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文檔簡(jiǎn)介
1、 紙尿褲各層結(jié)構(gòu)的作用及吸液機(jī)理分析徐小萍 張寅江 靳向煜(東華 大學(xué) 產(chǎn) 業(yè)用紡織品教育部工 程 研究中 心 , 上海 , 201600摘 要 :介紹了 紙尿褲各層 結(jié) 構(gòu) 的 作 用 , 對(duì) 紙尿褲 的 面 層 、 導(dǎo) 流層 、 吸 收芯層 、 背層 和 腿口防側(cè)漏邊 等的 吸 液機(jī) 理進(jìn) 行 理 論 分析 , 闡述 了 尿液 在 整 個(gè)紙尿褲系統(tǒng) 中 的 吸 液 過(guò) 程 。 從 整體上 把握紙尿褲 的 吸 液 原理 有 助 于 紙尿褲 的 設(shè) 計(jì) 及 其 材料的 應(yīng) 用 。關(guān)鍵詞 :紙尿褲 , 非織造材料 , 結(jié) 構(gòu) , 作 用 , 吸 液機(jī) 理中圖分類號(hào) :TS176+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :
2、A 文章編號(hào) :10047093(2013 05001905紙尿褲產(chǎn)品自成功開發(fā)以來(lái) , 憑借其方便 、 衛(wèi)生 、 舒適等優(yōu)點(diǎn) , 迅速取代了傳統(tǒng)尿布的地位 。 據(jù)第十九屆生活用紙國(guó)際科技展覽及會(huì)議上國(guó)際研討會(huì)的報(bào)告稱 , 2011年我國(guó)嬰兒紙尿褲總消費(fèi)量為 1846億元 , 比上年增長(zhǎng) 277%, 占當(dāng)年吸收性衛(wèi)生用品的國(guó)內(nèi)總銷售額的 398%。 隨著人民生活水平的提高 , 紙尿褲的價(jià)格日趨合理 , 人們?cè)絹?lái)越認(rèn)可紙尿褲對(duì)寶寶的呵護(hù)作用 。雖然紙尿褲使用方便 , 但長(zhǎng)時(shí)間穿戴會(huì)形成一個(gè)潮濕的環(huán)境 , 不利于皮膚健康甚至?xí)T發(fā)尿布疹 , 因此加強(qiáng)紙尿褲的吸收滲透能力是提高紙尿褲品質(zhì)的關(guān)鍵 1-
3、2。 在深入了解紙尿褲各層結(jié)構(gòu)的作 用及機(jī)理的基礎(chǔ)上來(lái)開發(fā)高檔新產(chǎn)品 , 對(duì)紙尿褲行 業(yè)有著至關(guān)重要的作用 。1紙尿褲各層結(jié)構(gòu)紙尿褲是由多層非織造材料建立起來(lái)的一個(gè) 液體吸控系統(tǒng) , 主要由面層 、 導(dǎo)流層 、 吸收芯層 、 底 膜 、 腿口防側(cè)漏邊 、 魔術(shù)貼 、 氨綸絲以及將各個(gè)部分 黏合到一起的熱熔膠黏合劑復(fù)合而成 (如圖 1 。 構(gòu)成紙尿褲的各層結(jié)構(gòu)都有其各自作用 。 面收稿日期 :20121002作者簡(jiǎn)介 :徐小萍 , 女 , 1988年生 , 在讀碩士研究生 。 主要從事 非織造材料及紙尿褲結(jié)構(gòu)機(jī)理的研究 。圖 1紙尿褲各層 結(jié) 構(gòu)層常采用熱風(fēng)或熱軋非織造材料 , 要求柔軟 、 透
