一次性医用垫单纸的研制

杨 扬 刘群华 朝鲁门 刘 文 毛宗久

（1.中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102）

一次性医用垫单又称中单、检查垫单等，可用作一次性采血垫、一次性床单、体检垫、包扎换药垫、医疗器具包装垫等，是目前医院病症检测、病床护理应用非常广泛的物品，能有效隔离、防止交叉感染；一次性医用垫单应具有较好的强度性能，良好的柔软亲肤特性，较高的抗水阻隔性，防止血液及其他液体透过，用作床单纸时应具有一定的透气性[1-3]。目前一次性医用垫单主要采用无纺布材料，主要原料为聚丙烯、聚乙烯等石油基化工材料，不可再生，对环境负荷大。利用可再生的植物纤维为主要原料制备医用垫单纸在国外已有相关产品，以植物纤维为主要原料可有效降低一次性垫单产品对石油基材料的高度依赖，缓解对环境造成的压力，并为医疗防护物资提供新的原材料解决方案，为推动公共卫生防护领域用新材料的产业化发展提供新的技术途径。

本研究以针叶木浆为主要原料，配比少量其他特种纤维制备一次性医用垫单纸。通过分析针叶木浆打浆度及配抄特种纤维的种类、长度、用量，以及浸渍乳液种类对起皱前后医用垫单纸性能的影响，优选出最佳的工艺，制备柔韧、透气、防水阻隔的生物基一次性医用垫单纸。

1 实验

1.1 实验原料

漂白硫酸盐针叶木浆（以下简称针叶木浆），加拿大雄狮牌；涤纶纤维（5 mm×1.67 D、10 mm×1.67 D），威百莱纤维有限公司；天丝纤维（4 mm×1.7 D），奥地利兰精公司；黏胶纤维（4.8 mm×1.7 D），唐山三友集团有限公司；R1、R2、R3水性复合乳液，广东某化工公司提供。

1.2 实验仪器

标准浆料疏解器、快速纸页成型器，奥地利PTI公司；转鼓式干燥器，日本KRK公司；抗张强度测定仪，杭州纸邦自动化技术有限公司；厚度仪、耐破度仪、柔软度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；撕裂度测定仪、Cobb值测定仪，奥地利PTI公司；数字式透气量仪，宁波纺织仪器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 浆料的准备和原纸的制备

用Vally打浆机将针叶木浆打浆至目标打浆度备用；按照一定的质量比将特种纤维与针叶木浆混合，用标准疏解器搅拌均匀，浆内添加湿强剂和分散剂，用快速纸页成型器抄纸制得垫单原纸，原纸定量约40 g/m2。

1.3.2 垫单纸的制备

将R1、R2、R3乳液分别用自来水稀释至一定的质量浓度，然后将垫单原纸浸渍乳液，浸渍后的手抄片经两辊挤压施胶机挤压施胶后用转鼓式干燥器进行干燥，制得垫单纸。

1.3.3 性能测定

参考相关标准及方法测定原纸和垫单纸的定量、抗张强度、伸长率、撕裂度、耐破度、Cobb值、透气量、柔软度。

柔软性是纸张产品在皮肤上摩擦或者用手触摸时触觉上可感知的柔软特性，是人们各种生理和心理相互作用的复杂函数，这种主观触觉是多种物理特性的组合，包括纸张的弹性或刚度、摩擦特性和纸张表面的纹理等[4-5]。目前各行业针对柔软特性并没有完善的评价方法，主要是采用主观和客观结合的评价方法，客观方法主要借助仪器。本研究采用生活用纸常用的柔软度仪对制备的垫单纸柔软特性进行间接评价。柔软度测试过程为：在一定作用力下，将一定宽度的试样压入一定宽度的缝隙中一定深度，试样本身抗弯曲能力是试样与仪器缝隙之间的摩擦阻力的矢量和，该值表示纸张的柔软度，以力的单位mN表示，柔软度越低，表明纸张越柔软。

