UVC口罩消杀方案分析

UVC口罩消杀方案分析

孙连根

天津中环电子照明科技有限公司 天津 300385

新冠疫情诊疗方案中提到新冠病毒对紫外线敏感，瞬时激起了紫外产品开发的热情，作为从事紫外应用方案工程师，不仅看到封装同事为出货加班加点，自身也感受到市场的热情。手头相关解决方的案子一个接一个，特别是口罩用量爆发式的增长，造成供需紧张，使得废弃口罩处理、口罩杀菌再利用成为消费者关注的热点。

但是在接口罩解决方案时遇到了一些困惑，到底UVC LED会不会起到消杀作用，下面用试验数据做相关论证。

1.口罩结构

通用口罩的结构分三层，外层阻水层、中层核心过滤层、内层吸湿层，下文数据表及描述简化为外层、中层、内层，结构如下图：

图1 SMS无纺布结构示意图^[1]

熔喷布，俗称口罩的“心脏”，是口罩中间的过滤层，能过滤细菌，阻止病菌传播。熔喷布是一种以高熔融指数的聚丙烯为材料，由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的膜，纤维直径范围 0.5~10 微米，其纤维直径大约有头发丝的三十分之一。熔喷布本质上是一种纤维过滤器，含有病毒的飞沫靠近熔喷布后，也会被静电吸附在表面，无法透过。

2.UVC透过率测试

2.1选取口罩并根据结构分解

随机选购2种市场在售常用口罩进行试验，分组标记为A型口罩和B型口罩，A型口罩获得FDA认证、B型口罩属于N95口罩。

图2 试验组A型（左）和B型（右）两种口罩

图3 拆解分层后A型（左）和B型（右）口罩

2.2搭建测试平台

试验光源选取中环照明275nm UVC LED模组进行测试，光源平面可以看作出光均匀的面光源，距离辐照度计测试探头50mm，中间载物平台有圆形测试孔，口罩样品放置在测试孔之上，光源发出光透过样品到达辐照度计测试探头，通过辐照度计主机显示读数,示意图如图4所示。

图4 透过率测试平台示意图

图5 测试平台

2.3 测试数据

依据平台对所选A B 2种口罩进行测试，此次试验分别用大小2种功率的特定（275nm波段）LED光源模组为发射主体，对2种口罩分层做了穿透效果测试。大功率模组采用270颗UVC3535灯珠，光源电功率75W，光功率1250mW，小功率模组，光源电功率5.4W，光功率105 mW，小功率模组模拟市场现有UVLED消杀产品。

数据如表1和表2所述，从试验数据可以得出：AB两种不同型号口罩透过率不同，B款致密透过率较低；不同层的穿透效果也有差别，内外层透过性好，中层（熔喷布）透过性差，同时可以比较得出功率密度对光透过率影响不明显。

表1 大功率模组照射下两种口罩光透过率数据

表2 小功率模组照射下两种口罩光透过率数据

3. 口罩病菌消杀方案

3.1小功率模组照射下致死时间计算

根据UVC杀菌剂量^[2]为计算依据，以内层过滤层双面为消杀目标，得出在应用2个小功率模组在对B型口罩双面照射致死所需时间如表3所示。关于致死剂量数据：因没有具体275nm波段对应致死剂量标准作为参考，引用的SARS、大肠杆菌和白色葡萄球菌是在低压供灯254nm波段测试得出，此试验用275nm波段得出试验数据做计算具有一定误差，对精度不做分析，仅供大家参考。

表3 三种常见病菌在小功率模组照射下致死时间计算

注：大肠杆菌和白色葡萄球菌致死剂量数据来源于美国网站（http://www.watertec.com）公开数据,SARS致死剂量为换算得出。

3.2两种应用场景消杀方案

以B型N95口罩为例计算消杀方案，口罩需照射面积S≈20*15*2=600cm²，光源选用市场常规UVC3535封装灯珠，单颗光功率P_单=5mW，照射时间t=60秒。

3.2.1照射距离1.5cm（小家电消杀应用场景）

口罩透过率D=(46%+52%+9%+11%)/2=59%；实测得到1.5cm空气透过率0.88；杀菌总能量E=（致死剂量*S）/（口罩透过率*空气透过率）=（45.2*600）/ （59%*0.88）=5*10

⁴mJ；灯珠数量=E/(P_单 * t)≈175颗，市场价格预计1200元；

同理，分别算得大肠杆菌、白色葡萄球菌在60秒杀菌有效所需灯珠数量为26颗、22颗。

3.2.2照射距离5cm（工业级消杀应用场景）

实测得到5cm空气透过率0.62，杀菌总能量E=（致死剂量*S）/（口罩透过率*空气透过率）=（45.2*600）/ （59%*0.62）=7.5*10⁴mJ；灯珠数量=E/(P_单 * t)≈250颗，市场价格预计1700元；

同理，分别算得大肠杆菌、白色葡萄球菌在60秒杀菌有效所需灯珠数量为36颗、31颗。

4.总结

此试验分别用大小2种功率，特定275nm UVC LED光源模组为发射主体，对2种口罩分层做了穿透效果测试，并对口罩消杀病菌做了方案推测，从试验数据和方案总结如下：

1. 口罩材质致密性影响UVC光透过率；

2. 口罩不同层的光透过率不同，中层（熔喷布）透过率低；

3. 不同光功率密度对光透过率影响不明显；

4. UVC对口罩具有一定的透过效果，理论推出具有消杀作用，但没有考虑UVC照射对口罩材料本身带来的影响；

5. UVC LED对口罩或其它应用场景消杀，性价比需要进一步分析。

以上试验数据和方案相关推算由于受环境和个人认知程度影响，存在需要完善之处，有不足之处请谅解；除光源总能量外，光学均匀度、模组温度等因素对系统输出也会有较大影响。

主要参考文献：

[1] Hisense空调江门，搜狐号，《口罩的结构剖析》，2020.

[2]Wladyslaw Kowalski,P146, Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook, 2009.