智能导热纤维材料的发展与应用 | MDPI Nanomaterials

引言

　　近些年来，随着各种高新技术的快速发展，如何高效散热已成为限制高功率密度电子设备和器件进一步发展的关键问题；同时人们对热舒适性的要求越来越高，实现有效的个人热管理成为当前的研究热点。人们对导热材料的需求越来越多样化、具体化，因此兼具高导热功能和智能响应特性的智能导热纤维材料受到越来越多人的重视。天津大学材料学院封伟教授团队在Nanomaterials期刊发表综述文章，第一作者是硕士研究生孙湛。

　　本综述概述了用于制备智能导热纤维材料的新兴材料和策略，并对其进行了分类 (图1)，依次介绍了填充高导热填料的复合纤维材料、电热型导热纤维材料、热辐射导热纤维材料和相变导热纤维材料。最后，介绍了智能导热纤维材料面临的挑战和机遇，并对其未来的发展进行了展望。

图1.智能导热纤维材料的分类。

综述内容

1填充高导热填料的复合纤维材料

　　为了实现热传导，在传统纤维中加入具有高导热性的填料，如碳纳米管 (CNT)、石墨烯、氮化硼 (BN) 和过渡金属碳化物/氮化物 (MXene) 等可以提高纤维的导热率，以达到降温的效果。这类复合纤维为热管理提供了一种更实用、性价比更高的方法。

　　Yu等人通过一步静电纺丝法，制备得到的FPU/BN纤维膜具有17.9 W m-1 K-1的超高面内热导率、0.29 W m-1 K-1的面外热导率、11.6 kg m-2 day-1的高水蒸气透过率 (WVT)，可作为下一代冷却纤维织物的有力候选。Gao等人通过3D打印技术合成了一种具有高度排列的氮化硼 (BN)/聚乙烯醇 (PVA) 复合纤维，极大的改善了纤维的热传递性能，为满足个人降温需求提供了一种很有发展前景的选择 (图2)。

图2.(A)FPU/BN膜的制造和结构示意图；(B)a-BN/PVA热调节织物示意图。

2电热型导热纤维材料

　　通过将导电材料修饰或嵌入到导热织物表面或其纤维上，利用电热转换的焦耳加热策略可以制备具有快速升温特性的高导热纤维材料。碳基材料 (如碳纳米管和石墨烯)，金属纳米材料和导电聚合物等都是可行的候选材料。在电压的作用下，纤维织物产生适合人体升温的焦耳加热功率。

　　Guo等人利用单宁酸涂层在棉纤维上原位还原银纳米粒子 (AgNPs) 然后再用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 修饰处理，制备了一种具有超疏水性、个人热管理和人体运动监测的多功能导热导电纤维 (Cotton/TA/AgNPs/PDMS)(图3)。Cotton/TA/AgNPs/PDMS纤维出色的导热导电性和柔弹性使其成为个人热管理可穿戴加热设备的潜在候选材料。

图3.具有导热导电和超疏水性的Cotton/TA/AgNPs/PDMS纤维的制备示意图。

3热辐射导热纤维材料

　　个人热管理技术的发展离不开最基本的传热理论，即传导、对流和辐射。而超过40%的人体与环境之间的热交换是来自于红外热辐射。波长范围为8—13 μm的红外辐射 (LWIR) 被称为“大气窗口”，通过这个窗口，余热可以耗散到一个更低温的外层空间。因此，开发可以调节人体周围的LWIR热辐射的导热纤维材料是当前发展个人热管理材料的重点。事实证明，被动辐射热管理可以通过材料的反射率、发射率和透射率，在不消耗任何能源的情况下实现不同的热能控制，是对传统加热和冷却方法的一种突破。基于辐射热管理的纤维织物前景广阔。

　　Liu等人将体积庞大的气凝胶制成一维气凝胶纤维，用于恶劣环境中的个人热管理。他们通过湿法纺丝的方法将凯夫拉 (KNF) 气凝胶制成气凝胶纤维，再将其编织成具有良好机械性能和非凡隔热性能的织物，其在高温环境下具有优越的个人保温潜力。Fan等人采用同轴静电纺丝的方法以乙酸纤维素 (CA) 为鞘层、聚乙二醇 (PEG) 为芯层制备了具有芯鞘结构的纤维。该纤维来作为冷却层，加热层则是由嵌有Ti3AlC2 (TAC) 纳米颗粒的聚酰胺纤维制成的 (图4)。TAWT将为多功能织物的开发提供先进的思路与方法。

图4.(A)KNF气凝胶纤维的制造示意图；(B)全天候个人热管理纺织品TAWT的制备示意图。

4相变导热纤维材料

　　相变材料 (PCM) 是指在温度不变的情况下通过改变物质状态来提供潜热的物质。相变材料作为一种智能材料，可以吸收和储存热能作为潜热，然后在临界相变温度下释放储存的热量，具有储热密度高、成本低、化学稳定性好等优点；同时因为相变材料具有高热容和相变恒温特性，将现有的PCM整合到纤维织物中，使得PCM均匀地分布在织物中来提高热舒适度，在热管理领域表现出广阔的应用前景。

　　Hu等人通过一种简单的湿法纺丝方法，将聚氨酯 (PU) 和聚吡咯 (PPy) 改性的商用相变微胶囊复合，开发了具有高导热的柔性光热相变纤维microPCMs/PU (图5)。microPCMs/PU复合纤维显示出高循环耐久性，在100次加热-冷却循环后性能基本不变，可用于热管理领域。

图5.PPy改性microPCMs和PPy-microPCMs/PU纤维的制备示意图。

总结

　　人们对导热材料的需求越来越多样化、具体化，具有高效热管理性能的材料正受到人们的重视并迅速发展，而其中兼具高导热功能和智能响应特性的智能导热纤维材料受到越来越多人的重视。许多技术为高效的热管理提供了新颖合理的解决方案。有效的热管理纤维织物在节能、散热和热调节方面发挥着重要作用。本综述简要回顾了基于各种传热途径的新兴导热纤维材料及其应用，并根据其不同的制备方法和原理对其进行了分类，为未来发展新型导热纤维材料提供新的思路和方法。

　　来源：MDPI化学材料