紙尿褲芯層吸收液體的速度與漩渦時(shí)間相關(guān)嗎?

Katarzyna Dobrosielska-Oura博士 巴斯夫歐洲公司

紙尿褲芯層吸收液體的速度與漩渦時(shí)間相關(guān)嗎?

Diaper Core Liquid Acquisition Speed and Vortex Time

Katarzyna Dobrosielska-Oura博士 巴斯夫歐洲公司

*編者注：巴斯夫歐洲公司位于德國(guó)路德維希港，系巴斯夫集團(tuán)總部所在地。

漩渦時(shí)間[1][即燒杯中2g高吸收性樹脂（SAP）將攪動(dòng)的50g液體（0.9％鹽水溶液）變成凝膠所需的時(shí)間] 是經(jīng)常被用來(lái)確定SAP之間差別的方法，而一種流行的觀點(diǎn)是漩渦時(shí)間越短，液體吸收的速度越快。但是，如果沒(méi)有準(zhǔn)確理解漩渦時(shí)間的定義以及其與紙尿褲的吸收速度的相關(guān)性，可能會(huì)造成很大誤解。

現(xiàn)在的紙尿褲液體吸收速度（液體被吸入紙尿褲芯層的速度）需要進(jìn)行優(yōu)化，才可減少滲漏的概率。消費(fèi)者希望紙尿褲是完全沒(méi)有滲漏的。很明顯，如果液體能被紙尿褲芯層快速吸收并鎖住，就不會(huì)滲漏。因此，重要的是紙尿褲能快速吸收尿液，而且具有足夠的吸收量，從而在使用狀態(tài)下能吸收先后幾次排泄的尿量。

如何能根據(jù)現(xiàn)有原材料的特性預(yù)測(cè)紙尿褲的性能來(lái)設(shè)計(jì)紙尿褲呢？SAP的哪些特性能讓紙尿褲達(dá)到最佳防漏并且保持表面干爽呢? 20多年前就有幾位研究者試圖回答這些問(wèn)題[2][3]。

在本文中，巴斯夫研究了單一的SAP的漩渦時(shí)間與液體在紙尿褲芯層的吸收速度的相關(guān)性。漩渦時(shí)間這個(gè)指標(biāo)已經(jīng)提出很多年了，但是我們最近在紙尿褲市場(chǎng)上觀察到的情況與人們普遍期待使用漩渦時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)紙尿褲性能方面的作用并不一致。

紙尿褲芯層的功能[4]

紙尿褲的主要部分是芯層，作用是吸收尿液并防止在使用狀態(tài)下出現(xiàn)液體滲漏。傳統(tǒng)紙尿褲芯層的兩個(gè)主要組成部分是SAP和絨毛漿，它們具備兩種不同的液體吸收方式。絨毛漿的作用主要像海綿，能快速吸收液體，但在被壓縮時(shí)，會(huì)快速釋放液體，它是作為一個(gè)快速、可逆轉(zhuǎn)的臨時(shí)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，有限量的吸收儲(chǔ)存紙尿褲使用者快速排泄的尿液。而SAP膨脹比較慢，吸收進(jìn)去的尿液就會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地鎖在SAP顆粒里面，在紙尿褲芯層中形成固體凝膠。由于液體被牢牢地鎖在凝膠中，因此在受壓條件下液體也仍然保持在里面。SAP具有很高的吸液能力，使得今天的紙尿褲使用非常方便。但是它的特性限制了液體傳導(dǎo)能力。

