Method for preparing composite fiber, composite fiber and use thereof

Abstract

A method for preparing a composite fiber, the composite fiber prepared by the method, and the use thereof are provided. The method comprises: preparing a dope comprising a polymer and a plurality of inorganic particles; subjecting the dope to centrifugal spinning to obtain a spun fiber; and optionally stretching the spun fiber, thereby forming the composite fiber, wherein the composite fiber comprises a plurality of voids and at least a portion of the plurality of inorganic particles are at least partially encapsulated by the plurality of voids.

Description

METHOD FOR PREPARING COMPOSITE FIBER, COMPOSITE FIBER AND USE THEREOFTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates to the field of radiative cooling materials, and more particularly to a method for preparing composite fiber for radiative cooling, the composite fiber and use thereof.BACKGROUND

[0002] Radiative cooling materials allow heat loss through radiation in mid-infrared (MIR) range, and reflect the radiation in solar spectrum to avoid heating by sun light. This type of material draws researchers’ interest as it provides cooling effects without energy input, which meets the global trend of sustainable living.

[0003] However, the existing radiative cooling materials have many limitations in the applications of human skin cooling. For instance, radiative cooling membranes or coatings formed by incorporating inorganic nanoparticles as scatterers or micro-nanopores as scattering enhancement means can be used in solar cells to reduce battery temperature, or objects such as vehicles to reduce thermal effect due to direct sunlight. However, such radiative cooling materials in the form of membranes or coatings lack breathability and comfort, and are therefore not suitable for human skin cooling applications.

[0004] In recent years, some fibrous radiative cooling materials have been developed to for use in textiles. However, some of these materials result in unbalanced radiation and poor mechanical properties, and therefore are unsatisfactory for use, especially in summer.

[0005] There thus exists a need for a facile and easily controlled method for preparing a material with improved radiative cooling performance to meet the needs of wearing comfortability with improved mechanical properties.SUMMARY

[0006] An object of the present disclosure is to provide a method for preparing a composite fiber in order to address at least one above issue existing in prior art.

[0007] In a first aspect, provided herein is a method for preparing a composite fiber, the method comprises: a) preparing a dope comprising a polymer and a plurality of inorganic particles; b) subjecting the dope to centrifugal spinning to obtain a spun fiber; and c) optionally stretching the spun fiber, thereby forming the composite fiber, wherein the composite fiber comprises a plurality of voids and at least a portion of the plurality of inorganic particles are at least partially encapsulated by the plurality of voids.

[0008] In certain embodiments, the dope does not comprise a solvent.

[0009] In certain embodiments, the polymer comprises one or more of polyester, polyurethane, polyamide, polypropylene, polylactic acid, polyethylene, polyacrylonitrile, polybutylene and terephthalate.

[0010] In certain embodiments, the dope has an intrinsic viscosity in the range of 0.4-3 dL / g.

[0011] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles comprise one or more of barium sulfate (BaSO4) , calcium carbonate (CaCO3) , titanium dioxide (TiO2) , zirconium dioxide (ZrO2) , silicon dioxide (SiO2) , boron nitride (BN) , zinc oxide (ZnO) and aluminum oxide (Al2O3) .

[0012] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles have an average particle size ranging from 50 nm to 2 μm.

[0013] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles are present in an amount ranging from 0.1%to 50%by weight in the dope.

[0014] In certain embodiments, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet, or mixing of molten polymer with the plurality of inorganic particles.

[0015] In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is produced by extrusion and pelletization.

[0016] In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature of 90-400℃.

[0017] In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature from a melting point of the polymer to 100℃ above the melting point, and the spun fiber is stretched to a draw ratio of 150%to 500%.

[0018] In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature from 150℃ to 10℃ below the melting point of the polymer.

[0019] In certain embodiments, the centrifugal spinning is performed with a centrifugal force ranging from 500G to 14500G.

[0020] In certain embodiments, the plurality of voids have an average width ranging from 50 nm to 20 μm; and / or an average length ranging from 200 nm to 50 μm.

[0021] In certain embodiments, the composite fiber has an average diameter ranging from 3 μm to 1000 μm.

[0022] In certain embodiments, the polymer is polyethylene terephthalate, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 270℃ to about 300℃, the centrifugal spinning is performed with a centrifugal force from about 1700G to 1950G, and the spun fiber is stretched to a draw ratio of about 300%.

[0023] In certain embodiments, the polymer is polyethylene terephthalate, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 110℃ to about 250℃, the centrifugal spinning is performed with a centrifugal force from about 1700G to 14500G, and there is no further stretching.

[0024] In a second aspect, provided herein is a composite fiber produced by the method described herein.

[0025] In certain embodiments, the polymer comprises one or more of polyester, polyurethane, polyamide, polypropylene, polylactic acid, polyethylene, polyacrylonitrile, polybutylene and terephthalate.

