控性等特点。因而它被作为一种新型纳米生物材料，广泛地应用于生物医药、传感器﹑光电材料、显示器件等领域。
手性材料作为一种新型功能材料，尤其是其特殊的光学性能及其潜在的应用，已经引了研究者的广泛关注。纤维素基手性材料以其丰富的来源、简单的合成工艺、特殊的光学性质﹑组装过程可调控性以及良好的稳定性等成为当前手性材料研究的热点。
纳米纤维素微晶在一定浓度的水溶液状态下，能够形成一种介于液体和晶态之间的有序液晶相，称为溶致手性向列型液晶相。纳米纤维素微晶的手性向列型液晶相结构可用于制备高强度、高模量和具有特殊光学性质的薄膜材料，也可以作为一种优良的模板制备含手性结构的多孔纳米材料，在手性催化、手性分离、催化剂载体以及传感器等领域具有潜在的应用价值。近年来，纳米纤维素微晶手性结构的调控和纳米纤维素微晶基手性材料研制、应用备受关注。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法。
本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制备得到的细菌纤维素液晶相虹彩膜。
本发明的再一目的在于提供上述细菌纤维素液晶相虹彩膜的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，包括以下操作步骤：
(1)细菌纤维素的酸水解：将细菌纤维素打散，然后称取绝干细菌纤维素与64wt％硫酸溶液混合均匀，然后再加入羟丙基瓜尔胶(hpg)，反应，得到胶体状的溶液；
所述的绝干细菌纤维素、64wt％硫酸溶液、羟丙基瓜尔胶(hpg)的比例为8～12g：100～120ml：8～10g；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用10～12倍体积的去离子水稀释，然后进行离心处理收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，将其进行旋蒸浓缩及超声处理得到bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在培养皿中干燥，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
步骤(1)中所述的细菌纤维素是海南省某食品厂采用椰子水作为原料发酵合成的，食品级。
步骤(1)中所述的绝干细菌纤维素、64wt％硫酸溶液、羟丙基瓜尔胶(hpg)的比例为10g：100ml：8g。
步骤(1)中所述的反应温度为50～60℃，反应时间为40～50min。
步骤(2)中所述的离心处理，具体为：先在6000～8000rpm下离心处理10～15min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为12000～16000rpm，离心处理10～15min，收集上层悬浮液。
步骤(4)中所述的旋蒸温度为50～60℃，旋蒸压力为120～160mbar，旋转速率为30～40rpm，旋蒸时间为100～120min。
步骤(4)中所述的超声处理的条件为超声功率150～200w，温度控制在0～10℃，处理时间15～20min。
步骤(4)中所述的bc微晶悬浮液浓度优选为2.0wt％～3.0wt％。
步骤(5)所述的干燥优选为自然干燥，温度优选为30℃，时间为48小时。
步骤(5)所述的培养皿材质优选为聚苯乙烯，直径为6cm。
一种细菌纤维素液晶相虹彩膜，通过上述制备方法制备得到。
所述的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：200～600nm；杨氏模量：50～80mpa；螺旋节距：310～396nm。
所述的细菌纤维素液晶虹彩膜在液晶彩色玻璃中的应用。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用椰子水作为原料发酵生成的食品级细菌纤维素，具有来源广，成本低廉的优势，是一个低能耗的绿色过程，适宜于工业化的量产。
(2)本发明在细菌纤维素水相体系中添加羟丙基瓜尔胶，这是一种环保廉价的多糖，能够加强bc微晶胶状溶液的凝胶化作用，对bc微晶手性结构能起到调控效果，得到的细菌纤维素液晶相虹彩膜性能优越，可作为功能膜材料应用于液晶彩色玻璃领域。
(3)本发明采用低强度超声波低温分散处理，这是一种绿色环保的物理手段，在很温和的低温超声环境中，利用超声的能量通过剪切力和空腔化效应转移到葡聚糖链，促进无定形结构转变为晶体形态。
(4)本发明成膜的制备工艺条件简单可控，易操作，重复性好。
附图说明
图1是本发明实施例6制得的细菌纤维素液晶相虹彩膜的外观形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中使用的细菌纤维素(食品级)购于海南省某食品厂，其它试剂药品均可从市场购买或按照现有技术方法制得。
实施例1
本实施例的一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)细菌纤维素的酸水解：将采用椰子水发酵合成的食品级细菌纤维素先用分散机打散，然后称取8g绝干与100ml64wt％硫酸溶液在不断搅拌的条件下混合均匀，然后再加入8g羟丙基瓜尔胶(hpg)，在50℃水浴下反应40min，得到胶体状的溶液；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用10倍体积的去离子水稀释，然后先在6000rpm下离心处理10min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为12000rpm，离心处理10min，收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析三天，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，先将其进行旋蒸浓缩：旋蒸温度为50℃，旋蒸压力为120mbar，旋转速率为30rpm，旋蒸100min；接着在超声波功率为150w下超声处理15min，温度控制在0℃，得到2.0wt％浓度的bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，在30℃条件下自然干燥48小时，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
本实施例的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：200～498nm；杨氏模量：52mpa；螺旋节距：310nm。
实施例2
本实施例的一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)细菌纤维素的酸水解：将采用椰子水发酵合成的食品级细菌纤维素先用分散机打散，然后称取10g绝干与100ml64wt％硫酸溶液在不断搅拌的条件下混合均匀，然后再加入9g羟丙基瓜尔胶(hpg)，在50℃水浴下反应45min，得到胶体状的溶液；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用11倍体积的去离子水稀释，然后先在6000rpm下离心处理15min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为12000rpm，离心处理15min，收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析三天，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，先将其进行旋蒸浓缩：旋蒸温度为50℃，旋蒸压力为140mbar，旋转速率为30rpm，旋蒸100min；接着在超声波功率为150w下超声处理20min，温度控制在5℃，得到2.0wt％浓度的bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，在30℃条件下自然干燥48小时，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
