熔融纺聚乳酸/铯钨青铜纤维的横截面工程：平衡光热转换与热绝缘性能

《Chinese Journal of Polymer Science》：Cross-section Engineering of Melt-spun Poly(lactic acid)/Cesium Tungsten Bronze Fibers: Balancing Photothermal Conversion and Thermal Insulation

　　

摘要

光热转换纤维实现了个人隔热领域的主动太阳能热管理。然而，传统的实心圆形纤维结构存在导热系数高、表面光泽度过高以及体积有限的问题。我们制备了熔融纺制的聚乳酸（PLA）/铯钨青铜（Cs_xWO₃）复合材料纤维，其截面形状多样，包括实心圆形（F-circular）、环形中空（F-hollow）、平面型（F-flat）、哑铃形（F-dumbbell）、十字形（F-cruciform）和五通道形（F-penta-channel）。截面曲率与空气空腔的设计平衡了光热转换效果与热阻性能，同时调节了纤维表面的光学特性和毛细作用。实心圆形纤维由于几何结构的各向同性，最大化了近红外吸收率（0.72）和光热响应（在600 W·m²的功率下温度上升14.4 °C）；但相应的热绝缘性能最差（ΔT=0.4 °C）。随着截面复杂性的增加，光吸收能力下降，因为多脊和法兰结构增强了纤维与空气界面的反射损失。相比之下，十字形纤维通过四重对称的空气通道结构有效抑制了对流和导热，实现了最高的热绝缘性能（ΔT=1.5 °C）。随着截面复杂度的提升，反射方式从镜面反射变为漫反射，虽然染色深度略有增加（从58厘米增加到72厘米），但吸湿性能得到了显著提升（十字形纤维的吸湿深度达到15.6厘米）。机械测试表明，纤维的周向对称性与拉伸强度呈正相关；而平面型纤维中的几何不连续性导致其韧性降至3.01 cN·dtex^-1，不过所有具有特定截面的纤维仍适合进行编织和热定形处理。由此可见，截面几何形状是平衡生物基纤维的光热转换、热绝缘性能和舒适度的关键结构参数，为开发轻质、类似毛皮的可持续热绝缘纺织品提供了设计依据。

光热转换纤维实现了个人隔热领域的主动太阳能热管理。然而，传统的实心圆形纤维结构存在导热系数高、表面光泽度过高以及体积有限的问题。我们制备了熔融纺制的聚乳酸（PLA）/铯钨青铜（Cs_xWO₃）复合材料纤维，其截面形状多样，包括实心圆形（F-circular）、环形中空（F-hollow）、平面型（F-flat）、哑铃形（F-dumbbell）、十字形（F-cruciform）和五通道形（F-penta-channel）。截面曲率与空气空腔的设计平衡了光热转换效果与热阻性能，同时调节了纤维表面的光学特性和毛细作用。实心圆形纤维由于几何结构的各向同性，最大化了近红外吸收率（0.72）和光热响应（在600 W·m²的功率下温度上升14.4 °C）；但相应的热绝缘性能最差（ΔT=0.4 °C）。随着截面复杂性的增加，光吸收能力下降，因为多脊和法兰结构增强了纤维与空气界面的反射损失。相比之下，十字形纤维通过四重对称的空气通道结构有效抑制了对流和导热，实现了最高的热绝缘性能（ΔT=1.5 °C）。随着截面复杂性的提升，反射方式从镜面反射变为漫反射，虽然染色深度略有增加（从58厘米增加到72厘米），但吸湿性能得到了显著提升（十字形纤维的吸湿深度达到15.6厘米）。机械测试表明，纤维的周向对称性与拉伸强度呈正相关；而平面型纤维中的几何不连续性导致其韧性降至3.01 cN·dtex^-1，不过所有具有特定截面的纤维仍适合进行编织和热定形处理。由此可见，截面几何形状是平衡生物基纤维的光热转换、热绝缘性能和舒适度的关键结构参数，为开发轻质、类似毛皮的可持续热绝缘纺织品提供了设计依据。