城大科研团队设计“呼吸充电”静电口罩 延长空气过滤效能 减轻环境负担
口罩要达到高效能空气过滤，以静电吸附配合机械式过滤相当重要。可是，滤芯的静电荷会随着时间而减少，在潮湿的环境下尤甚。香港城市大学（城大）的研究团队成功设计了一种“呼吸充电”静电口罩，能通过使用者的呼吸“自充电”，在佩戴和呼吸时不断补充口罩的静电电荷。这显著提升了口罩的过滤效能，可长时间使用达六十小时，相对传统外科口罩只有四小时，这设计同时减轻了环境负担。
口罩是预防新冠肺炎或其他空气传播疾病简单兼具成本效益的方法。口罩的常见结构有三层：核心熔喷聚丙烯（PP）作为滤芯，配合两层纺粘不织布（通常为PP或聚乙烯（PE））作为支撑层，包括内层吸收呼吸水分的亲水层，以及外层阻隔液体的疏水层。
解决静电吸附效率下降问题
与口罩生产行业广泛使用的熔喷技术相比，以静电纺丝作机械式过滤更好。但是，单纯以机械式过滤的保护并不足够，其中一个解决方法是引入电场，从而令滤芯带有静电荷，有助捕获超细粒子。然而，静电吸附的效率会随着配戴口罩的时间而下降，特别是在呼出湿气的潮湿环境中。
领导这项研究的城大机械工程学系和材料科学及工程学系副教授杨征保博士解释说：“虽然许多研究都在补充电荷方面着手，以得到持久的静电吸附效果，但这通常需要额外的电源，既笨重也不方便。”他续说：“我们开发了一种高效、耐用和低成本的空气过滤器 ，能以自充电形式持续补充静电荷。”
研究团队研发了一种自充电的空气过滤口罩，利用摩擦电效应，达致高效和持久地去除空气中的粒子。透过把两层能够摩擦生电的尼龙织物层，夹着以静电纺丝聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维制成的滤芯，这款自充电的空气过滤口罩会随着使用者的呼吸，持续产生静电荷，持久地去除在空气中的粒子，在六十小时的测试（包括三十小时配戴）后，仍保持95.8%的高过滤效率。
杨博士解释说：“当中间层随着呼吸在两层尼龙之间来回移动时，由于PVDF和尼龙的电子亲和性差异很大，它们之间会出现电荷转移，导致PVDF层带负电，而尼龙层则带正电。”他续说：“这种自充电过程令静电荷能持续得到补充，并延长了静电吸附时间。”
由配戴者呼吸带动的“自充电”
制造一个自充电空气过滤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。
研究结果在学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）发表，标题为〈Self-charging electrostatic face masks leveraging triboelectrification for prolonged air filtration〉。
这种利用摩擦电效应开发的自充电策略，为发展高效、长寿命的空气过滤技术开辟了新天地。杨博士说：“在高风险环境，外科口罩需要每四小时更换一次，但大量丢弃的口罩带来了严重的环境问题。我们预计这能大幅延长口罩使用寿命的自充电策略，将增强对冠状病毒的保护效力，并减轻废弃口罩造成的环境负担。”
这项研究还建立了过滤效率与表面静电势之间的定量关系，对进一步标准化和高效工业生产十分重要。
论文的第一作者是城大机械工程学系博士后彭泽华博士，杨博士是通讯作者。其他来自城大的合作者包括信兴教育及慈善基金（能源及环境）教授梁国熙教授、机械工程学系讲座教授李文荣教授、博士研究生石基宏先生，以及杨博士的研究组成员洪颖博士、李学木博士和张维维博士。
研究由香港城大、香港研究资助局、香港创新及科技基金、深圳市基础研究专项和国家自然科学基金资助。