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。

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。

TRILOS公司介绍

TRILOS（太能思）是精密设备制造商，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，目前产品已经在美国、中国、欧洲、韩国、日本和台湾等地区获得广泛应用。

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

         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。

        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

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