定向导水纸尿裤面层材料的制备及其性能

王先锋， 赵兴雷， 林燕燕， 缪东洋， 丛亚东， 俞建勇， 丁 彬

(东华大学 a.纺织学院, b.纺织科技创新中心， 上海 201620)

随着非织造产业的发展和人们对高水平生活的追求，纸尿裤市场发展迅速，消费者对纸尿裤质量和功能的要求也在不断提高[1-2]。由于纸尿裤的面层在使用过程中直接接触人体皮肤，同时又是纸尿裤实现其功能的第一个环节，是整个吸液过程的开始，因此纸尿裤面层材料的设计及性能研究受到广泛关注[3-4]。目前，纸尿裤面层导水性能研究主要集中于对面层材料的表面整理，通过缩短液体透过面层的时间，使液体快速进入纸尿裤导流层。虽然经过表面亲水处理的面层材料亲水性整体得到提高，但当纸尿裤整体受到外力作用被挤压时，芯层吸收的液体会发生反渗，进而影响面层的干爽舒适性[5]。另外，当芯层达到最大吸液量后停止吸收液体，纸尿裤的液体传输能力以及短时间内液体储存能力都会降低，导致液体反渗增多，易引起湿疹、红屁股等现象[6-7]。因此，调控面层材料的润湿性，使其具备定向导水能力逐渐成为纸尿裤面层材料的研究方向之一[8-10]。

1 试验部分

1.1 试验材料及仪器

试验材料：面密度为40 g/m2的纺黏PLA非织造布，温州永宏化纤有限公司；浓盐酸(质量分数为36.0%～38.0%)，国药集团化学试剂有限公司；三羟甲基氨基甲烷(Tris)、盐酸多巴胺(98%)，阿拉丁试剂(上海)有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，上海德榜化工有限公司；1555型六碳短氟油性疏水剂，广州德科纳米科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 PLA非织造布的亲水改性

缓冲液配置：称取1.211 4 g Tris，将其加入980 mL去离子水，磁力搅拌至完全溶解，用1 mol/L稀盐酸，在(25±0.2)℃下调节Tris缓冲液至pH=8.50±0.01，用容量瓶定容至1 000 mL，得到浓度为0.01 mol/L和pH=8.5的Tris缓冲液。

DA亲水改性：快速称取2 g DA粉末加入Tris缓冲液，使溶液质量浓度保持在2 mg/mL。迅速将Tris缓冲液提前润湿的PLA非织造布浸入新配制的DA溶液中，在45 ℃下水浴搅拌，时长设为10、30、60 min。反应结束后，将改性后的PLA非织造布浸入去离子水中漂洗一次，捞出后用滤纸吸干多余水分，置于70 ℃的真空干燥箱内烘干6 h，得到不同亲水改性时间的PDA@PLA非织造布，其中PDA为聚多巴胺。

1.2.2 静电喷雾

称取6 g六碳短氟疏水剂，加入24 g DMF，常温下磁力搅拌24 h，得到质量分数为20%的六碳短氟疏水剂溶液。将疏水剂溶液注入静电喷雾设备的针筒中，并将DA处理30 min后得到的PDA@PLA非织造布作为基布。试验中电喷设备参数：灌注速度为1 mL/h，电压为19 kV，接收距离为10 cm，滚筒转速为50 r/min，滑台移动速度为100 cm/min。环境参数：温度为(25±2)℃，相对湿度为(80±3)%。试验中共使用5支注射器，分别在15、30、60 min取下接收滚筒上的PDA@PLA非织造布，放入80 ℃的真空烘箱内烘干3 h。

定向导水纸尿裤面层材料的制备流程图如图1所示。

式中:CTi,j(t-1)为前一个周期,节点i对j的的综合信任值。λ为前一周期的综合信任值的权重,即历史信任的权重。

图1 定向导水纸尿裤面层材料的制备流程图

1.3 性能测试与表征

表面形貌：使用捷克的Vega 3型扫描电子显微镜(SEM)观察非织造布的微观形貌。

红外光谱：使用美国的Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)进行测试分析，波数为500～4 000 cm-1，间隔为2 cm-1。