[0026] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles comprise one or more of barium sulfate (BaSO4) , calcium carbonate (CaCO3) , titanium dioxide (TiO2) , zirconium dioxide (ZrO2) , silicon dioxide (SiO2) , boron nitride (BN) , zinc oxide (ZnO) and aluminum oxide (Al2O3) .

[0027] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles have an average particle size ranging from 50 nm to 2 μm.

[0028] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles are present in an amount ranging from 0.1%to 50%by weight in the composite fiber.

[0029] In certain embodiments, the plurality of voids of the composite fiber have an average width ranging from 50 nm to 20 μm; and / or an average length ranging from 200 nm to 50 μm.

[0030] In certain embodiments, the composite fiber has an average diameter ranging from 3 μm to 1000 μm.

[0031] In a third aspect, provided herein is use of the composite fiber prepared by the method described herein or the composite fiber described herein in radiative cooling textile or cloth.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0032] The foregoing aspects and many of the attendant advantages of this invention will become more readily appreciated and understood by reference to the following detailed description, when taken in conjunction with the accompanying drawings.

[0033] Figure 1 illustrates a schematic view of the structure of a composite fiber prepared by the method according to the present application.

[0034] Figure 2A-B show scanning electron microscopy (SEM) images of the voids on the surface of the sample in Example 1 according to the present invention.

[0035] Figure 3A-B show scanning electron microscopy (SEM) images of the voids on the surface of the sample in Example 2 according to the present invention.

[0036] Figure 4 depicts the experimental design for passive cooling effect.

[0037] Figure 5 shows the temperature change of the thermal couple for simulated skin covered by the textile according to the present invention over time.

[0038] Figure 6 shows the temperature change of the thermal couple for air between the textile according to the present invention and simulated skin over time.

[0039] Figure 7 shows UV-Vis reflectivity spectra between 0.3 and 2.5 μm for normal (control) and BaSO4-void PET textile (the present invention) .DETAILED DESCRIPTION

[0040] Definitions

[0041] The following terms shall be used to describe the present invention. In the absence of a specific definition set forth herein, the terms used to describe the present invention shall be given their common meaning as understood by those of ordinary skill in the art.

[0042] Throughout the application, where apparatus are described as having, including, or comprising specific components, or where processes are described as having, including, or comprising specific process steps, it is contemplated that apparatus of the present teachings can also consist essentially of, or consist of, the recited components, and that the processes of the present teachings can also consist essentially of, or consist of, the recited process steps.

[0043] In the application, where an element or component is said to be included in and / or selected from a list of recited elements or components, it should be understood that the element or component can be any one of the recited elements or components, or the element or component can be selected from a group consisting of two or more of the recited elements or components. Further, it should be understood that elements and / or features of a composition or a method described herein can be combined in a variety of ways without departing from the spirit and scope of the present teachings, whether explicit or implicit herein.

[0044] It should be understood that the order of steps or order for performing certain actions is immaterial so long as the present teachings remain operable. Moreover, two or more steps or actions may be conducted simultaneously.

[0045] The use of the singular herein includes the plural (and vice versa) unless specifically stated otherwise. In addition, where the use of the term "about" is before a quantitative value, the present teachings also include the specific quantitative value itself, unless specifically stated otherwise. As used herein, the term "about" refers to a ±10%, ±7%, ±5%, ±3%, ±1%, or ±0%variation from the nominal value unless otherwise indicated or inferred.

[0046] Referring to "embodiment" , "preferred embodiment" , "exemplary embodiment" and the like in the specification means that the described embodiment may include specific features, structures or characteristics, but not every embodiment may include specific features, structures or characteristics. Moreover, such phrases do not necessarily refer to the same embodiment. In addition, when a specific feature, structure or characteristic is described in conjunction with a certain embodiment, whether or not it is explicitly described, it is deemed that the effect of applying the feature, structure or characteristic to other embodiments is within the knowledge of those skilled in the art.

[0047] Any numerical value mentioned in the present disclosure, if there is only a two-unit interval between any minimum value and any maximum value, includes all values from the minimum value to the maximum value that increase by one unit each time. For example, if the amount of a component, or the value of a process variable such as temperature, pressure, time, etc. is stated to be 50-90, in this specification it means that 51-89, 52-88... and 69-71 and 70-71 are specifically listed. For non-integer values, 0.1, 0.01, 0.001 or 0.0001 can be considered as one unit, as appropriate. The above are just examples. In the present disclosure, in a similar manner, all possible combinations of numerical values between the lowest and highest values listed are considered to have been disclosed.

[0048] Embodiments

[0049] The present disclosure provides a method for preparing a composite fiber, the method comprises: a) preparing a dope comprising a polymer and a plurality of inorganic particles; b) subjecting the dope to centrifugal spinning to obtain a spun fiber; and c) optionally stretching the spun fiber, thereby forming the composite fiber, wherein the composite fiber comprises a plurality of voids and at least a portion of the plurality of inorganic particles are at least partially encapsulated by the plurality of voids.

