紙尿褲各層結(jié)構(gòu)的作用及吸液機(jī)理分析

徐小萍 張寅江 靳向煜

(東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201600)

紙尿褲產(chǎn)品自成功開發(fā)以來，憑借其方便、衛(wèi)生、舒適等優(yōu)點(diǎn)，迅速取代了傳統(tǒng)尿布的地位。據(jù)第十九屆生活用紙國際科技展覽及會(huì)議上國際研討會(huì)的報(bào)告稱，2011年我國嬰兒紙尿褲總消費(fèi)量為184.6億元，比上年增長27.7%，占當(dāng)年吸收性衛(wèi)生用品的國內(nèi)總銷售額的39.8%。隨著人民生活水平的提高，紙尿褲的價(jià)格日趨合理，人們?cè)絹碓秸J(rèn)可紙尿褲對(duì)寶寶的呵護(hù)作用。

雖然紙尿褲使用方便，但長時(shí)間穿戴會(huì)形成一個(gè)潮濕的環(huán)境，不利于皮膚健康甚至?xí)T發(fā)尿布疹，因此加強(qiáng)紙尿褲的吸收滲透能力是提高紙尿褲品質(zhì)的關(guān)鍵［1-2］。在深入了解紙尿褲各層結(jié)構(gòu)的作用及機(jī)理的基礎(chǔ)上來開發(fā)高檔新產(chǎn)品，對(duì)紙尿褲行業(yè)有著至關(guān)重要的作用。

1 紙尿褲各層結(jié)構(gòu)

紙尿褲是由多層非織造材料建立起來的一個(gè)液體吸控系統(tǒng)，主要由面層、導(dǎo)流層、吸收芯層、底膜、腿口防側(cè)漏邊、魔術(shù)貼、氨綸絲以及將各個(gè)部分黏合到一起的熱熔膠黏合劑復(fù)合而成(如圖1)。

圖1 紙尿褲各層結(jié)構(gòu)

構(gòu)成紙尿褲的各層結(jié)構(gòu)都有其各自作用。面層常采用熱風(fēng)或熱軋非織造材料，要求柔軟、透氣，還要使尿液快速滲透，保持貼膚面的干爽性;導(dǎo)流層主要采用由熱塑性纖維或雙組分纖維制成的熱風(fēng)非織造材料，要使尿液快速轉(zhuǎn)移到吸收芯層的整個(gè)表面;吸收芯層由絨毛漿加高吸水樹脂(SAP)組成，用于吸收大量液體;背層主要是聚丙烯(PP)透氣微孔薄膜或者熱軋非織造材料聚乙烯(PE)復(fù)合底膜，用于防止尿液的滲出，起到隔離的作用。

2 各層結(jié)構(gòu)的吸液機(jī)理

2.1 面層

面層直接與寶寶嬌嫩皮膚接觸，首先接受尿液，也是整個(gè)吸液過程的開始。但在實(shí)際中，面層的吸液量幾乎為零，只起到將尿液引導(dǎo)向芯層的透水作用，而非織造材料的原料、厚度、結(jié)構(gòu)緊密程度對(duì)面層的透水性都有重要影響。從分子角度分析面層的透水原理，可以認(rèn)為主要存在三種形式：纖維對(duì)水分子直接吸收，纖維與纖維間的毛細(xì)管作用以及水壓迫水分子透過織物空隙。由于面層要求保持干燥，通常選用自身吸濕性小的疏水性纖維，即排除第一種透水方式，第二和第三兩種方式為面層主要的透水方式［3-4］。

穿透時(shí)間為面層材料的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，而非織造材料的穿透時(shí)間與其自身結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常片材的孔型有貫通孔、封閉孔和半封閉孔三種形式。目前最常用的面層材料為熱風(fēng)或者熱軋非織造材料，熱風(fēng)非織造材料具有良好的空間結(jié)構(gòu)，液體通過多數(shù)孔曲折迂回穿過，即為貫通孔;而熱軋非織造材料中纖維分布較規(guī)則，經(jīng)熱軋后軋點(diǎn)周圍纖維相互固結(jié)，非織造材料的厚度變薄，主要為封閉孔和半封閉孔，延長了穿透時(shí)間［5］。