一開(kāi)始，液體被芯層吸收的速度一般非?？?，這是因?yàn)橛H水性絨毛漿纖維通過(guò)毛細(xì)作用（燈芯效應(yīng)）以及纖維素的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)（排水）進(jìn)行優(yōu)良的傳導(dǎo)而造成。但是，已經(jīng)潤(rùn)濕的芯層液體吸收速度就非常慢了，因?yàn)樵诘谝淮我后w吸收后，芯層結(jié)構(gòu)就發(fā)生了變化，影響了后續(xù)的液體吸收能力。膨脹中的SAP顆粒填滿了絨毛漿纖維之間的空間，從而減少了芯層中的空隙容積。絨毛漿纖維網(wǎng)的強(qiáng)度明顯降低，失去彈性，在液體重量的作用下逐漸塌陷。這就限制了液體的輸送，因?yàn)檩斔椭荒芡ㄟ^(guò)間隙和通道進(jìn)行，而不能通過(guò)膨脹的SAP顆粒進(jìn)行。因此，SAP實(shí)際上不但充當(dāng)了一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的液體儲(chǔ)存器，也成為紙尿褲芯層中液體傳導(dǎo)的阻礙。因?yàn)槟蛞簜鲗?dǎo)不充分，所以我們看到的結(jié)果就是芯層的很多部分都未能有效地用于存儲(chǔ)液體。已經(jīng)潤(rùn)濕的結(jié)構(gòu)對(duì)液體吸收的速度太慢，使其不能充分地接納后面排泄的液體。正常使用條件下，嬰兒經(jīng)常多次排泄，現(xiàn)代紙尿褲的芯層在設(shè)計(jì)上不僅能處理第一次排出的尿液，而且還能吸收后面多次排出的尿液，因此能使用一整夜而不需要更換。就是這個(gè)原因，漩渦時(shí)間適中的SAP比漩渦時(shí)間短的SAP更適合提升紙尿褲的性能。因?yàn)殇鰷u時(shí)間短的SAP可能導(dǎo)致凝膠堵塞，影響液體傳導(dǎo)。隨著芯層中SAP的比例提高或混合不均勻，凝膠堵塞效應(yīng)變得越來(lái)越明顯。

長(zhǎng)期以來(lái)，市場(chǎng)上的需求趨勢(shì)是越來(lái)越薄的紙尿褲很受歡迎，這就要求使用更高比例的SAP，同時(shí)相應(yīng)減少絨毛漿的用量，因此同時(shí)保持高效的液體吸收和傳導(dǎo)功能的任務(wù)就變得更加困難。

SAP含量高/絨毛漿含量低的芯層的吸水特性可以通過(guò)加入一個(gè)導(dǎo)流層（ADL）而獲得顯著提高。導(dǎo)流層通常是一個(gè)蓬松的非織造布材料，具有多孔的間隙，即使在潤(rùn)濕后也不會(huì)失去孔隙度（即空隙空間），因此可以承擔(dān)多次連續(xù)的尿液排泄，而不會(huì)造成最初吸收和液體分散后的紙尿褲表層結(jié)構(gòu)塌陷[5]。

導(dǎo)流層對(duì)紙尿褲性能的影響

使用導(dǎo)流層能提高紙尿褲中液體的處理能力，方法是臨時(shí)儲(chǔ)存液體，然后協(xié)助液體分散到吸水芯層上面，然后有效地輸送到下面的儲(chǔ)存層中?？捎^察到的效果是液體吸收的速度更快、芯層面積的利用率更高，具體見(jiàn)圖1。

圖1　導(dǎo)流層和芯層內(nèi)的液體輸送和分散

分層的功能結(jié)構(gòu)需要快速地對(duì)接收到的尿液作出反應(yīng)，確?？焖俚某跏嘉?、保持表層干爽、并通過(guò)吸入儲(chǔ)水芯層而讓導(dǎo)流層快速脫水（以便接收更多的尿液）[6]。

這是導(dǎo)流層一個(gè)非常重要的特性，因?yàn)槟蛞旱呐判购芸?，并需要預(yù)留足夠的空隙空間才可快速把尿液吸收。現(xiàn)今的紙尿褲因不同地域的習(xí)慣和紙尿褲的設(shè)計(jì)，導(dǎo)流層的類型、尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)各有不同。