[0050] In certain embodiments, the dope does not comprise a solvent.

[0051] In certain embodiments, the polymer comprises one or more of polyester, polyurethane, polyamide, polypropylene, polylactic acid, polyethylene, polyacrylonitrile, polybutylene and terephthalate. In certain embodiments, the polymer comprises any one of polyester, polyurethane, polyamide and polypropylene. In certain embodiments, the polymer comprises a combination of two selected from polyester, polyurethane, polyamide and polypropylene. In certain embodiments, the polymer is polyethylene terephthalate (PET) , polyethylene (PE) , or polyamide (e.g., nylon) . The suitable range of number-average molecular weight of the polymers can be 10,000-300,000 g / mol. The particular number-average molecular weight range can depend on polymer type. In certain embodiments, the polymer is PET, and its number-average molecular weight ranges from 20,000 to 100,000 g / mol. In certain embodiments, the polymer is PE, and its number-average molecular weight ranges from 20,000 to 300,000 g / mol. In certain embodiments, the polymer is nylon, and its number-average molecular weight ranges from 10,000 to 100,000 g / mol.

[0052] In certain embodiments, the dope has an intrinsic viscosity in the range of 0.4-3 dL / g for above polymers. In certain embodiments, the dope has an intrinsic viscosity in the range of 0.7-2.5, 1.0-2.0, 1.3-1.7, 1.4-1.5 dL / g, or any value therebetween.

[0053] As used herein, the term “inorganic particles” refers to inorganic particles with a particle size of micrometers to nanometers. By incorporating the inorganic particles into the interior of the polymer matrix, the inorganic particles act as to scatter and / or reflect at least a portion of the solar spectrum thereby reducing heating from sun light and therefore providing a cooling effect. In certain embodiments, the inorganic particles comprise one or more of barium sulfate (BaSO4) , calcium carbonate (CaCO3) , titanium dioxide (TiO2) , zirconium dioxide (ZrO2) , silicon dioxide (SiO2) , boron nitride (BN) , zinc oxide (ZnO) and aluminum oxide (Al2O3) . In certain embodiments, the inorganic particles have an energy bandgap wider than 3.0 eV, which is higher than visible and infrared range of solar spectrum. In certain embodiments, the inorganic particles comprise one or more of BaSO4, CaCO3, TiO2, ZrO2 and SiO2. In certain embodiments, the inorganic particles comprise any one of BaSO4, CaCO3, TiO2, ZrO2 and SiO2. In certain embodiments, the inorganic particles comprise a combination of two selected from BaSO4, CaCO3, TiO2, ZrO2 and SiO2. In certain embodiments, the inorganic particles are BaSO4. In certain embodiments, the inorganic particles are SiO2. In certain embodiments, the inorganic particles are TiO2.

[0054] In certain embodiments, the inorganic particles have an average particle size ranging from 50 nm to 2 μm. In certain embodiments, the inorganic particles have an average particle size ranging from about 50 nm to about 1900 nm, about 50 nm to about 1800 nm, about 50 nm to about 1700 nm, about 50 nm to about 1600 nm, about 50 nm to about 1500 nm, about 50 nm to about 1400 nm, about 50 nm to about 1300 nm, about 50 nm to about 1200 nm, about 50 nm to about 1100 nm, about 50 nm to about 1000 nm, about 50 nm to about 900 nm, about 50 nm to about 800 nm, about 50 nm to about 700 nm, about 50 nm to about 600 nm, about 50 nm to about 500 nm, about 50 nm to about 400 nm, about 50 nm to about 300 nm, about 50 to about 200 nm, about 50 nm to about 100 nm, about 100 nm to about 1000 nm, about 200 nm to about 1000 nm, about 300 nm to about 1000 nm, about 400 nm to about 1000 nm, about 400 nm to about 900 nm, about 400 nm to about 800 nm, about 400 nm to about 700 nm, or any value therebetween. In some embodiments, the inorganic particles have an average particle size ranging from 300 nm to 700 nm.In certain embodiments, the inorganic particles have an average particle size ranging from 500 nm to 1000 nm. In certain embodiments, the inorganic particles have an average particle size ranging from 500 nm to 600 nm.