4、氣 , 還要使尿液快速滲透 , 保持貼膚面的干爽性 ; 導(dǎo)流 層主要采用由熱塑性纖維或雙組分纖維制成的熱 風(fēng)非織造材料 , 要使尿液快速轉(zhuǎn)移到吸收芯層的整 個(gè)表面 ; 吸收芯層由絨毛漿加高吸水樹脂 (SAP 組 成 , 用于吸收大量液體 ; 背層主要是聚丙烯 (PP 透 氣微孔薄膜或者熱軋非織造材料聚乙烯 (PE 復(fù)合 底膜 , 用于防止尿液的滲出 , 起到隔離的作用 。2各層結(jié)構(gòu)的吸液機(jī)理21面層面層直接與寶寶嬌嫩皮膚接觸 , 首先接受尿 液 , 也是整個(gè)吸液過(guò)程的開始 。 但在實(shí)際中 , 面層 912013年第 5期 產(chǎn)業(yè)用紡織品 專論的吸液量幾乎為零 , 只起到將尿液引導(dǎo)向芯層的透 水作
5、用 , 而非織造材料的原料 、 厚度 、 結(jié)構(gòu)緊密程度 對(duì)面層的透水性都有重要影響 。 從分子角度分析 面層的透水原理 , 可以認(rèn)為主要存在三種形式 :纖 維對(duì)水分子直接吸收 , 纖維與纖維間的毛細(xì)管作用 以及水壓迫水分子透過(guò)織物空隙 。 由于面層要求 保持干燥 , 通常選用自身吸濕性小的疏水性纖維 , 即排除第一種透水方式 , 第二和第三兩種方式為面 層主要的透水方式 3-4。穿透時(shí)間為面層材料的一個(gè)重要衡量指標(biāo) , 而 非織造材料的穿透時(shí)間與其自身結(jié)構(gòu)有關(guān) 。 通常 片材的孔型有貫通孔 、 封閉孔和半封閉孔三種形 式 。 目前最常用的面層材料為熱風(fēng)或者熱軋非織 造材料 , 熱風(fēng)非織造材料具
6、有良好的空間結(jié)構(gòu) , 液 體通過(guò)多數(shù)孔曲折迂回穿過(guò) , 即為貫通孔 ; 而熱軋 非織造材料中纖維分布較規(guī)則 , 經(jīng)熱軋后軋點(diǎn)周圍 纖維相互固結(jié) , 非織造材料的厚度變薄 , 主要為封 閉孔和半封閉孔 , 延長(zhǎng)了穿透時(shí)間 5?;貪B量是面層材料的另一個(gè)重要指標(biāo) 。 熱軋 非織造材料在軋點(diǎn)處由于被壓實(shí)而使面密度增大 , 且軋點(diǎn)在面層正面呈凹面 , 而與導(dǎo)流層和吸收芯層 接觸的一面呈凸面 。 液體經(jīng)面層和導(dǎo)流層下滲到 吸收芯層中 , 會(huì)因受到外力而發(fā)生返滲 , 此時(shí)液體 會(huì)最先與軋點(diǎn)形成的凸面接觸 , 但因其纖維密度 大 , 纖維間排列緊密而空隙小 , 能夠阻礙液體上升 , 使其不易返滲 6。 熱風(fēng)非
7、織造材料的厚度在同等 面密度下是熱軋 、 紡粘和熔噴等非織造材料的 3 5倍 7, 良好的空間結(jié)構(gòu)增加了纖維間的空隙 , 而 一定的厚度又使得液體回升通道變得復(fù)雜 , 也能作 為阻止液體返滲的屏障 , 從而降低液體的回滲量 。 22導(dǎo)流層導(dǎo)流層是位于面層和吸收芯體之間的一層特 殊的非織造材料 , 其作用是使紙尿褲快速 、 有效 、 均 勻地吸收液體 , 避免過(guò)去因 SAP 局部吸收量過(guò)大 而形成的阻塞現(xiàn)象 , 減少紙尿褲回滲量 。 目前導(dǎo)流 層普遍采用熱風(fēng) 、 紡粘 、 熱軋等非織造材料 , 其中熱 風(fēng)非織造材料雖然價(jià)格稍高 , 但因其具有一定的厚 度和蓬松度能暫存自身質(zhì)量 10倍以上的液體
