科学家设计了一种呼吸充电式静电口罩，可以长时间过滤空气
在口罩的使用中，静电吸附是对机械过滤高效空气过滤的重要补充。然而，过滤器的静电荷随着时间的推移而衰减，特别是在潮湿的条件下。
香港城市大学(CityU)的一个研究团队成功设计了一种呼吸充电式静电口罩，它可以通过使用者的呼吸“自我充电”，并在使用者佩戴和通过口罩呼吸的过程中不断补充静电电荷。与传统外科口罩使用4小时相比，这大大提高了口罩长时间使用长达60小时的过滤性能。这也有利于环境。
口罩是预防COVID-19和其他空气传播疾病的一种简单、经济的方法。大多数口罩具有三个功能层:芯芯熔融吹制聚丙烯(PP)层作为过滤介质，两层纺粘无纺布(一般为PP或聚乙烯(PE))作为支撑层，包括向内穿的亲水性层，用于吸收呼吸中的水分，向外穿的疏水性层，用于排斥液体。
解决了静电吸附效率下降的问题
静电纺丝比工业上广泛使用的熔喷技术提供更好的机械过滤。但机械过滤本身并不能提供足够的保护。一种解决方案是引入电场给过滤介质一个静电荷，这有利于超细颗粒捕获。但随着时间的推移，静电吸附效果会下降，尤其是在潮湿的环境中，呼吸时呼出水分。
领导这项研究的城市大学机械工程系和材料科学与工程系副教授杨正宝博士解释说:“尽管许多报道都是关于补充电荷以获得持久的静电吸附效果，但通常需要额外的电源，这既麻烦又不方便。”“我们已经开发了一种高效、耐用、低成本的空气过滤器，可以持续补充空气静电电荷以一种自我充电的方式。”
研究团队推出了一种自充电空气过滤器(SAF)，利用摩擦电效应，实现了高效、长时间的空气颗粒去除。通过将静电纺聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维过滤介质夹在两层摩擦电子尼龙织物之间，SAF连续产生由呼吸激发的静电荷。因此，SAF提供持久的颗粒去除性能，保持效率高的95.8%经过60小时的测试(包括30小时的佩戴)。
杨博士解释说:“随着中间层在呼吸时在横向层之间来回移动，由于PVDF和尼龙之间的电子亲和性差异很大，因此会发生电荷转移，导致PVDF层带负电，尼龙层带正电。”“这种自充电过程可以持续补充静电荷，延长静电吸附时间。”
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表面电位与过滤效率的定量关系。(a) 0.3μm ~ 10μm颗粒在不同表面电位下的分级效率。(b)相对湿度为20%和50%时静电势的衰减。图源:杨正宝博士集团/香港城市大学 -
高效耐用的摩擦电效应启用PM过滤。(a)摩擦学系列:比较所研究材料的电荷传递能力。虚线表示定性排名。(b) SAF的摩擦电荷产生机制。(c)具有自充电功能和不具有自充电功能的静电势衰减，表明具有自充电功能的静电吸附能力延长。(d)过滤效率和压降耐久性评价。(e)比较智能口罩与商用口罩性能的雷达图。图源:杨正宝博士集团/香港城市大学
由用户呼吸驱动的“自动充电”
SAF制作一个口罩的原材料成本低至0.47港元，是常用的外科口罩、N95、KF94和KN95口罩中最具成本效益的选择。
研究结果发表在自然通讯．
这种利用摩擦电效应的自充电策略为高效、长寿命的空气过滤技术的发展开辟了一条新的道路。
杨博士说:“在高风险环境中，建议每四小时更换一次外科口罩，但大量丢弃的口罩导致了严重的环境挑战。”“我们希望这种自我充电的策略能够显著延长口罩的使用寿命，增强对冠状病毒的防护效果，并减少废弃口罩造成的环境负担。”
该研究还建立了过滤效率与表面静电势之间的定量关系，这对标准化、高效的工业生产具有重要意义。
更多信息:彭泽华等，利用摩擦电气化进行长时间空气过滤的自充电静电口罩，自然通讯(2022)。DOI: 10.1038 / s41467 - 022 - 35521 - w