我們用商業(yè)生產(chǎn)的紙尿褲SAP–芯層占比為35％的HySorb?R7059進(jìn)行試驗(yàn)，以觀察導(dǎo)流層在芯層表面積所占的比例對(duì)紙尿褲性能的影響程度。用來(lái)做比較的紙尿褲樣品沒(méi)有導(dǎo)流層。試驗(yàn)用紙尿褲按以下方法準(zhǔn)備：紙尿褲樣品，在芯層上面分別放不同尺寸定量為60g/m2的熱風(fēng)非織造布導(dǎo)流層，蓋住排尿點(diǎn)（排泄點(diǎn)）；然后將非織造布表層放回紙尿褲中。選擇導(dǎo)流層的尺寸，分別覆蓋芯層表面積的10％、30％、50％和70％。圖2顯示了導(dǎo)流層占芯層表面積50％的紙尿褲的示例。測(cè)量帶導(dǎo)流層和不帶導(dǎo)流層的紙尿褲樣品的吸收情況（穿滲速度和回滲），可以觀察到兩者的巨大差別。

縱觀西方國(guó)家財(cái)務(wù)管理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)而言，西方國(guó)家尤為重視專業(yè)隊(duì)伍和組織的構(gòu)建，發(fā)揮隊(duì)伍的專業(yè)性帶頭作用，以提升財(cái)務(wù)管理的綜合水平。因此，對(duì)于我國(guó)而言，在大數(shù)據(jù)新型時(shí)代背景下，有必要借鑒國(guó)外西方國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建專業(yè)隊(duì)伍和組織，邀請(qǐng)行業(yè)的專業(yè)帶頭人和企業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)豐富人員帶隊(duì)組建專業(yè)隊(duì)伍，為其他財(cái)務(wù)人員營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍和環(huán)境，同時(shí)能夠提供專業(yè)知識(shí)和技能的指導(dǎo)，幫助更多的財(cái)務(wù)人員增加知識(shí)面，豐富大數(shù)據(jù)下財(cái)務(wù)管理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，其他人員能夠通過(guò)提高自身能力和技能以更快地融入該團(tuán)隊(duì)和隊(duì)伍之中。

圖2　導(dǎo)流層（藍(lán)色非織造布）占芯層表面積50％的試驗(yàn)用紙尿褲

測(cè)試方法：常壓回滲和加壓回滲，常壓穿滲（吸收速度）和加壓穿滲（吸收速度）

我們根據(jù)評(píng)估紙尿褲性能的歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，將紙尿褲平放進(jìn)行測(cè)試。評(píng)估了多次（最多5次）排泄后紙尿褲的干爽度、以及（通過(guò)觀察排尿點(diǎn)的情況取得的）吸收時(shí)間。試驗(yàn)以可重現(xiàn)性模擬了紙尿褲真實(shí)的使用狀況（見(jiàn)圖3）。

圖3　為測(cè)量紙尿褲的吸收性能而準(zhǔn)備的常壓穿滲（吸收速度）和加壓穿滲（吸收速度），常壓回滲和加壓回滲試驗(yàn)裝置

首先將紙尿褲攤平放在桌上，用塑料圓柱筒將測(cè)試液體（0.9％鹽水溶液）滴到排尿點(diǎn)上，不用壓力（回滲和穿滲速度）或使用0.7psi的外部壓力（加壓回滲和加壓穿滲速度），觀察和手動(dòng)測(cè)量每次加入溶液的吸收時(shí)間（第一次的液體量為100mL，后面4次每次50mL）。加壓回滲（是指紙尿褲吸收液體后，在0.7psi的外部壓力下滲出的液體量）在每次注入液體10min后測(cè)定。

