紙尿褲用高吸收性樹(shù)脂選擇方法的研究

王林梢 湖南舒比奇生活用品有限公司

一 背景

隨著嬰兒紙尿褲應(yīng)用的普及，人們對(duì)于紙尿褲的應(yīng)用研究也越來(lái)越深入。紙尿褲的基礎(chǔ)材料包括非織造布、高吸收性樹(shù)脂（SAP）、熱熔膠等，對(duì)于高吸收性樹(shù)脂的研發(fā)體系已基本成熟，出現(xiàn)了一批領(lǐng)先的供應(yīng)商，如國(guó)外的日本住友、觸媒、德國(guó)BASF，國(guó)內(nèi)的臺(tái)塑、衛(wèi)星、丹森、諾爾等。而目前的問(wèn)題是如何將已開(kāi)發(fā)成熟的SAP合理地應(yīng)用在紙尿褲中，如何選擇SAP以做出一款干爽舒適的紙尿褲。

本文將結(jié)合高吸收性樹(shù)脂（SAP）的性能指標(biāo)及應(yīng)用在紙尿褲中的性能表現(xiàn)，探討SAP性能與紙尿褲綜合性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并為紙尿褲用SAP的選擇提供依據(jù)。

二 高吸收性樹(shù)脂（SAP）定義

高吸收性樹(shù)脂（Super Absorbent Polymer，SAP）是一種新型功能高分子材料，能夠吸收比自身重幾百到幾千倍的液體，并且保水性能優(yōu)良，一旦吸水膨脹成為水凝膠，即使加壓也很難把水分離出來(lái)。因此，它在個(gè)人衛(wèi)生用品、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土木建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛用途。

高吸收性樹(shù)脂是一類含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的大分子材料，最早由Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得。按原料劃分，有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纖維素系（羧甲基化、接枝物等）、合成聚合物系（聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等）幾大類。其中聚丙烯酸系高吸收性樹(shù)脂與淀粉系及纖維素系相比，具有生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、吸水能力強(qiáng)、產(chǎn)品保質(zhì)期長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文通過(guò)對(duì)SAP的多種性能進(jìn)行分析，最終鎖定加壓吸收量（AUP）和離心保水量（CRC）為紙尿褲用SAP的兩大關(guān)鍵選擇指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證，可望為紙尿褲用SAP的選擇提供一定的理論依據(jù)。

三 驗(yàn)證方法

紙尿褲產(chǎn)品最基本的需求是不漏尿且干爽。產(chǎn)品不漏尿，首先要保證紙尿褲的芯體具有一定的儲(chǔ)尿能力，通過(guò)SAP的CRC性能測(cè)試，可得到SAP的離心保水量，所謂保水能力指的是吸水后的膨脹體能保持其水溶液不離析的狀態(tài)的能力。再結(jié)合大量嬰幼兒日平均尿液量的數(shù)據(jù)分析，可推算出不同尺碼紙尿褲中SAP的合理添加量，通過(guò)此方法可基本得出每種SAP的最低添加量。

紙尿褲的干爽性取決于所用SAP的膠體強(qiáng)度，一方面膠體強(qiáng)度較大的SAP當(dāng)吸液溶脹后依然保持一定的強(qiáng)度，有利于SAP凝膠間空隙的保持，減輕凝膠堵塞效應(yīng)；另一方面較大的膠體強(qiáng)度也能保證被SAP鎖定的液體不易被外力擠出，保證產(chǎn)品的干爽。下面將通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

四 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 主要儀器與試劑

自組裝SAP測(cè)試用連續(xù)加壓吸收裝置（0.3psi，可記錄一定壓力下SAP的持續(xù)吸收能力）、茶袋、電子分析天平、離心脫水機(jī)、U型測(cè)試儀、量筒、燒杯、玻璃棒、0.9%生理鹽水、亞甲基藍(lán)。