[0055] As used herein, the term “centrifugal spinning” refers to a fiber manufacturing technology that uses centrifugal and shear forces generated by high-speed rotation to eject a polymer solution or melt into filaments. In the prior art, when using centrifugal spinning to produce porous fibers or membranes, it is typically necessary to add a solvent to the dope and utilize the volatilization of the solvent during the spinning process to produce porous structure in the materials. However, it is hard to find an environmentally friendly / safe solvent that can easily vaporize (to create void) , and it is also difficult to control the distribution of pores in the porous fibers produced by the prior art method. In those porous fibers, the pores are randomly distributed around, adjacent to, and farther away from inorganic particles in the polymer matrix of the porous fiber, making the properties of the resulting porous fibers hard to control. The inventors have surprisingly found that by means of the method described herein, each of the voids will be created around and / or at least partially encapsulating each of the inorganic particles in the resulting porous fiber without using a solvent. Fig. 1 illustrates a schematic view of the structure of a composite fiber prepared by the method according to the present application, wherein the voids are created around the inorganic particles. By introducing the void structure into the materials in a controlled manner, more interfaces between air, polymer, and inorganic particles are advantageously introduced and therefore the scatting efficiency of the composite fibers can be increased, thereby providing enhanced passive cooling effects.

[0056] In certain embodiments, the dope is produced by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet, or mixing of molten polymer with inorganic particles. In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is produced by extrusion and pelletization.

[0057] In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated to about 90-400℃, e.g., 90-380℃, 90-360℃, 90-340℃, 90-320℃, 90-300℃, 90-290℃, 100-300℃, 120-300℃, 120-290℃, or any value therebetween. In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature from a melting point of the polymer to 100℃above the melting point, in which case the polymer is completely melted, and the resultant spun fiber requires additional stretching to create voids. In certain embodiments, the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature from 150℃ to 10℃ below the melting point of the polymer, in which case the polymer is softened rather than melted, allowing voids to form around the inorganic particles during centrifugal spinning. In certain embodiments, the polymer is polyethylene terephthalate (melting point of about 250-260℃) , the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 270℃ to about 300℃, and the spun fiber is further stretched to a draw ratio of about 300%. In certain embodiments, the polymer is polyethylene terephthalate, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 110℃ to about 250℃, and there is no further stretching. In certain embodiments, the polymer is polyethylene terephthalate, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 110℃ to about 150℃, and there is no further stretching. In certain embodiments, the rotating drum is preheated to heat the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet, thereby obtaining the dope for centrifugal spinning.

[0058] Without wishing to be bound by theory, the inventors believe that by appropriate selection of the composition of the dope, heating temperature, inorganic particle mass and centrifugal force applied as described herein, that when the dope described herein is subjected to centrifugal spinning that the plurality of inorganic particles are subjected to centrifugal force that causes them to shift relative to the spun fiber thereby creating a void. Advantageously, the average length and width of the voids can be controlled by appropriate selection of the aforementioned parameters. Those skilled in the art will understand that the methods according to the present application may also employ other additional steps to further modify the structure of the composite fiber, such as radiation or ultrasound.

[0059] In certain embodiments, the dope comprises inorganic particles in an amount of about 0.1%to about 50%by weight based on the total weight of the dope. In certain embodiments, based on the total weight of the dope, the dope comprises inorganic particles in an amount from about 0.1%to about 45%, from about 0.1%to about 40%, from about 0.1%to about 35%, from about 0.1%to about 30%, from about 0.1%to about 25%, from about 0.1%to about 20%by weight, from about 1%to about 20%, from about 5%to about 20%, from about 10%to about 20%, or any value therebetween. In certain embodiments, based on the total weight of the dope, the dope comprises inorganic particles in an amount from about 10%to about 20%by weight. In certain embodiments, based on the total weight of the dope, the dope comprises inorganic particles in an amount of about 15%by weight.

[0060] In certain embodiments, the weight ratio of polymers to inorganic particles in the dope is from about 9: 1 to about 1: 1, e.g., 8.5: 1, 8: 1, 7.5: 1, 7: 1, 6.5: 1, 6: 1, 5.5: 1, 5: 1, 4.5: 1, 4: 1, 3.5: 1, 3: 1, 2.5: 1, 2: 1, 1.5: 1 or any value therebetween. In certain embodiments, the weight ratio of polymers to inorganic particles in the dope is from about 4.5 to about 6.5. In certain embodiments, the weight ratio of polymers to inorganic particles in the dope is from about 5 to about 6. In certain embodiments, the weight ratio of polymers to inorganic particles in the dope is about 5.5. In certain embodiments, the weight ratio of polymers to inorganic particles in the dope is 5.6.

[0061] The dope can be subjected to a centrifugal force sufficient to cause at least a portion of the plurality of inorganic particles in the dope to shift relative to the spun fiber thereby creating the plurality of voids. In certain embodiments, centrifugal spinning is performed with a centrifugal force ranging from about 500G to about 14413G, e.g., from about 500G to about 13000G, from about 500G to about 11000G, from about 500G to about 9000G, from about 500G to about 7500G, from about 500G to about 6000G, from about 500G to about 5500G, from about 500G to about 5000G, from about 500G to about 4500G, from about 500G to about 4000G, from about 500G to about 3500G, from about 500G to about 3000G, from about 500G to about 2500G, from about 500G to about 2000G, from about 500G to about 1500G, from about 500G to about 1000G, from about 1000G to about 6000G, from about 1500G to about 5500G, from about 2000G to about 5000G, from about 2500G to about 4500G, or any value therebetween. In certain embodiments, the dope is subjected to a centrifugal force from about 500G to 2000G. In certain embodiments, the dope is subjected to a centrifugal force of about 1879G.

