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TRILOS物聯(lián)網(wǎng)智能三輥機(jī)在?纖維素納米纖維（CNF）和單壁碳納米管（SWNT）復(fù)合材料制備中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：纖維素納米纖維， CNF，單壁碳納米管，SWNT，復(fù)合材料制備，三輥機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)智能三輥機(jī)
CNF/SWNT 復(fù)合材料通常被稱為?纖維素納米纖維/單壁碳納米管復(fù)合材料?。該復(fù)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(qiáng)度、優(yōu)異導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于人造肌肉、電子紡織品等領(lǐng)域。另外，該復(fù)合材料也在鋰空氣電池、應(yīng)變傳感器 等領(lǐng)域展現(xiàn)出過人的潛力，通過優(yōu)化工藝可進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。
纖維素納米纖維（Cellulose Nanofibers，簡(jiǎn)稱 CNF）是一種源自天然纖維素的高性能納米材料。具有比強(qiáng)度高、柔韌性好的特點(diǎn)，具備優(yōu)異的增強(qiáng)能力；表面羥基豐富，易于與多種基材復(fù)合；比表面積可達(dá) 200-300m2/g，能在基體中形成高度分散的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)；完全可再生、生物降解，綠色環(huán)保。廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、生物醫(yī)學(xué)、電子器件和涂料等領(lǐng)域。
單壁碳納米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，簡(jiǎn)稱 SWCNT）是由單層碳原子以六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)卷曲形成的無(wú)縫中空納米級(jí)管狀材料，是碳納米管的基礎(chǔ)類型之一。抗拉強(qiáng)度約為鋼的 100 倍，密度僅為鋼的 1/6，兼具高強(qiáng)度與輕量化特性。用于制造柔性導(dǎo)電膜、場(chǎng)效應(yīng)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(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(wú)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?；瘜W(xué)預(yù)處理后，用去離子水清洗木漿纖維至少五次。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(lái)進(jìn)一步分散。利用了相鄰旋轉(zhuǎn)輥間的高剪切力和高強(qiáng)度應(yīng)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(shè)備： TRILOS TR80A型三輥機(jī) 氧化鋯輥筒+合金鋼刮刀
TRILOS TR80A型物聯(lián)網(wǎng)智能三輥機(jī)為實(shí)驗(yàn)室型三輥機(jī)的中間型號(hào)。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(cè)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(lái)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(duì)冰冷的設(shè)備，而是以交互式的操作方式來(lái)進(jìn)行控制。
TRILOS的智能物聯(lián)平臺(tái)有效解決了客戶在使用中遇到的數(shù)據(jù)無(wú)法量化分析，數(shù)據(jù)丟失，設(shè)備互相獨(dú)立，無(wú)法聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理和控制等等方面的問題。讓客戶可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)員工進(jìn)行權(quán)限分配和管理，設(shè)備運(yùn)行過程保持全程記錄和備份，利于加工過程參數(shù)的研究和設(shè)計(jì)開發(fā)。此外，智能物聯(lián)平臺(tái)還可以接入混料機(jī)、三輥機(jī)、上料機(jī)、均質(zhì)機(jī)等設(shè)備平臺(tái)，同時(shí)可以接入在線粘度計(jì)、在線粒度儀、在線近紅外分析儀等儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3. 濕紡紡絲制備復(fù)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(xù)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(fù)合纖維。
經(jīng)測(cè)試，CNF/SWNT復(fù)合纖維具有優(yōu)秀的機(jī)械性能、適中的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，以及輕質(zhì)化，該復(fù)合纖維有望用于制造應(yīng)變傳感器或電熱加熱器，用于測(cè)量質(zhì)量變化和監(jiān)測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)。
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