【中科院之声】口罩的静电盾牌:解析摩擦起电的奇妙应用丨科技最前线

  摩擦起电是一种常见的自然现象,在很多领域的技术应用中发挥着重要作用。如防护口罩在长时间佩戴过程中,呼出的水蒸气会加速其驻极静电的消耗,从而降低吸附效率,增加感染风险。而利用摩擦起电可随时为口罩提供并积累静电,提高口罩的过滤效率,减少感染风险。同时,通过改进摩擦起电材料,还可在恶劣环境中实现摩擦发电器件的高性能运转,为分布式能源收集和自供能传感器设计提供新的可能性。
  口罩过滤细菌靠静电
  口罩是预防和抑制高传染性病毒传播的重要个人防护装备。传统的医用口罩一般是由三层聚丙烯无纺布组成,包括两层外部纺粘无纺布和内层熔喷无纺布。内层熔喷无纺布是为医用口罩带来病毒过滤能力的关键材料,其孔径一般在2 μm左右。为什么熔喷布可以过滤比其孔径还要小的悬浮颗粒、细菌和病毒呢?这是因为静电驻极技术使得熔喷布带有静电荷,结合熔喷超细纤维材质致密的特点,带电纤维熔喷布就能吸附携带细菌和病毒等颗粒,有效地阻止病毒颗粒穿透口罩,从而减少感染的风险。
  然而,人体呼出的水蒸气会大大加速静电消散,长时间使用医用口罩会降低对病毒的吸附效率,增加感染风险。医用口罩中的聚丙烯材料在高湿度环境下具有更快的电荷耗散速率。在高湿度条件下,水分子吸附在聚丙烯表面形成导电水膜,提高了聚丙烯的电导率,加速了电荷转移或耗散过程。这一现象影响了医用口罩对病毒颗粒的过滤效果,给佩戴者带来潜在的感染风险。因此,提高并保持在高湿度环境下口罩过滤层中的静电电荷量是解决该问题的关键。
  摩擦起电在口罩领域的应用:阻止口罩驻极电荷耗散
  为减缓口罩驻极电荷的耗散速率,研究人员已采用了几种方法,包括使用疏水或超疏水材料来减少水分子在聚合物表面上的吸附,以及构造疏松结构以增加材料的渗透性。然而,使用疏水化材料或构造疏松结构成本高且工艺复杂,同时这些材料也不能完全改变湿度的增加会减少静电荷的趋势。此外,疏水化处理后聚丙烯材料易将本应通过面罩进入空气中的水聚集在皮肤上,从而增加戴口罩的使用者不适感。因此,寻找并设计高湿环境下具有高静电荷存储能力的新材料是解决该问题的有效方法。
  针对这一难题,中国科学院兰州化学物理研究所王道爱研究员团队采用聚乙烯醇(PVA)静电纺丝网代替聚丙烯熔喷网内层,设计了一种基于氢键增强的PVA基摩擦纳米发电机(TENG),并将其应用于医用口罩领域(图1)。该口罩在高湿度下具有自充电能力和良好的电荷保持能力,解决了传统聚丙烯基医用口罩长期佩戴时中间吸附层电荷耗散过快的问题。PVA基中间吸附层材料富含的羟基官能团,能与呼出的水蒸气分子自发形成氢键固定水分子,增强了高湿度下摩擦起电的能力。同时,PVA材料优异的电荷储存性能可大大减缓电荷的耗散速率,并可通过拍打、摩擦等简单易行的方式实现口罩自充电,延长其有效使用寿命。

 1. PVA基耐湿、自充电口罩的结构设计与微观形貌

  材料新设计:进一步提高PVA摩擦起电材料抗湿性
  尽管PVA材料可作为一种性能优异的耐湿型摩擦起电正极材料,但其较差的介电、耐磨损性能限制了其作为摩擦发电材料的长期使用。基于此,该团队与中国海洋大学陈守刚教授团队合作,通过PVA与MXene材料的复合改性,设计了一种面向海洋湿热苛刻环境的PVA-PVDF基摩擦发电器件。得益于MXene表面的亲水性基团和其在PVA基质中的平行层状分布,不仅提高了PVA的耐湿性、耐磨性和介电性能,还在海洋防污性能等方面展现出优异的性能(图2)。该工作为恶劣海洋环境下摩擦发电材料耐湿设计和自供电环境治理提供了新的思路。

2. MXene-PVA复合薄膜材料的制备及其在海洋防污领域的应用

  纯PVA的吸水速度慢、抗膨胀性差等固有特性会损害其机械稳定性和渗透性能,限制了PVATENG在相对高湿度下的实际应用。为此,该团队采用聚丙烯腈/聚乙烯醇-氯化钙(PAN/PVA-CaCl2)复合薄膜,设计了一种抗膨胀耐湿高性能TENG(图3),在高湿度下具有更好的吸水速度、抗膨胀性能、机械性能和摩擦学性能。此外,作为一种有效、经济的电源应用于海水淡化,其能耗仅为0.19 kWh m?3。该工作为设计高湿条件下高性能的TENG提供了一种可行、有效的方法。

3. 耐溶胀抗磨PAN/PVA-CaCl2复合膜基耐湿TENG用于海水淡化

  静电和摩擦起电是自然力量与科技的奇妙交汇,它们在口罩等领域的应用为人类的生活和健康提供了有力支持。随着静电技术和摩擦起电的不断探索和改进,人类可期待更多的创新产物,带来更好的生活质量和环保能源解决方案。
  
  参考文献:
  1. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009172; ZL 202010376170.5
  2. Materials Today Nano 2023,24,100410
  3. Adv. Funct. Mater. 2023, 2306702
  来源:中国科学院兰州化学物理研究所
中国科学院兰州化学物理研究所党科普园地
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