新冠疫情診療方案中提到新冠病毒對紫外線敏感，瞬時激起了紫外產(chǎn)品開發(fā)的熱情，作為從事紫外應(yīng)用方案工程師，不僅看到封裝同事為出貨加班加點，自身也感受到市場的熱情。手頭相關(guān)解決方的案子一個接一個，特別是口罩用量爆發(fā)式的增長，造成供需緊張，使得廢棄口罩處理、口罩殺菌再利用成為消費者關(guān)注的熱點。

但是在接口罩解決方案時遇到了一些困惑，到底UVC LED會不會起到消殺作用，只能用試驗數(shù)據(jù)做相關(guān)論證。

1.口罩結(jié)構(gòu)

通用口罩的結(jié)構(gòu)分三層，外層阻水層、中層核心過濾層、內(nèi)層吸濕層，下文數(shù)據(jù)表及描述簡化為外層、中層、內(nèi)層，結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1 SMS無紡布結(jié)構(gòu)示意圖[1]

熔噴布，俗稱口罩的“心臟”，是口罩中間的過濾層，能過濾細菌，阻止病菌傳播。熔噴布是一種以高熔融指數(shù)的聚丙烯為材料，由許多縱橫交錯的纖維以隨機方向?qū)盈B而成的膜，纖維直徑范圍0.5~10 微米，其纖維直徑大約有頭發(fā)絲的三十分之一。熔噴布本質(zhì)上是一種纖維過濾器，含有病毒的飛沫靠近熔噴布后，也會被靜電吸附在表面，無法透過。

2.UVC透過率測試

2.1選取口罩并根據(jù)結(jié)構(gòu)分解

隨機選購2種市場在售常用口罩進行試驗，分組標記為A型口罩和B型口罩，A型口罩獲得FDA認證、B型口罩屬于N95口罩。

圖2 試驗組A型（左）和B型（右）兩種口罩

圖3拆解分層后A型（左）和B型（右）口罩

2.2搭建測試平臺

試驗光源選取中環(huán)照明275nm UVC LED模組進行測試，光源平面可以看作出光均勻的面光源，距離輻照度計測試探頭50mm，中間載物平臺有圓形測試孔，口罩樣品放置在測試孔之上，光源發(fā)出光透過樣品到達輻照度計測試探頭，通過輻照度計主機顯示讀數(shù),示意圖如圖4所示。

圖4 透過率測試平臺示意圖

圖5測試平臺

2.3 測試數(shù)據(jù)

依據(jù)平臺對所選A B 2種口罩進行測試，此次試驗分別用大小2種功率的特定（275nm波段）LED光源模組為發(fā)射主體，對2種口罩分層做了穿透效果測試。大功率模組采用270顆UVC3535燈珠，光源電功率75W，光功率1250mW，小功率模組，光源電功率5.4W，光功率105 mW，小功率模組模擬市場現(xiàn)有UVLED消殺產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)如表1和表2所述，從試驗數(shù)據(jù)可以得出：AB兩種不同型號口罩透過率不同，B款致密透過率較低；不同層的穿透效果也有差別，內(nèi)外層透過性好，中層（熔噴布）透過性差，同時可以比較得出功率密度對光透過率影響不明顯。

表1大功率模組照射下兩種口罩光透過率數(shù)據(jù)

表2 小功率模組照射下兩種口罩光透過率數(shù)據(jù)

3.口罩病菌消殺方案

3.1小功率模組照射下致死時間計算

根據(jù)UVC殺菌劑量[2]為計算依據(jù)，以內(nèi)層過濾層雙面為消殺目標，得出在應(yīng)用2個小功率模組在對B型口罩雙面照射致死所需時間如表3所示。關(guān)于致死劑量數(shù)據(jù)：因沒有具體275nm波段對應(yīng)致死劑量標準作為參考，引用的SARS、大腸桿菌和白色葡萄球菌是在低壓供燈254nm波段測試得出，此試驗用275nm波段得出試驗數(shù)據(jù)做計算具有一定誤差，對精度不做分析，僅供大家參考。

表3 三種常見病菌在小功率模組照射下致死時間計算

注：大腸桿菌和白色葡萄球菌致死劑量數(shù)據(jù)來源于美國網(wǎng)站（http://www.watertec.com）公開數(shù)據(jù)。

3.2兩種應(yīng)用場景消殺方案

以B型N95口罩為例計算消殺方案，口罩需照射面積S≈20*15*2=600cm2，光源選用市場常規(guī)UVC3535封裝燈珠，單顆光功率P單=5mW，照射時間t=60秒。

3.2.1照射距離1.5cm（小家電消殺應(yīng)用場景）

口罩透過率D=(46%+52%+9%+11%)/2=59%；實測得到1.5cm空氣透過率0.88；殺菌總能量E=（致死劑量*S）/（口罩透過率*空氣透過率）=（90.4*600）/ （59%*0.88）=1.0*105mJ；燈珠數(shù)量=E/(P單 * t)≈349顆，市場價格預(yù)計2400元；

同理，分別算得大腸桿菌、白色葡萄球菌在60秒殺菌有效所需燈珠數(shù)量為26顆、22顆。

3.2.2照射距離5cm（工業(yè)級消殺應(yīng)用場景）

實測得到5cm空氣透過率0.62，殺菌總能量E=（致死劑量*S）/（口罩透過率*空氣透過率）=（90.4*600）/ （59%*0.62）=1.5*105mJ；燈珠數(shù)量=E/(P單 * t)≈495顆，市場價格預(yù)計3400元；

同理，分別算得大腸桿菌、白色葡萄球菌在60秒殺菌有效所需燈珠數(shù)量為36顆、31顆。

4.總結(jié)

此試驗分別用大小2種功率，特定275nm UVC LED光源模組為發(fā)射主體，對2種口罩分層做了穿透效果測試，并對口罩消殺病菌做了方案推測，從試驗數(shù)據(jù)和方案總結(jié)如下：

①　口罩材質(zhì)致密性影響UVC光透過率；

②　口罩不同層的光透過率不同，中層（熔噴布）透過率低；

③　不同光功率密度對光透過率影響不明顯；

④　UVC對口罩具有一定的透過效果，理論推出具有消殺作用，但沒有考慮UVC照射對口罩材料本身帶來的影響；

⑤　UVC LED對口罩或其它應(yīng)用場景消殺，性價比需要進一步分析。

以上試驗數(shù)據(jù)和方案相關(guān)推算由于受環(huán)境和個人認知程度影響，存在需要完善之處，有不足之處請諒解；除光源總能量外，光學均勻度、模組溫度等因素對系統(tǒng)輸出也會有較大影響，產(chǎn)品工程師測試和方案計算工作到此結(jié)束，期待業(yè)界同行批評指正，共同探討UVC LED應(yīng)用場景在哪里？

主要參考文獻：

[1] Hisense空調(diào)江門，搜狐號，《口罩的結(jié)構(gòu)剖析》，2020.

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

來源：行家說