一體式非織造吸液芯體的制備及其性能研究*

張 楠 靳向煜 趙 奕

東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620

隨著我國三胎政策的開放和老齡化的快速步入，我國個(gè)人衛(wèi)生用品市場迅速擴(kuò)大。嬰兒紙尿褲市場的零售總額由2013年的238.3億元增加至2018年的555.4億元，復(fù)合年均增長率為18.4%[1]。成人失禁用品，其主要品類為紙尿褲和尿墊，市場規(guī)模從2013年的31.7億元增長至2018年的70.3億元，復(fù)合年均增長率為17.3%。數(shù)量巨大且快速增長的老齡人口及新生嬰兒逐步成為我國個(gè)人衛(wèi)生用品市場龐大的消費(fèi)群體[2]。

個(gè)人衛(wèi)生用紙尿褲主要由面層、導(dǎo)流層、吸收芯層和底膜組成。其中，吸收芯層發(fā)揮著紙尿褲最為主要的吸液保液功能，其吸收量的大小將直接影響紙尿褲的吸液質(zhì)量[3]。市面上的吸收芯層主要分傳統(tǒng)芯體與復(fù)合芯體兩類。前者吸液后易起坨斷層，影響多次吸水性；后者由高吸水樹脂與蓬松布層鋪組合而成，缺少絨毛漿纖維對(duì)液體的傳導(dǎo)，所以當(dāng)高吸水樹脂超過一定質(zhì)量時(shí)，復(fù)合芯體吸收尿液后易形成凝膠，導(dǎo)致尿液吸收擴(kuò)散不良[4]，堵塞液體下滲通道。復(fù)合芯體是近些年發(fā)展較快的一種芯體，為避免其吸液后產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，一種方法是改變芯體中高吸水樹脂的分布，如專利CN110464547A[5]中介紹了一種立體復(fù)合芯體，即在撒粉的同時(shí)噴涂熱熔膠，再經(jīng)立體模具固定成型，最終制成具有一定立體形狀且間隔排列的吸水層，只是該方法采用熱熔膠包裹高吸水樹脂后芯體吸水性能受影響，且工藝復(fù)雜，實(shí)操性欠佳；另一種方法是增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，如專利CN206822784U[6]中介紹了一種具有壓痕或切痕結(jié)構(gòu)的吸收芯體，其吸收區(qū)設(shè)有多處沿芯體縱向的痕線結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)液體縱向擴(kuò)散，但其拉伸強(qiáng)度低，難以滿足高速生產(chǎn)線要求。

黏膠纖維吸濕性強(qiáng)，且纖維表面溝槽多，毛細(xì)作用強(qiáng)，用于吸收芯層中可起到類似輸送管道的作用；中空滌綸的空腔結(jié)構(gòu)能增大纖維的剛度，提高熱風(fēng)非織造芯體的回彈性，使芯體吸液后不易塌陷，芯體多次吸液性能提高[7-8]；熱風(fēng)非織造布有一定的厚度和蓬松度，吸液迅速，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[9]。液體在不同孔隙內(nèi)的填充速率表現(xiàn)不同，孔隙越大則填充速率越快。在下層纖維網(wǎng)規(guī)格相同的條件下，上層纖維網(wǎng)孔隙大時(shí)液體穿透時(shí)間較短[10]。

本文將選用黏膠纖維、中空滌綸及親水聚烯烴雙組分(ES)纖維為原料，采用上層為粗纖維、下層為細(xì)纖維的復(fù)合纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，利用梳理成網(wǎng)、在線撒粉和熱風(fēng)加固技術(shù)，制備免起坨、無阻塞且吸液效果優(yōu)良的一體式非織造吸液芯體。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

本試驗(yàn)原料包括黏膠纖維、中空滌綸、親水ES纖維(其皮層為聚乙烯PE、芯層為聚丙烯PP)和高吸水樹脂(SAP)。其中：黏膠纖維長度為38 mm，線密度為1.67 dtex，由唐山三友興達(dá)化纖有限公司提供；中空滌綸長度為64 mm，線密度為6.67 dtex，由中國石化儀征化纖股份有限公司提供；兩種親水ES纖維，長度為51 mm、線密度為6.67 dtex及長度為38 mm、線密度為2.22 dtex，皆由山東德潤新材料科技有限公司提供；高吸水樹脂，型號(hào)為BC283，平均粒徑為270 μm，由臺(tái)塑工業(yè)(寧波)有限公司提供。試驗(yàn)原料的表面形態(tài)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原料的掃描電鏡(SEM)照片

