中科院兰州化物所出品，《AFM》“认证”！拍一拍就能充电的口罩，再也不怕湿了就失效了！

高分子科学前沿 2021年

作者|高分子科学前沿来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

还在为口罩不够用而担忧吗?

下面这款中科院出品+AFM权威认证+接触式TENG驱动的口罩耐湿抗水自充电，是您居家旅游必备之选!

在“新冠”肆虐之下,防护成为了当务之急,医用口罩也成了生活必需品。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王道爱研究员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。这种新型医用口罩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)。文章以New Hydrogen Bonding EnhancedPolyvinyl Alcohol Based Self-Charged Medical Mask with Superior ChargeRetention and Moisture Resistance Performances为题发表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上。

【PVA层表面氢键的形成和性能】

PVA是一种富含羟基的高分子聚合物，主链是线性结构，羟基的空间位阻很小，因而很容易与水分子自发形成氢键。通过温度-IR和固态13 C-NMR(600 MHZ)也证明了大量结合水的存在。此外，干燥PVA薄膜的强度优异，可达93 MPa，面积为16 cm2的薄膜可以举起500 g的重量。而湿膜则具有更好的应变，断裂伸长率可达140%，强度为16 MPa，这表明PVA膜即使在高湿度环境下仍然仍能保持好的韧性，能满足日常使用需求。

【基于PVA的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，而PTFE的表面会产生负电荷。如上图c所示，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。

高湿度环境下，吸附在PP表面的水分子会形成一层导电水膜，从而快速转移或中和电荷，因而当将PP用作摩擦电纳米发电机（TENG）的摩擦层时，输出性能通常随湿度的增加而降低。当湿度从15%增加到95%时，基于PP的TENG短路电流下降72%，而基于PVA的TENG，其短路电流表现出完全相反的趋势，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％，这PVA材料还表现出了优异的电荷存储性能。

【基于PVA的电纺纤维】

除了用作TENG的摩擦层以在高湿度下收集能量外，PVA还可以用作医用口罩的中间吸附层，以减缓长时间使用口罩呼出水蒸气时引起的电荷耗散。通过静电纺丝制备的PVA电纺网替代PP喷熔层，其孔径为2µm，如下图所示，可用作医用口罩的中间层，以吸收低粒径的携带病毒的颗粒。文中还测试了基于PP和PVA的TENG在35%和95%RH下的开路电压。结果表明，初始状态下两种TENG中开路电压相同，大约等于275 V，测试环境中湿度达到95%RH并稳定5分钟后，基于PP和PVA的TENG开路电压分别稳定在110和774V。通过PS球吸附实验可以更直观地表现出这一差异，PP熔喷纤网可以吸附三个PS球而PVA电纺纤网可以吸附43个PS球，这表明PVA电纺网具有出色的摩擦带电和电荷存储能力。

【如何正确使用自发电口罩】

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。PVA是电正性的摩擦聚合物，而PP电负性的，当将PVA用作医用口罩的中间层时，外层的PP可以与PVA组成摩擦纳米发电机。当PP与PVA接触并分离时，基于PVA的中间吸附层带正电，从而实现了对口罩的充电，也提高了口罩的静电吸附效率。因而，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，轻敲一次充电0.955nC，而普通PP口罩没有这个功能。且此种自发电口罩可重复性良好，‘充放电’十五次后仍然能保持优异性能。

文中制备了一种基于PVA的医用口罩，在高湿度环境下具有优异的自充电和电荷保持性能，有效解决了长期佩戴时中间PP吸附层电荷耗散过快的问题。基于PVA的中间吸附层富含羟基，可自发与人体呼出的水蒸气分子形成氢键以固定水分子，可用作摩擦电纳米发电机的正极材料，且输出性能随湿度增加而增强。此外，它还具有强大电荷存储能力，在高湿度环境下表现出远低于PP的静电耗散率。这种PVA医用口罩能有效防护高湿度条件下的感染，有望解决病毒爆发期间口罩短缺的问题。

【写在后面的话】

原来戴口罩可怕的不是眼镜起雾，而是呼出的水蒸气……还在担心口罩失效不能抗病毒吗?大耳刮子拍自己两下充充电就好了……震惊!清清楚楚科研，明明白白虐狗👇👇👇