8、, 并 具有極好的抗回滲性而被廣泛應(yīng)用 , 是目前導(dǎo)流層 材料市場(chǎng)的發(fā)展主流 。 與面層的熱風(fēng)非織造材料 相比 , 導(dǎo)流層的熱風(fēng)非織造材料韌而硬挺 , 纖維以 縱向排列為主 , 纖維間的空隙較大 , 當(dāng)液體透過(guò)面 層到達(dá)導(dǎo)流層時(shí) , 導(dǎo)流層的纖維網(wǎng)會(huì)立刻吸收液 體 , 同時(shí)具有一定厚度的蓬松結(jié)構(gòu)有利于把局部的 液體迅速俘獲 , 暫存后隨即擴(kuò)散 , 直到被芯層吸收 。 如圖 2所示 :在傳統(tǒng)的不帶導(dǎo)流層的產(chǎn)品中 , 液體經(jīng)過(guò)面層后直接進(jìn)入芯層 , 液體的擴(kuò)散主要在 芯層進(jìn)行 , 容易使芯層局部吸液量過(guò)大而形成凝膠 阻塞 , 更增加了第二次 、 第三次液體下滲的難度 , 造 成較大的回滲量 ; 而
9、在帶有導(dǎo)流層的產(chǎn)品中 , 液體 經(jīng)面層后先進(jìn)入導(dǎo)流層 , 導(dǎo)流層可暫存液體 , 延緩 液體下滲 , 液體沿著導(dǎo)流層縱向排列的纖維向縱向 擴(kuò)散 , 芯層由于增加了吸收面積而得到充分利用 , 有效防止大量液體瞬間吸收而發(fā)生的局部凝膠阻 塞現(xiàn)象 8-9 。圖 2不 帶 導(dǎo) 流層 結(jié) 構(gòu) 與 帶 導(dǎo) 流層 結(jié) 構(gòu) 的吸 收 效果對(duì)比 823吸收芯層吸收芯層是紙尿褲的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位 , 其吸收量 的大小直接影響到紙尿褲吸液質(zhì)量 。 目前紙尿褲 的吸收芯層主要由衛(wèi)生紙或者非織造材料包裹 SAP 和絨毛漿混合物組成 。231SAPSAP 是一種特殊功能性高分子材料 , 能吸收質(zhì) 量為自身質(zhì)量數(shù)百倍至數(shù)千倍的水
10、分 , 或者數(shù)十倍 至數(shù)百倍的鹽水 , 而且在適當(dāng)?shù)膲毫ο?, 吸入的水 也不會(huì)被擠出 。 SAP 因其吸收量大 , 能有效減少絨 毛漿的用量使得產(chǎn)品厚度大大減小而被廣泛用于 吸收用品 10。 下面從定性和定量?jī)煞矫娣治?SPA 的吸水機(jī)理 。2311SAP 在水中的溶脹過(guò)程SAP 是經(jīng)過(guò)適當(dāng)交聯(lián)而形成具有三維空間網(wǎng) 絡(luò)的高聚物 (圖 3 , 其本身具有的親水基和疏水基 會(huì)與水分子相互作用 。 當(dāng)遇到水分子時(shí) , 整體呈致 密性的高分子鏈上的親水性離子迅速電離水解 , 而 02隨著同種電荷的積聚 , 靜電斥力在高分子鏈上也隨 之增大 , 正是這種靜電斥力使得三維網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò) 張 , 引導(dǎo)水分子進(jìn)
11、入樹脂內(nèi)部11-12。 同時(shí) , 為了保 持電中性 ,與累積在高分子鏈上的電荷抗衡的另一 種電荷不會(huì)向外部擴(kuò)散 , 而被束縛在樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與 網(wǎng)外形成較大的濃度差 , 從而產(chǎn)生較大的滲透壓 , 進(jìn)一步吸收水分子進(jìn)入三維網(wǎng)絡(luò) 。 而三維網(wǎng)絡(luò)的 彈性收縮力也會(huì)伴隨網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張而逐漸增加 , 作為 抗衡力慢慢抵消靜電斥力 , 最終使 SAP 達(dá)到吸水 平衡13-15。 