1.2 試樣制備

試樣的制備具體分為上、下纖網(wǎng)層的制備。其中，上纖網(wǎng)層選用線密度為1.67 dtex的黏膠纖維、6.67 dtex的中空滌綸和6.67 dtex的親水ES纖維；下纖網(wǎng)層選用線密度為1.67 dtex的黏膠纖維、6.67 dtex的中空滌綸和2.22 dtex的親水ES纖維。

首先分別將纖維原料進(jìn)行混合開松后，喂入雙道夫雜亂梳理機(jī)中成網(wǎng)；接著，將高吸水樹脂顆粒通過在線撒粉裝置均勻加入到纖網(wǎng)中；最后，將上、下纖網(wǎng)層復(fù)合，喂入熱風(fēng)小樣機(jī)中進(jìn)行加固。其制備工藝流程如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案的確立

正交試驗(yàn)前已對(duì)課題進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，初步確定了單因素4個(gè)變量(即纖維質(zhì)量配比、上下纖網(wǎng)層復(fù)合結(jié)構(gòu)、熱風(fēng)溫度及熱風(fēng)時(shí)間)的較優(yōu)范圍。對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，按顯著性排序選出了正交試驗(yàn)的3個(gè)因素——纖維質(zhì)量配比[A1為50%親水ES纖維+ 48%黏膠纖維+2%中空滌綸、A2為50%親水ES纖維+44%黏膠纖維+6%中空滌綸、A3為50%親水ES纖維+40%黏膠纖維+10%中空滌綸]，熱風(fēng)溫度(B1為133 ℃、B2為135 ℃、B3為137 ℃)及熱風(fēng)時(shí)間(C1為110 s、C2為120 s、C3為130 s)，并選定上、下纖網(wǎng)層質(zhì)量組合形式為200 g+100 g。

接著進(jìn)行正交試驗(yàn)。確定試驗(yàn)為三因素三水平試驗(yàn)，不考慮交互作用，3個(gè)因素共占3列，故選取三水平正交表L9(34)最為合適，并設(shè)有1空列，可作為試驗(yàn)誤差以衡量試驗(yàn)的可靠性。正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)如表1所示，其中L代表正交設(shè)計(jì)，9代表試驗(yàn)總次數(shù)，3代表各因素水平數(shù)，4代表因素個(gè)數(shù)(包含此試驗(yàn)的3個(gè)因素與空白列)。

圖2 試樣制備工藝流程

1.4 性能測試

1.4.1 吸液倍率

參照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第6部分：吸收性的測定》標(biāo)準(zhǔn)，取試樣尺寸為100 mm×100 mm，稱取干燥試樣質(zhì)量m1，接著將其完全浸沒于純水中，1 min后立即取出并垂直懸掛2 min，稱取此時(shí)的試樣質(zhì)量m2。吸液倍率Lc用試樣所吸收的液體質(zhì)量與試樣干燥質(zhì)量之比表示，具體見式(1)。每種試樣測5次，結(jié)果取平均值。

(1)

1.4.2 多次吸收速度

參照HLJ-TM-35紙尿褲國際理化性能測試方法，將尺寸為200 mm×100 mm的試樣正面向上平放于試驗(yàn)臺(tái)上，試樣中間部位的上方放置一標(biāo)準(zhǔn)放液漏斗，漏斗下口中心距試樣表面垂直距離為8 mm。往漏斗中加入純水30 mL，打開漏斗節(jié)門至最大，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄第一次液體全部被吸收的時(shí)間t1，以表征第一次吸收速度。靜置5 min后，重復(fù)上述步驟，記錄第二次液體全部被吸收的時(shí)間t2，以表征第二次吸收速度。每種試樣測5次，結(jié)果取平均值。

1.4.3 回滲量

參照GB/T 28004—2011《紙尿褲(片、墊)》標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備上濾紙與下濾紙，稱取干燥上濾紙質(zhì)量m3，將尺寸為200 mm×100 mm的試樣正面向上平放于下濾紙上。試樣中間部位上方放置一標(biāo)準(zhǔn)放液漏斗，漏斗下口中心距試樣表面垂直距離8 mm。往漏斗中加入純水30 mL，打開漏斗節(jié)門至最大，5 min后重復(fù)上述步驟，10 min后將上濾紙放于試樣表面，并放置標(biāo)準(zhǔn)壓塊，加壓1 min后立即稱取上濾紙質(zhì)量m4?；貪B量M以上濾紙?jiān)囼?yàn)前后的質(zhì)量差表示：

M=m4-m3

(2)

1.4.4 表面形態(tài)

