纸尿裤微气候内温湿度的测试与分析*

张思云 靳向煜 (东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

由于纸尿裤的特性及方便性，越来越多的年轻父母选择用纸尿裤给孩子最贴心的呵护。然而纸尿裤的大量使用存在安全、健康上的隐患。田安欣［1］指出，在纸尿裤与尿布疹的关系上，以及纸尿裤与婴儿正常生理发育及卫生习惯的培养方面，年轻父母仍有较大顾虑。特别是尿布疹的发病与纸尿裤的使用有着密切的关系，初步认为尿布疹与纸尿裤的不正确使用［2］，以及纸尿裤所存储的尿液对皮肤的刺激有关［3］。Michael Camilleri［4］对尿布疹的发病进行了系统深入的研究，列举了多个尿布疹病例，探寻尿布疹的发病与纸尿裤使用的关系，得出尿布疹与纸尿裤的爆发式使用紧密相关。原晓斌等［5］则通过临床观察，统计了皮炎与月龄的关系，以及皮炎与纸尿裤更换时间的关系等，最终也证明了尿液对皮肤的刺激是引发皮炎的主要原因，与纸尿裤过敏无关。

以上研究均表明，尿液对婴儿皮肤的刺激是产生尿布疹的主要原因，即尿液引起的婴儿皮肤与纸尿裤之间形成的区别于外界环境的密闭微气候内温湿度的变化对婴儿皮肤的刺激是产生尿布疹的主要原因。婴儿排出的尿液被纸尿裤吸收，SAP(超吸水性树脂)颗粒锁住了大部分的尿液，但仍会有部分尿液挥发进入皮肤-纸尿裤之间的微气候，影响微气候内的温湿度。特别是在纸尿裤已经吸收一定量的液体后，存液能力大大下降;或者婴儿采用坐姿，有一定压力施加在纸尿裤上，尿液更易反渗进入微气候，使微气候的温湿度环境急剧变化，对婴儿皮肤产生刺激。

纸尿裤微气候严重影响婴儿的健康，目前有关纸尿裤微气候的研究较少，而针对纸尿裤微气候内温湿度的研究更少。Yayoi Satsumoto等［6］研究了纸尿裤微气候中的空气流通问题;Takako Fukazawa等［7］研究了纸尿裤的结构与纸尿裤微气候的关系，得出纸尿裤的弹性腰围对微气候温湿度的影响，但没有涉及到婴儿在穿着纸尿裤的过程中微气候的温湿度变化。

纸尿裤微气候对婴儿的安全与健康具有重要的影响。为了了解婴儿在穿着纸尿裤过程中纸尿裤-皮肤形成的微环境，本文设计了对比试验、纸尿裤微气候温湿度分布试验和温湿度变化试验。构建了恒温假人试验平台，通过模拟婴儿排尿，测试纸尿裤在多次尿湿情况下的温湿度分布和变化，以初步探索纸尿裤的微气候情况，对纸尿裤的安全性和健康性做进一步的评估。

1 试验设计与准备

测试纸尿裤微气候内的温湿度需要一个试验平台，此平台可以模拟婴儿皮肤状态并模拟婴儿实际穿着纸尿裤的形态。暖体假人可以满足上述条件，但目前国内尚无婴儿型的暖体假人，因此本文自构了一个恒温假人试验平台。在此平台中不考虑纸尿裤微气候内少量的皮肤潜热传递，是一个理想模型，可以模拟婴儿穿着纸尿裤的状态和婴儿体表温度。

1.1 试验材料及设备

所用材料及设备有：假人、恒温水浴锅、潜水泵、水管、流量调节器、温湿度记录仪、温度计、模拟尿液、针筒注射器、纸尿裤。

假人使用80 cm高的塑料空心假人，内部能够容纳一定量的热水并将热量传递到体表，能够模拟婴儿站立穿着纸尿裤的状态。温湿度记录仪的型号为L95-2+，有温度和湿度两个探头，温度的测量范围为－40～100℃，精度为±0.2℃;湿度的测量范围为0%～100%，精度为±2%，能够定时记录温湿度数据并储存，可记录16 000组数据。模拟尿液用符合GB/T6682—2008的去离子水配制9 g/L的氯化钠溶液，在(23±2)℃下其表面张力为(70±2)mN/m［8］。使用市面上一种常见品牌的纸尿裤，大号，有弹性腰围和防侧漏边，能够和假人皮肤紧密贴合，避免外界环境温湿度及空气对流的影响。

1.2 试验设计

婴儿的臀部和下腹部位的温度为36～37℃［9］，为模拟婴儿皮肤的真实温度，本文设计了恒温假人试验平台，原理如图1所示。空心假人身穿纸尿裤站立，利用潜水泵将水浴锅内44℃的水抽入空心假人体内，并从假人腿部将水导出，通过流量调节器控制进水速度，使其与出水速度相同，实现水的稳定循环，保证假人恒温。由于假人自身材质的吸热以及向周围的散热，假人在44℃水温的情况下能够保持皮肤表面温度在36℃左右，接近人体-纸尿裤微气候内的温度。将温湿度记录仪的温度探头和湿度探头固定在皮肤与纸尿裤形成的微气候内，多次向微气候内注射一定量的模拟尿液，每隔5 s记录排尿后微气候内的温湿度数据并储存。

