紙尿褲各層結構的作用及吸液機理分析

徐小萍 張寅江 靳向煜

(東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海，201600)

紙尿褲產品自成功開發以來，憑借其方便、衛生、舒適等優點，迅速取代了傳統尿布的地位。據第十九屆生活用紙國際科技展覽及會議上國際研討會的報告稱，2011年我國嬰兒紙尿褲總消費量為184.6億元，比上年增長27.7%，占當年吸收性衛生用品的國內總銷售額的39.8%。隨著人民生活水平的提高，紙尿褲的價格日趨合理，人們越來越認可紙尿褲對寶寶的呵護作用。

雖然紙尿褲使用方便，但長時間穿戴會形成一個潮濕的環境，不利于皮膚健康甚至會誘發尿布疹，因此加強紙尿褲的吸收滲透能力是提高紙尿褲品質的關鍵［1-2］。在深入了解紙尿褲各層結構的作用及機理的基礎上來開發高檔新產品，對紙尿褲行業有著至關重要的作用。

1 紙尿褲各層結構

紙尿褲是由多層非織造材料建立起來的一個液體吸控系統，主要由面層、導流層、吸收芯層、底膜、腿口防側漏邊、魔術貼、氨綸絲以及將各個部分黏合到一起的熱熔膠黏合劑復合而成(如圖1)。

圖1 紙尿褲各層結構

構成紙尿褲的各層結構都有其各自作用。面層常采用熱風或熱軋非織造材料，要求柔軟、透氣，還要使尿液快速滲透，保持貼膚面的干爽性;導流層主要采用由熱塑性纖維或雙組分纖維制成的熱風非織造材料，要使尿液快速轉移到吸收芯層的整個表面;吸收芯層由絨毛漿加高吸水樹脂(SAP)組成，用于吸收大量液體;背層主要是聚丙烯(PP)透氣微孔薄膜或者熱軋非織造材料聚乙烯(PE)復合底膜，用于防止尿液的滲出，起到隔離的作用。

2 各層結構的吸液機理

2.1 面層

面層直接與寶寶嬌嫩皮膚接觸，首先接受尿液，也是整個吸液過程的開始。但在實際中，面層的吸液量幾乎為零，只起到將尿液引導向芯層的透水作用，而非織造材料的原料、厚度、結構緊密程度對面層的透水性都有重要影響。從分子角度分析面層的透水原理，可以認為主要存在三種形式：纖維對水分子直接吸收，纖維與纖維間的毛細管作用以及水壓迫水分子透過織物空隙。由于面層要求保持干燥，通常選用自身吸濕性小的疏水性纖維，即排除第一種透水方式，第二和第三兩種方式為面層主要的透水方式［3-4］。

穿透時間為面層材料的一個重要衡量指標，而非織造材料的穿透時間與其自身結構有關。通常片材的孔型有貫通孔、封閉孔和半封閉孔三種形式。目前最常用的面層材料為熱風或者熱軋非織造材料，熱風非織造材料具有良好的空間結構，液體通過多數孔曲折迂回穿過，即為貫通孔;而熱軋非織造材料中纖維分布較規則，經熱軋后軋點周圍纖維相互固結，非織造材料的厚度變薄，主要為封閉孔和半封閉孔，延長了穿透時間［5］。

回滲量是面層材料的另一個重要指標。熱軋非織造材料在軋點處由于被壓實而使面密度增大，且軋點在面層正面呈凹面，而與導流層和吸收芯層接觸的一面呈凸面。液體經面層和導流層下滲到吸收芯層中，會因受到外力而發生返滲，此時液體會最先與軋點形成的凸面接觸，但因其纖維密度大，纖維間排列緊密而空隙小，能夠阻礙液體上升，使其不易返滲［6］。熱風非織造材料的厚度在同等面密度下是熱軋、紡粘和熔噴等非織造材料的3～5倍［7］，良好的空間結構增加了纖維間的空隙，而一定的厚度又使得液體回升通道變得復雜，也能作為阻止液體返滲的屏障，從而降低液體的回滲量。

2.2 導流層

導流層是位于面層和吸收芯體之間的一層特殊的非織造材料，其作用是使紙尿褲快速、有效、均勻地吸收液體，避免過去因SAP局部吸收量過大而形成的阻塞現象，減少紙尿褲回滲量。目前導流層普遍采用熱風、紡粘、熱軋等非織造材料，其中熱風非織造材料雖然價格稍高，但因其具有一定的厚度和蓬松度能暫存自身質量10倍以上的液體，并具有極好的抗回滲性而被廣泛應用，是目前導流層材料市場的發展主流。與面層的熱風非織造材料相比，導流層的熱風非織造材料韌而硬挺，纖維以縱向排列為主，纖維間的空隙較大，當液體透過面層到達導流層時，導流層的纖維網會立刻吸收液體，同時具有一定厚度的蓬松結構有利于把局部的液體迅速俘獲，暫存后隨即擴散，直到被芯層吸收。

如圖2所示：在傳統的不帶導流層的產品中，液體經過面層后直接進入芯層，液體的擴散主要在芯層進行，容易使芯層局部吸液量過大而形成凝膠阻塞，更增加了第二次、第三次液體下滲的難度，造成較大的回滲量;而在帶有導流層的產品中，液體經面層后先進入導流層，導流層可暫存液體，延緩液體下滲，液體沿著導流層縱向排列的纖維向縱向擴散，芯層由于增加了吸收面積而得到充分利用，有效防止大量液體瞬間吸收而發生的局部凝膠阻塞現象［8-9］。