圖4　鋪上不同表面積的導(dǎo)流層后，紙尿褲的加壓回滲量和加壓穿滲速度

從圖4中可看出，沒(méi)有導(dǎo)流層的紙尿褲在所有5次測(cè)試中加壓穿滲速度都慢，而且回滲量非常多。加入一小片導(dǎo)流層（芯層表面積的10％）可稍微提高液體的加壓穿滲速度，但是紙尿褲還是濕的。另一方面，如果采用表面積較大的導(dǎo)流層，可大大加快加壓穿滲速度和減少回滲。導(dǎo)流層占芯層面積30％的紙尿褲的加壓穿滲速度比沒(méi)有導(dǎo)流層的紙尿褲要快3倍，同時(shí)可減少加壓回滲量（RUL）。繼續(xù)增大導(dǎo)流層的表面積則不會(huì)影響液體加壓穿滲速度。導(dǎo)流層可以快速吸取液體，讓其從排尿點(diǎn)流走，在芯層上水平地分散到遠(yuǎn)端后被吸收。在芯層的SAP從導(dǎo)流層中吸出液體，騰空導(dǎo)流層的空隙，使得表層結(jié)構(gòu)得到再生，因此紙尿褲表面保持干爽，準(zhǔn)備吸收后續(xù)排泄的液體。導(dǎo)流層的空隙結(jié)構(gòu)和尺寸必須足夠大，以保證所需的液體容量和液體的流動(dòng)性。根據(jù)試驗(yàn)可以得出這樣的結(jié)論：在我們選擇的紙尿褲設(shè)計(jì)中，導(dǎo)流層占芯層表面積大約50％的表現(xiàn)最佳。但是，重要的一點(diǎn)是排尿點(diǎn)應(yīng)該在導(dǎo)流層表面積范圍內(nèi)。

漩渦時(shí)間與紙尿褲穿滲速度的關(guān)聯(lián)

最初測(cè)量漩渦時(shí)間純粹作為一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)測(cè)量單一SAP的膨脹速度，目的是保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。因?yàn)檫@個(gè)試驗(yàn)對(duì)很多參數(shù)都非常敏感，比如離心保水量、溫度、顆粒尺寸和形狀、黏度、液體的離子強(qiáng)度或凝膠的剪切模量[7]，所以必須小心操作，以保證取得準(zhǔn)確的結(jié)果并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕庾x。但是，這種方法不能測(cè)量在壓力下，或者SAP置于芯層結(jié)構(gòu)（SAP被固定和約束在絨毛漿纖維之間）時(shí)的穿滲速度。由于在含有絨毛漿纖維材料中的SAP的膨脹和吸收原理有別于在單一SAP中觀察到的情況[8]，因此用單一的SAP進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其在含絨毛漿的紙尿褲中發(fā)生的具體情況。

為探討漩渦時(shí)間和芯層對(duì)液體的穿滲速度之間是否存在關(guān)聯(lián)，我們?nèi)斯ぶ苽浼埬蜓澬緦訕悠罚哼x取了漩渦時(shí)間范圍異常寬（28s、41s、65s和143s）的4種不同的SAP，評(píng)估其吸收特性。

所有紙尿褲芯層樣品都有類似的飽和容量和大約50％ 的SAP含量。絨毛漿和SAP均勻混合形成的芯層在負(fù)壓下放入一個(gè)長(zhǎng)方形成型設(shè)備中，芯層的絨毛漿纖維中有均勻分布的SAP顆粒，然后在受控的條件下進(jìn)行擠壓。此外將基本定量為60g/m2的熱風(fēng)非織造布導(dǎo)流層放在芯層上面，蓋住芯層表面的50％。再用面層蓋住整個(gè)芯層結(jié)構(gòu)。按上述方法測(cè)試芯層的回滲與穿滲速度。

圖5　在不同漩渦時(shí)間的SAP制成的芯層上測(cè)量到液體加壓穿滲速度和穿滲速度

圖5顯示了測(cè)試的結(jié)果。從圖中可看出，漩渦時(shí)間在穿滲速度方面明顯沒(méi)有起主要作用，即使在芯層的設(shè)計(jì)中使用了最佳的導(dǎo)流層尺寸時(shí)也是這樣。甚至發(fā)現(xiàn)，漩渦時(shí)間短的SAP延緩了芯層的穿滲速度。

而另一方面，漩渦時(shí)間太長(zhǎng)的話，SAP吸收液體速度太慢，也不完全，液體會(huì)一直保持在絨毛漿纖維之間的空隙中，在10min后測(cè)量回滲情況時(shí)，液體可以從芯層滲出。