2 结果与讨论

一次性医用垫单在应用场景中会接触皮肤并产生皱褶，常伴随液体污染情况，因此一次性垫单纸需要具有良好的强度和防水阻隔特性，为了保持舒适性还需要具有一定的透气性和柔软特性。根据进口垫单纸及其他垫单产品性能，拟定实验室制备的垫单纸需要满足以下指标要求：定量（50±5）g/m2，抗张指数≥26.7 N·m/g，耐 破 指 数≥4.0 kPa·m2/g，透 气 量≥50 L/(m2·s)，Cobb值≤25 g/m2。

2.1 特种纤维种类对垫单纸性能的影响

将长度约5 mm的涤纶、天丝、黏胶纤维分别与20°SR针叶木浆以2∶8的质量比混合抄纸以制备垫单原纸，然后将原纸浸渍R1乳液，通过调整乳液浓度固定上胶量约7 g/m2，测定纸张的抗张强度、伸长率、耐破度、撕裂度、透气量、柔软度、Cobb值，结果如图1和图2所示。

从图1可以看出，垫单纸的抗张指数、伸长率、耐破指数明显高于原纸，因为浸渍的胶乳类物质可以吸附在纤维表面或填充在纤维之间，待干燥固化后可在纤维交叉点处发挥胶黏作用，将两根或多根纤维黏结，提高纤维之间的结合强度，从而会明显改善纸张的抗张强度和耐破度等性能，但是浸渍乳液后对纸张的撕裂度具有一定的负面影响。对比3种特种纤维的纸张可知，添加黏胶纤维的垫单纸的抗张指数和耐破指数最高，撕裂度和柔软性较好，但是透气量最低，小于40 L/(m2·s)；含有天丝纤维的纸张抗张指数、伸长率、耐破指数较低，且柔软性较差；含涤纶纤维的纸张强度较高且柔软透气性较好，浸渍纸的透气量>60 L/(m2·s)。纸张之间的性能差异与特种纤维自身的特性和纤维在纸张中的分布情况有关，含黏胶纤维的纸张匀度最好，且纸张的紧度也较高，因此其强度最高、透气性最差。3种垫单纸的Cobb值相近（如图2所示），均小于15 g/m2，抗水性均较好。因此，综合考虑3种特种纤维纸张性能，涤纶纤维更适用于制备一次性垫单纸。

图1 特种纤维种类对垫单原纸和垫单纸性能的影响Fig.1 Effect of specialty fiber types on properties of base and pad sheet papers

图2 特种纤维种类对垫单纸Cobb值的影响Fig.2 Effect of specialty fiber types on Cobb value of pad sheet papers

2.2 涤纶纤维长度对垫单纸性能的影响

将长度为5 mm、10 mm的涤纶纤维分别与20°SR针叶木浆以质量比2∶8混合抄纸制得原纸，然后将原纸浸渍R1乳液，浸渍液的上胶量约7 g/m2，对比分析不同涤纶纤维长度垫单原纸和垫单纸的性能，结果如图3所示。

从图3可以看出，原纸之间相比，涤纶纤维长度不同时，二者的抗张指数、伸长率、耐破指数无明显差距，但垫单纸的抗张指数、伸长率、耐破指数有所差异，含10 mm涤纶纤维的垫单纸抗张指数、伸长率和耐破指数均高于含5 mm涤纶纤维的垫单纸，这可能是因为含有较短涤纶纤维的纸张匀度优于长涤纶纤维，对于强度较低的原纸，匀度对强度的影响较大，匀度较差的纸张中的薄弱区域易于拉断和破裂[6]，因此匀度较好的短纤维原纸强度与较长纤维的原纸强度相当，而垫单纸中匀度对这些强度性能的影响减弱，纤维长度的影响较大，因此含有较长纤维的垫单纸强度较高。纤维较长的10 mm涤纶纤维原纸和垫单纸的撕裂指数均高于含5 mm涤纶纤维的纸张，这是因为纸张中较长的纤维更利于撕裂度。

从图3还可以看出，垫单纸的透气量明显较原纸有所降低，无论原纸还是垫单纸，含10 mm涤纶纤维的纸张透气量均高于含5 mm涤纶纤维的纸张，这可能是因为5 mm的涤纶纤维在纸张中的分布更加均匀、纸张更紧致所致。垫单纸的柔软度低于原纸，垫单纸的主观手感柔软性也好于原纸，可见浸渍乳液有利于柔软性的改善，含10 mm涤纶纤维的纸张主观柔软性高于含5 mm涤纶纤维的纸张，但是浸渍后二者的柔软度相近。

