當(dāng)今，多功能材料的不斷發(fā)展，要求其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、優(yōu)異的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性，以及傳感和驅(qū)動(dòng)功能。一般來說，多功能材料在人造肌肉、傳感器、電子紡織品以及超級電容有應(yīng)用。纖維素納米纖維(CNFs)是地球上豐富的結(jié)構(gòu)元素，已被制成各種多功能材料，CNFs組裝的微纖維的楊氏模量達(dá)到80GPa。同時(shí)，CNFs不僅可以構(gòu)建具有優(yōu)異力學(xué)性能的宏觀材料，還可以作為分散劑來分散其他納米材料，進(jìn)一步開發(fā)成為高性能材料。一般來講，對高性能多功能材料的要求是改善有效協(xié)同作用。單壁碳納米管（SWNTs）由于其優(yōu)異的力學(xué)性能（軸向方向1.0TPa的楊氏模量）和電導(dǎo)率（10⁶ S/cm），在許多應(yīng)用中是一個(gè)合適的選擇。

不同于SWNTs的聚集傾向和相對較弱的管間相互作用，CNFs可以明顯降低SWNTs的聚集，同時(shí)促進(jìn)界面的穩(wěn)定性。相比之下，用SWNTs紡制的纖維具有124MPa的機(jī)械強(qiáng)度，和100S/cm的電導(dǎo)率，低于CNF/SWNT纖維（43 wt%的SWNT含量）。后者的強(qiáng)度約220Mpa，電導(dǎo)率是207S/cm。此外，獨(dú)特的一維(1D)宏觀結(jié)構(gòu)可以讓CNFs和SWNTs雙重對齊，有助于提高整體性能。CNFs和SWNTs的良好排列可以使微管間的活性連接致密化，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。

然而，用CNFs和SWNTs制造工藝完整的復(fù)合材料在技術(shù)上是困難的。有人通過超聲波處理，在低濃度CNF懸浮液（約0.1 wt%）中分散SWNTs，但是很少有人研究在高濃度CNF懸浮液（約1 wt%）中分散SWNTs。我們通過TRILOS三輥研磨和濕紡紡絲，采用無表面活性劑、可擴(kuò)展、高效的工藝，不僅可以直接構(gòu)建包裹SWNTs的納米纖維素網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的單向連接，從而獲得高性能的結(jié)構(gòu)材料。

實(shí)驗(yàn)過程

1.    CNF懸浮液的制備。用漂白木纖維制備CNF懸浮液，纖維素的含量>90%。木漿纖維由TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）進(jìn)行化學(xué)處理。首先，用機(jī)械攪拌，將5g纖維素漿懸浮在500ml水中10分鐘。然后，將TEMPO（90 mg）和溴化鈉（500 mg）加入纖維素漿。隨后，將次氯酸鈉（NaClO）（30 g）逐滴添加到劇烈攪拌的纖維素漿中。加入0.1 M氫氧化鈉（NaOH）溶液，使懸浮液的pH值保持恒定為10，直到pH沒有變化。化學(xué)預(yù)處理后，用去離子水清洗紙漿纖維至少五次。采用高壓均質(zhì)機(jī)處理三次后，得到濃度為1wt%的懸浮液。

2.    碳納米管的分散。將SWNT粉末超聲分散到CNF懸浮液中10分鐘，然后使用。TRILOS TR80A三輥機(jī)，通過將間隙從10μm控制到1μm，研磨20分鐘來進(jìn)一步分散。利用了相鄰旋轉(zhuǎn)輥間的高強(qiáng)度應(yīng)力，以及間隙的逐漸減小，分散SWNT到濃度為1wt%的CNF懸浮液中，獲得CNF/SWNT懸浮液。

TRILOS公司介紹

TRILOS（太能思）是精密設(shè)備制造商，視客戶滿意為終極目標(biāo)，力求將良好的工藝技術(shù)結(jié)合客戶的需求，設(shè)計(jì)出貼近客戶需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

太能思正在積極開拓市場，目前產(chǎn)品已經(jīng)在美國、中國、歐洲、韓國、日本和臺灣等地區(qū)獲得廣泛應(yīng)用。

TRILOS三輥機(jī)優(yōu)點(diǎn)：

① TRILOS三輥機(jī)采用一次循環(huán)，有可能完全實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的均質(zhì)化與分散，減少顆粒尺寸，打破團(tuán)聚粒子。其結(jié)果是均質(zhì)化的漿料，可為物料的進(jìn)一步加工打下基礎(chǔ)。

② 可用觸摸屏實(shí)現(xiàn)每個(gè)輥間距離調(diào)節(jié)，確保輥?zhàn)悠叫卸取椥詮埦o的刮刀插口確保刮刀恒壓，在操作過程中不需要重新調(diào)節(jié)。

③ 不同材質(zhì)的輥?zhàn)佣伎梢允褂茫佔(zhàn)蛹肮蔚恫馁|(zhì)的選擇-從不銹鋼到氧化鋁，碳化硅及氧化鋯-滿足各種不同需要。

④ 三輥機(jī)上的安全裝置確保操作人員安全，機(jī)器可簡易而及其快速的清洗。

TRILOS三輥機(jī)的型號及主要參數(shù)

         TRILOS TR80A型三輥機(jī)為實(shí)驗(yàn)室型三輥機(jī)的中間型號。其最低0.02L/hour至最高20L/hour的處理量解決了用戶從實(shí)驗(yàn)室測試到中小規(guī)模試產(chǎn)的跨越銜接問題。高度創(chuàng)意化的設(shè)計(jì)令設(shè)備結(jié)構(gòu)更為緊湊小巧，可便于安置在實(shí)驗(yàn)室桌面使用。極富親和力的人機(jī)界面由全觸控工業(yè)控制屏來實(shí)現(xiàn)。獨(dú)特的在線間隙修正和配方菜單功能使設(shè)備使用操作更為輕松，令用戶不再面對冰冷的設(shè)備，而是以交互式的操作方式來進(jìn)行控制。

3.    濕紡紡絲制備復(fù)合纖維。凝膠狀CNF/SWNT懸浮液和CNF懸浮液直接被注射器擠壓到凝固浴中，制得連續(xù)的CNF/SWNT凝膠微纖維。浸泡20分鐘后，從凝固浴中取出凝膠纖維，然后用水和乙醇的混合物洗滌。之后，凝膠纖維在室溫干燥，得到最終的CNF/SWNT復(fù)合纖維。

        最后，對CNF/SWNT復(fù)合纖維進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度、應(yīng)變以及電導(dǎo)率等測試，并利用多功能纖維制作應(yīng)變傳感器，測量質(zhì)量變化和監(jiān)測肌肉運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

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