采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡，觀察一體式非織造吸液芯體的表面形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)中，各因素不同水平參數(shù)組合對(duì)應(yīng)不同指標(biāo)(吸液倍率、多次吸收速度、回滲量)。數(shù)值的平均值用k來表示。如當(dāng)測試指標(biāo)為吸液倍率時(shí)，k1、k2、k3分別為各因素第一水平、第二水平及第三水平所對(duì)應(yīng)的吸液倍率的平均值。k1、k2、k3的值與該因素的水平變動(dòng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響相關(guān)。比較其值的大小，可判斷該因素各水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。

2.1 吸液倍率

正交試驗(yàn)中，9組試樣吸液倍率的測試結(jié)果見表2，考慮試驗(yàn)指標(biāo)為吸液倍率，k值越大越好。

表2 正交試樣的吸液倍率測試結(jié)果

纖網(wǎng)浸入測試液體后，纖維吸收部分液體，纖網(wǎng)中的孔隙儲(chǔ)存部分液體，高吸水樹脂吸收大部分液體。表2中：纖維質(zhì)量配比列k1值最大，k2、k3較小且依次減小，這是因?yàn)轲つz纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大、中空滌綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小時(shí)，芯體纖維吸收的液體就越多，即吸液倍率越高；熱風(fēng)溫度列k1值最大，k2、k3較小且差異很小，原因可能是隨著溫度的升高，親水ES纖維表層軟化熔融量逐漸增大，纖維交叉點(diǎn)處黏結(jié)面積增大，本試驗(yàn)中親水ES纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)50%，大量的黏結(jié)使纖網(wǎng)產(chǎn)生一定的收縮，高吸水樹脂在纖網(wǎng)中被包裹得更緊實(shí)，液體的傳遞與吸收受到影響，故吸液倍率下降[11]。熱風(fēng)時(shí)間列k2值最大，k1值次之，k3值較小。

為進(jìn)一步驗(yàn)證最優(yōu)工藝參數(shù)是否是在試驗(yàn)誤差很大的情況下得出，以及各因素水平的變化是否對(duì)測試指標(biāo)具有顯著影響，以空白列為誤差項(xiàng)對(duì)吸液倍率進(jìn)行方差分析，即將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)造F檢驗(yàn)。F檢驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)量F值是各因素均方與誤差均方的比值，結(jié)果如表3所示。方差分析結(jié)果表明，各因素對(duì)吸液倍率的影響程度均顯著，且顯著程度排序?yàn)闊犸L(fēng)溫度>纖維質(zhì)量配比>熱風(fēng)時(shí)間，各因素最優(yōu)工藝參數(shù)可選取為A1B1C2。

表3 正交試樣吸液倍率方差分析結(jié)果

2.2 多次吸收速度

正交試驗(yàn)9組試樣多次吸收速度的測試結(jié)果如圖3所示，用吸收時(shí)間表征吸收速度。

圖3 正交試樣1#～9#多次吸收速度測試結(jié)果

由圖3可看出：第一次吸收速度和第二次吸收速度變化趨勢幾乎一致，從1#到9#，兩次吸收速度變化都呈先減少后增大再減少最后增大的變化趨勢。其中，試樣3#多次吸收速度最優(yōu)。在試樣1#～3#、4#～6#和7#～9#中，試樣7#～9#兩次吸收速度數(shù)值的k值均最大，分別為9.58、9.78，試樣1#～3#兩次吸收速度數(shù)值的k值均最小，分別為7.71、7.30?？紤]到試驗(yàn)指標(biāo)為多次吸收速度，該值越小越好，確定選取纖維原料配比第一水平A1為佳；在試樣1#、4#、7#，2#、5#、8#和3#、6#、9#中，試樣3#、6#、9#兩次吸收速度數(shù)值的k值均最小，分別為7.37、8.10，故確定選取熱風(fēng)溫度第三水平B3為佳；在試樣1#、6#、8#，2#、4#、9#和3#、5#、7#中，試樣3#、5#、7#兩次吸收速度數(shù)值的k值均最小，分別為7.08、6.97，故確定選取熱風(fēng)時(shí)間第三水平C3為佳。

對(duì)正交試樣多次吸收速度進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。纖維原料配比對(duì)t2影響顯著，纖維原料配比優(yōu)水平選取A1；熱風(fēng)時(shí)間對(duì)t1影響顯著，熱風(fēng)時(shí)間優(yōu)水平選取C3；熱風(fēng)溫度對(duì)t1和t2影響不顯著，這可能是因?yàn)闊犸L(fēng)溫度與熱風(fēng)時(shí)間之間存在交互作用，而這部分誤差歸為隨機(jī)誤差，熱風(fēng)溫度優(yōu)水平仍選取B3。綜合來看，多次吸收速度最佳工藝參數(shù)仍以A1B3C3為佳。

