纸尿裤各层结构的作用及吸液机理分析_徐小萍

1、 纸尿裤各层结构的作用及吸液机理分析徐小萍 张寅江 靳向煜(东华 大学 产 业用纺织品教育部工 程 研究中 心 , 上海 , 201600摘 要 :介绍了 纸尿裤各层 结 构 的 作 用 , 对 纸尿裤 的 面 层 、 导 流层 、 吸 收芯层 、 背层 和 腿口防侧漏边 等的 吸 液机 理进 行 理 论 分析 , 阐述 了 尿液 在 整 个纸尿裤系统 中 的 吸 液 过 程 。 从 整体上 把握纸尿裤 的 吸 液 原理 有 助 于 纸尿裤 的 设 计 及 其 材料的 应 用 。关键词 :纸尿裤 , 非织造材料 , 结 构 , 作 用 , 吸 液机 理中图分类号 :TS176+4文献标志码 :

2、A 文章编号 :10047093(2013 05001905纸尿裤产品自成功开发以来 , 凭借其方便 、 卫生 、 舒适等优点 , 迅速取代了传统尿布的地位 。 据第十九届生活用纸国际科技展览及会议上国际研讨会的报告称 , 2011年我国婴儿纸尿裤总消费量为 1846亿元 , 比上年增长 277%, 占当年吸收性卫生用品的国内总销售额的 398%。 随着人民生活水平的提高 , 纸尿裤的价格日趋合理 , 人们越来越认可纸尿裤对宝宝的呵护作用 。虽然纸尿裤使用方便 , 但长时间穿戴会形成一个潮湿的环境 , 不利于皮肤健康甚至会诱发尿布疹 , 因此加强纸尿裤的吸收渗透能力是提高纸尿裤品质的关键 1-

3、2。 在深入了解纸尿裤各层结构的作 用及机理的基础上来开发高档新产品 , 对纸尿裤行 业有着至关重要的作用 。1纸尿裤各层结构纸尿裤是由多层非织造材料建立起来的一个 液体吸控系统 , 主要由面层 、 导流层 、 吸收芯层 、 底 膜 、 腿口防侧漏边 、 魔术贴 、 氨纶丝以及将各个部分 黏合到一起的热熔胶黏合剂复合而成 (如图 1 。 构成纸尿裤的各层结构都有其各自作用 。 面收稿日期 :20121002作者简介 :徐小萍 , 女 , 1988年生 , 在读硕士研究生 。 主要从事 非织造材料及纸尿裤结构机理的研究 。图 1纸尿裤各层 结 构层常采用热风或热轧非织造材料 , 要求柔软 、 透

4、气 , 还要使尿液快速渗透 , 保持贴肤面的干爽性 ; 导流 层主要采用由热塑性纤维或双组分纤维制成的热 风非织造材料 , 要使尿液快速转移到吸收芯层的整 个表面 ; 吸收芯层由绒毛浆加高吸水树脂 (SAP 组 成 , 用于吸收大量液体 ; 背层主要是聚丙烯 (PP 透 气微孔薄膜或者热轧非织造材料聚乙烯 (PE 复合 底膜 , 用于防止尿液的渗出 , 起到隔离的作用 。2各层结构的吸液机理21面层面层直接与宝宝娇嫩皮肤接触 , 首先接受尿 液 , 也是整个吸液过程的开始 。 但在实际中 , 面层 912013年第 5期 产业用纺织品 专论的吸液量几乎为零 , 只起到将尿液引导向芯层的透 水作

5、用 , 而非织造材料的原料 、 厚度 、 结构紧密程度 对面层的透水性都有重要影响 。 从分子角度分析 面层的透水原理 , 可以认为主要存在三种形式 :纤 维对水分子直接吸收 , 纤维与纤维间的毛细管作用 以及水压迫水分子透过织物空隙 。 由于面层要求 保持干燥 , 通常选用自身吸湿性小的疏水性纤维 , 即排除第一种透水方式 , 第二和第三两种方式为面 层主要的透水方式 3-4。穿透时间为面层材料的一个重要衡量指标 , 而 非织造材料的穿透时间与其自身结构有关 。 通常 片材的孔型有贯通孔 、 封闭孔和半封闭孔三种形 式 。 目前最常用的面层材料为热风或者热轧非织 造材料 , 热风非织造材料具