[0062] Ambient temperature is also a factor which affects the solidification process of spun fiber. In certain embodiments, the ambient temperature is controlled in the range of 23-25℃.

[0063] In certain embodiments, the spun fiber comprises a plurality of voids and at least a portion of the plurality of inorganic particles are at least partially encapsulated by the plurality of voids.

[0064] In certain embodiments, the spun fiber is further subjected to a separate stretching process. In certain embodiments, the stretching process is performed at a temperature of 60-200℃, e.g., 60-180℃, 60-160℃, 60-140℃, 60-120℃, 60-100℃, 60-90℃, 70-100℃, 80-100℃, 85-95℃, or any value therebetween. In certain embodiments, the stretching process is performed at a temperature of about 90℃.

[0065] During the separate stretching process, the spun fiber can be stretched to a draw ratio of 150-500%, e.g., 150-450%, 150-400%, 150-350%, 150-300%, 150-250%, 150-200%, 200-450%, 250-450%, 250-400%, or any value therebetween. In certain embodiments, the spun fiber is stretched to a draw ratio of about 300%.

[0066] In certain embodiments, additional voids can be optionally formed in the composite fibers during the separate stretching process.

[0067]

[0068] The method of the present invention can possess one or more of the following advantages:

[0069] 1. being cheaper and simpler to manufacture;

[0070] 2. creating the voids around the inorganic particles in the composite fiber in a controlled and accurate manner;

[0071] 3. producing composite fibers with increased radiative cooling efficiency while maintaining their mechanical properties, e.g. tensile strength.

[0072] As used herein, the composite fibers with increased radiative cooling (or passive cooling) efficiency means the composite fibers have an increased reflectance in solar light spectrum, therefore reducing the radioactive heating of the skin by solar light; and / or a reduced absorption in solar light spectrum, therefore reducing self-heating; and / or a reduced reflectance in MIR spectrum, therefore reducing the body heat reflection to the skin.

[0073]

[0074] The present disclosure further provides a composite fiber prepared by the method according to the present invention.

[0075] In certain embodiments, the inorganic particles are present in an amount ranging from 0.1%to 50%by weight in the composite fiber. In certain embodiments, in the composite fiber, the inorganic particles are present in an amount from about 0.1%to about 45%, from about 0.1%to about 40%, from about 0.1%to about 35%, from about 0.1%to about 30%, from about 0.1%to about 25%, from about 0.1%to about 20%by weight, from about 1%to about 20%, from about 5%to about 20%, from about 10%to about 20%, or any value therebetween. In certain embodiments, the inorganic particles are present in an amount from about 10%to about 20%by weight in the composite fiber. In certain embodiments, the inorganic particles are present in an amount of about 15%by weight in the composite fiber.

[0076] In certain embodiments, the plurality of inorganic particles in the composite fiber have an average particle size ranging from 50 nm to 2 μm. In some embodiments, the inorganic particles have an average particle size ranging from about 50 nm to about 1900 nm, about 50 nm to about 1800 nm, about 50 nm to about 1700 nm, about 50 nm to about 1600 nm, about 50 nm to about 1500 nm, about 50 nm to about 1400 nm, about 50 nm to about 1300 nm, about 50 nm to about 1200 nm, about 50 nm to about 1100 nm, about 50 nm to about 1000 nm, about 50 nm to about 900 nm, about 50 nm to about 800 nm, about 50 nm to about 700 nm, about 50 nm to about 600 nm, about 50 nm to about 500 nm, about 50 nm to about 400 nm, about 50 nm to about 300 nm, about 50 to about 200 nm, about 50 nm to about 100 nm, about 100 nm to about 1000 nm, about 200 nm to about 1000 nm, about 300 nm to about 1000 nm, about 400 nm to about 1000 nm, about 400 nm to about 900 nm, about 400 nm to about 800 nm, about 400 nm to about 700 nm, or any value therebetween. In some embodiments, the plurality of inorganic particles in the composite fiber have an average particle size ranging from 300 nm to 700 nm. In certain embodiments, the plurality of inorganic particles in the composite fiber have an average particle size ranging from 500 nm to 600 nm.