回滲量是面層材料的另一個(gè)重要指標(biāo)。熱軋非織造材料在軋點(diǎn)處由于被壓實(shí)而使面密度增大，且軋點(diǎn)在面層正面呈凹面，而與導(dǎo)流層和吸收芯層接觸的一面呈凸面。液體經(jīng)面層和導(dǎo)流層下滲到吸收芯層中，會(huì)因受到外力而發(fā)生返滲，此時(shí)液體會(huì)最先與軋點(diǎn)形成的凸面接觸，但因其纖維密度大，纖維間排列緊密而空隙小，能夠阻礙液體上升，使其不易返滲［6］。熱風(fēng)非織造材料的厚度在同等面密度下是熱軋、紡粘和熔噴等非織造材料的3～5倍［7］，良好的空間結(jié)構(gòu)增加了纖維間的空隙，而一定的厚度又使得液體回升通道變得復(fù)雜，也能作為阻止液體返滲的屏障，從而降低液體的回滲量。

2.2 導(dǎo)流層

導(dǎo)流層是位于面層和吸收芯體之間的一層特殊的非織造材料，其作用是使紙尿褲快速、有效、均勻地吸收液體，避免過去因SAP局部吸收量過大而形成的阻塞現(xiàn)象，減少紙尿褲回滲量。目前導(dǎo)流層普遍采用熱風(fēng)、紡粘、熱軋等非織造材料，其中熱風(fēng)非織造材料雖然價(jià)格稍高，但因其具有一定的厚度和蓬松度能暫存自身質(zhì)量10倍以上的液體，并具有極好的抗回滲性而被廣泛應(yīng)用，是目前導(dǎo)流層材料市場(chǎng)的發(fā)展主流。與面層的熱風(fēng)非織造材料相比，導(dǎo)流層的熱風(fēng)非織造材料韌而硬挺，纖維以縱向排列為主，纖維間的空隙較大，當(dāng)液體透過面層到達(dá)導(dǎo)流層時(shí)，導(dǎo)流層的纖維網(wǎng)會(huì)立刻吸收液體，同時(shí)具有一定厚度的蓬松結(jié)構(gòu)有利于把局部的液體迅速俘獲，暫存后隨即擴(kuò)散，直到被芯層吸收。

如圖2所示：在傳統(tǒng)的不帶導(dǎo)流層的產(chǎn)品中，液體經(jīng)過面層后直接進(jìn)入芯層，液體的擴(kuò)散主要在芯層進(jìn)行，容易使芯層局部吸液量過大而形成凝膠阻塞，更增加了第二次、第三次液體下滲的難度，造成較大的回滲量;而在帶有導(dǎo)流層的產(chǎn)品中，液體經(jīng)面層后先進(jìn)入導(dǎo)流層，導(dǎo)流層可暫存液體，延緩液體下滲，液體沿著導(dǎo)流層縱向排列的纖維向縱向擴(kuò)散，芯層由于增加了吸收面積而得到充分利用，有效防止大量液體瞬間吸收而發(fā)生的局部凝膠阻塞現(xiàn)象［8-9］。

圖2 不帶導(dǎo)流層結(jié)構(gòu)與帶導(dǎo)流層結(jié)構(gòu)的吸收效果對(duì)比［8］

2.3 吸收芯層

吸收芯層是紙尿褲的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，其吸收量的大小直接影響到紙尿褲吸液質(zhì)量。目前紙尿褲的吸收芯層主要由衛(wèi)生紙或者非織造材料包裹SAP和絨毛漿混合物組成。

2.3.1 SAP

SAP是一種特殊功能性高分子材料，能吸收質(zhì)量為自身質(zhì)量數(shù)百倍至數(shù)千倍的水分，或者數(shù)十倍至數(shù)百倍的鹽水，而且在適當(dāng)?shù)膲毫ο?，吸入的水也不?huì)被擠出。SAP因其吸收量大，能有效減少絨毛漿的用量使得產(chǎn)品厚度大大減小而被廣泛用于吸收用品［10］。下面從定性和定量兩方面分析SPA的吸水機(jī)理。

