大容量高舒適航天紙尿褲研究

謝錫佳， 王添輝， 利 莉， 蔡光合， 陳宗哲， 梁倩兒

（廣東茵茵股份有限公司， 東莞 523380）

1 引言

隨著空間站和載人登月等深空探測任務(wù)的不斷推 進(jìn)，航 天 員 飛 行 時(shí) 間 加 長。 為 解 決長時(shí)間飛行過程中的排尿問題，航天員會(huì)在航天服內(nèi)穿戴尿液收集裝置，其中紙尿褲是應(yīng)用最為廣泛的一種方式。 紙尿褲按結(jié)構(gòu)分為開合式和褲型2 個(gè)大類。 開合式紙尿褲具有吸收量大，系合力可調(diào)節(jié)，防泄漏安全系數(shù)高，可長期使用等優(yōu)點(diǎn)，以往航天員使用的尿收集裝置都是開合式。 但航天員反饋現(xiàn)有紙尿褲穿戴后比較厚重，冗余感強(qiáng)，對(duì)襠部的壓迫感強(qiáng)烈。 隨著航天員面臨工作任務(wù)的增加，工作內(nèi)容更為精細(xì)，工作時(shí)長也大大延長，研究穿戴更為方便、更舒適、無冗余感的新型紙尿褲用品極其必要。

本文針對(duì)新形勢下航天員的任務(wù)需求，開展大容量、高舒適褲型紙尿褲研究，創(chuàng)新使用超聲波對(duì)彈性材料進(jìn)行無延時(shí)打孔加工技術(shù)，采用吸收芯體與防逃逸芯體相結(jié)合的雙模芯，針對(duì)成人褲型紙尿褲的腰部彈性閉合系統(tǒng)及芯體吸收系統(tǒng)，進(jìn)行了新型彈性材料在不同拉伸倍率情況下的超聲波對(duì)材料開孔均勻性及焊接強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，以及不同組合的吸收系統(tǒng)的吸收能力實(shí)驗(yàn)，最后分析出大容量高舒適航天紙尿褲的制備條件。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 目的及技術(shù)指標(biāo)

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍⑿滦蛷椥圆牧瞎潭ㄔ谘繌椥蚤]合系統(tǒng)內(nèi)，測試彈性材料開孔面積比率、開孔均勻度、材料間結(jié)合強(qiáng)度以及腰部側(cè)邊的粘合強(qiáng)度；同步使用雙模芯體進(jìn)行組合，測試產(chǎn)品的飽和吸收量。

技術(shù)指標(biāo)如下：①紙尿褲腰部、腹部及側(cè)腰等覆蓋區(qū)域的材料開孔率大于50%；②依據(jù)前期對(duì)消費(fèi)人群實(shí)際使用褲型紙尿褲的測試結(jié)果，每25 mm寬側(cè)腰材料焊接強(qiáng)度設(shè)定在12 ～18 N 之間；③模擬尿液總飽和吸收量大于800 g。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

1）聚丙稀無紡布，木質(zhì)纖維素纖維，聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂，高彈性氨綸絲，微孔型聚乙烯透氣膜，熱熔型粘合劑，37 g／m熱塑性聚氨酯與聚丙烯纖維預(yù)先復(fù)合好的彈性TPU／PP 膜。

2）人工尿液。 在2 L 蒸餾水中加入（18±0.01）g NaCl 配制成溶液，在溫度為（20±2）℃時(shí)，其表面張力應(yīng)達(dá)到（70±2）mN／m。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1）Ultrasonic 超聲波焊接儀，威海科海有限公司；

2）OPT-12V 數(shù)碼顯微鏡，上海致旗實(shí)業(yè)有限公司；

3）BS-6KH 電子天平，昆山巨天儀器設(shè)備有限公司；

4）INSTRON 材料拉伸測試儀，東莞力一試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

2.4 制備方法

1）彈性腰圍基礎(chǔ)裝置的制備。 將第1 層聚丙烯無紡布片材平鋪到工作臺(tái)面上；將TPU／PP膜作為中間層，利用穩(wěn)定器將TPU／PP 薄膜拉伸到設(shè)定的拉伸倍率，四周固定，然后將TPU／PP 薄膜連同穩(wěn)定器一起覆蓋在第1 層材料上；最后把第3 層材料聚丙稀無紡布蓋在前面2 層材料上。

2）雙模芯體制備。 利用干冰冷凍劑對(duì)開合式紙尿褲芯體固定部位進(jìn)行冷凍噴射，逐步揭開吸收面層、導(dǎo)流層、芯體包裹層，直至取出完整木漿混合芯體；裁剪合適尺寸的預(yù)制復(fù)合芯體；將預(yù)制復(fù)合芯體覆蓋在木漿混合芯體上；用熱熔膠機(jī)噴涂聚丙烯無紡布后，再對(duì)雙模芯體進(jìn)行包裹；將包裹好的雙模芯體組裝回彈性腰圍構(gòu)件內(nèi)。