4.2 膠體強(qiáng)度的測(cè)試

膠體強(qiáng)度的測(cè)試方法通?？梢酝ㄟ^(guò)0.3psi加壓吸收量（AUP）來(lái)測(cè)定。這種測(cè)試方法對(duì)SAP的加壓擴(kuò)散性能起到很好的判別作用：對(duì)于無(wú)規(guī)則SAP吸液溶脹后，相鄰SAP間依然存有空隙，只要凝膠強(qiáng)度足夠大，即使在壓力作用下，這種SAP間隙依然會(huì)存在，不會(huì)形成凝膠堵塞（gel blocking），從而保證芯體的加壓擴(kuò)散；另一方面較強(qiáng)的膠體強(qiáng)度也能保證被SAP鎖定的液體不易被外力擠出，保持芯體的干燥度。因此對(duì)于無(wú)規(guī)則SAP，我們可通過(guò)0.3psi壓力下的加壓吸收去評(píng)判其膠體強(qiáng)度，從而關(guān)聯(lián)到芯體的干爽度。然而對(duì)于具有特定型態(tài)的SAP（如住友60s），由于其通過(guò)特有工藝（反向懸浮聚合）制成，其產(chǎn)品型態(tài)為葡萄球型。此種特定型態(tài)SAP在吸液后容易形成凝膠堵塞，即使沒(méi)有外部壓力，吸液溶脹后的SAP顆粒間也很難存有間隙，因此其常壓擴(kuò)散性能都會(huì)較差，故若隨意采用AUP值去評(píng)估其膠體強(qiáng)度可能會(huì)得到一個(gè)較差的結(jié)果，從而會(huì)干擾到SAP的選擇，因?yàn)檫@樣的結(jié)果并不是真實(shí)的，而是因?yàn)樽∮?0s自身的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其形成凝膠堵塞導(dǎo)致擴(kuò)散性能差。且實(shí)際應(yīng)用中，絨毛漿的加入可有效避免凝膠堵塞。故需要進(jìn)一步對(duì)AUP值的測(cè)定方法加以細(xì)化（排除凝膠效應(yīng)）來(lái)探討AUP值與干爽度的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)步驟：選取住友、巴斯夫和觸媒3種SAP，分別單獨(dú)或以等量組合方式將0.5g、1g、2gSAP平鋪在圓筒尼龍網(wǎng)上，稱量圓筒整體定量，打開(kāi)加液開(kāi)關(guān)，30min后取下圓筒并稱量定量，分別算出平鋪0.5g、1g、2gSAP的加壓吸收倍率，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

表1 不同SAP在不同質(zhì)量下的加壓吸收量

圖1 不同SAP在不同質(zhì)量下的加壓吸收量

當(dāng)平鋪0.5gSAP時(shí)，SAP基本可以單層均勻分布在尼龍網(wǎng)上。隨著SAP量的增加，SAP在尼龍網(wǎng)上很難均勻單層的分布。當(dāng)質(zhì)量增加到2g時(shí)，SAP已堆積較厚一層于尼龍網(wǎng)上?？梢岳斫鉃椋寒?dāng)SAP定量為0.5g時(shí)，SAP可均勻單層的分布在尼龍網(wǎng)上，避免了凝膠堵塞效應(yīng)，所測(cè)得AUP數(shù)據(jù)可較真實(shí)的體現(xiàn)SAP的膠體強(qiáng)度，測(cè)得的數(shù)據(jù)可作為SAP膠體強(qiáng)度的定性指標(biāo)（適用于標(biāo)準(zhǔn)的加壓吸收裝置，圓筒尼龍網(wǎng)直徑為60mm），數(shù)值越大，膠體強(qiáng)度越大。當(dāng)SAP定量為1g時(shí)，測(cè)得的AUP數(shù)值已部分受到凝膠堵塞效應(yīng)的影響，呈橢球狀的住友60s凝膠堵塞效應(yīng)嚴(yán)重。當(dāng)SAP定量為2g時(shí)，無(wú)論何種SAP，測(cè)得的AUP數(shù)值都會(huì)受到凝膠堵塞效應(yīng)的影響。

在加壓0.3psi條件下，2g住友60s樣品的AUP值為12g，隨著測(cè)試樣品量的減少，凝膠阻塞效應(yīng)降低，AUP值增加，當(dāng)測(cè)試樣品量為0.5g時(shí)，其AUP值為31g，高于巴斯夫和觸媒SAP，可以得出住友60s具有最大膠體強(qiáng)度。巴斯夫N7059膠體強(qiáng)度僅次于住友60s，且分別以0.5g樣品和1g樣品測(cè)試得到的AUP數(shù)值一樣，說(shuō)明巴斯夫N7059的滲透擴(kuò)散性能具有優(yōu)勢(shì)。觸媒QX-W-1515膠體強(qiáng)度較差，分別以0.5g樣品和1g樣品測(cè)試得到的AUP數(shù)值一樣，說(shuō)明觸媒QXW-1515具有較好的滲透擴(kuò)散性能，且以2g樣品測(cè)試時(shí)，觸媒具有最大AUP值，說(shuō)明觸媒SAP更加適合SAP比例高的芯體。綜合來(lái)說(shuō)，膠體強(qiáng)度住友60s＞巴斯夫N7059＞觸媒QXW-1515，滲透擴(kuò)散性能觸媒QX-W-1515＞巴斯夫N7059＞住友60s。