6、有良好的空间结构 , 液 体通过多数孔曲折迂回穿过 , 即为贯通孔 ; 而热轧 非织造材料中纤维分布较规则 , 经热轧后轧点周围 纤维相互固结 , 非织造材料的厚度变薄 , 主要为封 闭孔和半封闭孔 , 延长了穿透时间 5。回渗量是面层材料的另一个重要指标 。 热轧 非织造材料在轧点处由于被压实而使面密度增大 , 且轧点在面层正面呈凹面 , 而与导流层和吸收芯层 接触的一面呈凸面 。 液体经面层和导流层下渗到 吸收芯层中 , 会因受到外力而发生返渗 , 此时液体 会最先与轧点形成的凸面接触 , 但因其纤维密度 大 , 纤维间排列紧密而空隙小 , 能够阻碍液体上升 , 使其不易返渗 6。 热风非

7、织造材料的厚度在同等 面密度下是热轧 、 纺粘和熔喷等非织造材料的 3 5倍 7, 良好的空间结构增加了纤维间的空隙 , 而 一定的厚度又使得液体回升通道变得复杂 , 也能作 为阻止液体返渗的屏障 , 从而降低液体的回渗量 。 22导流层导流层是位于面层和吸收芯体之间的一层特 殊的非织造材料 , 其作用是使纸尿裤快速 、 有效 、 均 匀地吸收液体 , 避免过去因 SAP 局部吸收量过大 而形成的阻塞现象 , 减少纸尿裤回渗量 。 目前导流 层普遍采用热风 、 纺粘 、 热轧等非织造材料 , 其中热 风非织造材料虽然价格稍高 , 但因其具有一定的厚 度和蓬松度能暂存自身质量 10倍以上的液体

8、, 并 具有极好的抗回渗性而被广泛应用 , 是目前导流层 材料市场的发展主流 。 与面层的热风非织造材料 相比 , 导流层的热风非织造材料韧而硬挺 , 纤维以 纵向排列为主 , 纤维间的空隙较大 , 当液体透过面 层到达导流层时 , 导流层的纤维网会立刻吸收液 体 , 同时具有一定厚度的蓬松结构有利于把局部的 液体迅速俘获 , 暂存后随即扩散 , 直到被芯层吸收 。 如图 2所示 :在传统的不带导流层的产品中 , 液体经过面层后直接进入芯层 , 液体的扩散主要在 芯层进行 , 容易使芯层局部吸液量过大而形成凝胶 阻塞 , 更增加了第二次 、 第三次液体下渗的难度 , 造 成较大的回渗量 ; 而

9、在带有导流层的产品中 , 液体 经面层后先进入导流层 , 导流层可暂存液体 , 延缓 液体下渗 , 液体沿着导流层纵向排列的纤维向纵向 扩散 , 芯层由于增加了吸收面积而得到充分利用 , 有效防止大量液体瞬间吸收而发生的局部凝胶阻 塞现象 8-9 。图 2不 带 导 流层 结 构 与 带 导 流层 结 构 的吸 收 效果对比 823吸收芯层吸收芯层是纸尿裤的关键结构部位 , 其吸收量 的大小直接影响到纸尿裤吸液质量 。 目前纸尿裤 的吸收芯层主要由卫生纸或者非织造材料包裹 SAP 和绒毛浆混合物组成 。231SAPSAP 是一种特殊功能性高分子材料 , 能吸收质 量为自身质量数百倍至数千倍的水

10、分 , 或者数十倍 至数百倍的盐水 , 而且在适当的压力下 , 吸入的水 也不会被挤出 。 SAP 因其吸收量大 , 能有效减少绒 毛浆的用量使得产品厚度大大减小而被广泛用于 吸收用品 10。 下面从定性和定量两方面分析 SPA 的吸水机理 。2311SAP 在水中的溶胀过程SAP 是经过适当交联而形成具有三维空间网 络的高聚物 (图 3 , 其本身具有的亲水基和疏水基 会与水分子相互作用 。 当遇到水分子时 , 整体呈致 密性的高分子链上的亲水性离子迅速电离水解 , 而 02随着同种电荷的积聚 , 静电斥力在高分子链上也随 之增大 , 正是这种静电斥力使得三维网络逐渐扩 张 , 引导水分子进

