导槽技术在一次性卫生用品中的应用

沈嘉俊,钟 磊,白 鑫,陈 昶

(杭州豪悦护理用品股份有限公司,浙江 杭州311115)

目前中国一次性卫生用品市场的发展稳定,且呈稳步上升的趋势。一次性卫生用品主要包含婴儿纸尿裤、女性卫生用品、护垫和成人失禁用品,其根本是一种具备吸液、导流扩散作用,利用纤维的芯吸效应以及高吸水性树脂(SAP)的吸液特性,可以快速扩散吸收液体,并具有锁住和储存功能的液体吸控结构。以婴儿纸尿裤为例,纸尿裤是由面层、导流层、吸收芯体和底膜构成的多结构、多层次的复合体。其中导流层是一种有助于液体透过面层后迅速扩散并有效被芯体吸收,提升吸收芯体利用率的非织造材料[1]。近年来有不少关于导流层的研究,郑蕾等[2]研究制备了一种新型的3层复合结构导流层,该导流层由上下2层普通的平面结构非织造纤网和中间1层经热风预黏合且具有横向波浪形结构的非织造材料通过烘箱热风穿透黏合而成,在3层结构的纤维规格都较为合适时,导流层的液体穿透时间、吸液率、持液率和液体纵向扩散长度均有较明显的提升。专利CN201910805075.X[3]发明了一种“草坪结构”的三维立体导流层,通过静电植入的方式将一层垂直排列的低密度超短纤维固定在基布上,该蓬松结构有利于液体的迅速下渗并起到一定的液体暂存和扩散作用,提高SAP利用率的同时减少反渗。

根据以上研究可以看出,导流层所起到的作用在一次性卫生用品中是必不可少的,但导流效果好、结构复杂的导流层面临的问题便是生产成本较高,很难有效提升市场竞争力。因此,本文提出了一种在吸收芯体的热风棉中设置导槽的方法以替代导流层,并通过纸尿裤生产线的加工复合制备了3种试样,比较了热风棉导槽与导流层分别对纸尿裤吸液速率、饱和吸水量、锁水量、回渗量和液体扩散长度的影响。

1 试验

1.1 原料

热风棉(PE/PP)(45 g/m2),4种不同的SAP,导流层(PE/PP)(35 g/m2)。

1.2 仪器及试剂

JM-A5002电子天平,PCE-E6000 自动吸水倍率升降仪,JJ5000型离心脱水机,秒表,刻度尺,0.9%的NaCl溶液,蓝墨水。

1.3 试验方法

1.3.1 试验方案

根据纸尿裤试样中是否含有导流层和热风棉导槽设计了3种不同的试样,试样编号如表1所示。

表1 不同导流方式的试样

1.3.2 试样制备

3种纸尿裤试样的制备流程如图1所示。首先将热风棉铺在芯体底层上,然后在热风棉中依次按SAP1、SAP2、SAP3 和SAP4 的 顺 序 进 行SAP 的 铺设,因此3种纸尿裤试样中的SAP 均为4层结构,其中1#和2#试样的各层SAP都均匀铺设,3#试样的第2、3层中间不铺设SAP以形成一条宽约2 cm 的导槽。接着以包覆层喷胶折叠的方式制作成复合芯体,其中在2#试样上复合导流层和面层,1#和3#试样直接复合面层,最后经过相同的纸尿裤后道加工工序完成试样的制备。

图1 纸尿裤试样的制备流程图

1.4 试样吸液性能测试

1.4.1 试样片重

每种试样各取5片,用电子天平称取每片的质量,取平均值并记录数据。

1.4.2 吸液速率、扩散长度和回渗量

每种纸尿裤试样取5片并分别将其展开铺平且拉直,将吸液性能加压法测试装置放置于试样吸收面层的正中心,用量筒准确量取80 ml的0.9%氯化钠溶液并用1～2滴蓝墨水染色,然后将其倒入测试装置中。与此同时开始计时,当试样完全吸收氯化钠溶液后停止计时并将测试装置移开,记录第一次吸液时间为T1,同时量取试样纵向的扩散长度L1;过3 min后重复前面测试步骤并记录第二次吸液时间为T2,同时量取试样纵向的扩散长度L2;过5 min后称取一定重量的卫生纸m1,将其放置在试样的加液处并用2.4 kg的压块压在卫生纸上1 min,1 min后将压块移去,称量卫生纸重量为m2,回渗量M 计算公式如式(1)所示。对其余4片试样进行相同的步骤操作,计算平均值并记录。