2 试验与讨论

2.1 对比试验

考虑到一天(24 h)内不同时刻或者不同天气条件下，外界的温湿度及空气流速会有较大差异，将直接影响纸尿裤的微气候，因而本试验设计在室温为20℃的密闭实验室内进行，以消除外界环境的影响。为了验证各组试验均是在相同且不变的环境中进行的，本文设计了一组对比试验，即分别在晴天和阴雨天两种天气条件下测试纸尿裤微气候的温湿度在24 h内的变化情况，晴天时室外温度为18～27℃，阴雨天时室外温度为15～20℃。纸尿裤微气候在24 h内的试验变化情况如图2所示。

从晴天时温湿度曲线［图2(a)］和阴雨天时温湿度曲线［图2(b)］可以发现，从试验开始到5 h左右，曲线一直处于变化状态，属于温湿度传感器感应环境温湿度所需的正常的平衡过程;平衡5 h后两图中的温湿度曲线基本保持不变。晴天时的温度为(36.2 ±0.5) ℃，湿度为(56.7 ±3.9)%，阴雨天时的温度为(35.7±0.5) ℃，湿度为(61.8±3.9)%，温湿度波动范围都很小，说明纸尿裤内的微气候在24 h内比较稳定，不会因为时间的变化影响微气候条件。但阴雨天气条件下纸尿裤微气候内的湿度比晴天时高5%左右，差异不大，认为纸尿裤微气候同样与室外天气条件变化无关。试验证明，纸尿裤微气候温湿度的变化与所处环境条件无关。

2.2 纸尿裤微气候内的温湿度分布

尿液排出之后，热湿迅速在纸尿裤微气候内传递，两者的传递过程相互影响、相互作用，多数情况下属于共同传递的过程。热湿传递过程的影响因素较多，如材料的物理性质和环境中的水分等，织物的热阻、湿阻越大，热湿传递越困难。当材料中有水分时，热传递包括蒸发引起的潜热传递和伴随液态水传递引起的热量损失，同时水分也会影响热阻和湿阻的大小［10］。尿湿以后，纸尿裤中水分分布不匀，影响热湿传递，导致微气候内的温湿度分布不匀。本试验选取3个部位测试纸尿裤的微气候，分别为下腹、腹股沟和臀部。将假人试验平台搭好之后，使用针筒注射器向纸尿裤内注射80 mL、37 ℃的模拟尿液［7］，在 10～12 s内注射完毕;数据稳定后进行第二次注射，以此方法反复操作;湿度达到90%以上或注射4次后停止注射，试验结束，每个部位测试3次。结果表明，3次试验结果的一致性较好。任意选取一组数据进行处理，如图3所示。

图3 纸尿裤微气候内温湿度分布

由图3(a)可见：在模拟尿液注射前，下腹、腹股沟和臀部三处的温度分别为35.9、36.5和36.7℃，相差较小;第一次注射后三处都变化了0.3℃左右，仍没有较大差别;第二次注射后，臀部温度最高，下腹处较低，腹股沟处最低;第三次注射后，趋势更加明显。由图3(b)可见：注射前三个位置的湿度基本相同;在第一次和第二次注射后三处湿度呈现明显差别，下腹的湿度最大，腹股沟较小，臀部最小;在第三次注射后，下腹和腹股沟的湿度均达到90%以上，臀部湿度只有70%。表明纸尿裤微气候内的温湿度分布十分不匀，在温度方面，臀部最高，下腹次之，腹股沟最低;在湿度方面，下腹最大，腹股沟次之，臀部最小。

上述微气候的变化与纸尿裤设计有关。纸尿裤为多层结构材料，其中SAP颗粒的分布和导流层的作用直接影响纸尿裤微气候内的温湿度分布。参照人体生理结构将模拟尿液注射在纸尿裤中的前部，由于导流层的分散作用，尿液在纸尿裤中迅速向四周扩散，但由于重力的作用，腹股沟处的尿液最多，而臀部由于距离尿湿部位较远，尿液很少扩散到臀部，臀部受尿液影响最小，因而湿度最小，温度最高。虽然在腹股沟位置尿液最多，但由于重力的影响，SAP颗粒较多分布在腹股沟位置，因此腹股沟处的尿液大部分被SAP颗粒吸收锁住，湿度比下腹部小。同时SAP颗粒是具有许多亲水基团的低交联度树脂，易与水分子形成氢键并通过交联结构锁住水分子，导致纸尿裤中的水分子量剧增，大大降低了纸尿裤的热阻与湿阻，热湿较其他部位更容易扩散到外界环境中，使温湿度下降。同时腹股沟处的尿液较多，蒸发量较大，同样影响腹股沟处的温湿度。因而在纸尿裤微气候中腹股沟温度最低，臀部温度最高;臀部湿度最小，下腹湿度最大。这与Michael Camilleri［4］得到的结论相吻合。