11、入树脂内部11-12。 同时 , 为了保 持电中性 ,与累积在高分子链上的电荷抗衡的另一 种电荷不会向外部扩散 , 而被束缚在树脂网络内与 网外形成较大的浓度差 , 从而产生较大的渗透压 , 进一步吸收水分子进入三维网络 。 而三维网络的 弹性收缩力也会伴随网络的扩张而逐渐增加 , 作为 抗衡力慢慢抵消静电斥力 , 最终使 SAP 达到吸水 平衡13-15。 图 3高 分 子 树脂 的 三 维 网 络 及 电离过 程152312Flory 弹性凝胶理论从热 力 学 角 度 出 发 , Flory 提 出 了 下 列 公 式16:Q5=i2V uS *(12+12X 1V 1V e V 0(1式

12、中 :Q 平衡吸水率 ; i 每个结构单元所具有的电荷数 ; V u 重复单元的摩尔体积 ; S * 外部溶液的离子强度 ;X 1 吸水树脂与水作用的哈金斯参数 ; V 1 水的摩尔体积 ; V eV 0 交联密度 。 在公式 (1 中 , 等式右边分子中的i 2V u S *(12表示渗透压 12X 1V 1表示材料与水的亲和力 , 两者之和表示吸水能力 。 对于非电解质吸水树脂 , 由于 缺少第一项而使吸水能力相对较差 。 此外 , 树脂的 吸水性也受溶液性质的影响12。耐盐性吸水树脂也是由渗透压产生的动力而 吸水 , 但水中的盐电离形成的离子会使渗透压降 低 , 进而降低其吸水能力 。

13、Flory 公式也表明 , 当吸 收盐水时 ,由于盐水的离子强度 S *远大于淡水 , 吸 水能力也会显著下降 。 此时 , 耐盐性吸水树脂中的 非离子型亲水官能团会与水分子形成氢键 , 从而吸 水 。 232绒毛浆绒毛浆是一种高级吸水性纸浆 , 采用漂白卷筒 干浆板在撕碎机撕碎成绒毛簇制成 , 广泛用于纸尿 裤 、 卫生巾 、 医用床衬纸等吸收用品17。吸收性是绒毛浆的一项重要质量指标 , 主要取 决于纸页横向纤维之间的毛细管效应 , 毛细管效 应越强 , 吸收性能越好18。 在吸收芯层中绒毛浆主要起到类似输送管道的作用 。 绒毛浆的原料性 能中纤维的线密度和纤维细胞壁的厚度对绒毛浆的性能有

14、直接的影响 , 而有机溶剂抽出物含量和组 成都会使绒毛浆的性能有所不同19-20。纸尿裤的液体吸收性能不仅与 SAP 含量 、 SAP 与纸浆的混合状态有关 , 还与纸浆中纤维的线密 度 、 纤维间的空隙度及表层材质有关 。 24背层纸尿裤的背层直接与人体皮肤接触 , 因此要求应具有以下性质 : 良好的气体透过性 ; 较好 的防漏水性 ; 较好的拉伸性能和抗撕裂性能 ; 良好的柔软性等 。 目前纸尿裤的背层材料主要有 透气微孔膜和复合底膜 。 241透气 微 孔 膜透气微孔膜主要由聚烯烃作为基体树脂 , 特别 是 PP 因其力学性能优异且价格低廉而成为应用 较广泛的微孔膜材料 。 含有致孔剂

15、CaCO 3颗粒的 树脂片材在拉伸过程中 , 由于 CaCO 3颗粒与其周 围树脂聚合物的结合力小而在边缘分离产生微孔 ,最后经过定型处理后形成微孔膜 。微孔是微孔薄膜最关键的部分 , 微孔孔径大小 及其分布都影响着微孔膜的功能 。 由于水滴的最 小直 径 约 为 20m , 而 水 蒸 气 分 子 的 直 径 仅 为 00004m 左右 , 利用两者直径的差异 , 让微孔直12径介于两者之间 , 从而使微孔膜具有防水透气的作 用 21。水蒸气在微孔膜中是一个分子扩散的过程 , 即 水蒸气分子从一个孔传递到另一个孔 , 从高浓度区 域流向低浓度区域 22。 透气量 W vp 取决于膜的孔 隙率