图3 涤纶纤维长度对垫单原纸和垫单纸性能的影响Fig.3 Effect of polyester fiber length on properties of base and pad sheet papers

实验中测得含5 mm和10 mm涤纶纤维的垫单纸的Cobb值分别为14.1 g/m2和13.7 g/m2，二者的Cobb值相近，表明涤纶纤维长度对抗水性的影响较小。综合考虑分别含有5 mm和10 mm涤纶纤维垫单纸的各项性能可知，含有10 mm涤纶纤维垫单纸的强度性能和柔软性更优，表明其更适宜制备垫单纸。

2.3 针叶木浆打浆度对垫单纸性能的影响

将10 mm涤纶纤维分别与14°SR、20°SR、27°SR针叶木浆以质量比2∶8混合以抄制垫单原纸，然后浸渍R1乳液，固定上胶量约7 g/m2，测定原纸和垫单纸的性能，结果如图4和图5所示。

图5 针叶木浆打浆度对垫单纸Cobb值的影响Fig.5 Effects of beating degree on Cobb value of pad sheet paper

从图4可以看出，原纸和垫单纸的抗张指数均随着针叶木浆打浆度的增加而显著提高，对于伸长率和耐破指数，原纸和垫单纸的变化趋势相同，打浆度由14°SR增至20°SR，纸张的伸长率和耐破指数显著提高，打浆度由20°SR增至27°SR，伸长率和耐破指数增幅减缓。原纸和垫单纸的撕裂指数随针叶木浆打浆度的增加变化趋势不同，原纸的撕裂指数随打浆度的增加而提高，而垫单纸的撕裂指数却随打浆度的增加而降低。

图4 针叶木浆打浆度对垫单原纸和垫单纸性能的影响Fig.4 Effect of beating degree on properties of base and pad sheet papers

原纸和垫单纸的透气量、柔软度随打浆度的变化趋势相同，透气量随打浆度的增加而降低，柔软度随着打浆度的增加而提高。当打浆度为27°SR时，原纸和垫单纸的透气量均小于40 L/(m2·s)，透气量较低，且原纸和垫单纸较为挺硬，柔软度较高，柔软性明显较差。从图5可以看出，打浆度对垫单纸的Cobb值无明显影响，Cobb值均<16 g/m2。

综上所述，打浆度为14°SR时，虽然纸张的柔软性和透气性较好，但垫单纸的抗张强度、耐破度等较低，且纸张匀度较差；打浆度为27°SR时虽然纸张的抗张强度、耐破度较好，但垫单纸的撕裂度较低且透气性、柔软性差，因此综合考虑各项性能，选择20°SR为较适宜的打浆度。

2.4 涤纶纤维用量对垫单纸性能的影响

选用长度为10 mm的涤纶纤维与打浆度20°SR针叶木浆，按照涤纶纤维的用量为总纤维质量的0、10%、20%、30%混合抄造制备原纸，将原纸浸渍R1乳液，固定上胶量约7 g/m2，测定原纸和垫单纸的各项性能，结果如图6和图7所示。

从图6可以看出，随着纸张中涤纶纤维用量的增加，原纸的抗张指数、伸长率和耐破指数均呈下降趋势，垫单纸的抗张指数随着涤纶纤维用量增加的变化趋势与原纸相同，而伸长率、耐破指数变化趋势与原纸不同，当涤纶纤维用量为20%时，垫单纸的伸长率和耐破指数达到最大，比不含涤纶纤维垫单纸的伸长率和耐破指数分别增加了2个百分点和15.4%，含涤纶纤维的垫单纸抗张指数虽然低于不含涤纶纤维的纸张，但伸长率却明显较高。当纸张具有良好的结合强度时，纸张的伸长率主要取决于纤维的拉伸潜能；通常，合成纤维比木材纤维具有更高的伸长率，这可能是含涤纶纤维垫单纸伸长率高的原因[7-8]。纸张的耐破度与纤维结合强度和纤维长度密切相关，原纸中涤纶纤维的添加使纸张中平均纤维长度增加，但纸张中纤维间的结合力降低，因此原纸耐破指数随涤纶纤维用量的增加而降低，但是垫单纸因浸渍乳液提高了纸张的结合强度，且涤纶纤维的加入增加了纤维平均长度，这均有利于纸张耐破指数的提升，综合作用的结果是涤纶纤维用量20%和30%的垫单纸的耐破指数高于未添加涤纶纤维和涤纶纤维用量10%的垫单纸。

