【中科院之聲】口罩的靜電盾牌：解析摩擦起電的奇妙應(yīng)用丨科技最前線
摩擦起電是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，在很多領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。如防護(hù)口罩在長(zhǎng)時(shí)間佩戴過(guò)程中，呼出的水蒸氣會(huì)加速其駐極靜電的消耗，從而降低吸附效率，增加感染風(fēng)險(xiǎn)。而利用摩擦起電可隨時(shí)為口罩提供并積累靜電，提高口罩的過(guò)濾效率，減少感染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)摩擦起電材料，還可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電器件的高性能運(yùn)轉(zhuǎn)，為分布式能源收集和自供能傳感器設(shè)計(jì)提供新的可能性。
口罩過(guò)濾細(xì)菌靠靜電
口罩是預(yù)防和抑制高傳染性病毒傳播的重要個(gè)人防護(hù)裝備。傳統(tǒng)的醫(yī)用口罩一般是由三層聚丙烯無(wú)紡布組成，包括兩層外部紡粘無(wú)紡布和內(nèi)層熔噴無(wú)紡布。內(nèi)層熔噴無(wú)紡布是為醫(yī)用口罩帶來(lái)病毒過(guò)濾能力的關(guān)鍵材料，其孔徑一般在2 m左右。為什么熔噴布可以過(guò)濾比其孔徑還要小的懸浮顆粒、細(xì)菌和病毒呢？這是因?yàn)殪o電駐極技術(shù)使得熔噴布帶有靜電荷，結(jié)合熔噴超細(xì)纖維材質(zhì)致密的特點(diǎn)，帶電纖維熔噴布就能吸附攜帶細(xì)菌和病毒等顆粒，有效地阻止病毒顆粒穿透口罩，從而減少感染的風(fēng)險(xiǎn)。
然而，人體呼出的水蒸氣會(huì)大大加速靜電消散，長(zhǎng)時(shí)間使用醫(yī)用口罩會(huì)降低對(duì)病毒的吸附效率，增加感染風(fēng)險(xiǎn)。醫(yī)用口罩中的聚丙烯材料在高濕度環(huán)境下具有更快的電荷耗散速率。在高濕度條件下，水分子吸附在聚丙烯表面形成導(dǎo)電水膜，提高了聚丙烯的電導(dǎo)率，加速了電荷轉(zhuǎn)移或耗散過(guò)程。這一現(xiàn)象影響了醫(yī)用口罩對(duì)病毒顆粒的過(guò)濾效果，給佩戴者帶來(lái)潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高并保持在高濕度環(huán)境下口罩過(guò)濾層中的靜電電荷量是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。
摩擦起電在口罩領(lǐng)域的應(yīng)用：阻止口罩駐極電荷耗散
為減緩口罩駐極電荷的耗散速率，研究人員已采用了幾種方法，包括使用疏水或超疏水材料來(lái)減少水分子在聚合物表面上的吸附，以及構(gòu)造疏松結(jié)構(gòu)以增加材料的滲透性。然而，使用疏水化材料或構(gòu)造疏松結(jié)構(gòu)成本高且工藝復(fù)雜，同時(shí)這些材料也不能完全改變濕度的增加會(huì)減少靜電荷的趨勢(shì)。此外，疏水化處理后聚丙烯材料易將本應(yīng)通過(guò)面罩進(jìn)入空氣中的水聚集在皮膚上，從而增加戴口罩的使用者不適感。因此，尋找并設(shè)計(jì)高濕環(huán)境下具有高靜電荷存儲(chǔ)能力的新材料是解決該問(wèn)題的有效方法。
針對(duì)這一難題，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王道愛(ài)研究員團(tuán)隊(duì)采用聚乙烯醇（PVA）靜電紡絲網(wǎng)代替聚丙烯熔噴網(wǎng)內(nèi)層，設(shè)計(jì)了一種基于氫鍵增強(qiáng)的PVA基摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），并將其應(yīng)用于醫(yī)用口罩領(lǐng)域（圖1）。該口罩在高濕度下具有自充電能力和良好的電荷保持能力，解決了傳統(tǒng)聚丙烯基醫(yī)用口罩長(zhǎng)期佩戴時(shí)中間吸附層電荷耗散過(guò)快的問(wèn)題。PVA基中間吸附層材料富含的羥基官能團(tuán)，能與呼出的水蒸氣分子自發(fā)形成氫鍵固定水分子，增強(qiáng)了高濕度下摩擦起電的能力。同時(shí)，PVA材料優(yōu)異的電荷儲(chǔ)存性能可大大減緩電荷的耗散速率，并可通過(guò)拍打、摩擦等簡(jiǎn)單易行的方式實(shí)現(xiàn)口罩自充電，延長(zhǎng)其有效使用壽命。
圖1. PVA基耐濕、自充電口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與微觀形貌
材料新設(shè)計(jì)：進(jìn)一步提高PVA摩擦起電材料抗?jié)裥?/b>
盡管PVA材料可作為一種性能優(yōu)異的耐濕型摩擦起電正極材料，但其較差的介電、耐磨損性能限制了其作為摩擦發(fā)電材料的長(zhǎng)期使用。基于此，該團(tuán)隊(duì)與中國(guó)海洋大學(xué)陳守剛教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)PVA與MXene材料的復(fù)合改性，設(shè)計(jì)了一種面向海洋濕熱苛刻環(huán)境的PVA-PVDF基摩擦發(fā)電器件。得益于MXene表面的親水性基團(tuán)和其在PVA基質(zhì)中的平行層狀分布，不僅提高了PVA的耐濕性、耐磨性和介電性能，還在海洋防污性能等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能（圖2）。該工作為惡劣海洋環(huán)境下摩擦發(fā)電材料耐濕設(shè)計(jì)和自供電環(huán)境治理提供了新的思路。
圖2. MXene-PVA復(fù)合薄膜材料的制備及其在海洋防污領(lǐng)域的應(yīng)用
純PVA的吸水速度慢、抗膨脹性差等固有特性會(huì)損害其機(jī)械穩(wěn)定性和滲透性能，限制了PVA基TENG在相對(duì)高濕度下的實(shí)際應(yīng)用。為此，該團(tuán)隊(duì)采用聚丙烯腈/聚乙烯醇-氯化鈣（PAN/PVA-CaCl2）復(fù)合薄膜，設(shè)計(jì)了一種抗膨脹耐濕高性能TENG（圖3），在高濕度下具有更好的吸水速度、抗膨脹性能、機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能。此外，作為一種有效、經(jīng)濟(jì)的電源應(yīng)用于海水淡化，其能耗僅為0.19 kWh m？3。該工作為設(shè)計(jì)高濕條件下高性能的TENG提供了一種可行、有效的方法。
圖3. 耐溶脹抗磨PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜基耐濕TENG用于海水淡化
靜電和摩擦起電是自然力量與科技的奇妙交匯，它們?cè)诳谡值阮I(lǐng)域的應(yīng)用為人類(lèi)的生活和健康提供了有力支持。隨著靜電技術(shù)和摩擦起電的不斷探索和改進(jìn)，人類(lèi)可期待更多的創(chuàng)新產(chǎn)物，帶來(lái)更好的生活質(zhì)量和環(huán)保能源解決方案。
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3. Adv. Funct. Mater. 2023, 2306702
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
