病毒主要通过感染者呼出的飞沫和空气中的特殊物质(PMs)传播。口罩是一种简单且经济有效的预防传播的方法。与工业上广泛使用的熔喷技术相比，静电纺丝的纤维更细(可达<10 nm)，直径分布均匀，具有更好的机械过滤效果。然而，单一的机械过滤并不能起到足够的保护作用。

提高口罩性能的一个解决方案是在纤维介质中嵌入功能性添加剂。另一种解决方法是引入电场。电晕驻极充电技术在工业上广泛应用，该技术在滤料中注入静电荷，有利于超细颗粒的捕获，且压降没有明显增加。但是，静电吸附效果会随着时间的推移而下降，尤其是在潮湿的环境中(例如呼吸时呼出的水分)。在此背景下，建议高危环境(如医院)每4小时更换一次外科口罩，而疫情期间大量丢弃的口罩带来了严峻的环境挑战。为此，延长口罩的防护效果具有重要意义。

鉴于此，香港城市大学杨征保教授团队介绍了一种自充电空气过滤器(SAF)，它利用摩擦电效应，实现高效和长时间的空气颗粒去除。静电纺聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维滤料对0.3 μm颗粒的机械过滤效率为92.7%，压降为86 Pa。通过将PVDF过滤介质与两个摩擦电层(即尼龙织物)夹在一起，构建的SAF可以连续产生静电荷。因此，SAF具有持久的颗粒去除性能，在60小时的测试(包括30小时的佩戴)后仍保持95.8%的高效率。因此，本研究开发了一种高效、耐用、低成本的空气过滤器，通过自充电方式补充静电荷，为显著延长口罩使用寿命提供了一种简单有效的策略。相关研究成果以“Self-charging electrostatic face masks leveraging triboelectrification for prolonged air filtration”为题目，发表于期刊《Nature Communications》上。

图1: 具有长时间静电吸附的自充电式空气过滤口罩。

具有长时间静电吸附的自充电空气过滤口罩

SAF由中间的静电纺丝PVDF纳米纤维薄膜作为过滤层，两侧的两个尼龙层作为支撑层和电子给体组成（图a）。与医用口罩中使用的PP/PP(或PE/PP)对相比，SAF中的PVDF/尼龙对在过滤效率和耐用性方面表现出更好的空气净化能力（图b）。另一方面，由于中间层在横向层间随呼吸来回移动，PVDF与尼龙之间由于电子亲和度差异较大而发生电荷转移。导致PVDF层带负电荷，而尼龙层带正电荷(图1d，顶部)。这种自充电过程能够延长静电吸附，这得益于静电电荷的不断补充。相比之下，医用口罩中PP和PE非织造布之间的电荷转移要低得多，不足以维持较高的表面静电电位(图1d，下)。

图2 静电纺PVDF滤料的过滤性能。

通过高压电源注入电荷，PVDF/尼龙对的初始表面电位为−3.3 kV，在佩戴10小时后，PVDF/尼龙对的表面电位为−0.75 kV，而PP/PP对的表面电位在佩戴相同时间后衰减到相当低的值(从初始的−2.9 kV到−0.27 kV)。结果表明，普通口罩很快就会失效，而SAF能够有效地捕获空气中的PM，并在长时间内使用。除了过滤效率和静电电荷的稳定性外，与商用口罩相比，SAF在呼吸阻力、质量因子和成本效益方面表现良好(图1f)。由于原材料用量少，单只SAF的成本低至0.47港币，是所有口罩中性价比最高的。

图3 表面电位与过滤效率的定量关系。

摩擦电效应促使高效和持久的PM过滤

当穿戴者呼吸时，PVDF层在上下尼龙层之间振荡，导致PVDF层和尼龙层之间定期接触和分离。结果表明，PVDF和尼龙之间的电荷转移取决于电子亲和度的不同。静电荷在PVDF表面逐渐积累，最终达到饱和极化。这个过程就是所谓的接触通电。随后，随着佩戴者呼气，PVDF层移至尼龙层上部，导致电子通过外部电路从顶部电极流向底部电极(图4c，右下)，即静电感应。反过来，当佩戴者吸气时，PVDF层被迫向下，电子以相反的方向流动(图4c，左下)。因此，在外部电路中产生交流电信号。

根据静电感应过程中表面电荷密度与电输出的比例关系，作者合理地推测，即使在呼吸产生的水分的不利影响下，SAF也能很好地保持电荷，这也可以从图1e中得到验证。这可以归因于初始静电荷注入PVDF过滤介质的协同效应，以及PVDF和尼龙层之间在呼吸运动激励下的连续接触起电。由于自充电过程有效延长了静电吸附时间，在60小时测试(含30小时佩戴)后仍保持较高的过滤效率(95.8%)，仍符合N95标准。呼吸阻力在85.1 Pa到86.4 Pa之间仅略有增加。

图4 摩擦电效应促使高效且持久的PM过滤。

综上所述，本研究开发了一种高效、耐用、低成本的空气过滤器，可以以自充电方式不断补充静电荷。首先通过调整纤维直径和膜基重量，优化静电纺丝PVDF纳米纤维薄膜的单一机械过滤。PVDF膜的纤维直径为694 nm，基重为6 g/m2，在过滤效率(对0.3 μm颗粒的过滤效率为92.7%)和呼吸阻力(86 Pa)方面达到了良好的平衡。然后研究了过滤效率与表面静电势的定量关系。微观表征表明，电荷注入后纤维能捕获更多的气溶胶颗粒，去除效率提高了7.39%。通过将PVDF过滤介质与两层尼龙织物夹在一起，SAF-基口罩可以通过呼吸不断补充表面静电荷，经过60小时的测试(包括30小时的佩戴)，对0.3 μm颗粒的过滤效率达到95.8%。

论文信息：

Peng, Z., Shi, J., Xiao, X. et al. Self-charging electrostatic face masks leveraging triboelectrification for prolonged air filtration. Nat Commun 13, 7835 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35521-w