3）彈性腰圍結(jié)合部構(gòu)件制備。 將制備好的2片彈性腰圍的最外層邊緣對(duì)齊，利用固定器進(jìn)行拉伸固定；用超聲波按設(shè)計(jì)圖形進(jìn)行點(diǎn)焊接。

2.5 測試方法

1）彈性腰圍開孔率測試。 首先將TPU／PP彈性材料按不同拉伸比制備成彈性腰圍部件，再進(jìn)行拉伸固定后拍照，利用Adobe Photoshop CS6圖形處理軟件進(jìn)行開孔面積和開孔率測試。

2）彈性腰圍構(gòu)件中材料之間結(jié)合強(qiáng)度測試。將制備好的開孔彈性腰圍拉伸100%后，裁剪為25 mm×100 mm，選取一端為起始端，預(yù)先剝離15 mm，用材料拉伸測試儀夾具夾住剝離端進(jìn)行剝離測試，拉伸速度為100 mm／min，剝離距離為60 mm。

3）彈性腰圍構(gòu)件端部焊接強(qiáng)度測試。 將超聲波焊接好的構(gòu)件，裁剪為25 mm×100 mm，選取一端為起始端，預(yù)先剝離15 mm，用材料拉伸測試儀夾具夾住剝離端進(jìn)行剝離測試，拉伸速度為100 mm／min，剝離距離為60 mm。

4）雙模芯體飽和吸收量測試。 配置50 L人工尿液放置在不銹鋼方型水槽內(nèi)，將預(yù)制好的雙模芯體浸泡入液體中，浸泡30 min 后，用平面托板水平托起芯體，水平放置水槽上方5 min，瀝干多余水分。 將托板連同芯體置于天平上稱出質(zhì)量，減去托盤及芯體原始質(zhì)量即為飽和吸收量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 彈性腰圍開孔率數(shù)據(jù)分析

TPU／PP 彈性材料為非透氣型材質(zhì)，為滿足紙尿褲包裹皮膚區(qū)域的透氣性需求，需強(qiáng)制將彈性材料進(jìn)行打孔處理，開孔率越高，透氣性越好，但同時(shí)需兼顧打孔后材料之間的焊接強(qiáng)度，在焊接強(qiáng)度與開孔率之間進(jìn)行優(yōu)化處理。

打孔采用觸碰式無延時(shí)技術(shù)，當(dāng)超聲波頭接觸到彈性腰圍材料時(shí)，瞬間的能量強(qiáng)度要求可以擊破TPU／PP 材料，同時(shí)使破洞邊緣能很好地與上下層無紡布進(jìn)行焊接，且焊接強(qiáng)度需達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。 因此彈性材料需要預(yù)先拉伸，必須預(yù)先在TPU／PP 材料上負(fù)載一定能量。

樣品1 ～4 分別為彈性材料TPU／PP 預(yù)先拉伸3.5 倍、4 倍、4.2 倍、4.5 倍，再使用超聲波開孔后得到的樣品。 樣品用數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行拍照后，用Adobe Photoshop CS6 圖形處理軟件進(jìn)行計(jì)算處理，得到表1 不同拉伸倍率下開孔率測試結(jié)果。 表中照片為各樣品的拍攝照片，總區(qū)域面積為照片中選定圖片區(qū)域面積，彈力面積為選定區(qū)域面積除去孔洞的面積，圖形處理軟件計(jì)算開孔率＝1-（彈力面積／總區(qū)域面積）×100%。

測試結(jié)果如表1 所示，樣品1 中彈性材料大部分的區(qū)域未實(shí)現(xiàn)開孔，平均穿孔率為28.05%，該樣品的透氣性不良；樣品2 中的彈性材料部分區(qū)域未實(shí)現(xiàn)開孔，部分區(qū)域發(fā)生破裂，其平均穿孔率達(dá)到46.95%；樣品3 彈性材料被擊穿的孔洞分布均勻，開孔率為64.64%，該材料將具有良好的透氣性能；樣品4 出現(xiàn)非常顯著的破裂，且破裂面積較大，此時(shí)彈性腰圍材料開孔率反而降低為50.31%，原因是材料破裂后褶皺在一起。

表1 不同拉伸倍率下開孔率測試結(jié)果Table 1 Test results of porosity under different drawing ratio

綜上所述，若用作彈性腰圍材料，樣品1 的開孔率數(shù)值低，且透氣性不佳；樣品2 既有開孔不良的缺陷，又有彈性材料破裂的風(fēng)險(xiǎn)；樣品4 出現(xiàn)大比例的破裂；而樣品3 彈性材料出現(xiàn)非常均勻的開孔，開孔率較高，后續(xù)做成尿褲的彈性腰圍時(shí)，加工工藝穩(wěn)定，透氣性良好，故優(yōu)選樣品3。