1.4.3 饱和吸水量及锁水量

配置0.9%氯化钠溶液8 000 ml模拟人工尿液,称测试样品的重量为M0,将测试样品浸在测试液里10 min。将浸好的样品放在控水架上晾10 min,晾过10 min后称样品的重量为M1,将样品放入离心脱水机中甩1.5 min后称样品的重量为M2。饱和吸水量MX和锁水量MS计算公式如式(2)和式(3)所示,每种样品测试5片,计算平均值并记录。

2 结果与讨论

2.1 不同导流方式的试样片重

不同导流方式的3种试样片重如图2所示。

图2 纸尿裤试样片重

由图2可以发现3种试样的片重相差不大,最大相差在0.5 g左右,其中2#试样由于添加了导流层,片重最大;1#和3#试样中不含导流层,因此片重相对较低。由此可以得到在相同的工艺条件下,1#和3#试样的生产成本略低于2#试样。

2.2 不同导流方式对试样吸液速率的影响

3种不同导流方式下纸尿裤试样的多次吸液速率如图3所示。

图3 不同导流方式对试样多次吸液速率的影响

从图3可以看出,所有试样的第一次吸液速率均比第二次吸液速率快,这是由于高吸水性树脂是一种高分子电解质,含有大量的可电离水解的羧酸盐基团[4];当SAP颗粒和氯化钠溶液接触后,水分子立马和其中的亲水性基团产生水合作用,随着高分子电解质的不断水解,树脂网状结构中的-COO-不断离解,由于离子间同种电荷相互排斥作用,SAP 颗粒原先的交联网状结构[5]随着离子键网络的扩张,其交联结构的弹性收缩力不断增加,水分子可以快速地进入网络结构。但由于交联剂以及分子内氢键的作用,SAP 在吸水后交联点之间的弹性收缩距离是有限的,因此SAP在吸收一段时间溶液后会形成一种动态平衡[6],而在形成这个动态平衡之前水分子会不断进入这个空间结构,所以试验中纸尿裤试样第一次吸液时表层的SAP颗粒还未达到吸液动态平衡,水分子因树脂内的吸水渗透压能够快速进入其交联结构之中,吸液速率较快;而在第二次吸液时表层SAP颗粒大多已经达到平衡状态,液体无法被快速吸收,主要依靠表面扩散及下渗来继续吸收液体,因此第二次吸液速率相对缓慢。

从图3还可以发现1#试样的吸液速率最慢,3#试样的吸液速率最快。由于2#试样使用的导流层是一种粗旦双组份纤维的热风非织造布,具有一定的蓬松度,有许多孔隙,当液体被面层捕捉后在气-液交界处形成一定的压差,液体快速下渗进入导流层,在孔隙中短暂性地储存一部分液体后通过芯吸作用[7]下渗到吸收芯体中被SAP吸收,因此吸液速率相对于不含导流层且其余条件相同的1#试样更快。而3#试样由于其芯体中设有导槽,且导槽上方只有一层SAP,当液体接触吸收芯体时表层的SAP 能快速捕获液体且由于SAP 数量不多,吸液后产生的凝胶阻塞现象不明显,因此液体能够快速进入并填充整个导槽,从而液体能增大与4层SAP的接触面积,有效提高芯体利用率和吸液速率。此外,1#和2#试样的多次吸液速率相差较大,3#试样相差较小,由此也可以得到1#和2#试样吸液后SAP 因黏连而产生的凝胶阻塞现象更严重,对吸液速率影响更大,而3#试样的导槽能很好地解决上述问题,使试样的二次吸液速率比含导流层的2#试样提升近50%。

