ACS Applied Nano Materials|导电氮化硼纳米片在电纺丝热塑性聚氨酯上的应用管理

研究背景

人体表面小气候是指人体周围的气候条件，包括温度、湿度和气流。这种小气候显著影响人类的舒适和健康。保持适当的温度和湿度水平对于确保身体舒适，防止感觉过热或过冷的不适，并尽量减少与水分有关的问题至关重要。这些最佳条件还可以缓解皮肤问题，如干燥或过度出汗。此外，适当的小气候可以减少疲劳和不适，从而潜在地增强免疫系统功能。传统上，小气候控制方法主要是主动的，需要根据外部变化进行行为调整。这包括使用能源密集型设备，如空调、加湿器和除湿器来调节室内温度和湿度。目前，人类微气候控制的主要方法是被动管理。这需要使用先进的材料和纺织技术来开发服装或纺织品，以有效地调节人体的温度或湿度。近年来，以有效调节湿度或温度为目的的功能性纤维织物应运而生。在控制湿度方面，普遍的方法包括沿织物厚度方向构建亲水性梯度，以促进排汗。对于热管理，常见的策略包括采用导热或相变材料，集成辐射冷却材料和利用蒸发冷却技术。

基于上述见解，研究者们提出了一种简单的两步制造工艺，以制造一种具有强散热性的双层织物，同时促进定向汗水输送。具体来说，通过静电纺丝在纤维素棉纤维(CCF)表面生长高弹性热塑性聚氨酯(TPU)，然后在纤维表面超声波加载氮化硼纳米片(BNNS)，从而开发出可穿戴的janus型织物。CCF具有亲水性，而TPU具有疏水性。这两层之间的亲水性差异建立了一个有效的定向汗液输送系统。由于BNNS具有较高的固有热导率，所制备的织物具有优异的传热性能。通过排汗蒸发和高散热性能的综合积极作用，有效调节表面温度和湿度。

相关成果以“Thermally Conductive Boron Nitride Nanosheets on Electrospun Thermoplastic Polyurethane for Wearable Janus-Type Fabrics with Simultaneous Thermal and Moisture Management”为题发表在国际知名期刊《 ACS Applied Nano Materials 》上。

研究结论

总之，这项研究已经成功地开发了一种Janus- type智能织物，具有熟练的热量和湿度调节能力。将亲水性CCF与疏水性TPU/BNNS结合制备了双润湿性梯度膜。这种创新的方法消除了为获得亲水性而进行额外修饰的要求。此外，这种双层润湿梯度膜的结构提高了汗液的输送效率。导热BN的加入使其导热系数提高了667.5%，达到0.307 W/mK，同时将其热阻降低到10.62 K cm 2 /W。实际温度测试表明，表面温度比传统棉织物高3℃。同时，该织物具有优异的水分管理能力，水滴在2 s内快速传输，地表水蒸发速率为0.276 g/h(超过普通棉织物的0.21 g/h)。准静态模拟揭示了传递途径的不可逆性。织物具有良好的柔韧性和机械强度，在保持原状的情况下经受多次耐久性试验，抗拉强度达1.37 MPa，断裂伸长率达746%。本工作不仅概述了制备策略，还验证了其在热、水管理中的有效调节，并描述了其内部物理机制，有望指导未来更有效调节体表微气候可穿戴织物的开发。

研究数据

图1 CT/BN织物的制备工艺示意图。

图2 (a)原始TPU纤维和通过不同浓度BNNS获得的纤维的SEM图像:(b) 2mg /mL， (c) 4mg /mL， (d) 6mg /mL， (e) 8mg /mL。(f) CCF表面的SEM图像。(g) CT和CT/BN的FT-IR光谱和(h) XRD曲线。(i)不同浓度的BNNS得到的薄膜TGA曲线。

图3 (a)不同BNNS含量的薄膜密度。(b) CT、CF、CT/BN6(平面交叉方向)、CT/BN6(平面内方向)的导热系数。(c) CF、CT和CT/BN6在不同温度下的TCR值。(d) CF、CT、CT/BN6 TCR循环试验。(e) CF、CT、CT/BN6薄膜在加热试验中的温度演变曲线。(f)加热试验中CT/BN6、CT、CF膜的红外热像图。

图4 CT/BN6膜(a)亲水性和(b)疏水性的接触角测试。(c) CT/BN6膜的反重力液滴输运试验。(d) CT/BN6膜与CF膜中水输运的不可逆性比较。CT/BN6膜(e)疏水性和(f)亲水性的准静态模型分析。

图5 (a) CT/BN6的弯曲、拉伸、缠绕、扭转、撕裂示意(b)不同BNNS含量薄膜的应力-应变曲线。(c) CF与CT/BN6的水分蒸发比较。(d) CT/BN6和CF在体表的水分蒸发试验及相应记录的湿度变化。(e)显示排汗能力。(f)织物在室内外环境下的实际热管理性能。

https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00838

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