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)

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184.6亿元，比上年增长27.7%，占当年吸收性卫生用品的国内总销售额的39.8%。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［1-2］。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)。

图1 纸尿裤各层结构

构成纸尿裤的各层结构都有其各自作用。面层常采用热风或热轧非织造材料，要求柔软、透气，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

2.1 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，面层的吸液量几乎为零，只起到将尿液引导向芯层的透水作用，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。

2.2 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，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［8］

2.3 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。

2.3.1 SAP

SAP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。

2.3.1.1 SAP 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［15］

2.3.1.2 Flory 弹性凝胶理论

从热力学角度出发，Flory提出了下列公式［16］：

式中：Q——平衡吸水率;

i——每个结构单元所具有的电荷数;

Vu——重复单元的摩尔体积;

S*——外部溶液的离子强度;

X1——吸水树脂与水作用的哈金斯参数;

V1——水的摩尔体积;

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。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。

2.3.2 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。

2.4 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：①良好的气体透过性;②较好的防漏水性;③较好的拉伸性能和抗撕裂性能;④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。

2.4.1 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CaCO3颗粒的树脂片材在拉伸过程中，由于CaCO3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。

四川省位于中国西南腹地，处于青藏高原与长江中下游平原过渡带，西高东低的特点明显，是西南、西北和中部地区的重要接合部，是华南、华中、西南、西北、中亚、南亚和东南亚的重要交汇点和交通走廊。四川省地貌复杂，以山地为主，具有山地、丘陵、平原和高原4种地貌类型，土壤类型丰富，土类和亚类数分别占全国总数的43.48%和32.60%。四川省的气候总特点是区域表现差异显著，并且因其独特的地势特点，气候垂直变化大，气候类型多，有利于农、林、牧综合发展；气象灾害种类多，发生频率高，范围大，主要是干旱，暴雨、洪涝和低温等也经常发生［5］。

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20 μm，而水蒸气分子的直径仅为0.000 4 μm左右，利用两者直径的差异，让微孔直径介于两者之间，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Wvp取决于膜的孔隙率、厚度和孔径，关系式如下：

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ΔP来表征［21］：

式中：ΔP——浸透压(Pa);

σ——表面张力(N/m);

α——接触角(°);

d——毛细管直径(μm)。

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］。

2.4.2 复合底膜

复合底膜主要由流延膜和非织造材料通过一定的方式复合而成。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］。

2.5 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1.2 kPa即可［26］。普通15 g/m2的SMS复合非织造材料耐静水压通常可达到1.5 kPa，因此用于腿口防侧漏边的SMS非织造材料的面密度只需15 g/m2左右，甚至更低就能达到要求。

2.6 纸尿裤整体吸液原理

充分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。

［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)：87-93.

［2］白木.纸尿裤市场发展综述［J］.湖北造纸，2004(3)：29-31.

［3］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，2006.

［4］梅兴波.用即弃婴儿尿布的开发［J］.非织造材料，2000(12)：18-19.

［5］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)：18-21.

［6］张玉庆，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)：20.

［7］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)：11.

［8］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)：47-49.

［9］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)：1-4.

［10］陈振斌.丙烯酸系耐盐性高吸水树脂研究［D］.兰州：兰州大学，2007.

［11］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.

［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，2007.

［13］田中键治.高吸水性树脂和其应用开发［J］.精细化工，1994，23(12)：5-13.

［14］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)：705-709.

［15］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)：19-21.

［16］FLORY P J.Principles of polymer chemistry［M］.New York：Comell University Press，1954.

［17］葛云昆.浅谈绒毛浆生产［J］.造纸化学品，2006，18(1)：20-21.

［18］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)：10.

［19］肖大峰.影响绒毛浆吸液能力的因素［J］.纸和造纸，1994(2)：33-35.

［20］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)：63-65.

［21］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)：63-66.

［22］BAKER R W.Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology：membrane［M］.Singapore：Wiley，1995：178.

［23］田春霞，苑会林.防水透气微孔膜［J］.塑料，1998，27(1)：23-26.

［24］王国辉.PE流延压纹膜的复合应用［J］.塑料包装，2002，12(2)：24-25.

［25］陈锡勇，何艳军，李淑芳.医疗用SMS产品探讨［J］.产业用纺织品，2011，29(12)：35-39.

［26］WHITE C.低定量和超柔软是纺粘及其复合材料的发展方向［J］.产业用纺织品，2000，18(1)：31-36.

［27］杨晓旗，韩建.高吸水卫生材料动态吸水特性的测试方法［J］.浙江理工大学学报，2009，26(5)：668-672.