Разработана электростатическая маска для лица с функцией дыхания для длительной фильтрации воздуха.
Электростатическая адсорбция является важным дополнением к механической фильтрации для высокоэффективной фильтрации воздуха при использовании лицевых масок. Однако электростатический заряд фильтров со временем ослабевает, особенно во влажных условиях.
Исследовательская группа из Городского университета Гонконга (CityU) успешно разработала электростатическую лицевую маску с функцией дыхания для зарядки, которая может «самозаряжаться» за счет дыхания пользователя и постоянно пополнять свой электростатический заряд по мере того, как пользователь носит и дышит через маску. Это значительно повышает эффективность фильтрации при длительном использовании маски до 60 часов по сравнению с четырьмя часами для обычной хирургической маски. Это также приносит пользу окружающей среде.
Маски для лица — это простой и экономичный метод профилактики COVID-19 и других болезней, передающихся воздушно-капельным путем. Большинство лицевых масок имеют три функциональных слоя: основной слой из полипропилена (ПП), выдуваемый из расплава, в качестве фильтрующей среды и два нетканых материала спанбонд (обычно из полипропилена или полиэтилена (ПЭ)) в качестве поддерживающих слоев, включая гидрофильный слой, надетый внутрь. , для поглощения влаги от дыхания и гидрофобный слой, вытертый наружу, для отталкивания жидкости.
Решение проблемы снижения эффективности электростатической адсорбции
Электропрядение обеспечивает лучшую механическую фильтрацию, чем широко используемая в промышленности технология выдувания из расплава. Но механическая фильтрация сама по себе не обеспечивает достаточной защиты. Одним из решений является введение электрического поля для придания фильтрующему материалу электростатического заряда, что облегчает улавливание сверхмелких частиц. Однако эффективность электростатической адсорбции со временем снижается, особенно во влажной среде, когда влага выдыхается при дыхании.
«Хотя многие отчеты работают над пополнением заряда для обеспечения длительной эффективности электростатической адсорбции, обычно требуется дополнительный источник питания, что громоздко и неудобно», — пояснил д-р Ян Чжэнбао, доцент кафедры машиностроения и кафедры машиностроения. Материаловедение и инженерия в CityU, который руководил исследованиями. «Мы разработали эффективный, долговечный и недорогой воздушный фильтр, который может непрерывно восполнять электростатический заряд за счет самозарядки».
Исследовательская группа представила самозаряжающийся воздушный фильтр (SAF), который использует трибоэлектрический эффект и обеспечивает эффективное и продолжительное удаление взвешенных в воздухе частиц. Помещая нановолоконный фильтрующий материал из электроформованного поливинилиденфторида (PVDF) между двумя слоями трибоэлектрической нейлоновой ткани, SAF непрерывно генерирует электростатические заряды, возбуждаемые дыханием. В результате SAF обеспечивает надежное удаление частиц, сохраняя высокую эффективность 95,8% после 60 часов испытаний (включая 30 часов ношения).
«По мере того, как средний слой перемещается вперед и назад между боковыми слоями при дыхании, между PVDF и нейлоном происходит перенос заряда из-за их большой разницы в сродстве к электрону, в результате чего слой PVDF заряжается отрицательно, а слои нейлона — положительно», — пояснил он. Доктор Ян. «Этот процесс самозарядки обеспечивает непрерывное пополнение электростатических зарядов и длительную электростатическую адсорбцию».
«Самозарядка» за счет дыхания пользователя
Стоимость сырья SAF для изготовления одной маски составляет всего 0,47 гонконгских долларов, что делает ее наиболее рентабельным вариантом среди широко используемых масок, таких как хирургические маски, маски N95, KF94 и KN95.
Результаты были опубликованы в Nature Communications.
Эта многообещающая стратегия самозарядки для использования трибоэлектрического эффекта прокладывает новый путь для разработки высокоэффективных и долговечных методов фильтрации воздуха.
«Хирургические маски рекомендуется менять каждые четыре часа в условиях повышенного риска, но огромное количество выброшенных масок приводит к серьезным экологическим проблемам», — сказал доктор Ян. «Мы ожидаем, что эта стратегия самозарядки значительно продлит срок службы лицевых масок, повысит эффективность защиты от коронавируса и снизит нагрузку на окружающую среду, вызванную выброшенными масками».
Исследование также установило количественную зависимость между эффективностью фильтрации и поверхностным электростатическим потенциалом, что важно для стандартизированного высокоэффективного промышленного производства.
