高濕度環(huán)境下可自充電的新型醫(yī)用口罩

傳統(tǒng)醫(yī)用口罩由三層聚丙烯（PP）無(wú)紡布構(gòu)成，包括內(nèi)外兩層無(wú)紡布和中間熔噴布。熔噴布的孔徑很小（2μm），且經(jīng)過(guò)駐極處理后帶電，因而可以通過(guò)靜電吸附有效阻隔帶電的病毒顆粒，降低感染風(fēng)險(xiǎn)。但長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩呼出的水蒸氣會(huì)加速靜電消耗，降低吸附效率，從而增加感染風(fēng)險(xiǎn)。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王道愛(ài)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)使用靜電紡絲聚乙烯醇（PVA）纖網(wǎng)代替PP 熔噴纖網(wǎng)，制造了一種在高濕度環(huán)境下具有自充電和電荷保持性能的新型醫(yī)用口罩，其本質(zhì)上是一種由外層的PP 和內(nèi)層的PVA 組成的接觸式摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）。

在高濕度環(huán)境中，水分子散布在TENG的摩擦層之間，PVA 表面的羥基與空氣中的水分子形成氫鍵，將水分子固定在PVA 表面。當(dāng)PVA 和PTFE（聚四氟乙烯）層被擠壓接觸時(shí)，PVA 和水分子的表面會(huì)產(chǎn)生正電荷，PTFE的表面會(huì)產(chǎn)生負(fù)電荷。當(dāng)PVA 和PTFE 層彼此分離時(shí)，由于靜電感應(yīng)，PVA 和PTFE 層之間的電勢(shì)差將電子從PTFE 背面的銅電極傳輸?shù)絇VA 電極。因此，電流從PVA/Cu 電極流向PTFE/Cu 電極，PVA 背面的Cu 層產(chǎn)生負(fù)電荷，而PTFE 背面的Cu 層產(chǎn)生正電荷。由于靜電感應(yīng)和帶電陽(yáng)離子的共同作用，TENG 在不斷的接觸-分離過(guò)程中交替產(chǎn)生電能，從而達(dá)到靜電吸附功能。

當(dāng)濕度從15%增加到95%時(shí)，基于PP的TENG 短路電流下降了72%，而基于PVA的TENG 反而上升了217%。這是因?yàn)殡S著濕度增加，PVA 與水分子之間形成的氫鍵增多，大量自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，而PVA 固定的水分子還可作為正電材料參與摩擦生電。此外，在高濕度條件下，PVA的電荷耗散率比PP 低20.9%，表現(xiàn)出優(yōu)異的電荷存儲(chǔ)性能。

與基于PP的醫(yī)用口罩相比，基于PVA的醫(yī)用口罩最顯著的優(yōu)勢(shì)是高耐濕性和自充電性能。因此，長(zhǎng)時(shí)間使用的口罩無(wú)需摘下，直接用手輕輕拍打即可完成充電，拍20次可充電3.45nC，并且該自發(fā)電口罩可重復(fù)性良好，“充放電”15次后仍然能保持阻隔病毒顆粒的性能。