高濕度環境下可自充電的新型醫用口罩

傳統醫用口罩由三層聚丙烯（PP）無紡布構成，包括內外兩層無紡布和中間熔噴布。熔噴布的孔徑很小（2μm），且經過駐極處理后帶電，因而可以通過靜電吸附有效阻隔帶電的病毒顆粒，降低感染風險。但長時間佩戴口罩呼出的水蒸氣會加速靜電消耗，降低吸附效率，從而增加感染風險。

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王道愛帶領團隊使用靜電紡絲聚乙烯醇（PVA）纖網代替PP 熔噴纖網，制造了一種在高濕度環境下具有自充電和電荷保持性能的新型醫用口罩，其本質上是一種由外層的PP 和內層的PVA 組成的接觸式摩擦電納米發電機（TENG）。

在高濕度環境中，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PVA 和PTFE（聚四氟乙烯）層被擠壓接觸時，PVA 和水分子的表面會產生正電荷，PTFE的表面會產生負電荷。當PVA 和PTFE 層彼此分離時，由于靜電感應，PVA 和PTFE 層之間的電勢差將電子從PTFE 背面的銅電極傳輸到PVA 電極。因此，電流從PVA/Cu 電極流向PTFE/Cu 電極，PVA 背面的Cu 層產生負電荷，而PTFE 背面的Cu 層產生正電荷。由于靜電感應和帶電陽離子的共同作用，TENG 在不斷的接觸-分離過程中交替產生電能，從而達到靜電吸附功能。

當濕度從15%增加到95%時，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%。這是因為隨著濕度增加，PVA 與水分子之間形成的氫鍵增多，大量自由水轉變為結合水，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%，表現出優異的電荷存儲性能。

與基于PP的醫用口罩相比，基于PVA的醫用口罩最顯著的優勢是高耐濕性和自充電性能。因此，長時間使用的口罩無需摘下，直接用手輕輕拍打即可完成充電，拍20次可充電3.45nC，并且該自發電口罩可重復性良好，“充放電”15次后仍然能保持阻隔病毒顆粒的性能。