UVCLED口罩消杀方案的困惑

UVLED风向标 · 2020-04-01

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UVC LED口罩消杀方案的困惑

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,只能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。

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)=(90.4*600)/ (59%*0.88)=1.0*105mJ;灯珠数量=E/(P单 * t)≈349颗,市场价格预计2400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)=(90.4*600)/ (59%*0.62)=1.5*105mJ;灯珠数量=E/(P单 * t)≈495颗,市场价格预计3400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,产品工程师测试和方案计算工作到此结束,期待业界同行批评指正,共同探讨UVC LED应用场景在哪里?

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.

为推动UV LED技术造福人类,UV LED产业联盟、行家说研究中心 & SNOW Intelligence联合三安光电、美的集团、国星光电、中环照明、慧亿科技、华盛光学等各环节领军企业,于2019年12月启动《UV LED产业发展白皮书》。参与白皮书请联系:UVLED产业链助手,微信:cenxitalk。

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