圖 3高 分 子 樹脂 的 三 維 網(wǎng) 絡(luò) 及 電離過(guò) 程152312Flory 彈性凝膠理論從熱 力 學(xué) 角 度 出 發(fā) , 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 每個(gè)結(jié)構(gòu)單元所具有的電荷數(shù) ; V u 重復(fù)單元的摩爾體積 ; S * 外部溶液的離子強(qiáng)度 ;X 1 吸水樹脂與水作用的哈金斯參數(shù) ; V 1 水的摩爾體積 ; V eV 0 交聯(lián)密度 。 在公式 (1 中 , 等式右邊分子中的i 2V u S *(12表示滲透壓 12X 1V 1表示材料與水的親和力 , 兩者之和表示吸水能力 。 對(duì)于非電解質(zhì)吸水樹脂 , 由于 缺少第一項(xiàng)而使吸水能力相對(duì)較差 。 此外 , 樹脂的 吸水性也受溶液性質(zhì)的影響12。耐鹽性吸水樹脂也是由滲透壓產(chǎn)生的動(dòng)力而 吸水 , 但水中的鹽電離形成的離子會(huì)使?jié)B透壓降 低 , 進(jìn)而降低其吸水能力 。
13、Flory 公式也表明 , 當(dāng)吸 收鹽水時(shí) ,由于鹽水的離子強(qiáng)度 S *遠(yuǎn)大于淡水 , 吸 水能力也會(huì)顯著下降 。 此時(shí) , 耐鹽性吸水樹脂中的 非離子型親水官能團(tuán)會(huì)與水分子形成氫鍵 , 從而吸 水 。 232絨毛漿絨毛漿是一種高級(jí)吸水性紙漿 , 采用漂白卷筒 干漿板在撕碎機(jī)撕碎成絨毛簇制成 , 廣泛用于紙尿 褲 、 衛(wèi)生巾 、 醫(yī)用床襯紙等吸收用品17。吸收性是絨毛漿的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo) , 主要取 決于紙頁(yè)橫向纖維之間的毛細(xì)管效應(yīng) , 毛細(xì)管效 應(yīng)越強(qiáng) , 吸收性能越好18。 在吸收芯層中絨毛漿主要起到類似輸送管道的作用 。 絨毛漿的原料性 能中纖維的線密度和纖維細(xì)胞壁的厚度對(duì)絨毛漿的性能有
14、直接的影響 , 而有機(jī)溶劑抽出物含量和組 成都會(huì)使絨毛漿的性能有所不同19-20。紙尿褲的液體吸收性能不僅與 SAP 含量 、 SAP 與紙漿的混合狀態(tài)有關(guān) , 還與紙漿中纖維的線密 度 、 纖維間的空隙度及表層材質(zhì)有關(guān) 。 24背層紙尿褲的背層直接與人體皮膚接觸 , 因此要求應(yīng)具有以下性質(zhì) : 良好的氣體透過(guò)性 ; 較好 的防漏水性 ; 較好的拉伸性能和抗撕裂性能 ; 良好的柔軟性等 。 目前紙尿褲的背層材料主要有 透氣微孔膜和復(fù)合底膜 。 241透氣 微 孔 膜透氣微孔膜主要由聚烯烴作為基體樹脂 , 特別 是 PP 因其力學(xué)性能優(yōu)異且價(jià)格低廉而成為應(yīng)用 較廣泛的微孔膜材料 。 含有致孔劑
15、CaCO 3顆粒的 樹脂片材在拉伸過(guò)程中 , 由于 CaCO 3顆粒與其周 圍樹脂聚合物的結(jié)合力小而在邊緣分離產(chǎn)生微孔 ,最后經(jīng)過(guò)定型處理后形成微孔膜 。微孔是微孔薄膜最關(guān)鍵的部分 , 微孔孔徑大小 及其分布都影響著微孔膜的功能 。 由于水滴的最 小直 徑 約 為 20m , 而 水 蒸 氣 分 子 的 直 徑 僅 為 00004m 左右 , 利用兩者直徑的差異 , 讓微孔直12徑介于兩者之間 , 從而使微孔膜具有防水透氣的作 用 21。水蒸氣在微孔膜中是一個(gè)分子擴(kuò)散的過(guò)程 , 即 水蒸氣分子從一個(gè)孔傳遞到另一個(gè)孔 , 從高濃度區(qū) 域流向低濃度區(qū)域 22。 透氣量 W vp 取決于膜的孔 隙率
