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摩擦起电功能材料让医用口罩更耐用

来源:科技日报 颉满斌 访问:384 时间:2023-11-10

11月8日,记者从中国科学院兰州化学物理研究所获悉,该所王道爱研究员团队设计了一种基于氢键增强的复合聚乙烯醇(PVA)基摩擦起电功能材料(以下简称PVA材料)。该材料可应用于医用口罩领域,同时还为恶劣海洋环境下摩擦起电材料耐湿设计和自供电环境治理提供了新的思路。相关成果发表在《先进功能材料》和《今日材料纳米》。

界面的摩擦起电性质与其所处环境密切相关,通常高湿度的大气会加速摩擦起电过程中静电荷的传输和耗散,大大限制了摩擦纳米发电机等器件在能源收集与自供电传感检测等领域的应用。

另外,环境湿度对界面摩擦电荷的产生、传输和静电积累的影响机制尚不清晰。“如何通过材料选择与设计,实现高湿环境下器件的高性能输出与稳定运行,是迫切需要解决的问题。”王道爱介绍。

团队将PVA材料用于医用口罩,解决了传统聚丙烯(PP)基医用口罩在长时间佩戴过程中存在的口罩中间吸附层电荷耗散过快的问题。PVA基中间吸附层材料富含的羟基官能团,能与人体呼出的水蒸气分子自发形成氢键固定水分子,实现高湿度下摩擦起电能力的增强。同时,PVA材料优异的电荷储存性能,可大大减缓电荷的耗散速率,并可通过拍打、摩擦等简单易行的方式延长口罩静电吸附病毒的时间,进而延长其使用寿命。

“尽管PVA材料可作为一种性能优异的耐湿型摩擦起电正极材料,但其较差的介电、耐磨损性能不利于其作为摩擦起电材料长期使用。”王道爱说,基于此,该团队与中国海洋大学陈守刚教授团队合作,将PVA材料与MXene材料(一种常见的二维材料)复合改性,设计了一种面向海洋湿热苛刻环境的PVA-PVDF基摩擦电器件。

得益于MXene表面的亲水性基团和其在PVA基质中的平行层状分布,PVA材料的耐湿性、耐磨性和介电性能得以提高。另外,该团队通过进一步设计制备了聚丙烯腈/聚乙烯醇—氯化钙复合薄膜,进一步提高了PVA材料的耐湿性和力学性能,拓展了复合PVA材料的应用潜力。

(原载于《科技日报》 2023-11-10 06版)

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