科学家设计了一种呼吸充电静电面罩 用于长时间的空气过滤

静电吸附是口罩使用中高效空气过滤的机械过滤的重要补充。然而，过滤器的静电荷会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(城大)的研究团队成功设计出一种呼吸充电静电面罩，该面罩可以通过用户的呼吸“自我充电”，并在用户佩戴和呼吸时不断补充静电电荷。与传统外科口罩的60小时相比，这显着提高了长时间使用口罩长达<>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、经济有效的方法。大多数口罩有三个功能层：一个核心熔喷聚丙烯(PP)层作为过滤介质，两个纺粘无纺布(通常是PP或聚乙烯(PE))作为支撑层，包括向内磨损的亲水层，以吸收呼吸中的水分，以及向外磨损的疏水层，以排斥液体。

解决静电吸附效率下降的问题

静电纺丝比工业中广泛使用的熔喷技术提供更好的机械过滤。但仅靠机械过滤并不能提供足够的保护。一种解决方案是引入电场，使过滤介质具有静电荷，这有助于超细颗粒捕获。然而，静电吸附效率会随着时间的推移而下降，特别是在潮湿的环境中，当呼吸中呼出水分时。

领导这项研究的城大机械工程学系及材料科学及工程学系副教授杨正宝博士说：「虽然许多报告都致力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。“我们开发了一种高效、耐用、低成本的空气过滤器，可以以自充电的方式持续补充静电荷。

研究团队引入了一种自充电空气过滤器(SAF)，它利用摩擦电效应，实现了高效和长时间的空气颗粒去除。通过将静电纺丝聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维过滤介质夹在两个摩擦电尼龙织物层之间，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，在 95 小时的测试(包括 8 小时的佩戴)后保持 60.30% 的高效率。

“当中间层随着呼吸在侧层之间来回移动时，由于PVDF和尼龙的电子亲和力差异很大，它们之间会发生电荷转移，导致PVDF层带负电，尼龙层带正电，”杨博士解释说。“这种自充电过程能够持续补充静电荷并延长静电吸附时间。

由用户呼吸驱动的“自充电”

SAF制作一个口罩的原材料成本低至0.47港元，是外科口罩、N95口罩、KF94口罩和KN95口罩中最具成本效益的选择。

研究结果发表在Nature Communications上。

这种利用摩擦电效应的自充电策略为开发高效、长寿命的空气过滤技术铺平了一条新道路。

杨博士说：“在高风险环境中，建议每四个小时更换一次外科口罩，但大量废弃口罩导致严重的环境挑战。“我们预计这种自充电策略将显著延长口罩的使用寿命，增强对冠状病毒的防护效果，并减轻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，这对于标准化、高效率的工业生产具有重要意义。

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