2.3.1.1 SAP 在水中的溶脹過程

SAP是經(jīng)過適當(dāng)交聯(lián)而形成具有三維空間網(wǎng)絡(luò)的高聚物(圖3)，其本身具有的親水基和疏水基會(huì)與水分子相互作用。當(dāng)遇到水分子時(shí)，整體呈致密性的高分子鏈上的親水性離子迅速電離水解，而隨著同種電荷的積聚，靜電斥力在高分子鏈上也隨之增大，正是這種靜電斥力使得三維網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)張，引導(dǎo)水分子進(jìn)入樹脂內(nèi)部［11-12］。同時(shí)，為了保持電中性，與累積在高分子鏈上的電荷抗衡的另一種電荷不會(huì)向外部擴(kuò)散，而被束縛在樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與網(wǎng)外形成較大的濃度差，從而產(chǎn)生較大的滲透壓，進(jìn)一步吸收水分子進(jìn)入三維網(wǎng)絡(luò)。而三維網(wǎng)絡(luò)的彈性收縮力也會(huì)伴隨網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張而逐漸增加，作為抗衡力慢慢抵消靜電斥力，最終使SAP達(dá)到吸水平衡［13-15］。

圖3 高分子樹脂的三維網(wǎng)絡(luò)及電離過程［15］

2.3.1.2 Flory 彈性凝膠理論

從熱力學(xué)角度出發(fā)，F(xiàn)lory提出了下列公式［16］：

式中：Q——平衡吸水率;

i——每個(gè)結(jié)構(gòu)單元所具有的電荷數(shù);

Vu——重復(fù)單元的摩爾體積;

S*——外部溶液的離子強(qiáng)度;

X1——吸水樹脂與水作用的哈金斯參數(shù);

V1——水的摩爾體積;

耐鹽性吸水樹脂也是由滲透壓產(chǎn)生的動(dòng)力而吸水，但水中的鹽電離形成的離子會(huì)使?jié)B透壓降低，進(jìn)而降低其吸水能力。Flory公式也表明，當(dāng)吸收鹽水時(shí)，由于鹽水的離子強(qiáng)度S*遠(yuǎn)大于淡水，吸水能力也會(huì)顯著下降。此時(shí)，耐鹽性吸水樹脂中的非離子型親水官能團(tuán)會(huì)與水分子形成氫鍵，從而吸水。

2.3.2 絨毛漿

絨毛漿是一種高級(jí)吸水性紙漿，采用漂白卷筒干漿板在撕碎機(jī)撕碎成絨毛簇制成，廣泛用于紙尿褲、衛(wèi)生巾、醫(yī)用床襯紙等吸收用品［17］。

吸收性是絨毛漿的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)，主要取決于紙頁橫向纖維之間的毛細(xì)管效應(yīng)，毛細(xì)管效應(yīng)越強(qiáng)，吸收性能越好［18］。在吸收芯層中絨毛漿主要起到類似輸送管道的作用。絨毛漿的原料性能中纖維的線密度和纖維細(xì)胞壁的厚度對(duì)絨毛漿的性能有直接的影響，而有機(jī)溶劑抽出物含量和組成都會(huì)使絨毛漿的性能有所不同［19-20］。

紙尿褲的液體吸收性能不僅與SAP含量、SAP與紙漿的混合狀態(tài)有關(guān)，還與紙漿中纖維的線密度、纖維間的空隙度及表層材質(zhì)有關(guān)。

2.4 背層

紙尿褲的背層直接與人體皮膚接觸，因此要求應(yīng)具有以下性質(zhì)：①良好的氣體透過性;②較好的防漏水性;③較好的拉伸性能和抗撕裂性能;④良好的柔軟性等。目前紙尿褲的背層材料主要有透氣微孔膜和復(fù)合底膜。