原纸和垫单纸撕裂指数均随着涤纶纤维用量的增加而提高，但垫单纸的撕裂指数比原纸有所降低。纸张撕裂度与纤维长度密切相关，因为实验所用涤纶纤维长度为10 mm，长度远大于针叶木纤维，纤维越长，应力分布更均匀，增加了纸张抵抗裂缝延伸扩展的能力，因此涤纶长纤维的添加有利于纸张撕裂度的提高，且纸张中涤纶纤维的质量比越高，纸张撕裂度越高；但是浸渍后纸张的结合强度较高，导致撕裂应力不易分散，所以垫单纸撕裂度反而有所降低[9-11]。

从图6还可以看出，原纸和垫单纸的透气量随涤纶纤维用量的增加均呈明显提高的趋势，涤纶纤维用量越多，纸张透气性越好，当涤纶纤维用量为30%时，原纸和垫单纸的透气量均比未添加涤纶纤维纸张的透气量增加了7倍多。纸张浸渍乳液后，部分乳液填充在纸张中的纤维空隙中，从而使垫单纸的透气量低于原纸。从柔软度趋势图可看出，当涤纶纤维用量为20%时，测定的原纸和垫单纸的柔软度均较低，但是主观手感发现涤纶纤维用量越高，原纸和垫单纸越柔软，不含涤纶纤维的纸张手感较为挺硬。垫单纸比原纸柔软，因为所用浸渍乳液的玻璃转化温度较低，垫单纸干燥后纸张柔软性有所改善。

图6 涤纶纤维用量对垫单纸原纸和垫单纸性能的影响Fig.6 Effect of polyester fiber dosage on properties of base and pad sheet papers

不同涤纶纤维用量下垫单纸的Cobb值如图7所示。由图7可知，随着涤纶纤维用量的增加，垫单纸Cobb值无明显变化，Cobb值均在12~15 g/m2之间。由于所用浸渍乳液抗水性较好，所以垫单纸的Cobb值均较低，抗水性能良好。

图7 涤纶纤维用量对垫单纸Cobb值的影响Fig.7 Effect of polyester fiber dosage on Cobb value of pad sheet paper

综合考虑涤纶纤维用量对原纸和垫单纸性能的影响，当涤纶纤维用量20%时垫单纸的耐破指数、伸长率较高，柔软度较低，且此时浆料的分散效果较好，若涤纶纤维用量较高（达30%时），浆料的分散性稍差，成纸匀度较差，因此涤纶纤维用量20%较为适宜。

2.5 浸渍乳液种类对垫单纸性能的影响

将长度为10 mm的涤纶纤维与20°SR针叶木浆以2∶8的比例混合抄纸，然后分别浸渍R1、R2、R3胶乳浸渍液，固定上胶量为7 g/m2，分析不同乳液对垫单纸性能的影响，结果如图8所示。

由图8可知，对比分析3种乳液浸渍处理后垫单纸的性能，发现经R3乳液浸渍后纸张的抗张指数、伸长率、耐破指数、撕裂指数最高，其次是R1乳液，经R2乳液浸渍后这些强度性能指标最差，3种乳液处理后纸张的柔软度差别较小，R2乳液浸渍后纸张的透气量最低、Cobb值最高（>60 g/m2），表明R2乳液的防水性较差，而R1乳液处理后纸张的抗水效果最好。

