Die elektrostatische Adsorption ist eine wichtige Ergänzung zur mechanischen Filterung für eine hocheffiziente Luftfilterung bei der Verwendung von Gesichtsmasken. Allerdings baut sich die elektrostatische Aufladung der Filter mit der Zeit ab, insbesondere bei Feuchtigkeit. Ein Forschungsteam an der City University of Hong Kong (CityU) hat erfolgreich eine elektrostatische Atemschutzmaske entwickelt, die sich durch die Atmung des Benutzers „selbst aufladen“ und ihre elektrostatische Ladung kontinuierlich auffüllen kann, wenn der Benutzer die Maske trägt und durch diese atmet. Dadurch wird die Filterleistung bei längerem Gebrauch der Maske bis zu 60 Stunden deutlich erhöht, im Vergleich zu vier Stunden bei einer herkömmlichen OP-Maske. Davon profitiert auch die Umwelt.
Gesichtsmasken sind eine einfache und kostengünstige Methode zur Vorbeugung von COVID-19 und anderen durch die Luft übertragenen Krankheiten. Die meisten Gesichtsmasken haben drei Funktionsschichten: eine Kernschicht aus schmelzgeblasenem Polypropylen (PP) als Filtermedium und zwei Spinnvliese (in der Regel PP oder Polyethylen (PE)) als Stützschichten, einschließlich einer nach innen getragenen hydrophilen Schicht , um Feuchtigkeit aus der Atmung aufzunehmen und eine hydrophobe Schicht, die nach außen getragen wird, um Flüssigkeit abzuweisen.
Bewältigung des Problems der Abnahme der elektrostatischen Adsorptionseffizienz
Das Elektrospinnen bietet eine bessere mechanische Filtration als die in der Industrie weit verbreitete Melt-Blown-Technologie. Aber eine mechanische Filterung allein bietet keinen ausreichenden Schutz. Eine Lösung besteht darin, ein elektrisches Feld einzuführen, um dem Filtermedium eine elektrostatische Ladung zu verleihen, die das Einfangen ultrafeiner Partikel erleichtert. Die Wirksamkeit der elektrostatischen Adsorption nimmt jedoch mit der Zeit ab, insbesondere in einer feuchten Umgebung, wenn beim Atmen Feuchtigkeit ausgeatmet wird.
„Obwohl viele Berichte daran arbeiten, die Ladung für eine lang anhaltende elektrostatische Adsorptionseffizienz wieder aufzufüllen, wird im Allgemeinen eine zusätzliche Stromquelle benötigt, was umständlich und unbequem ist“, erklärte Dr. Yang Zhengbao, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau und der Fakultät für Materialien Science and Engineering bei CityU, der die Forschung leitete. „Wir haben einen effizienten, langlebigen und kostengünstigen Luftfilter entwickelt, der die elektrostatische Ladung selbstaufladend kontinuierlich regenerieren kann.“
Das Forschungsteam führte einen selbstaufladenden Luftfilter (SAF) ein, der den triboelektrischen Effekt nutzt und eine effiziente und lang anhaltende Partikelentfernung in der Luft erreicht. Indem das elektrogesponnene Nanofaser-Filtermedium aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) zwischen zwei triboelektrische Nylongewebelagen eingebettet wird, erzeugt die SAF kontinuierlich elektrostatische Ladungen, die durch Atmung angeregt werden. Infolgedessen bietet der SAF eine dauerhafte Partikelentfernungsleistung und behält eine hohe Effizienz von 95,8 % nach 60 Teststunden (einschließlich 30 Stunden Tragen) bei.
„Wenn sich die mittlere Schicht beim Atmen zwischen den seitlichen Schichten hin und her bewegt, kommt es aufgrund ihrer großen Unterschiede in der Elektronenaffinität zu einem Ladungstransfer zwischen PVDF und Nylon, was dazu führt, dass die PVDF-Schicht negativ und die Nylonschichten positiv geladen werden“, erklärt er Dr. Yang. „Dieser Selbstaufladungsprozess ermöglicht die kontinuierliche Ergänzung der elektrostatischen Ladungen und eine verlängerte elektrostatische Adsorption.“
„Selbstaufladung“, angetrieben durch den Atem des Benutzers
Die Rohmaterialkosten von SAF für die Herstellung einer Maske betragen nur 0,47 HK $, was sie zur kostengünstigsten Option unter den häufig verwendeten Masken wie chirurgischen, N95-, KF94- und KN95-Masken macht.
Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturkommunikation unter dem Titel „Selbstaufladende elektrostatische Gesichtsmasken, die Triboelektrifizierung für eine verlängerte Luftfiltration nutzen“.
Diese vielversprechende Strategie der Selbstaufladung zur Nutzung des triboelektrischen Effekts ebnet einen neuen Weg für die Entwicklung hocheffizienter Luftfiltertechniken mit langer Lebensdauer. „Es wird empfohlen, chirurgische Masken in einer Umgebung mit hohem Risiko alle vier Stunden zu wechseln, aber die große Anzahl weggeworfener Masken führt zu ernsthaften Umweltproblemen“, sagte Dr. Yang. „Wir erwarten, dass diese Selbstaufladestrategie die Lebensdauer von Gesichtsmasken deutlich verlängert, die Schutzwirkung gegen das Coronavirus erhöht und die Umweltbelastung durch weggeworfene Masken verringert.“
Die Forschung stellte auch eine quantitative Beziehung zwischen der Filtrationseffizienz und dem elektrostatischen Potential der Oberfläche her, was für eine standardisierte, hocheffiziente industrielle Produktion wichtig ist.
Der Erstautor des Artikels ist Dr. Peng Zehua, CityU Postdoc in der Fakultät für Maschinenbau. Dr. Yang ist der korrespondierende Autor. Weitere Mitarbeiter von CityU sind Professor Michael Leung Kwok-hi, Shun Hing Education and Charity Fund Professor of Energy and Environment, Professor Li Wenjung, Chair Professor und Herr Shi Jihong, Ph.D. Student in der Fakultät für Maschinenbau und Forscher aus der Gruppe von Dr. Yang, darunter Dr. Hong Ying, Dr. Li Xuemu und Dr. Zhang Weiwei.
Die Forschung wurde von CityU, dem Hong Kong Research Grants Council, dem Hong Kong Innovation and Technology Fund, dem Shenzhen Fundamental Research Program und der National Natural Science Foundation of China finanziert.