3D打印制备个人热管理织物

在炎热的天气为整个建筑降温是一种提供个人舒适的有效方法，但它耗能大、成本高。个人制冷技术能够通过热调节引导局部热量到环境，提供人体的热舒适，有效地节约冷却能源和成本。

具有制冷功能的可穿戴纺织品可以通过局部制冷在炎热的天气中为穿戴者提供热舒适性，降低建筑物中空调系统的温度设置，节约建筑成本。本文利用快速、可扩展的3D打印方法，制备了基于氮化硼(BN)/聚乙烯醇(PVA)复合纤维(a-BN/PVA)的热调节织物，以改善织物的热传输性能，提高制冷能力。

图1 热调节纺织品的示意图

在纤维制备过程中，氮化硼(BN)纳米片(BNNSs)的均匀分散、高度对齐、相互连接，嵌在聚乙烯醇(PVA)聚合物基体中组成热传导复合纤维，可将人体产生的多余热量沿纤维释放，为人体提供一个舒适的小环境。

图2 a-BN/PVA纳米复合纤维和织物的制备

具有二维结构的氮化硼纳米片(BNNS)具有高达2000 W/(m·K)的高面内导热率和良好的电绝缘性，被认为是热管理应用中的有效材料。为了利用BNNS的面内导热性能，必须使其取向良好并均匀分散。由于在聚乙烯醇溶液中，利用超声作用可以使BNNSs保持空间稳定，由此实现均匀分散。通过纤维印刷过程中的单轴拉伸流动和进一步热拉伸加工，使纳米复合纤维中的BNNSs具有良好取向，可以形成能量传导通道。因此，基于a-BN/PVA复合纤维的可穿戴纺织品可以有效地将人体产生的热量从皮肤转移到凉爽的周围环境，带来优异的降温效果。

图3 a-BN/PVA复合纤维的表征

致密的结构和良好排列的BNNS极大地改善了a-BN / PVA复合纤维的机械性能。纯PVA纤维和a-BN/PVA复合纤维的应力应变曲线如图4a所示。45 wt% BNNS的复合纤维的抗拉强度为355 MPa，是纯PVA纤维(122 MPa)抗拉强度的近3倍。a-BN/PVA复合纤维的刚性也显著提高至12.38 GPa，约为纯PVA纤维的57倍(图4b)。机械强度的提高归因于高度对齐的BNNS的结构以及PVA和BNNS之间的良好界面相容性。复合纤维的高机械拉伸强度超过了大多数现有的基于BN的纤维，体现了优异机械性能(图4c)。

除了机械性能的增强，致密复合纤维的另一个优点是增强了热导率，提高了纤维的散热性。BNNS的排列可以通过纤维形成快速的热路径来促进传热(图4d)。通过激光红外相机表征具有相同直径的各种纤维样品的热性能(图4e)可以发现，在相同的激光输入功率下，具有较高热导率a-BN / PVA复合纤维可以更有效地传导激光光点产生热量，从而具有最低的最高温度。

图4 a-BN / PVA复合纤维的机械和热性能

使用可穿戴降温织物的个人降温技术是一种在炎热天气下提高建筑物居民的热舒适度的有效方法，减少了对室内温度调节的需求，大大降低了为建筑本身降温的能源和成本，具有广阔的应用前景。