[0077] In certain embodiments, the plurality of voids in the composite fiber comprise an average width ranging from 50 nm to 20 μm, and an average length ranging from 200 nm to 50 μm. As used herein, the term “width” of a void refers to the maximum scale of the projection of the void along the radial direction of the composite fiber. As used herein, the term “length” of a void refers to the maximum scale of the projection of the void along the axial direction of the composite fiber. In certain embodiments, the plurality of voids in the composite fiber comprise an average width ranging from about 50 nm to about 20 μm, from about 50 nm to about 15 μm, from about 50 nm to about 10 μm, from about 50 nm to about 5 μm, from about 50 nm to about 2 μm, from about 50 nm to about 1900 nm, about 50 nm to about 1800 nm, about 50 nm to about 1700 nm, about 50 nm to about 1600 nm, about 50 nm to about 1500 nm, about 50 nm to about 1400 nm, about 50 nm to about 1300 nm, about 50 nm to about 1200 nm, about 50 nm to about 1100 nm, about 50 nm to about 1000 nm, about 50 nm to about 900 nm, about 50 nm to about 800 nm, about 50 nm to about 700 nm, about 50 nm to about 600 nm, about 50 nm to about 500 nm, about 50 nm to about 400 nm, about 50 nm to about 300 nm, about 50 to about 200 nm, about 50 nm to about 100 nm, about 100 nm to about 1000 nm, about 200 nm to about 1000 nm, about 300 nm to about 1000 nm, about 400 nm to about 1000 nm, about 400 nm to about 900 nm, about 400 nm to about 800 nm, about 400 nm to about 700 nm, or any value therebetween. In certain embodiments, the plurality of voids in the composite fiber comprise an average length ranging from about 200 nm to about 50 μm, from about 200 nm to about 40 μm, from about 200 nm to about 30 μm, from about 200 nm to about 20 μm, from about 200 nm to about 10 μm, from about 200 nm to about 5 μm, from about 200 nm to about 2 μm, from about 200 nm to about 1 μm, , about 200 nm to about 1500 nm, about 200 nm to about 1000 nm, about 500 nm to about 1000 nm, or any value therebetween.

[0078] In certain embodiments, the composite fibers have an average diameter in a range of 3 μm-1000 μm. In certain embodiments, the composite fibers have an average diameter in a range from 5 μm to 900 μm, from 5 μm to 800 μm, from 5 μm to 700 μm, from 5 μm to 600 μm, from 5 μm to 500 μm, from 5 μm to 400 μm, from 5 μm to 300 μm, from 5 μm to 200 μm, from 5 μm to 100 μm, from 5 μm to 80 μm, from 5 μm to 60 μm, from 5 μm to 40 μm, from 5 μm to 50 μm, or any value therebetween. In certain embodiments, the composite fibers have an average diameter in a range of 3-10 μm. In certain embodiments, the composite fibers have an average diameter in a range of 5-8 μm. In certain embodiments, the composite fibers have an average diameter of 5±10%μm.

[0079]

[0080] The present disclosure also provides use of the composite fiber of the present invention in radiative cooling textile or cloth.

[0081] In certain embodiments, the textile or cloth made of the fibers described herein enable high solar reflectance and infrared emittance, effectively reduce the temperature of body covered by the textile or cloth without external energy input. Such textile or cloth is particularly beneficial in hot climates, as they help to keep the wearer cool and comfortable by minimizing heat absorption and promoting efficient heat dissipation.

[0082]

[0083] Examples

[0084] Materials

[0085] Polyester chips (industrial fiber-grade) were obtained from JADE PET resin (China) . SiO2 powder (average particle size = 600 nm) was obtained from Atomicles (US) . BaSO4 powder (average particle size = 500 nm) was obtained from Oocap Inc. (US) . TiO2 powder (average particle size = 500 nm) was obtained from Atomicles (US) . TiO2 powder (average particle size = 1000 nm) was obtained from Atomicles (US) . Centrifugal spinning machine was obtained from Xuzhou Yuanmeng Shipin Jixie Chang.

[0086] Example 1

[0087] First, 15 g of BaSO4 powder (Atomicles, US) with a particle size of 500 nm is mixed with 85 g of pre-dried fiber-grade polyester chips (polyethylene terephthalate) . The mixture is then put into a twin-screw extruder at 290℃ to ensure the polymer and nanoparticles is mixed well. The molten mixture goes through a die, following by solidification in a water bath at room temperature. The solidified stand is then cut into small pellets by a pelletizer.

[0088] Next, in a centrifugal spinning machine, the rotating drum is preheated to 290℃, and the polymer-filler mixed pellets are fed into the drum. The diameter of rotating drum is 20 cm. During the spinning, the molten polymer-filler mixture is ejected through the orifice and drawn into fibers by centrifugal force of 1879G. Ambient temperature is 25℃. Finally, the spun fibers are collected and further stretched at 90℃ to a draw ratio of 300%, yielding polyester fibers containing BaSO4 particles and voids.

