理大研發嶄新充電納米纖維 有效過濾空氣污染微粒及病毒

香港理工大學（理大）機械工程學系新近研發了一種帶有靜電的納米纖維（nanofiber）過濾材料，並採用多重隔離層設計，能吸附直徑小於100納米（nanometer / nm）的污染微粒（覆蓋空氣中最常見的納米微粒及病毒）。這種嶄新材料比現有的過濾材料表現優勝，包括透氣度、過濾效率（比現有帶有靜電的微纖維(microfiber)口罩高10%），以及耐用程度（靜電可維持多達90天）。

直徑在100納米及以下的納米微粒在城巿中無處不在，由於它們細小，容易被人體吸入。大部份以空氣傳播的可致命病毒，例如流感、豬流感或沙士等，其大小均在100納米左右。科學家面對的挑戰，便是研發出易於應用兼且能有效吸附納米微粒的空氣過濾材料或口罩，保障大眾免因吸入空氣中的污染微粒和病毒而致病。

理大創新產品與科技講座教授梁煥方教授領導的研究團隊，經測試後採用聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride / PVDF）製成納米纖維過濾材料，PVDF是一種半結晶熱塑性塑料，常用作電線的絕緣體。研究團隊用電暈放電技術（Corona Discharge / 最常見的一種氣體放電形式），把靜電加在PVDF納米纖維，使其能在近距離與微粒產生電荷相互作用，從而有效吸附微粒。

現時巿面上只有帶電荷的微纖維或沒有帶電荷的過濾材料，對比這些產品，理大研發的創新過濾材料有更高的過濾效率，經使用多時仍能維持較低壓力降（pressure drop / 壓力降數值愈高，代表過濾材料面對氣流阻力愈高、透氣度愈低，導致口罩使用者較難呼吸，或者室內過濾器的流速減低）。測試證實，理大的技術能穩定而持久地將電荷加入PVDF納米纖維，靜電可維持達三個月，此前文獻紀錄的其他納米纖維，附加的電荷通常一天內便會消散。

帶電荷的PVDF納米纖維

理大團隊使用各種大小的微粒作過濾測試，帶電荷PVDF納米纖維材料過濾100納米微粒的效率為54%（即空氣經過濾後，直徑為100納米的微粒有54%被吸附），沒有帶電荷的PVDF納米纖維材料為17%；前者的壓力降亦只有5Pa（Pascal /壓力單位）。帶電荷PVDF納米纖維材料的「品質因素」，亦比沒有帶電荷者高2.7倍 （「品質因素」quality factor 即過濾效率（效益）與壓力降（成本）的比率，數值愈高代表表現（平衡過濾及透氣因素）愈佳）。

梁教授表示，病毒通常帶有負靜電荷，容易被帶正靜電荷的PVDF納米纖維吸附，效果十分顯著。「傳染病爆發時，採用這創新科技製成的過濾器或口罩，防禦病毒效果會很理想。」

創新的多重靜電隔離層

為進一步加強過濾材料靜電吸附的效能，研究團隊研發了多重靜電隔離層——將用來製造單層過濾材料的PVDF納米纖維，分散放在多層過濾材料，而且每層均設一重隔離層，以減少鄰近纖維層之間的靜電干擾，整體靜電因而增加，令過濾效率同時提升。

測試顯示，帶有電荷的多重隔離層過濾材料（以二、三、四層作測試）的過濾效率，比帶電荷但沒有分層的過濾材料高39%至45%。帶有電荷的多重隔離層過濾材料，其品質因素也比沒有分層的高2至3.5倍。

穩定性和持久力

過濾媒介的電荷及其相關的靜電效應會隨時間而消散。過濾持久力測試證實，理大創新的帶靜電、有多重隔離層的納米纖維過濾材料能長時間維持高效能，因而更為耐用、儲存時間更長。

研究人員在相對濕度80%的潮濕環境下（香港每年平均濕度為77%），測試有四重帶靜電隔離層的過濾材料（每平方米有1.75克纖維），結果顯示，15天後過濾效率僅略為下降，90天後亦僅下降1%。

應用潛力

理大研發的帶靜電PVDF納米纖維在空氣過濾範疇 — 不論是工業、個人或家居 — 應用可以很廣泛。工業應用包括無塵室、化石燃料發電站等，亦可用於減少車輛和船隻排放的微粒；個人及家居則可應用於口罩、空氣清新機、吸塵機、窗戶過濾網等。

這項嶄新技術更可應用於蛋白質轉漬法（Western Blot），這是一種廣泛用來檢測或提取蛋白質的分析技術，過程中，通常使用PVDF薄膜來轉移在原有樣本中分離出來的蛋白質。理大的技術能大大增強納米纖維墊吸附蛋白質的靜電力，又不會影響蛋白質的組織，保持其完整。

此技術還可以應用於有效地釋放蛋白質類藥物。帶靜電的PVDF納米纖維墊可吸附粉末狀的藥物（如哮喘藥），讓病人更易吸入、藥物更有效釋放；這技術同樣適用於需塗在局部皮膚的藥物。