2.4.1 透氣微孔膜

透氣微孔膜主要由聚烯烴作為基體樹脂，特別是PP因其力學(xué)性能優(yōu)異且價(jià)格低廉而成為應(yīng)用較廣泛的微孔膜材料。含有致孔劑CaCO3顆粒的樹脂片材在拉伸過程中，由于CaCO3顆粒與其周圍樹脂聚合物的結(jié)合力小而在邊緣分離產(chǎn)生微孔，最后經(jīng)過定型處理后形成微孔膜。

四川省位于中國西南腹地，處于青藏高原與長江中下游平原過渡帶，西高東低的特點(diǎn)明顯，是西南、西北和中部地區(qū)的重要接合部，是華南、華中、西南、西北、中亞、南亞和東南亞的重要交匯點(diǎn)和交通走廊。四川省地貌復(fù)雜，以山地為主，具有山地、丘陵、平原和高原4種地貌類型，土壤類型豐富，土類和亞類數(shù)分別占全國總數(shù)的43.48%和32.60%。四川省的氣候總特點(diǎn)是區(qū)域表現(xiàn)差異顯著，并且因其獨(dú)特的地勢(shì)特點(diǎn)，氣候垂直變化大，氣候類型多，有利于農(nóng)、林、牧綜合發(fā)展；氣象災(zāi)害種類多，發(fā)生頻率高，范圍大，主要是干旱，暴雨、洪澇和低溫等也經(jīng)常發(fā)生［5］。

微孔是微孔薄膜最關(guān)鍵的部分，微孔孔徑大小及其分布都影響著微孔膜的功能。由于水滴的最小直徑約為20 μm，而水蒸氣分子的直徑僅為0.000 4 μm左右，利用兩者直徑的差異，讓微孔直徑介于兩者之間，從而使微孔膜具有防水透氣的作用［21］。

水蒸氣在微孔膜中是一個(gè)分子擴(kuò)散的過程，即水蒸氣分子從一個(gè)孔傳遞到另一個(gè)孔，從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域［22］。透氣量Wvp取決于膜的孔隙率、厚度和孔徑，關(guān)系式如下：

式中：A——常數(shù);

B——孔隙率;

T——薄膜厚度;

d——孔徑。

當(dāng)微孔膜能承受的耐水壓大于使用時(shí)所需耐水壓時(shí)，水就不會(huì)滲出。通常用毛細(xì)浸透壓ΔP來表征［21］：

式中：ΔP——浸透壓(Pa);

σ——表面張力(N/m);

α——接觸角(°);

d——毛細(xì)管直徑(μm)。

由上可見，當(dāng)微孔膜直徑小于d時(shí)，水不會(huì)透過。由于不同產(chǎn)品所需浸透壓不同，按照公式(3)即可計(jì)算出產(chǎn)品滿足不同要求時(shí)所需微孔膜孔徑d 的大?。?3］。

2.4.2 復(fù)合底膜

復(fù)合底膜主要由流延膜和非織造材料通過一定的方式復(fù)合而成。由于復(fù)合底膜集合了流延膜良好的柔軟性和防水性，也具有非織造材料的強(qiáng)度和透氣性，更是大大擴(kuò)大了原有壓紋膜的應(yīng)用領(lǐng)域和提高了產(chǎn)品的附加值。壓紋膜的復(fù)合產(chǎn)品不僅可應(yīng)用于嬰兒尿褲、護(hù)理墊等個(gè)人衛(wèi)生用品，也可應(yīng)用于手術(shù)衣、防護(hù)服等產(chǎn)品領(lǐng)域［24］。

2.5 腿口防側(cè)漏邊

腿口防側(cè)漏邊是用于大腿口兩邊，連接面層，用于防止尿液因不能及時(shí)滲透下去而從側(cè)面溢出。一般情況下，腿口防側(cè)漏邊常用拒水PP紡粘法非織造材料和SMS結(jié)構(gòu)的非織造材料。腿口防側(cè)漏邊及背層通常都使用SMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