接触角：使用国产SL200B型接触角测试仪测试静态/动态接触角，液滴体积为5 μL，相机拍照速度为30帧/s。

芯吸高度：参照标准FZ/T01071—2008对非织造布进行测试。

耐水压：通过测定非织造布所能支撑的最大水柱高度，表示非织造布的正/反向耐水压，以20 mL/min的流速将水加载到纤维膜的一侧，记录水开始穿透非织造布的最小压力为耐水压。

液态水分管理能力：使用M290型液态水分管理仪对材料的定向导水性能进行测试，测试标准为AATCC 195—2012。

2 结果与讨论

2.1 PLA非织造布的亲水改性

2.1.1 微观形貌

不同时间DA处理后的PLA非织造布的微观形貌如图2所示。由图2(a)可知，未经亲水改性的PLA非织造布纤维表面光滑，纤维细、孔隙多，有利于面层发生芯吸作用，能够快速吸收并传导液体[14]。由图2(b)～(d)可知：PLA非织造布经DA亲水改性处理后，DA在PLA纤维表面发生氧化聚合反应产生的PDA黏附在纤维表面形成PDA膜；在一定时间内，亲水改性时间越长，PLA纤维表面包覆的PDA越多[15]；当改性时间为60 min时，PLA纤维基本被包覆完全，之后随着时间的增加，PLA纤维表面的PDA包覆量基本不变。

图2 不同时间DA处理后PLA非织造布的SEM图

2.1.2 红外光谱

采用傅里叶变换红外光谱仪表征DA处理前后PLA非织造布的表面化学组成，分析亲水改性后DA在PLA纤维表面的聚合情况。不同DA处理时间下，PLA非织造布的红外谱图如图3所示。由图3可知，3 332 cm-1处—OH峰变化较明显，这是由于DA在PLA纤维表面发生氧化聚合反应生成PDA，从而在非织造布表面引入大量羟基亲水性基团[16]。

图3 不同时间DA处理后PLA非织造布的红外光谱图

2.1.3 接触角及芯吸高度

DA处理时间对PLA非织造布接触角及芯吸高度的影响如图4和5所示。由图4和5可知，经DA亲水改性后的PLA非织造布表面引入大量的羟基亲水官能团，可使原本疏水的非织造布变得亲水，且随着改性时间的增加，非织造布润湿时间逐渐缩短，芯吸速度提高，亲水效果增强。未经处理的PLA非织造布与水的接触角为122.6°，几乎不发生芯吸作用。在改性时间为30 min时，非织造布的润湿时间为0.19 s，此时的PDA@PLA非织造布表现出超亲水的效果，芯吸速度为5.0 mm/min；当改性时间为60 min时，润湿时间为0.14 s，非织造布同样表现出超亲水的效果，芯吸速度为5.2 mm/min。由于改性时间为30和60 min得到的非织造布亲水效果均很优异且差异微小，因此，选择亲水改性时间为30 min得到的PDA@PLA非织造布作为后续电喷试验的接收基布。

图4 不同时间DA处理后PLA非织造布的表面接触角及润湿过程

图5 不同时间DA处理后PLA非织造布的芯吸高度随时间变化曲线

2.2 定向导水非织造材料

2.2.1 接触角

疏水剂电喷处理不同时间下，PDA@PLA非织造布电喷面的接触角和润湿过程如图6所示。由图6可知，经15和30 min电喷后，非织造布表面附着少量疏水剂，对其本身的亲水性影响很小，润湿时间比未电喷的非织造布无明显差别。当电喷时间达到60 min时，非织造布电喷面的疏水性提高，亲水层夺取液体需克服的阻力增大，因此液滴落在非织造布面停留的时间延长，润湿时间增加，在0.43 s才达到完全润湿。当电喷时间进一步延长达到120 min时，非织造布表现出超疏水的特性，液滴无法润湿电喷面，接触角为110.6°。