16、 、 厚度和孔径 , 关系式如下 :W vp =A BT +071d (1B (2式中 :A 常数 ;B 孔隙率 ;T 薄膜厚度 ;d 孔径 。当微孔膜能承受的耐水压大于使用时所需耐 水压时 , 水就不会渗出 。 通常用毛细浸透压 P 来 表征 21:P = 2cos d(3式中 :P 浸透压 (Pa ; 表面张力 (N /m ; 接触角 ( ;d 毛细管直径 (m 。由上可见 , 当微孔膜直径小于 d 时 , 水不会透 过 。 由于不同产品所需浸透压不同 , 按照公式 (3 即可计算出产品满足不同要求时所需微孔膜孔径 d 的大小 23。242复合 底膜复合底膜主要由流延膜和非织造材料通过一

17、定的方式复合而成 。 由于复合底膜集合了流延膜 良好的柔软性和防水性 , 也具有非织造材料的强度 和透气性 , 更是大大扩大了原有压纹膜的应用领域 和提高了产品的附加值 。 压纹膜的复合产品不仅 可应用于婴儿尿裤 、 护理垫等个人卫生用品 , 也可 应用于手术衣 、 防护服等产品领域 24。25腿口防侧漏边腿口防侧漏边是用于大腿口两边 , 连接面层 , 用于防止尿液因不能及时渗透下去而从侧面溢出 。 一般情况下 , 腿口防侧漏边常用拒水 PP 纺粘法非 织造材料和 SMS 结构的非织造材料 。 腿口防侧漏 边及背层通常都使用 SMS 结构设计 。腿口防侧漏边一般要求拒水 。 SMS 非织造材

18、料的拒水整理是在 SMS 纤维表面吸附一层能使其 表面张力低于水的表面张力的物质 , 使水在 SMS 非织造材料上的接触角大于 90 而拒水 。 常用的 拒水整理剂有长链烷烃化合物 、 有机硅聚合物及有 机氟整理剂 25。 由于 SMS 非织造材料具有较高的 抗静水压 , 因而其拒水效果也较好 。 对于纸尿裤防侧 漏边的非织造材料 , 耐静水压只要不低于 12kPa 即可 26。 普通 15g /m2的 SMS 复合非织造材料耐 静水压通常可达到 15kPa , 因此用于腿口防侧漏 边的 SMS 非织造材料的面密度只需 15g /m2左右 , 甚至更低就能达到要求 。26纸尿裤整体吸液原理充分

19、利用各层非织造材料 , 并进行有效组合可 实现渐进的吸液过程 。 当把液体注向纸尿裤样品 时 , 液体首先接触面层 , 并沿着非织造材料向横向 扩散 , 然后液体穿透面层向导流层扩散 , 最后被吸 收芯层吸收 。 吸收芯体是由绒毛浆和 SAP 混合制 成的 , 首先绒毛浆通过毛细管的作用将液体迅速吸 收 、 扩散 , 接着纸浆纤维中的液体被 SAP 吸收 , 纸 浆回复到干燥状态后进行下一次吸液 , 而 SAP 吸 收尿液后形成胶体物 , 即使在有外力加压的情况 下 , 也能锁住液体不被挤出 。 这样 , 绒毛浆继续靠 毛细管的作用扩散液体 , 然后由 SAP 吸收 。 同时 , 由于 SAP

20、 颗粒吸收液体后会膨胀 , 颗粒间紧密堆 砌使间隙大幅减少 , 液体向深层扩散的阻力加大 , 而绒毛浆的毛细管作用能够使得液体继续向下传 递 , 可见绒毛浆主要起到类似输送管道的作用 27。 当液体向深层扩散达到背层时 , 由于液体分子直径 大于微孔膜直径被存留在纸尿裤中而不渗漏 , 而直 径小的气体分子能向外界扩散 , 增加纸尿裤的透气 性 。 如果尿液太多没有及时被吸收而留在面层 , 尿 液由于受压而向横向扩散 , 腿口防侧漏边的拒水作 用会阻碍液体进一步扩散 , 较高的耐静水压也会防 止液体溢出而发生侧漏 。3结语纸尿裤的各层结构都有其各自主要特性 。 面 层材料采用经亲水整理的热风或热