本实施例的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：211～537nm；杨氏模量：61mpa；螺旋节距：332nm。
实施例3
本实施例的一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)细菌纤维素的酸水解：将采用椰子水发酵合成的食品级细菌纤维素先用分散机打散，然后称取12g绝干与110ml64wt％硫酸溶液在不断搅拌的条件下混合均匀，然后再加入10g羟丙基瓜尔胶(hpg)，在55℃水浴下反应40min，得到胶体状的溶液；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用12倍体积的去离子水稀释，然后先在7000rpm下离心处理10min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为14000rpm，离心处理10min，收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析三天，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，先将其进行旋蒸浓缩：旋蒸温度为55℃，旋蒸压力为120mbar，旋转速率为40rpm，旋蒸100min；接着在超声波功率为200w下超声处理15min，温度控制在0℃，得到2.5wt％浓度的bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，在30℃条件下自然干燥48小时，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
本实施例的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：324～600nm；杨氏模量：73mpa；螺旋节距：365nm。
实施例4
本实施例的一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)细菌纤维素的酸水解：将采用椰子水发酵合成的食品级细菌纤维素先用分散机打散，然后称取12g绝干与120ml64wt％硫酸溶液在不断搅拌的条件下混合均匀，然后再加入10g羟丙基瓜尔胶(hpg)，在60℃水浴下反应45min，得到胶体状的溶液；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用11倍体积的去离子水稀释，然后先在7000rpm下离心处理15min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为14000rpm，离心处理15min，收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析三天，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，先将其进行旋蒸浓缩：旋蒸温度为60℃，旋蒸压力为140mbar，旋转速率为30rpm，旋蒸110min；接着在超声波功率为150w下超声处理20min，温度控制在10℃，得到3.0wt％浓度的bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，在30℃条件下自然干燥48小时，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
本实施例的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：226～476nm；杨氏模量：50mpa；螺旋节距：347nm。
实施例5
本实施例的一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)细菌纤维素的酸水解：将采用椰子水发酵合成的食品级细菌纤维素先用分散机打散，然后称取10g绝干与110ml64wt％硫酸溶液在不断搅拌的条件下混合均匀，然后再加入9g羟丙基瓜尔胶(hpg)，在55℃水浴下反应50min，得到胶体状的溶液；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用10倍体积的去离子水稀释，然后先在8000rpm下离心处理10min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为16000rpm，离心处理10min，收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析三天，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，先将其进行旋蒸浓缩：旋蒸温度为55℃，旋蒸压力为160mbar，旋转速率为40rpm，旋蒸120min；接着在超声波功率为200w下超声处理20min，温度控制在5℃，得到2.5wt％浓度的bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，在30℃条件下自然干燥48小时，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
本实施例的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：314～583nm；杨氏模量：72mpa；螺旋节距：396nm。
实施例6
本实施例的一种细菌纤维素液晶相虹彩膜的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)细菌纤维素的酸水解：将采用椰子水发酵合成的食品级细菌纤维素先用分散机打散，然后称取10g绝干与100ml64wt％硫酸溶液在不断搅拌的条件下混合均匀，然后再加入8g羟丙基瓜尔胶(hpg)，在50℃水浴下反应50min，得到胶体状的溶液；
(2)离心除酸：将步骤(1)得到的胶体状的溶液用12倍体积的去离子水稀释，然后先在8000rpm下离心处理15min，重复离心三次去除上层溶液，收集下层沉淀物，从第四次开始离心速度调整为16000rpm，离心处理15min，收集上层悬浮液；
(3)透析去杂：将步骤(2)收集的悬浮液放入分子量为12000～14000的透析袋中用去离子水透析三天，直至透析液的ph值恒定；
(4)旋蒸浓缩：收集步骤(3)中透析袋内的溶液，先将其进行旋蒸浓缩：旋蒸温度为50℃，旋蒸压力为160mbar，旋转速率为40rpm，旋蒸110min；接着在超声波功率为150w下超声处理20min，温度控制在5℃，得到2.5wt％浓度的bc微晶悬浮液；
(5)干燥成膜：将步骤(4)中得到的bc微晶悬浮液放在直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，在30℃条件下自然干燥48小时，得到细菌纤维素液晶相虹彩膜，冷藏待用。
本实施例的细菌纤维素液晶相虹彩膜的性能指标：纤维长度：336～582nm；杨氏模量：80mpa；螺旋节距：375nm。
本实施例制得的细菌纤维素液晶相虹彩膜的外观形貌图，如图1所示。从图中可以观察到有序排列的多层状液晶相条纹，且具有特定左旋手性结构，光学性能较好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。