3.2 開孔彈性膜材料層間結(jié)合強(qiáng)度分析

彈性腰圍開孔后，利用材料拉力機(jī)對(duì)彈性腰圍層間材料結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖1 所示。 層間材料粘接強(qiáng)度主要依靠對(duì)超聲波頭與無紡布之間的焊接點(diǎn)進(jìn)行固定。 TPU／PP 材料拉伸倍率越低，上下無紡布與彈性材料之間的粘接強(qiáng)度越好，當(dāng)彈性材料的拉伸倍率越接近該材料的斷裂倍率時(shí)，粘接強(qiáng)度越低，原因是拉伸比越大，彈性材料的有效厚度越薄。 樣品3 拉伸優(yōu)選倍率為4.2倍時(shí)，材料層間結(jié)合強(qiáng)度為0.98 N／25 mm。

圖1 彈性膜層間結(jié)合強(qiáng)度測試曲線Fig.1 Test curve of bonding strength of elastic film

該強(qiáng)度數(shù)值接近腰部材料的層間強(qiáng)度要求，后續(xù)可以通過調(diào)整超聲波能量密度或改變上下無紡布的厚度進(jìn)行優(yōu)化提高，也可以通過改變超聲波頭的外形及面積來提升層間焊接強(qiáng)度。

3.3 彈性腰圍端部焊接強(qiáng)度分析

褲型紙尿褲彈性腰圍需在兩側(cè)腰進(jìn)行焊接，焊接后強(qiáng)度需滿足使用者穿戴活動(dòng)過程不裂開，同時(shí)也方便使用者從側(cè)邊撕開。 經(jīng)實(shí)際使用測試，得到該側(cè)腰焊接強(qiáng)度優(yōu)選焊接強(qiáng)度范圍在（12～18）N／25 mm（即每25 mm 寬材料的焊接強(qiáng)度）。 對(duì)含有彈性材料的3 層腰部構(gòu)件進(jìn)行超聲波端邊封焊接，焊接點(diǎn)直徑為0.8 mm，點(diǎn)與點(diǎn)之間中心間距為1.8 mm，雙排焊接，排與排之間間距為2.5 mm。 將材料相同的2 塊樣品1、2、3、4進(jìn)行焊接，得到樣品5、6、7、8。

用材料拉伸測試儀對(duì)樣品的側(cè)腰焊接強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2 所示。 不同樣品的焊接強(qiáng)度均在優(yōu)選焊接強(qiáng)度范圍（12 ～18）N／25 mm內(nèi)，說明TPU／PP 不會(huì)影響到腰部邊封的焊接強(qiáng)度，后續(xù)可進(jìn)一步將焊接花型優(yōu)化。

圖2 彈性腰圍側(cè)邊焊接強(qiáng)度試曲線Fig.2 Test curve of side welding strength of elastic waistline

3.4 雙模芯體飽和吸收量分析

成人紙尿褲吸收芯體為粉碎后木漿與高吸水性樹脂的混合體，該混合體分為上下2 層，下層混合體一般設(shè)計(jì)成8 字型，上層混合體一般設(shè)計(jì)成直條型。 這種芯體設(shè)計(jì)不足之處在于太厚，飽和吸收量又偏小。

本文選取傳統(tǒng)的成人紙尿褲，將其上層直條芯體去除，保留下層8 字形狀大芯體。 然后在下芯體上方疊加1 片預(yù)制好的大容量超薄芯體，寬為105 mm，長為445 mm，每平米質(zhì)量為410 g，得到雙模芯體。 對(duì)雙模芯體進(jìn)行厚度測量，厚度為17 mm，比原有芯體厚度降低了9 mm（表2）。

表2 雙模芯體飽和吸收量結(jié)果Table 2 Results of saturated absorption of dual core

對(duì)原有芯體和雙模芯體進(jìn)行飽和吸收量測試，發(fā)現(xiàn)雙模芯體總飽和吸收量為1039.5 g，增加了413.3 g。 該飽和吸收量可以涵蓋100%成人2次尿液量，且后續(xù)可以通過優(yōu)化疊加的超薄芯體的寬度和克重，使總飽和吸收量增加到更大值。芯體厚度可以通過優(yōu)化芯體的配方，使整個(gè)產(chǎn)品厚度進(jìn)一步下降到7 mm 以下，這對(duì)于穿戴舒適度會(huì)有一個(gè)比較顯著的提升。

4 結(jié)論

1）彈性材料TPU／PP 的預(yù)先拉伸倍率優(yōu)選為4.2 倍，此時(shí)彈性材料開孔率高，開孔均勻，孔邊緣被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)最低，此時(shí)彈性材料與上下無紡布的層間結(jié)合強(qiáng)度為0.98 N／25 mm。 后續(xù)可以優(yōu)化超聲波頭面積及超聲波頭的點(diǎn)陣排布方式，以提高該強(qiáng)度。

2）彈性腰圍側(cè)邊焊接強(qiáng)度均在優(yōu)選焊接強(qiáng)度范圍（12 ～18）N／25 mm 內(nèi)。

3）雙模芯體在顯著降低產(chǎn)品厚度的前提下，提升了飽和吸收量，且后續(xù)可以進(jìn)一步提升飽和吸收量，厚度也可以進(jìn)一步下降。 這可以顯著提升產(chǎn)品的穿戴合身性。