当今，多功能材料的不断发展，要求其具有轻质、高强度、优异的电导率和导热性，以及传感和驱动功能。一般来说，多功能材料在人造肌肉、传感器、电子纺织品以及超级电容有应用。纤维素纳米纤维(CNFs)是地球上丰富的结构元素，已被制成各种多功能材料，CNFs组装的微纤维的杨氏模量达到80GPa。同时，CNFs不仅可以构建具有优异力学性能的宏观材料，还可以作为分散剂来分散其他纳米材料，进一步开发成为高性能材料。一般来讲，对高性能多功能材料的要求是改善有效协同作用。单壁碳纳米管（SWNTs）由于其优异的力学性能（轴向方向1.0TPa的杨氏模量）和电导率（106 S/cm），在许多应用中是一个合适的选择。
不同于SWNTs的聚集倾向和相对较弱的管间相互作用，CNFs可以明显降低SWNTs的聚集，同时促进界面的稳定性。相比之下，用SWNTs纺制的纤维具有124MPa的机械强度，和100S/cm的电导率，低于CNF/SWNT纤维（43 wt%的SWNT含量）。后者的强度约220Mpa，电导率是207S/cm。此外，独特的一维(1D)宏观结构可以让CNFs和SWNTs双重对齐，有助于提高整体性能。CNFs和SWNTs的良好排列可以使微管间的活性连接致密化，从而提高复合材料的导电性。
然而，用CNFs和SWNTs制造工艺完整的复合材料在技术上是困难的。有人通过超声波处理，在低浓度CNF悬浮液（约0.1 wt%）中分散SWNTs，但是很少有人研究在高浓度CNF悬浮液（约1 wt%）中分散SWNTs。我们通过TRILOS三辊研磨和湿纺纺丝，采用无表面活性剂、可扩展、高效的工艺，不仅可以直接构建包裹SWNTs的纳米纤维素网络，还可以实现构件之间的单向连接，从而获得高性能的结构材料。
实验过程
1. CNF悬浮液的制备。用漂白木纤维制备CNF悬浮液，纤维素的含量>90%。木浆纤维由TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）进行化学处理。首先，用机械搅拌，将5g纤维素浆悬浮在500ml水中10分钟。然后，将TEMPO（90 mg）和溴化钠（500 mg）加入纤维素浆。随后，将次氯酸钠（NaClO）（30 g）逐滴添加到剧烈搅拌的纤维素浆中。加入0.1 M氢氧化钠（NaOH）溶液，使悬浮液的pH值保持恒定为10，直到pH没有变化。化学预处理后，用去离子水清洗纸浆纤维至少五次。采用高压均质机处理三次后，得到浓度为1wt%的悬浮液。
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2. 碳纳米管的分散。将SWNT粉末超声分散到CNF悬浮液中10分钟，然后使用。TRILOS TR80A三辊机，通过将间隙从10μm控制到1μm，研磨20分钟来进一步分散。利用了相邻旋转辊间的高强度应力，以及间隙的逐渐减小，分散SWNT到浓度为1wt%的CNF悬浮液中，获得CNF/SWNT悬浮液。
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TRILOS公司介绍
TRILOS（太能思）是美国制造商，视客户满意为终极目标，力求将良好的工艺技术结合客户的需求，设计出贴近客户需求的优质产品。
太能思正在积极开拓市场，目前产品已经远销美国、中国、欧洲、韩国、日本和台湾等地区，把优质的产品分享给使用者。
TRILOS三辊机优点：
① TRILOS三辊机采用一次循环，有可能完全实现物质的均质化与分散，减少颗粒尺寸，打破团聚粒子。其结果是均质化的浆料，可为物料的进一步加工打下基础。
② 可用触摸屏实现每个辊间距离调节，确保辊子平行度。弹性张紧的刮刀插口确保刮刀恒压，在操作过程中不需要重新调节。
③ 不同材质的辊子都可以使用，辊子及刮刀材质的选择-从不锈钢到氧化铝，碳化硅及氧化锆-满足各种不同需要。
④ 三辊机上的安全装置确保操作人员的大安全，机器可简易而及其快速的清洗。
TRILOS三辊机的型号及主要参数
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参数 |
TR50M |
TR80A |
TR120A |
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产能（L/hour） |
0.02-5 |
0.02-20 |
0.5-60 |
|
辊筒直径（mm） |
50 |
80 |
120 |
|
辊筒长度（mm） |
160 |
200 |
450 |
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辊筒转速比 |
1:2:4 |
1:3:9 |
1:3:9 |
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辊筒材质 |
AL2O3/ZrO2/不锈钢 |
SiC/AL2O3/ZrO2/ 不锈钢 |
SiC/AL2O3/ZrO2/不锈钢 |
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刮刀材质 |
AL2O3/ZrO2/不锈钢/PVC |
AL2O3/ZrO2/不锈钢/PVC |
AL2O3/ZrO2/不锈钢/PVC |
|
功率（Kw） |
0.12 |
1.5 |
3.5 |
|
外形尺寸（mm） |
390x275 x 310 |
750x340 x490 |
1150x660 x1280 |
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重量（kg） |
20 |
110 |
350 |
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TRILOS TR80A型三辊机为实验室型三辊机的中间型号。其最低0.02L/hour至最高20L/hour的处理量解决了用户从实验室测试到中小规模试产的跨越衔接问题。高度创意化的设计令设备结构更为紧凑小巧，可便于安置在实验室桌面使用。极富亲和力的人机界面由全触控工业控制屏来实现。独特的在线间隙修正和配方菜单功能使设备使用操作更为轻松，令用户不再面对冰冷的设备，而是以交互式的操作方式来进行控制。
3. 湿纺纺丝制备复合纤维。凝胶状CNF/SWNT悬浮液和CNF悬浮液直接被注射器挤压到凝固浴中，制得连续的CNF/SWNT凝胶微纤维。浸泡20分钟后，从凝固浴中取出凝胶纤维，然后用水和乙醇的混合物洗涤。之后，凝胶纤维在室温干燥，得到最终的CNF/SWNT复合纤维。
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最后，对CNF/SWNT复合纤维进行机械强度、应变以及电导率等测试，并利用多功能纤维制作应变传感器，测量质量变化和监测肌肉运动。
实验结果和结论
通过TRILOS三辊研磨和湿纺纺丝，制得的CNF/SWNT复合纤维的强度可达472.17 MPa，应变为11.77%，超过了以往CNF/SWNT复合材料的研究结果。利用强大的纳米纤维素网络将单壁碳纳米管完全包裹起来，以构建牢固的界面。同时，复合纤维的导电率为86.43S/cm，随着温度的升高，导电率随之增加。复合纤维能够在10秒内加热至172.9℃，且在5秒内冷却至35.2℃。由于其具有优秀的机械性能、适中的导电性和导热性，以及轻质化，CNF/SWNT复合纤维有望用于制造应变传感器或电热加热器，用于测量质量变化和监测肌肉运动。测试结果表明，传感器能承受自身重量的500倍以上，且稳定性好，至少80秒能传输人体运动的实时信号，从而在便携式仪表测量以及可穿戴的生物电子疗法领域得到应用。
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