腿口防側(cè)漏邊一般要求拒水。SMS非織造材料的拒水整理是在SMS纖維表面吸附一層能使其表面張力低于水的表面張力的物質(zhì)，使水在SMS非織造材料上的接觸角大于90°而拒水。常用的拒水整理劑有長鏈烷烴化合物、有機(jī)硅聚合物及有機(jī)氟整理劑［25］。由于SMS非織造材料具有較高的抗靜水壓，因而其拒水效果也較好。對(duì)于紙尿褲防側(cè)漏邊的非織造材料，耐靜水壓只要不低于1.2 kPa即可［26］。普通15 g/m2的SMS復(fù)合非織造材料耐靜水壓通?？蛇_(dá)到1.5 kPa，因此用于腿口防側(cè)漏邊的SMS非織造材料的面密度只需15 g/m2左右，甚至更低就能達(dá)到要求。

2.6 紙尿褲整體吸液原理

充分利用各層非織造材料，并進(jìn)行有效組合可實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)的吸液過程。當(dāng)把液體注向紙尿褲樣品時(shí)，液體首先接觸面層，并沿著非織造材料向橫向擴(kuò)散，然后液體穿透面層向?qū)Я鲗訑U(kuò)散，最后被吸收芯層吸收。吸收芯體是由絨毛漿和SAP混合制成的，首先絨毛漿通過毛細(xì)管的作用將液體迅速吸收、擴(kuò)散，接著紙漿纖維中的液體被SAP吸收，紙漿回復(fù)到干燥狀態(tài)后進(jìn)行下一次吸液，而SAP吸收尿液后形成膠體物，即使在有外力加壓的情況下，也能鎖住液體不被擠出。這樣，絨毛漿繼續(xù)靠毛細(xì)管的作用擴(kuò)散液體，然后由SAP吸收。同時(shí)，由于SAP顆粒吸收液體后會(huì)膨脹，顆粒間緊密堆砌使間隙大幅減少，液體向深層擴(kuò)散的阻力加大，而絨毛漿的毛細(xì)管作用能夠使得液體繼續(xù)向下傳遞，可見絨毛漿主要起到類似輸送管道的作用［27］。當(dāng)液體向深層擴(kuò)散達(dá)到背層時(shí)，由于液體分子直徑大于微孔膜直徑被存留在紙尿褲中而不滲漏，而直徑小的氣體分子能向外界擴(kuò)散，增加紙尿褲的透氣性。如果尿液太多沒有及時(shí)被吸收而留在面層，尿液由于受壓而向橫向擴(kuò)散，腿口防側(cè)漏邊的拒水作用會(huì)阻礙液體進(jìn)一步擴(kuò)散，較高的耐靜水壓也會(huì)防止液體溢出而發(fā)生側(cè)漏。

3 結(jié)語

紙尿褲的各層結(jié)構(gòu)都有其各自主要特性。面層材料采用經(jīng)親水整理的熱風(fēng)或熱軋非織造材料，能夠使液體有效地吸收并迅速下滲至導(dǎo)流層;導(dǎo)流層多采用熱風(fēng)非織造材料，利用其表面纖維排列縱橫比大使得更多液體進(jìn)入吸收芯層，而熱風(fēng)非織造材料蓬松，其厚度也起到了暫時(shí)持液的作用;吸收芯層由絨毛漿和SAP均勻混合而成，兩者的混合比例以及均勻性都是吸收芯層大量吸收液體的關(guān)鍵;背層通常采用PP透氣微孔膜或者熱軋非織造材料PE復(fù)合底膜，用于防止尿液的滲出，起到隔離的作用。腿口防側(cè)漏邊主要采用SMS結(jié)構(gòu)的非織造材料，經(jīng)過拒水整理達(dá)到所需的拒水及耐靜水壓要求。

根據(jù)紙尿褲各層結(jié)構(gòu)的吸液原理分析，對(duì)紙尿褲整體吸收應(yīng)有總體的設(shè)計(jì)。因此，分析和了解液體在紙尿褲整體環(huán)境中的吸收原理對(duì)于紙尿褲的設(shè)計(jì)及其材料的應(yīng)用具有重要意義。

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