[0089] As shown in Figs. 2A-B, the resulting composite fibers comprise inorganic particles uniformly distributed in the polymer matrix, and voids surrounding the inorganic particles. The average diameter of the fibers is 5 μm. The voids created in the fibers have an average width of about 500 nm, and an average length of about 2 μm.

[0090] Example 2

[0091] First, 15 g of TiO2 powder (Atomicles, US) with a particle size of 500 nm are mixed with 85 g of dried fiber-grade polyester chips (polyethylene terephthalate) . Then, polymer-filler mixed pellets are produced via a twin-screw extrusion and pelletizer process as disclosed in Example 1.

[0092] Next, in a centrifugal spinning machine, the rotating drum is preheated to 120℃, and the polymer-filler mixed pellets are fed into the drum. The diameter of the rotating drum is 20 cm. During the spinning, the molten polymer-filler mixture is ejected through the orifice and drawn into fibers with voids by centrifugal force of 1879G. Ambient temperature is 25℃.

[0093] As shown in Figs. 3A-B, the resulting composite fibers comprise inorganic particles uniformly distributed in the polymer matrix, and voids surrounding the inorganic particles. The average diameter of the fibers is 8 μm. The voids created in the fibers have an average width of about 500 nm, and an average length of about 2 μm.

[0094] Example 3

[0095] First, 15 g of TiO2 powder (Atomicles, US) with a particle size of 1000 nm are mixed with 85 g of dried fiber-grade polyester chips (polyethylene terephthalate) . Then, polymer-filler mixed pellets are produced via a twin-screw extrusion and pelletizer process as disclosed in Example 1.

[0096] Next, in a centrifugal spinning machine, the rotating drum is preheated to 290℃, and the polymer-filler mixed pellets are fed into the drum. The diameter of the rotating drum is 20 cm. During the spinning, the molten polymer-filler mixture is ejected through the orifice and drawn into fibers with voids by centrifugal force of 1879G. Ambient temperature is 25℃. Finally, the spun fibers are collected and further stretched at 90℃ to a draw ratio of 300%, yielding polyester fibers containing TiO2 particles and voids.

[0097] The resulting composite fibers comprise inorganic particles uniformly distributed in the polymer matrix, and voids surrounding the inorganic particles. The average diameter of the fibers is 5 μm. The voids created in the fibers have an average width of about 1000 nm, and an average length of 2 μm.

[0098] Example 4

[0099] First, 20 g of BaSO4 powder (Oocap Inc., US) with a particle size of 500 nm are mixed with 80 g of dried fiber-grade polyester chips (polyethylene terephthalate) . Then, polymer-filler mixed pellets are produced via a twin-screw extrusion and pelletizer process as disclosed in Example 1.

[0100] Next, in a centrifugal spinning machine, the rotating drum is preheated to 140℃, and the polymer-filler mixed pellets are fed into the drum. The diameter of the rotating drum is 20 cm. During the spinning, the molten polymer-filler mixture is ejected through the orifice and drawn into fibers with voids by centrifugal force of 14413G. Ambient temperature is 25℃.

[0101] The resulting composite fibers comprise inorganic particles uniformly distributed in the polymer matrix, and voids surrounding the inorganic particles. The average diameter of the fibers is 8 μm. The voids created in the fibers have an average width of about 500 nm, and an average length of about 2 μm.

[0102] Table 1 illustrates the correspondence table between RPM and G Force in the experimental setup according to the present application.

[0103] Table 1

[0104] Example 5

[0105] The experimental setup for measuring the passive cooling effect is schematically illustrated in Figure 4. Two temperature sensors were placed above and below simulated human skin, respectively. The simulated human skin was supported by aluminum foil-wrapped foam. The term “simulated skin” refers to a silicon rubber mat. Two types of fabric-passive cooling PET fabric and normal PET fabric-were used to cover the simulated skin and sensors. The passive cooling PET fabric is prepared by composite fibers made in Example 1. The normal PET fabric is prepared by PET fibers (no inorganic particles and voids) with an average diameter of 5 μm.

[0106] The outdoor cooling tests were conducted under clear sky conditions in Hong Kong, starting at 12: 00 noon. Each simulated skin was covered with either the passive cooling PET fabric or the normal PET fabric. Environmental parameters such as ambient temperature, humidity, and wind speed should be recorded to ensure consistent and interpretable results.

[0107] Figures 5 and 6 present the temperature measurements from the two temperature sensors. As shown in Figure 5, the skin covered with passive cooling PET fabric showed a temperature reduction of approximately 3.7℃ compared to the skin covered with normal PET fabric. As shown in Figure 6, the air between the passive cooling PET fabric and simulated skin showed a temperature reduction of approximately 6.0℃ compared to the air between the normal PET fabric and simulated skin.

