Design and characterization of electrospun polymeric fiber composites for thermal management applications

Abstract

Dynamiczny rozwój elektroniki ubieralnej i inteligentnych tekstyliów zwiększył zapotrzebowanie na lekkie, oddychające i elastyczne materiały do zarządzania ciepłem. Rozprawa dotyczy projektowania elektroprzędzonych włókien, mat i przędz kompozytowych o osnowie polimerowej, w których przewodzenie ciepła poprawiono przez dobór napełniaczy oraz kontrolę morfologii i architektury włóknistej. Po części przeglądowej przeprowadzono badania kompozytów poliimid-azotek krzemu, kompozytów termoplastycznego poliuretanu z azotkiem boru lub azotkiem krzemu oraz układów poliakrylonitryl-MXene. Analizowano wpływ rodzaju i stężenia napełniacza, jego rozmieszczenia, morfologii włókien oraz połączeń między włóknami na transport ciepła w skali pojedynczych włókien i całych struktur. Wyniki wykazały, że poprawa przewodzenia w skali nanometrycznej nie musi bezpośrednio prowadzić do zwiększonego transportu ciepła w skali makroskopowej. Kluczowe znaczenie mają przestrzenna organizacja napełniacza, jego ekspozycja na powierzchni włókien oraz liczba i jakość kontaktów między włóknami. Szczególnie korzystne okazały się zwarte architektury przędz, które tworzą bardziej ciągłe ścieżki przewodzenia ciepła. Wprowadzenie MXenów umożliwiło dodatkowo integrację zarządzania ciepłem z konwersją fototermiczną, pozyskiwaniem energii tryboelektrycznei i detekcja nacisku.

The rapid development of wearable electronics and smart textiles has increased the need for lightweight, breathable and flexible materials for thermal management. This dissertation focuses on electrospun polymer composite fibers, mats and yarns, where heat conduction was enhanced through filler selection and control of morphology and architecture. After a critical literature review, the experimental work examined polyimide-silicon nitride composites, thermoplastic polyurethane composites with boron nitride or silicon nitride, and polyacrylonitrile-MXene systems. The studies evaluated how filler type and loading, filler distribution, fiber morphology and inter-fiber connectivity affect heat transport from single fibers to macroscopic assemblies. The results showed that improved nanoscale thermal conduction does not necessarily translate into enhanced macroscale heat transfer. Macroscopic performance is governed mainly by filler organization, surface exposure and contacts between fibers. Compact yam architectures were particularly effective because they provide more continuous heat-conduction pathways. Incorporation of MXene also enabled integration of thermal management with photothermal conversion, triboelectric energy harvesting and tactile sensing.