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關鍵詞：纖維素納米纖維， CNF，單壁碳納米管，SWNT，復合材料制備，三輥機，物聯網智能三輥機

CNF/SWNT 復合材料通常被稱為?纖維素納米纖維/單壁碳納米管復合材料?。該復合材料由 纖維素納米纖維 （CNF）和 單壁碳納米管 （SWNT）組成。通過三輥研磨和濕紡工藝制備，具有高強度、優異導電性和導熱性，廣泛應用于人造肌肉、電子紡織品等領域。另外，該復合材料也在鋰空氣電池、應變傳感器 等領域展現出過人的潛力，通過優化工藝可進一步提升產品性能。

纖維素納米纖維（Cellulose Nanofibers，簡稱 CNF）是一種源自天然纖維素的高性能納米材料。具有比強度高、柔韌性好的特點，具備優異的增強能力；表面羥基豐富，易于與多種基材復合；比表面積可達 200-300m2/g，能在基體中形成高度分散的增強網絡；完全可再生、生物降解，綠色環保。廣泛應用于復合材料、生物醫學、電子器件和涂料等領域。

單壁碳納米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，簡稱 SWCNT）是由單層碳原子以六邊形網格結構卷曲形成的無縫中空納米級管狀材料，是碳納米管的基礎類型之一。抗拉強度約為鋼的 100 倍，密度僅為鋼的 1/6，兼具高強度與輕量化特性。用于制造柔性導電膜、場效應晶體管、透明電極（替代 ITO）等。

然而，用CNFs和SWNTs制造工藝完整的復合材料在技術上是困難的。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、可擴展、高效的工藝，不僅可以直接構建包裹SWNTs的納米纖維素網絡，還可以實現構件之間的單向連接，從而獲得高性能的結構材料。

實驗過程

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）進行化學處理。首先，用機械攪拌，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。化學預處理后，用去離子水清洗木漿纖維至少五次。采用高壓均質機處理三次后，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，通過將間隙從10μm控制到1μm，研磨20分鐘來進一步分散。利用了相鄰旋轉輥間的高剪切力和高強度應力，以及間隙的逐漸減小，將SWNT分散到濃度為1wt%的CNF懸浮液中，獲得CNF/SWNT懸浮液。

加工設備： TRILOS TR80A型三輥機  氧化鋯輥筒+合金鋼刮刀 

TRILOS TR80A型物聯網智能三輥機為實驗室型三輥機的中間型號。其最低0.02L/hour至最高20L/hour的處理量解決了用戶從實驗室測試到中小規模試產的跨越銜接問題。高度創意化的設計令設備結構更為緊湊小巧，可便于安置在實驗室桌面使用。極富親和力的人機界面由全觸控工業控制屏來實現。獨特的在線間隙修正和配方菜單功能使設備使用操作更為輕松，令用戶不再面對冰冷的設備，而是以交互式的操作方式來進行控制。

TRILOS的智能物聯平臺有效解決了客戶在使用中遇到的數據無法量化分析，數據丟失，設備互相獨立，無法聯網進行管理和控制等等方面的問題。讓客戶可以對設備進行數據分析，對員工進行權限分配和管理，設備運行過程保持全程記錄和備份，利于加工過程參數的研究和設計開發。此外，智能物聯平臺還可以接入混料機、三輥機、上料機、均質機等設備平臺，同時可以接入在線粘度計、在線粒度儀、在線近紅外分析儀等儀器進行實時監控。

3. 濕紡紡絲制備復合纖維

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，制得連續的CNF/SWNT凝膠微纖維。浸泡后取出凝膠纖維，然后用水和乙醇的混合物洗滌。之后室溫干燥得到最終的CNF/SWNT復合纖維。

經測試，CNF/SWNT復合纖維具有優秀的機械性能、適中的導電性和導熱性，以及輕質化，該復合纖維有望用于制造應變傳感器或電熱加熱器，用于測量質量變化和監測肌肉運動。