科学家设计了一种呼吸充电静电面罩，可延长空气过滤时间

静电吸附是机械过滤的重要补充，用于口罩使用中的高效空气过滤。然而，过滤器的静电荷会随着时间的推移而衰减，尤其是在潮湿的条件下。

香港城市大学杨正宝博士及其团队研发的自充电空气过滤器（SAF）。

香港城市大学（城大）的一个研究团队成功设计出一种呼吸充电静电口罩，它可以通过用户的呼吸“自我充电”，并在用户佩戴和通过口罩呼吸时不断补充其静电电荷。与传统外科口罩的四小时相比，这显着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、经济高效的方法。大多数口罩具有三层功能层：核心熔喷聚丙烯（PP）层作为过滤介质和两层纺粘无纺布（一般为PP或聚乙烯（PE））作为支撑层，包括亲水层，向内佩戴，吸收呼吸中的水分和向外磨损的疏水层，以排斥液体。

解决静电吸附功效下降问题

与行业中广泛使用的熔喷技术相比，静电纺丝提供了更好的机械过滤。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，使过滤介质带上静电荷，从而促进超细颗粒物的捕集。然而，静电吸附功效会随着时间的推移而下降，特别是在潮湿的环境中，当水分在呼吸中呼出时。

自充电空气过滤口罩，静电吸附时间长。(a) 拟议的自充电空气过滤面罩的示意图。(b) 与外科口罩中的 PP/PP（或 PP/PE）对（右）相比，SAF 中使用的 PVDF/尼龙对（左）增强了颗粒捕获能力。特写图显示了 SAF 设计对细小颗粒的有效静电吸附。图片来源：杨正宝博士小组/香港城市大学

“虽然许多报道都致力于补充电荷以实现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，”机械工程系副教授杨正宝博士解释道。领导这项研究的城大材料科学与工程学院。“我们开发了一种高效、耐用、低成本的空气过滤器，能够以自充电的方式 持续补充静电荷。”

研究团队推出了一种自充电空气过滤器 (SAF)，它利用摩擦电效应实现高效和持久的空气悬浮颗粒去除。通过将静电纺丝聚偏二氟乙烯 (PVDF) 纳米纤维过滤介质夹在两个摩擦带电尼龙织物层之间，SAF 不断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，在测试 60 小时（包括 30 小时佩戴）后仍保持 95.8% 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 和尼龙之间电子亲和力的巨大差异，会发生电荷转移，导致 PVDF 层带负电，尼龙层带正电，”解释说杨医生。“这种自充电过程可以持续补充静电荷并延长静电吸附时间。”

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• 表面电位与过滤效率之间的定量关系。(a) 在各种表面电位下，0.3μm 到 10μm 范围内的颗粒的分级效率。(b) 20% 和 50% 相对湿度下的静电势衰减。图片来源：杨正宝博士小组/香港城市大学

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• 表面电位与过滤效率之间的定量关系。(a) 在各种表面电位下，0.3μm 到 10μm 范围内的颗粒的分级效率。(b) 20% 和 50% 相对湿度下的静电势衰减。图片来源：杨正宝博士小组/香港城市大学

表面电位与过滤效率之间的定量关系。(a) 在各种表面电位下，0.3μm 到 10μm 范围内的颗粒的分级效率。(b) 20% 和 50% 相对湿度下的静电势衰减。

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  高效耐用的摩擦电效应启用 PM 过滤。(a) 摩擦电系列：比较所研究材料的电荷转移能力。虚线代表定性排名。(b) SAF 的摩擦电荷产生机制。(c) 具有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) 过滤效率和压降的耐久性评价。(e) 比较 SAF 与商用面罩性能的雷达图。

• 用户呼吸驱动的“自充电”

SAF制作一只口罩的原材料成本低至0.47港元，是目前常用的外科口罩、N95、KF94、KN95口罩中性价比最高的选择。

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开辟了一条新途径。

杨博士说：“在高风险环境下，建议每四小时更换一次口罩，但大量丢弃的口罩造成了严峻的环境挑战。” “我们希望这种自充电策略能够显着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，这对于标准化、高效的工业生产具有重要意义。