图8 不同乳液对垫单纸性能的影响Fig.8 Effect of emulsion type on properties of pad sheet papers

为了进一步改善垫单纸的柔软特性，需要对垫单纸进行起皱处理，经实验室模拟起皱处理后，发现起皱后的R1和R2浸渍纸抗张指数大幅降低，分别比起皱前垫单纸的抗张指数降低了54.6%和56.2%，R3垫单纸起皱后抗张指数降低了18.4%，鉴于R3垫单纸起皱前后均具有较好的强度性能，而R1垫单纸具有优良的抗水效果，本实验将R1和R3乳液混合后浸渍原纸以制备垫单纸，设定浸渍液中R1和R3乳液的质量比分别为3∶7、5∶5、7∶3，测定起皱前后浸渍混合乳液后纸张的性能，结果如图9所示。

从图9可以看出，起皱前和起皱后垫单纸的抗张指数和耐破指数均随着混合浸渍液中R3比例的增加而提高，起皱后垫单纸的抗张指数和耐破指数比起皱前明显降低，且浸渍液中R1比例越高降低越明显，R3比例越高起皱后强度降低幅度越小。当浸渍液中R1和R3比例为5∶5时，起皱后垫单纸抗张指数和耐破指数比起皱前分别降低了25.1%和16.3%。起皱后垫单纸的柔软度明显降低，比起皱前均降低了55%以上，表明起皱后垫单纸的柔软性得到了明显的改善。浸渍液中R1和R3比例的变化对垫单纸透气量无明显影响，且起皱前后垫单纸的透气量变化不大。随着浸渍液中R3比例的增加，垫单纸的Cobb值增加，抗水性有所降低，起皱对垫单纸Cobb值无明显影响，当浸渍液中R1的比例达到50%以上时，垫单纸的Cobb值可小于20 g/m2。综合考虑垫单纸起皱后强度性能的降低幅度及垫单纸的Cobb值，浸渍液中R1和R3比例5∶5最为适宜。

图9 浸渍液中R1和R3乳液比例对起皱前后垫单纸性能的影响Fig.9 Effect of R1 and R3 emulsion ratio on the properties of pad sheet papers with or without wrinkling

2.6 自制垫单纸与进口垫单纸性能对比

根据上述实验结果所得的最佳工艺条件制备垫单纸，利用20°SR漂白硫酸盐针叶木浆与10 mm涤纶纤维以质量比8∶2混合抄制原纸，原纸定量约40 g/m2，将原纸浸渍R1和R3混合乳液（二者质量比5∶5），制得的垫单纸经起皱处理，测定起皱后的性能，并与进口垫单纸进行对比，结果如表1所示。

表1 自制垫单纸与进口垫单纸性能对比Table 1 Properties comparation between self-made and imported pad sheet paper

由表1可知，自制垫单纸的各项性能均能满足拟定指标，与进口垫单纸产品相比，自制垫单纸抗张强度、耐破度、柔软度和Cobb值均与进口垫单纸产品相近，透气量略高于进口垫单纸。由此可知，实验室自制的垫单纸手感柔软、透气性好、强度较高，且具有良好的抗水性能，性能与进口垫单纸产品相当。

3 结论

3.1 对比配比不同种类纤维的垫单纸可知，含天丝纤维的垫单纸强度、柔软性稍差，含黏胶纤维的垫单纸透气性较差，涤纶纤维更适于制备垫单纸；10 mm涤纶纤维比5 mm涤纶纤维更利于垫单纸的强度、柔软性和透气性；当涤纶纤维用量20%时，垫单纸的耐破指数、伸长率最高，且柔软透气性及匀度均较好。

3.2 3种乳液浸渍垫单原纸，R1垫单纸的抗水性最优，但起皱后强度降低明显，而R3垫单纸虽然抗水性稍差但起皱后强度较高，将R1和R3以5∶5质量比混合浸渍原纸可制得强度高、抗水性好且透气柔软的垫单纸。

3.3 制备垫单纸的适宜工艺条件为：10 mm涤纶纤维与20°SR针叶木浆以质量比2∶8混合制备垫单原纸，浸渍质量比5∶5的R1和R3混合液，经起皱处理制得的一次性垫单纸能够满足拟定的性能指标，且与进口垫单纸产品性能相当，手感柔软、透气性好、强度较高，且具有良好的抗水性能。