图6 不同时间电喷后PDA@PLA非织造布电喷面的润湿过程

2.2.2 耐水压

测试材料耐水压的方法有很多，不同方法适用于不同特点的材料，本文参照文献[17]进行耐水压测试。疏水剂电喷时间对PDA@PLA非织造布正/反向耐水压的影响规律(以电喷面至未电喷面为正向)如图7所示。由图7可知，电喷后的非织造布正/反向耐水压存在差异，反向耐水压始终大于正向耐水压，且随着电喷时间增加，电喷面和未电喷面所能承受的水压差增大。由于未电喷面的亲水作用，水分能够轻易地经过电喷的疏水面透过非织造布，正向耐水压较小。相反，由于疏水侧的阻隔，水分浸湿亲水面后无法轻易通过非织造布的电喷疏水面，只有当液体压力增大，即液体高度上升时才可突破疏水表面的阻力，故反向耐水压较大。随着电喷时间增加至60 min时，疏水层的厚度增加，从而需要更大的液体压力克服疏水层的阻力，反向耐水压达232 Pa。

图7 不同时间电喷后PDA@PLA非织造布的正、反向耐水压

2.2.3 液态水分管理能力

通过对PDA@PLA非织造布电喷面的单向传递指数的测定来表征其液态水分管理能力，比较电喷时间对非织造布定向导水性能的影响，测试结果如图8所示。

由图8(a)可知,当水滴落在非织造布电喷面的一瞬间，上下表面的含水量便同时迅速增加。这是由于在45 ℃条件下DA处理30 min后(电喷处理时间为15 min)，得到的PDA@PLA非织造布为超亲水，仅有少部分疏水剂附着在非织造布的表面而未形成疏水层，无法阻止液体通过。由上下表面水分扩散面积云图可知(蓝色表示浸润，黑色表示未浸润)，液滴在上、下表面的水平方向上依靠芯吸作用和亲水官能团作用迅速扩散，而上、下表面含水量的差异是由于液滴在厚度方向上重力的作用。电喷处理15 min的PDA@PLA非织造布表现出液体能快速浸湿、扩散的特性，具有微弱的单向传递能力,单向导指数(R)为92.00%。

由图8(b)可知：当水滴落在非织造布电喷后的上表面时，上表面相对含水量在20 s内达到1 100%，停止注水后保持不变；相比之下，下表面的相对含水量在30 s时达到最大值1 850%，随后较大幅度降低，最终稳定在1 450%。上、下表面的含水量差异除了由于重力作用外，还因为下表面亲水层的亲水效果优异，能够克服电喷面的疏水屏障夺取液体使下表面含水量增加。电喷30 min的PDA@PLA非织造布的电喷面表现出液体快速浸湿、快速扩散的特性，具有较好的液态水分管理能力，单向导湿指数为485.76%。

图8 不同时间电喷后PDA@PLA非织造布的液态水分管理曲线与水分扩散面积云图

由图8(c)可知：向电喷处理60 min的非织造布电喷面滴水时，上表面的相对含水量在500 s内一直保持为0；然而，未电喷的亲水下表面相对水含量迅速增加，30 s内达到1 580%，随后缓慢下降，最终保持在1 380%以上。由上、下表面水分扩散面积云图可知，电喷面形成了疏水层且其沿厚度方向加深，水分无法在上表面进行扩散，而只能依靠下表面亲水层的作用，将液体从电喷的疏水表面迅速渗透到非织造布中并扩散到亲水下表面。电喷处理60 min的PDA@PLA非织造布表现出液体定向传导、小范围扩散的特性，且具有优异的液态水分管理能力，单向导湿指数为1 409.04%。

3 结 论

(1)以可完全降解的PLA非织造布为基布，制备环保型“用即弃”纸尿裤面层材料，有望解决目前采用不可降解合成纤维作为纸尿裤面层材料所面临的生态问题。

(2)DA亲水改性条件温和，过程简单，在45 ℃弱碱性条件下反应30 min即可使原本疏水的PLA非织造布达到超亲水效果。使用六碳短氟环保型疏水剂进行60 min单面电喷处理，可使原本整体超亲水的PDA@PLA非织造布具备一侧疏水一侧亲水的特性，获得具有润湿性梯度结构的定向导水纸尿裤面层材料，单向导湿指数为1 409.04%，反向耐水压为232 Pa。