高湿度环境下可自充电的新型医用口罩

传统医用口罩由三层聚丙烯（PP）无纺布构成，包括内外两层无纺布和中间熔喷布。熔喷布的孔径很小（2μm），且经过驻极处理后带电，因而可以通过静电吸附有效阻隔带电的病毒颗粒，降低感染风险。但长时间佩戴口罩呼出的水蒸气会加速静电消耗，降低吸附效率，从而增加感染风险。

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员王道爱带领团队使用静电纺丝聚乙烯醇（PVA）纤网代替PP 熔喷纤网，制造了一种在高湿度环境下具有自充电和电荷保持性能的新型医用口罩，其本质上是一种由外层的PP 和内层的PVA 组成的接触式摩擦电纳米发电机（TENG）。

在高湿度环境中，水分子散布在TENG的摩擦层之间，PVA 表面的羟基与空气中的水分子形成氢键，将水分子固定在PVA 表面。当PVA 和PTFE（聚四氟乙烯）层被挤压接触时，PVA 和水分子的表面会产生正电荷，PTFE的表面会产生负电荷。当PVA 和PTFE 层彼此分离时，由于静电感应，PVA 和PTFE 层之间的电势差将电子从PTFE 背面的铜电极传输到PVA 电极。因此，电流从PVA/Cu 电极流向PTFE/Cu 电极，PVA 背面的Cu 层产生负电荷，而PTFE 背面的Cu 层产生正电荷。由于静电感应和带电阳离子的共同作用，TENG 在不断的接触-分离过程中交替产生电能，从而达到静电吸附功能。

当湿度从15%增加到95%时，基于PP的TENG 短路电流下降了72%，而基于PVA的TENG 反而上升了217%。这是因为随着湿度增加，PVA 与水分子之间形成的氢键增多，大量自由水转变为结合水，而PVA 固定的水分子还可作为正电材料参与摩擦生电。此外，在高湿度条件下，PVA的电荷耗散率比PP 低20.9%，表现出优异的电荷存储性能。

与基于PP的医用口罩相比，基于PVA的医用口罩最显著的优势是高耐湿性和自充电性能。因此，长时间使用的口罩无需摘下，直接用手轻轻拍打即可完成充电，拍20次可充电3.45nC，并且该自发电口罩可重复性良好，“充放电”15次后仍然能保持阻隔病毒颗粒的性能。