城大科研團隊設計「呼吸充電」靜電口罩 延長空氣過濾效能 減輕環境負擔

口罩要達到高效能空氣過濾，以靜電吸附配合機械式過濾相當重要。可是，濾芯的靜電荷會隨著時間而減少，在潮濕的環境下尤甚。香港城市大學（城大）的研究團隊成功設計了一種「呼吸充電」靜電口罩，能通過使用者的呼吸「自充電」，在佩戴和呼吸時不斷補充口罩的靜電電荷。這顯著提升了口罩的過濾效能，可長時間使用達六十小時，相對傳統外科口罩只有四小時，這設計同時減輕了環境負擔。

口罩是預防新冠肺炎或其他空氣傳播疾病簡單兼具成本效益的方法。口罩的常見結構有三層：核心熔噴聚丙烯（PP）作為濾芯，配合兩層紡粘不織布（通常為PP或聚乙烯（PE））作為支撐層，包括內層吸收呼吸水分的親水層，以及外層阻隔液體的疏水層。

解決靜電吸附效率下降問題

與口罩生產行業廣泛使用的熔噴技術相比，以靜電紡絲作機械式過濾更好。但是，單純以機械式過濾的保護並不足夠，其中一個解決方法是引入電場，從而令濾芯帶有靜電荷，有助捕獲超細粒子。然而，靜電吸附的效率會隨著配戴口罩的時間而下降，特別是在呼出濕氣的潮濕環境中。

領導這項研究的城大機械工程學系和材料科學及工程學系副教授楊征保博士解釋說：「雖然許多研究都在補充電荷方面著手，以得到持久的靜電吸附效果，但這通常需要額外的電源，既笨重也不方便。」他續說：「我們開發了一種高效、耐用和低成本的空氣過濾器，能以自充電形式持續補充靜電荷。」

研究團隊研發了一種自充電的空氣過濾口罩，利用摩擦電效應，達致高效和持久地去除空氣中的粒子。透過把兩層能夠摩擦生電的尼龍織物層，夾著以靜電紡絲聚偏二氟乙烯（PVDF）納米纖維製成的濾芯，這款自充電的空氣過濾口罩會隨著使用者的呼吸，持續產生靜電荷，持久地去除在空氣中的粒子，在六十小時的測試（包括三十小時配戴）後，仍保持95.8%的高過濾效率。

楊博士解釋說：「當中間層隨著呼吸在兩層尼龍之間來回移動時，由於PVDF和尼龍的電子親和性差異很大，它們之間會出現電荷轉移，導致PVDF層帶負電，而尼龍層則帶正電。」他續說：「這種自充電過程令靜電荷能持續得到補充，並延長了靜電吸附時間。」

由配戴者呼吸帶動的「自充電」

製造一個自充電空氣過濾口罩的原材料成本低至0.47港元，是常用口罩如外科口罩、N95、KF94和KN95中最具成本效益的。

研究結果在學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）發表，標題為〈Self-charging electrostatic face masks leveraging triboelectrification for prolonged air filtration 〉。

這種利用摩擦電效應開發的自充電策略，為發展高效、長壽命的空氣過濾技術開闢了新天地。楊博士說：「在高風險環境，外科口罩需要每四小時更換一次，但大量丟棄的口罩帶來了嚴重的環境問題。我們預計這能大幅延長口罩使用壽命的自充電策略，將增強對冠狀病毒的保護效力，並減輕廢棄口罩造成的環境負擔。」

這項研究還建立了過濾效率與表面靜電勢之間的定量關係，對進一步標準化和高效工業生產十分重要。

論文的第一作者是城大機械工程學系博士後研究員彭澤華博士，楊博士是通訊作者。其他來自城大的合作者包括信興教育及慈善基金（能源及環境）教授梁國熙教授、機械工程學系講座教授李文榮教授、博士研究生石基宏先生，以及楊博士的研究組成員洪穎博士、李學木博士和張維維博士。

研究由城大、香港研究資助局、香港創新及科技基金、深圳市基礎研究專項和國家自然科學基金資助。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2023/02/16/cityu-scientists-engineer-breath-charge-electrostatic-face-mask-prolonged-air-filtration-reducing-environmental-burden