16、 、 厚度和孔徑 , 關(guān)系式如下 :W vp =A BT +071d (1B (2式中 :A 常數(shù) ;B 孔隙率 ;T 薄膜厚度 ;d 孔徑 。當(dāng)微孔膜能承受的耐水壓大于使用時(shí)所需耐 水壓時(shí) , 水就不會(huì)滲出 。 通常用毛細(xì)浸透壓 P 來(lái) 表征 21:P = 2cos d(3式中 :P 浸透壓 (Pa ; 表面張力 (N /m ; 接觸角 ( ;d 毛細(xì)管直徑 (m 。由上可見 , 當(dāng)微孔膜直徑小于 d 時(shí) , 水不會(huì)透 過(guò) 。 由于不同產(chǎn)品所需浸透壓不同 , 按照公式 (3 即可計(jì)算出產(chǎn)品滿足不同要求時(shí)所需微孔膜孔徑 d 的大小 23。242復(fù)合 底膜復(fù)合底膜主要由流延膜和非織造材料通過(guò)一
17、定的方式復(fù)合而成 。 由于復(fù)合底膜集合了流延膜 良好的柔軟性和防水性 , 也具有非織造材料的強(qiáng)度 和透氣性 , 更是大大擴(kuò)大了原有壓紋膜的應(yīng)用領(lǐng)域 和提高了產(chǎn)品的附加值 。 壓紋膜的復(fù)合產(chǎn)品不僅 可應(yīng)用于嬰兒尿褲 、 護(hù)理墊等個(gè)人衛(wèi)生用品 , 也可 應(yīng)用于手術(shù)衣 、 防護(hù)服等產(chǎn)品領(lǐng)域 24。25腿口防側(cè)漏邊腿口防側(cè)漏邊是用于大腿口兩邊 , 連接面層 , 用于防止尿液因不能及時(shí)滲透下去而從側(cè)面溢出 。 一般情況下 , 腿口防側(cè)漏邊常用拒水 PP 紡粘法非 織造材料和 SMS 結(jié)構(gòu)的非織造材料 。 腿口防側(cè)漏 邊及背層通常都使用 SMS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。腿口防側(cè)漏邊一般要求拒水 。 SMS 非織造材
18、料的拒水整理是在 SMS 纖維表面吸附一層能使其 表面張力低于水的表面張力的物質(zhì) , 使水在 SMS 非織造材料上的接觸角大于 90 而拒水 。 常用的 拒水整理劑有長(zhǎng)鏈烷烴化合物 、 有機(jī)硅聚合物及有 機(jī)氟整理劑 25。 由于 SMS 非織造材料具有較高的 抗靜水壓 , 因而其拒水效果也較好 。 對(duì)于紙尿褲防側(cè) 漏邊的非織造材料 , 耐靜水壓只要不低于 12kPa 即可 26。 普通 15g /m2的 SMS 復(fù)合非織造材料耐 靜水壓通??蛇_(dá)到 15kPa , 因此用于腿口防側(cè)漏 邊的 SMS 非織造材料的面密度只需 15g /m2左右 , 甚至更低就能達(dá)到要求 。26紙尿褲整體吸液原理充分