为了检验上述结论，本文采用另外两种常见的纸尿裤A和纸尿裤B进行温湿度分布试验。这两种纸尿裤的结构与上述纸尿裤一致，试验结果如图4所示。由图4可知，这两种纸尿裤的温湿度分布与上述试验一致。

图4 两种纸尿裤的微气候温湿度分布

2.3 纸尿裤微气候内的温湿度变化

热湿传递是动态的，温湿度会不断地发展变化。在尿液迅速被纸尿裤吸收的过程中，仍有部分湿气不断地通过蒸发进入微气候。热量可以通过热传导、热辐射、对流传热以及蒸发散热四种形式向四周传递，湿气主要通过纸尿裤纤维间和纤维内部空隙四向传递，微气候内热量和湿气不断变化，则温湿度不断变化。

由于腹股沟处的温湿度比较具有代表性，为了解纸尿裤微气候内温湿度的变化规律，本文设计在腹股沟部位测试微气候内的温湿度。试验方法与上述相同，共试验3次。观察纸尿裤微气候腹股沟部位在一次尿湿和多次尿湿后的温湿度变化，结果如图5所示。

图5 腹股沟部位温湿度变化曲线

本次试验共注射 3次，分别是在 0.57、1.45、2.33 h注射。注射前为纸尿裤微气候内没有尿液时的初始微气候，其温度维持在36.5℃，湿度为53.4%。第一次注射后，湿度曲线先急剧上升后再缓慢下降，呈现两个变化阶段，符合文献［11］理论。

Li［11］认为在织物中湿传递存在两个变化过程，可用公式(1)描述：

式中：Df(x，t)——扩散系数;

x——纤维在织物中的位置坐标;

Cf——纤维中的水蒸气浓度;

Cfs——纤维表面的水蒸气浓度;

Rf——纤维半径;

Ha——空气中的相对湿度;

r——纤维径向坐标;

t——时间;

T——纤维温度。

第一个方程描述了水分在纤维表面的传递机理，即第一阶段;第二个方程描述了水分在纤维内部的传递机理，即第二阶段。其中Df(x，t)随着纤维位置和时间的变化而变化。第一阶段中Df(x，t)为定值，且数值较大，说明吸收速率快，扩散时间短。第二阶段Df(x，t)呈指数变化，数值较小，由于水分进入纤维内部引起纤维内部结构的变化，因而第二阶段的平衡时间较长。在本试验的第一阶段，微气候内的湿度瞬间增加到64.1%，变化时间短，基本呈线性变化，Df(x，t)较大且恒定。第二阶段湿度缓慢下降，较长时间后稳定在62.5%，Df(x，t)较小且呈指数变化。由于人工尿液的温度比微气候内的温度高，因而温度随着湿度的增加而增加，随着湿度的减小而减小。

第一次注射尿液后，纸尿裤微气候内的温湿度保持为36℃和60%左右，微气候的舒适度和初始状态差距较小，对婴儿皮肤没有危害。第二次注射后，湿度突变到72.5%，第一阶段的 Df(x，t)大且不变。在第二阶段中，由于纸尿裤在第一次注射后已吸收了一定量的水分，其容水能力大大下降，导致水分在纤维内部扩散十分缓慢，Df(x，t)很小，湿度曲线没有下降的表现。由于尿液的影响温度快速上升到36.8℃后，由于纸尿裤内水分逐渐蒸发散热，温度随即缓慢下降到35.6℃。第三次注射后，湿度骤变到100%，纸尿裤完全浸湿，温度从36.5℃下降到31.3℃，纸尿裤微气候内相比初始阶段处于湿冷状态，对婴儿皮肤有极大的危害。

为研究不同材料或结构纸尿裤温湿度变化的差异，现采用上述试验方法测试纸尿裤A和纸尿裤B。虽然其材料、结构及性能不完全相同，但纸尿裤A和纸尿裤B的温湿度变化曲线呈现出与上述试验相同的趋势，如图6所示。在第一次和第二次注射后，湿度的变化均在人体皮肤可接受的范围内，温度的变化幅度很小。在第三次注射后，纸尿裤微气候内温度和湿度的变化幅度都很大，纸尿裤内呈湿冷的环境，严重影响婴儿皮肤的健康，建议婴儿三次尿湿后立即更换纸尿裤。

3 结语

(1)纸尿裤微气候内的温湿度呈不均匀分布，下腹最潮湿，臀部最干燥;腹股沟温度最低，臀部温度最高。

(2)纸尿裤微气候内腹股沟处的温湿度在尿湿后会发生突变，随即渐趋稳定。在2次尿湿后(尿量为160 mL)仍然可以保持较舒适的状态，但在3次尿湿，即纸尿裤吸收了240 mL尿液后，微气候突变为湿冷环境，应立即更换纸尿裤。

纸尿裤微气候内的温湿度对婴儿健康有重要影响，本文在模拟婴儿尿湿的基础上初步探究了微气候内的温湿度分布和变化，对进一步研究纸尿裤使用的安全性，以及如何合理、健康地使用纸尿裤提供了试验依据。

图6 两种纸尿裤腹股沟部位温湿度变化曲线

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