表1　在不同漩渦時(shí)間的SAP制成的芯層上測(cè)量到的回滲和加壓回滲多次的回滲量

由上述測(cè)試可見(jiàn)，紙尿褲最佳的回滲與穿滲速度性能是通過(guò)中等漩渦時(shí)間的SAP而取得的。這種SAP可以在不可逆轉(zhuǎn)地鎖定液體前讓液體高效地分布在整個(gè)芯層中，同時(shí)仍然能足夠快地吸收液體，以確保較低的回滲。

但是，根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在單一的SAP的漩渦時(shí)間和用相同SAP制成并且表面帶導(dǎo)流層的芯層的液體吸收速度之間不存在“渦旋時(shí)間越短，液體吸收速度越快”這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。

需要指出的是，在0.7psi壓力的條件，把同一個(gè)不帶導(dǎo)流層的芯層進(jìn)行上述試驗(yàn)，無(wú)法通過(guò)該試驗(yàn)，這是因?yàn)橐后w穿滲時(shí)間太長(zhǎng)（從第二次開(kāi)始，每次下滲的時(shí)間超過(guò)10min，因此實(shí)驗(yàn)終止），這表明導(dǎo)流層確實(shí)是現(xiàn)今的紙尿褲中調(diào)節(jié)液體吸收速度的一個(gè)非常關(guān)鍵的材料。

總結(jié)

通過(guò)試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流層對(duì)紙尿褲的性能表現(xiàn)是非常重要的，但是導(dǎo)流層沒(méi)有必要覆蓋整個(gè)芯層。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上看有一個(gè)明顯的最佳點(diǎn)。當(dāng)然排尿點(diǎn)肯定是要在導(dǎo)流層覆蓋的區(qū)域內(nèi)，其位置應(yīng)取決于紙尿褲的適合尺寸、芯層的完整性和表面積。

但是，我們用最佳尺寸的導(dǎo)流層覆蓋的SAP+絨毛漿芯層進(jìn)行了研究，并未找到證據(jù)可證明人們經(jīng)常假定的SAP的漩渦時(shí)間與芯層的穿滲速度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。只有紙尿褲的穿滲速度才是在各個(gè)市場(chǎng)的消費(fèi)者關(guān)注的，因?yàn)樗c良好的防漏效果相關(guān)。

紙尿褲所使用的大量不同的成分和設(shè)計(jì)會(huì)讓人更不容易全面理解紙尿褲的性能。不應(yīng)該僅憑紙尿褲的任何一種結(jié)構(gòu)成分或其參數(shù)就來(lái)預(yù)測(cè)回滲、穿滲速度或紙尿褲的總體性能?？刂埔后w在紙尿褲芯層的吸收不僅僅是要選擇SAP本身的最佳參數(shù)，而且還要考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)（包括SAP、絨毛漿、導(dǎo)流層、芯層中SAP與絨毛漿比例以及SAP的分布模式）的綜合影響。

致謝

我想在這里感謝巴斯夫（中國(guó)）有限公司和巴斯夫東亞地區(qū)總部有限公司的各位同事，尤其是Joy Hu、Green Cai和May Wong，以及巴斯夫德國(guó)總部的Thomas Daniel、Markus Vogt 和Mark Elliott對(duì)本文的貢獻(xiàn)和支持。

參考文獻(xiàn)

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[2] Masuda Fusayoshi, Superabsorbent Polymers: Science and Technology, ACS Symposium Series, 1994.

[3] Nagorski Herbert, Superabsorbent Polymers: Science and Technology, ACS Symposium Series, 1994.

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[6] Tucker Helmes et al. Clinical Pediatrics, Vol. 53(9S), 2014: 4S.

[7] F.L Buchholz, Graham A.T. Modern Superabsrobent Polymer Technology, Wiley, 1998.

[8] F.L. Buchholz et al, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 98, 2005 (2493).