2.3 不同导流方式对试样扩散长度的影响

3种不同导流方式下纸尿裤试样的多次扩散长度如图4所示。

由图4可以看到2#试样扩散长度最短,3#试样扩散长度最长,且所有试样的第二次扩散长度均大于第一次扩散长度。首先第一次吸液时表层的大多数SAP未达到吸液动态平衡,液体下渗及吸收的速率较大,因此沿纵向扩散的液体较少,扩散长度较小;第二次吸液时由于表层的SAP 多数已经达到动态平衡的饱和状态,再加上存在一定的凝胶阻塞现象,从而抑制了内部结构中多孔通道的毛细作用,阻碍水分子的渗入,导致液体无法快速下渗吸收而沿纵向扩散,因此第二次吸液后扩散长度比第一次长[8]。由于2#试样有导流层,当吸收液体时导流层中的纤维空隙能及时储存液体并通过毛细作用[9]将液体快速沿纤维排列的方向扩散,但是导流层本身就具有一定的吸液和储液能力,会将部分液体储存在其中,因此液体没有完全被吸收芯体所吸收,从而吸液后的扩散长度比没有导流层的1#试样扩散长度小约5～10 mm。而3#试样由于其开设了导槽,液体接触芯体后快速下渗并开始在导槽内沿纵向流动,与芯体内的SAP 接触面积增大,吸收更加快速且充分,因此该试样的扩散长度比前两者更长。

图4 不同导流方式对试样多次扩散长度的影响

2.4 不同导流方式对试样回渗量的影响

3种不同导流方式下纸尿裤试样的回渗量如图5所示。

图5 不同导流方式对试样回渗量的影响

回渗量是指检测纸尿裤试样表面吸收生理盐水后,在加压状态下反渗到试样上表面的液体重量。回渗量的多少由未被芯体中SAP 吸收的液体量所决定且直接影响纸尿裤穿戴的舒适性,量越少试样表面越干爽,舒适性越高。从图5中可以发现含有导流层的2#试样回渗量最高,达到约1.2 g,3#试样回渗量最少,只有0.3 g左右。由于前面所提到的导流层具有一定的储液能力,且回渗量的测试需要在试样表面加压状态下进行,因此导流层中储存的部分未被芯体吸收的液体会在加压时回渗至试样表面,导致试样的回渗量增加。而3#试样中的导槽起到了很好的液体扩散作用,使SAP对液体的吸收面更广,吸收更完全,因此该试样的回渗量少。

2.5 不同导流方式对试样饱和吸水量及锁水量的影响

3种不同导流方式下纸尿裤试样的饱和吸水量及锁水量如图6所示。

图6 不同导流方式对试样饱和吸水量和锁水量的影响

从图6可以看到3种试样的饱和吸水量和锁水量没有明显的差别,饱和吸水量基本都在550 g左右,而锁水量大约在400 g,说明在离心力作用下试样中的SAP能够锁住70%以上的水分。这是由于SAP颗粒具有一种三维交联网状结构,该分子结构的主链和侧链上拥有许多如羟基、羧基和羰基一样的强亲水性基团,当水分子进入交联网状结构中后能快速和这些基团形成氢键从而提供一定的强力将水分子牢牢锁住,即使受到外力的挤压,水分子也很难从该结构中逃离[10]。因此试样的饱和吸水量和锁水量主要还是由试样内的SAP总量所决定,3种不同试样的SAP添加量相同从而饱和吸水量及锁水量也相近。

3 结论

通过改变纸尿裤的液体导流方式制备了3种不同的试样,比较了3种试样的片重、吸液速率、液体扩散长度、回渗量、饱和吸水量及锁水量等性能差异,分析了导槽技术替代导流层的可行性并得出以下结论:

(1)在相同的工艺条件下,使用导槽技术的纸尿裤因不含导流层,生产成本更低。

(2)使用导槽技术的纸尿裤多次吸液速率均比含导流层的纸尿裤快,其中第二次吸液速率提升近50%,且其多次吸液速率受凝胶阻塞的影响较小。

(3)使用导槽技术的纸尿裤多次液体扩散长度均比含导流层的纸尿裤长,且相比之下回渗量明显更低。

(4)饱和吸水量和锁水量主要由SAP 含量所决定,所有试样添加的SAP 数量相等,因此数据相差不大。

纸尿裤导槽技术在某种程度上可以替代导流层,并且在纸尿裤吸液性能方面表现更加优异且成本相对更低,因此优化纸尿裤导槽结构以及提升相关技术水平是进一步提高纸尿裤吸液性能的重要方向之一。