[0108] Example 6

[0109] The diffusive spectral reflectance in the solar range (0.3-2.5 μm) was measured by Lambda 1050 UV-Vis-NIR spectrometer (PerkinElmer, USA) equipped with 150 mm integrating sphere. The passive cooling PET fabric is prepared by composite fibers made in Example 1. The normal PET fabric is prepared by PET fibers (no inorganic particles and pores) with an average diameter of 5 μm. The solar reflectance between 0.3-2.5 μm for normal PET fabric is 66%while the passive cooling PET fabric exhibited 84%reflectivity, indicating a passive cooling effect of PET fabric according to the present invention.

[0110]

Claims

1.A method for preparing a composite fiber, the method comprises:a) preparing a dope comprising a polymer and a plurality of inorganic particles;b) subjecting the dope to centrifugal spinning to obtain a spun fiber; andc) optionally stretching the spun fiber,thereby forming the composite fiber, wherein the composite fiber comprises a plurality of voids and at least a portion of the plurality of inorganic particles are at least partially encapsulated by the plurality of voids.2.The method of claim 1, wherein the dope does not comprise a solvent.3.The method of claim 1, wherein the polymer comprises one or more of polyester, polyurethane, polyamide, polypropylene, polylactic acid, polyethylene, polyacrylonitrile, polybutylene and terephthalate.4.The method of claim 1, wherein the dope has an intrinsic viscosity in the range of 0.4-3 dL / g.5.The method of claim 1, wherein the plurality of inorganic particles comprise one or more of barium sulfate (BaSO4) , calcium carbonate (CaCO3) , titanium dioxide (TiO2) , zirconium dioxide (ZrO2) , silicon dioxide (SiO2) , boron nitride (BN) , zinc oxide (ZnO) and aluminum oxide (Al2O3) .6.The method of claim 1, wherein the plurality of inorganic particles have an average particle size ranging from 50 nm to 2 μm.7.The method of claim 1, wherein the plurality of inorganic particles are present in an amount ranging from 0.1%to 50%by weight in the dope.8.The method of claim 1, wherein the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet, or mixing of molten polymer with the plurality of inorganic particles.9.The method of claim 8, wherein the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is produced by extrusion and pelletization.10.The method of claim 8, wherein the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature of 90-400℃.11.The method of claim 8, wherein the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature from a melting point of the polymer to 100℃ above the melting point, and the spun fiber is stretched to a draw ratio of 150%to 500%.12.The method of claim 8, wherein the pre-mixed polymer-inorganic particle pellet is heated at a temperature from 150℃ to 10℃ below the melting point of the polymer.13.The method of claim 1, wherein the centrifugal spinning is performed with a centrifugal force ranging from 500G to 14500G.14.The method of claim 1, wherein the plurality of voids have an average width ranging from 50 nm to 20 μm; and / or an average length ranging from 200 nm to 50 μm.15.The method of claim 1, wherein the composite fiber has an average diameter ranging from 3 μm to 1000 μm.16.The method of claim 1, wherein the polymer is polyethylene terephthalate, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 270℃ to about 300℃, the centrifugal spinning is performed with a centrifugal force from about 1700G to 1950G, and the spun fiber is stretched to a draw ratio of about 300%.17.The method of claim 1, wherein the polymer is polyethylene terephthalate, the dope is prepared by heating a pre-mixed polymer-inorganic particle pellet at a temperature from about 110℃ to about 250℃, the centrifugal spinning is performed with a centrifugal force from about 1700G to 14500G, and there is no further stretching.18.A composite fiber produced by the method in accordance with any one of claims 1-17.19.The composite fiber of claim 18, wherein the polymer comprises one or more of polyester, polyurethane, polyamide, polypropylene, polylactic acid, polyethylene, polyacrylonitrile, polybutylene and terephthalate.20.The composite fiber of claim 18, wherein the plurality of inorganic particles comprise one or more of barium sulfate (BaSO4) , calcium carbonate (CaCO3) , titanium dioxide (TiO2) , zirconium dioxide (ZrO2) , silicon dioxide (SiO2) , boron nitride (BN) , zinc oxide (ZnO) and aluminum oxide (Al2O3) .21.The composite fiber of claim 18, wherein the plurality of inorganic particles have an average particle size ranging from 50 nm to 2 μm.22.The composite fiber of claim 18, wherein the plurality of inorganic particles are present in an amount ranging from 0.1%to 50%by weight in the composite fiber.23.The composite fiber of claim 18, wherein the plurality of voids of the composite fiber have an average width ranging from 50 nm to 20 μm; and / or an average length ranging from 200 nm to 50 μm.24.The composite fiber of claim 18, wherein the composite fiber has an average diameter ranging from 3 μm to 1000 μm.25.Use of the composite fiber prepared by the method in accordance with any one of claims 1-17 or the composite fiber in accordance with any one of claims 18-24 in radiative cooling textile or cloth.

Images