19、利用各層非織造材料 , 并進(jìn)行有效組合可 實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)的吸液過(guò)程 。 當(dāng)把液體注向紙尿褲樣品 時(shí) , 液體首先接觸面層 , 并沿著非織造材料向橫向 擴(kuò)散 , 然后液體穿透面層向?qū)Я鲗訑U(kuò)散 , 最后被吸 收芯層吸收 。 吸收芯體是由絨毛漿和 SAP 混合制 成的 , 首先絨毛漿通過(guò)毛細(xì)管的作用將液體迅速吸 收 、 擴(kuò)散 , 接著紙漿纖維中的液體被 SAP 吸收 , 紙 漿回復(fù)到干燥狀態(tài)后進(jìn)行下一次吸液 , 而 SAP 吸 收尿液后形成膠體物 , 即使在有外力加壓的情況 下 , 也能鎖住液體不被擠出 。 這樣 , 絨毛漿繼續(xù)靠 毛細(xì)管的作用擴(kuò)散液體 , 然后由 SAP 吸收 。 同時(shí) , 由于 SAP
20、 顆粒吸收液體后會(huì)膨脹 , 顆粒間緊密堆 砌使間隙大幅減少 , 液體向深層擴(kuò)散的阻力加大 , 而絨毛漿的毛細(xì)管作用能夠使得液體繼續(xù)向下傳 遞 , 可見絨毛漿主要起到類似輸送管道的作用 27。 當(dāng)液體向深層擴(kuò)散達(dá)到背層時(shí) , 由于液體分子直徑 大于微孔膜直徑被存留在紙尿褲中而不滲漏 , 而直 徑小的氣體分子能向外界擴(kuò)散 , 增加紙尿褲的透氣 性 。 如果尿液太多沒(méi)有及時(shí)被吸收而留在面層 , 尿 液由于受壓而向橫向擴(kuò)散 , 腿口防側(cè)漏邊的拒水作 用會(huì)阻礙液體進(jìn)一步擴(kuò)散 , 較高的耐靜水壓也會(huì)防 止液體溢出而發(fā)生側(cè)漏 。3結(jié)語(yǔ)紙尿褲的各層結(jié)構(gòu)都有其各自主要特性 。 面 層材料采用經(jīng)親水整理的熱風(fēng)或熱
21、軋非織造材料 , 能夠使液體有效地吸收并迅速下滲至導(dǎo)流層 ; 導(dǎo)流 層多采用熱風(fēng)非織造材料 , 利用其表面纖維排列縱 橫比大使得更多液體進(jìn)入吸收芯層 , 而熱風(fēng)非織造 材料蓬松 , 其厚度也起到了暫時(shí)持液的作用 ; 吸收 22芯層由絨毛漿和 SAP 均勻混合而成 , 兩者的混合 比例以及均勻性都是吸收芯層大量吸收液體的關(guān) 鍵 ; 背層通常采用 PP 透氣微孔膜或者熱軋非織造 材料 PE 復(fù)合底膜 , 用于防止尿液的滲出 , 起到隔 離的作用 。 腿口防側(cè)漏邊主要采用 SMS 結(jié)構(gòu)的非 織造材料 , 經(jīng)過(guò)拒水整理達(dá)到所需的拒水及耐靜水 壓要求 。根據(jù)紙尿褲各層結(jié)構(gòu)的吸液原理分析 , 對(duì)紙尿 褲整
22、體吸收應(yīng)有總體的設(shè)計(jì) 。 因此 , 分析和了解液 體在紙尿褲整體環(huán)境中的吸收原理對(duì)于紙尿褲的 設(shè)計(jì)及其材料的應(yīng)用具有重要意義 。參 考 文 獻(xiàn)1江曼霞 中國(guó)一次性衛(wèi)生用品的概況和展望 J 產(chǎn) 業(yè)用紡織品 , 2008, 26(1 :87-932白木 紙尿褲市場(chǎng)發(fā)展綜述 J 湖北造紙 , 2004(3 : 29-313池玲晨 PE /PP復(fù)合紡粘非織造材料結(jié)構(gòu)性能與紙 尿褲應(yīng)用研究 D 上海 :東華大學(xué) , 20064梅興波 用即棄嬰兒尿布的開發(fā) J 非織造材料 , 2000(12 :18-195張靜峰 熱風(fēng)非織造材料吸收性能初探 J 產(chǎn)業(yè)用 紡織品 , 2008, 26(8 :18-216張玉
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