4.3 CRC測(cè)試

紙尿褲需要滿足最大尿量吸收，才能保證不漏尿。因此計(jì)算上述各種SAP及SAP組合方式的CRC，來(lái)決定一片紙尿褲SAP的添加量。

實(shí)驗(yàn)步驟：用電子分析天平稱取0.200g（±0.005）SAP，置于茶袋（m1）中，封口后浸沒(méi)在生理鹽水中，30min后取出，稱重m2，在2,100r轉(zhuǎn)速的離心機(jī)中離心3min，稱重得出m3，計(jì)算公式：

CRC=（m3-m1）/0.2（g/g）；m2為自由飽和吸收量FA

表2 不同SAP的CRC與FA

圖2 不同SAP的AUP與CRC曲線圖

圖3 嬰兒尿量數(shù)據(jù)（來(lái)自調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）

對(duì)于單一SAP來(lái)說(shuō)，AUP越高的CRC越低，當(dāng)凝膠強(qiáng)度（交聯(lián)密度）較大時(shí)，樹(shù)脂分子鏈的伸展受到制約，導(dǎo)致吸水率下降。混合使用可以看出SAP的CRC都在32g/g以上，以每次吸液量491/5=98.5g計(jì)算，每片L碼紙尿褲至少需要3.1g SAP，以一片紙尿褲吸收兩次最大尿液的情況，則需要添加（174.4＊2）/32=10.9g SAP，加上絨毛漿的吸收倍率為10，10.9g SAP+10.9g絨毛漿理論上吸收量為457.8g，基于產(chǎn)品成本、產(chǎn)品手感以及熱熔膠拒水情況考慮，L碼平均添加10g SAP，足夠滿足需求。因此成品驗(yàn)證時(shí)，以SAP與絨毛漿1∶1比例混合，即添加SAP10g、絨毛漿10g，其他材料維持不變，測(cè)試其干爽度。

4.4 成品干爽度驗(yàn)證

紙尿褲的干爽度測(cè)試流程如下：

圖4 SAP和絨毛漿按1:1組成的芯體干爽性能測(cè)試結(jié)果

國(guó)內(nèi)廠家所生產(chǎn)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)芯體，SAP與絨毛漿一般是按1∶1比例混合的，SAP顆粒間均勻地填充了絨毛漿，避免了凝膠堵塞，符合0.5gSAP的AUP測(cè)試方法。結(jié)合上圖芯體（SAP：絨毛漿=1∶1）的干爽性排名，可以看出SAP膠體強(qiáng)度越大，產(chǎn)品越干爽。

五 結(jié)論

1. 芯體開(kāi)發(fā)時(shí)，SAP的CRC控制在32g/g以上即可；膠體強(qiáng)度指標(biāo)可用0.5gSAP在0.3psi的AUP數(shù)值進(jìn)行評(píng)估，測(cè)得SAP的AUP值越大，則該SAP與絨毛漿按1∶1混合的芯體越干爽；

2. 當(dāng)SAP占芯體比例在50%～60%范圍時(shí)，為同時(shí)保證吸收量與干爽性，AUP大于30，CRC大于35具有最大優(yōu)勢(shì)；

3. 當(dāng)SAP比例超過(guò)60%時(shí)，SAP應(yīng)保證吸收量，此時(shí)AUP不必超過(guò)30，但考慮到凝膠堵塞現(xiàn)象，擴(kuò)散性更好的SAP具有最大優(yōu)勢(shì)；

4. 當(dāng)SAP比例小于50%時(shí)，大量的木漿纖維可幫助滲透與擴(kuò)散，為保證干爽性，AUP大于30的SAP具有最大優(yōu)勢(shì)。