表4 正交試樣多次吸收速度方差分析結(jié)果

2.3 回滲量

正交試驗(yàn)9組試樣回滲量的測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 正交試樣回滲量測試結(jié)果

分析回滲量時(shí)，正交試驗(yàn)的k值越小，顯示其抗回滲性能越優(yōu)。由圖4可以明顯看出，在試樣1#～3#、4#～6#和7#～9#中，試樣4#～6#回滲量k值最大，試樣7#～9#次之，試樣1#～3#最小，故確定纖維原料配比以A1為佳；在試樣1#、4#、7#，2#、5#、8#和3#、6#、9#中，試樣3#、6#、9#回滲量k值最大，試樣1#、4#、7#回滲量k值最小，故確定熱風(fēng)溫度以B1為佳；在試樣1#、6#、8#，2#、4#、9#和3#、5#、7#中，試樣1#、6#、8#回滲量k值最大，試樣3#、5#、7#與試樣2#、4#、9#回滲量k值近似相等且較小，故確定熱風(fēng)時(shí)間以C2或C3為佳。

對(duì)正交試樣回滲量做方差分析，結(jié)果如表5所示。纖維原料配比對(duì)回滲量的影響最顯著，纖維原料配比優(yōu)水平選取A1，熱風(fēng)溫度與熱風(fēng)時(shí)間對(duì)回滲量的影響并不顯著，考慮實(shí)際生產(chǎn)成本及生產(chǎn)效率等因素，熱風(fēng)溫度優(yōu)水平選取B1，熱風(fēng)時(shí)間優(yōu)水平選取C2。綜合來看，回滲量最佳工藝參數(shù)以A1B1C2為佳。

表5 正交試樣回滲量方差分析結(jié)果

2.4 表面形態(tài)

以工藝參數(shù)為A1B1C2即50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風(fēng)溫度133 ℃及熱風(fēng)時(shí)間120 s制備的一體式非織造吸液芯體為例，圖5為其表層SEM照片。

從圖5可以看出：高吸水樹脂較均勻地分散在熱風(fēng)纖網(wǎng)中，高吸水樹脂粒徑比纖網(wǎng)孔隙大得多，且纖網(wǎng)中的親水ES纖維皮層熔融冷卻后在纖維交叉點(diǎn)處產(chǎn)生了黏結(jié)點(diǎn)，將高吸水樹脂固定在纖網(wǎng)中，形成了高吸水樹脂立體分布于纖網(wǎng)中的一體結(jié)構(gòu)。

工藝參數(shù)A1B1C2制備的一體式非織造吸液芯體兩次吸液后表面及截面照片如圖6所示，可以看到：兩次吸液后芯體表面平整度高，無起坨斷層現(xiàn)象，吸液區(qū)域近似圓形，說明纖網(wǎng)中高吸水樹脂分布均勻度高。

圖6 一體式非織造吸液芯體兩次吸液后的照片

為進(jìn)一步驗(yàn)證本試驗(yàn)制備的一體式非織造吸液芯體是否具備良好的吸液性能，將其與市面上的2種熱銷品牌紙尿褲進(jìn)行對(duì)比(表6)，其中試樣①為國外品牌紙尿褲吸收芯層，試樣②為國內(nèi)品牌紙尿褲吸收芯層，試樣③為本試驗(yàn)制備的芯體。測試溶液為0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉溶液，兩次吸收速度測試量均為40 mL。表6的結(jié)果表明，本試驗(yàn)制備的芯體吸液倍率介于試樣①與②之間且遠(yuǎn)大于試樣②；其兩次吸收速度分別比試樣②快45.54%和33.61%，比試樣①快29.82%和9.01%。

表6 三種吸收芯層吸液性能對(duì)比

3 結(jié)論

以黏膠纖維、中空滌綸和親水ES纖維為原料，經(jīng)梳理成網(wǎng)、在線撒粉及熱風(fēng)加固工藝，制備吸液后表面平整度高且無凝膠現(xiàn)象的一體式非織造吸液芯體。

(1) 就吸液倍率而言，各因素顯著性排序?yàn)闊犸L(fēng)溫度>纖維原料配比>熱風(fēng)時(shí)間，最佳工藝參數(shù)為50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風(fēng)溫度133 ℃及熱風(fēng)時(shí)間120 s。

(2) 就多次吸收速度而言，纖維原料配比與熱風(fēng)時(shí)間對(duì)其影響顯著，最佳工藝參數(shù)為50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風(fēng)溫度137 ℃及熱風(fēng)時(shí)間130 s。

(3) 就回滲量而言，纖維原料配比對(duì)其影響顯著，最佳工藝參數(shù)為50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風(fēng)溫度133 ℃及熱風(fēng)時(shí)間120 s。