21、轧非织造材料 , 能够使液体有效地吸收并迅速下渗至导流层 ; 导流 层多采用热风非织造材料 , 利用其表面纤维排列纵 横比大使得更多液体进入吸收芯层 , 而热风非织造 材料蓬松 , 其厚度也起到了暂时持液的作用 ; 吸收 22芯层由绒毛浆和 SAP 均匀混合而成 , 两者的混合 比例以及均匀性都是吸收芯层大量吸收液体的关 键 ; 背层通常采用 PP 透气微孔膜或者热轧非织造 材料 PE 复合底膜 , 用于防止尿液的渗出 , 起到隔 离的作用 。 腿口防侧漏边主要采用 SMS 结构的非 织造材料 , 经过拒水整理达到所需的拒水及耐静水 压要求 。根据纸尿裤各层结构的吸液原理分析 , 对纸尿 裤整

22、体吸收应有总体的设计 。 因此 , 分析和了解液 体在纸尿裤整体环境中的吸收原理对于纸尿裤的 设计及其材料的应用具有重要意义 。参 考 文 献1江曼霞 中国一次性卫生用品的概况和展望 J 产 业用纺织品 , 2008, 26(1 :87-932白木 纸尿裤市场发展综述 J 湖北造纸 , 2004(3 : 29-313池玲晨 PE /PP复合纺粘非织造材料结构性能与纸 尿裤应用研究 D 上海 :东华大学 , 20064梅兴波 用即弃婴儿尿布的开发 J 非织造材料 , 2000(12 :18-195张静峰 热风非织造材料吸收性能初探 J 产业用 纺织品 , 2008, 26(8 :18-216张玉

23、庆 , 吴宏明 , 李忠明 热轧非织造材料热压粘合 机理的初步探讨 J 合成技术及应用 , 1994(3 :207谢道训 热风非织造材料的应用与前景展望 J 非 织造材料 , 1997(3 :118王欢 , 吴海波 , 靳向煜 , 等 导流层在纸尿裤中的应用 及其性能测试 J 生活用纸 , 2009(12 :47-499江曼霞 , 张玉兰 , 周杨 导流层在吸收性卫生用品中 应用的调查研究 J 生活用纸 , 2009(2 :1-410陈振斌 丙烯酸系耐盐性高吸水树脂研究 D 兰州 :兰州大学 , 200711祁晓华 耐盐性高吸水树脂的合成及其溶胀动力学 研究 D 兰州 :兰州大学 , 2009

24、12盛沛 粘土型高吸水性复合材料的制备及其性能研 究 D 武汉 :武汉理工大学 , 200713田中键治 高吸水性树脂和其应用开发 J 精细化 工 , 1994, 23(12 :5-1314龙明策 , 王鹏 , 郑彤 高吸水性树脂溶胀热力学及吸 水机理 J 化学通报 , 2002(10 :705-70915陈雪萍 , 翁志学 , 黄志明 高吸水性树脂的结构与吸 水机理 J 化工新型材料 , 2002, 30(3 :19-2116FLORY P JPrinciples of polymer chemistry M New York :Comell University Press , 19541

25、7葛云昆 浅谈绒毛浆生产 J 造纸化学品 , 2006, 18 (1 :20-2118蔡文样 浅谈生活用纸的吸收性能及影响因素 J 工艺与技术 , 2004(2 :1019肖大峰 影响绒毛浆吸液能力的因素 J 纸和造纸 , 1994(2 :33-3520徐永建 , 张晓东 绒毛浆原料选择问题的探讨 J 陕 西科技大学学报 , 2004, 22(1 :63-6521徐凯 , 张军师 透气微孔膜制备方法及透气机理的研 究进展 J 合成树脂及塑料 , 2009, 26(5 :63-6622BAKER R WKirk-Othmer encyclopedia of chemical technology :membrane M Singapore :Wiley , 1995:17823田春霞 , 苑会林 防水透气微孔膜 J 塑料 , 1998, 27 (1 :23-2624王国辉 PE 流延压纹膜的复合应用 J 塑料包装 , 2002, 12(2 :24-2525陈锡勇 , 何艳军 , 李淑芳 医疗用 S