废弃棉源纤维素纳米晶湿度响应结构色薄膜的可控制备与应用研究

研究人员针对废弃棉织物高值化利用和湿度可视化监测需求，通过硫酸酸解调控纤维素纳米晶(CNCs)长径比(30至17)，成功制备出自组装结构色薄膜。该材料在11%-97%湿度区间呈现475-693 nm衍射峰位移的完全可逆蓝-红变色效应，为智能包装和防伪领域提供了无源光学传感器解决方案。

　　

在全球每年约27%的纺织纤维产量来自棉花的背景下，仅有15%的废弃棉织物得到回收利用，大量废弃物通过填埋或焚烧处理，不仅造成资源浪费还加剧环境压力。棉花纤维高达90%的纤维素含量使其成为制备纤维素纳米晶(CNCs)的理想原料，而CNCs因其独特的自组装特性、生物可降解性和光学各向异性，在智能传感领域展现出巨大潜力。然而，传统CNCs制备方法存在长径比控制精度不足、湿度响应灵敏度低等问题，制约着其在实时湿度监测中的应用。

江南大学研究人员在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地采用硫酸酸解法从废弃棉中提取CNCs，通过精确调控酸解时间(30-90分钟)实现长径比从30到17的系统调控。研究发现不同长径比CNCs自组装形成的光子晶体薄膜呈现显著差异的结构色：长径比~30时产生红色薄膜(衍射峰693 nm)，~17时形成蓝色薄膜(475 nm)。这些薄膜在11%-97%相对湿度范围内表现出完全可逆的色彩变化，无需外部能源即可将湿度变化转化为肉眼可辨的光学信号。

关键技术包括：硫酸酸解法提取CNCs（原料为实验室废弃棉）、超声辅助自组装成膜、紫外-可见光谱分析光学特性。通过系统研究CNC17质量分数对薄膜颜色的影响，发现10%-90%浓度梯度可对应红-黄-绿-蓝全色谱变化。

【Preparation of CNCs with different aspect ratios】
通过控制酸解时间制备不同长径比CNCs，90分钟酸解获得的CNC17比30分钟处理的CNC30长径比降低43%，这种尺寸调控显著改变了自组装行为。

【Conclusion】
研究证实CNCs长径比与自组装薄膜的结构色存在直接关联，通过精确控制酸解参数可实现湿度响应颜色的程序化设计。该技术不仅为废弃棉的高值化利用开辟新途径，其制备的无源光学传感器在食品/药品湿度监测领域具有重要应用价值。

该研究的创新性体现在三个方面：首次建立废弃棉源CNCs长径比-光学特性的定量关系；开发出全湿度范围响应的结构色薄膜；实现从废弃物到高端功能材料的转化。由Chaoxia Wang团队完成的这项工作，为纺织废弃物资源化提供了示范案例，其提出的"废弃物-功能材料-智能传感"技术路线，对推动循环经济发展具有启示意义。