Double-Doped TPU Fibers via Coaxial Wet-Spinning toward Synergistic Thermal Management and Radiative Cooling

材料科学 复合材料 热导率 辐射冷却 氮化硼 热传导 被动冷却 光电子学 热的 同轴 热辐射 石墨烯 热塑性聚氨酯 包层(金属加工) 发射率 极限抗拉强度 工作(物理) 辐射传输 纳米颗粒 光纤 主动冷却 保温 纳米复合材料 透气比表面积 玄武岩纤维
作者
Jiangbo Hui,Tong Xue,Xuejingwen Zhang,Ruijie Ma,Chaoxia Wang,Yunjie Yin
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (22): 15329-15338 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c02788
摘要

Effective personal thermal management, particularly passive cooling without perspiration or energy input, is crucial for enhancing comfort and reducing energy consumption. Heat conduction and radiation represent two key passive cooling mechanisms for textiles, yet concurrently optimizing both remains challenging. Conventional approaches struggle to integrate high-thermal-conductivity fillers like boron nitride nanosheets (BNNS) and high-emissivity materials like silica (SiO 2 ) due to nanoparticle aggregation, uneven dispersion, and functional interference within a single matrix, which compromise performance and spinnability. This work reports a coaxial wet-spinning method to fabricate hydroxyl-functionalized boron nitride nanosheet/silica (OH-BNNS/SiO 2 ) double-doped thermoplastic polyurethane (TPU) fibers. This technique achieves hierarchical functional separation: OH-BNNS confines within the core to enhance thermal conductivity, while SiO 2 nanoparticles incorporated into the sheath promote radiative cooling via high mid-infrared emissivity (7–14 μm). Optimized fibers (30 wt % OH-BNNS core) achieve a thermal conductivity of 1.715 W·m –1 ·K –1 and a 572.55% improvement over pure TPU. The SiO 2 sheath provides over 90% visible-light reflectance and reduced mid-infrared reflectance, enabling efficient radiative dissipation. OH-BNNS enhances tensile strength of TPU fiber to 4.68 MPa via hydrogen bonding. OH-BNNS/SiO 2 double-doped woven fabric exhibits superior cooling performance (54% lower heating rate than pure TPU under sunlight) and high air permeability (285.9 mm/s under a pressure drop of 100 Pa). This work provides a scalable manufacturing strategy for multifunctional cooling textiles that integrate passive radiative and conductive cooling mechanisms, showing significant potential for energy-efficient personal thermal management.
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