圖2 不帶導流層結構與帶導流層結構的吸收效果對比［8］

2.3 吸收芯層

吸收芯層是紙尿褲的關鍵結構部位，其吸收量的大小直接影響到紙尿褲吸液質量。目前紙尿褲的吸收芯層主要由衛生紙或者非織造材料包裹SAP和絨毛漿混合物組成。

2.3.1 SAP

SAP是一種特殊功能性高分子材料，能吸收質量為自身質量數百倍至數千倍的水分，或者數十倍至數百倍的鹽水，而且在適當的壓力下，吸入的水也不會被擠出。SAP因其吸收量大，能有效減少絨毛漿的用量使得產品厚度大大減小而被廣泛用于吸收用品［10］。下面從定性和定量兩方面分析SPA的吸水機理。

2.3.1.1 SAP 在水中的溶脹過程

SAP是經過適當交聯而形成具有三維空間網絡的高聚物(圖3)，其本身具有的親水基和疏水基會與水分子相互作用。當遇到水分子時，整體呈致密性的高分子鏈上的親水性離子迅速電離水解，而隨著同種電荷的積聚，靜電斥力在高分子鏈上也隨之增大，正是這種靜電斥力使得三維網絡逐漸擴張，引導水分子進入樹脂內部［11-12］。同時，為了保持電中性，與累積在高分子鏈上的電荷抗衡的另一種電荷不會向外部擴散，而被束縛在樹脂網絡內與網外形成較大的濃度差，從而產生較大的滲透壓，進一步吸收水分子進入三維網絡。而三維網絡的彈性收縮力也會伴隨網絡的擴張而逐漸增加，作為抗衡力慢慢抵消靜電斥力，最終使SAP達到吸水平衡［13-15］。

圖3 高分子樹脂的三維網絡及電離過程［15］

2.3.1.2 Flory 彈性凝膠理論

從熱力學角度出發，Flory提出了下列公式［16］：

式中：Q——平衡吸水率;

i——每個結構單元所具有的電荷數;

Vu——重復單元的摩爾體積;

S*——外部溶液的離子強度;

X1——吸水樹脂與水作用的哈金斯參數;

V1——水的摩爾體積;

耐鹽性吸水樹脂也是由滲透壓產生的動力而吸水，但水中的鹽電離形成的離子會使滲透壓降低，進而降低其吸水能力。Flory公式也表明，當吸收鹽水時，由于鹽水的離子強度S*遠大于淡水，吸水能力也會顯著下降。此時，耐鹽性吸水樹脂中的非離子型親水官能團會與水分子形成氫鍵，從而吸水。

2.3.2 絨毛漿

絨毛漿是一種高級吸水性紙漿，采用漂白卷筒干漿板在撕碎機撕碎成絨毛簇制成，廣泛用于紙尿褲、衛生巾、醫用床襯紙等吸收用品［17］。

吸收性是絨毛漿的一項重要質量指標，主要取決于紙頁橫向纖維之間的毛細管效應，毛細管效應越強，吸收性能越好［18］。在吸收芯層中絨毛漿主要起到類似輸送管道的作用。絨毛漿的原料性能中纖維的線密度和纖維細胞壁的厚度對絨毛漿的性能有直接的影響，而有機溶劑抽出物含量和組成都會使絨毛漿的性能有所不同［19-20］。

紙尿褲的液體吸收性能不僅與SAP含量、SAP與紙漿的混合狀態有關，還與紙漿中纖維的線密度、纖維間的空隙度及表層材質有關。

2.4 背層

紙尿褲的背層直接與人體皮膚接觸，因此要求應具有以下性質：①良好的氣體透過性;②較好的防漏水性;③較好的拉伸性能和抗撕裂性能;④良好的柔軟性等。目前紙尿褲的背層材料主要有透氣微孔膜和復合底膜。

2.4.1 透氣微孔膜

透氣微孔膜主要由聚烯烴作為基體樹脂，特別是PP因其力學性能優異且價格低廉而成為應用較廣泛的微孔膜材料。含有致孔劑CaCO3顆粒的樹脂片材在拉伸過程中，由于CaCO3顆粒與其周圍樹脂聚合物的結合力小而在邊緣分離產生微孔，最后經過定型處理后形成微孔膜。

四川省位于中國西南腹地，處于青藏高原與長江中下游平原過渡帶，西高東低的特點明顯，是西南、西北和中部地區的重要接合部，是華南、華中、西南、西北、中亞、南亞和東南亞的重要交匯點和交通走廊。四川省地貌復雜，以山地為主，具有山地、丘陵、平原和高原4種地貌類型，土壤類型豐富，土類和亞類數分別占全國總數的43.48%和32.60%。四川省的氣候總特點是區域表現差異顯著，并且因其獨特的地勢特點，氣候垂直變化大，氣候類型多，有利于農、林、牧綜合發展；氣象災害種類多，發生頻率高，范圍大，主要是干旱，暴雨、洪澇和低溫等也經常發生［5］。

微孔是微孔薄膜最關鍵的部分，微孔孔徑大小及其分布都影響著微孔膜的功能。由于水滴的最小直徑約為20 μm，而水蒸氣分子的直徑僅為0.000 4 μm左右，利用兩者直徑的差異，讓微孔直徑介于兩者之間，從而使微孔膜具有防水透氣的作用［21］。

水蒸氣在微孔膜中是一個分子擴散的過程，即水蒸氣分子從一個孔傳遞到另一個孔，從高濃度區域流向低濃度區域［22］。透氣量Wvp取決于膜的孔隙率、厚度和孔徑，關系式如下：

式中：A——常數;

B——孔隙率;

T——薄膜厚度;

d——孔徑。

當微孔膜能承受的耐水壓大于使用時所需耐水壓時，水就不會滲出。通常用毛細浸透壓ΔP來表征［21］：

式中：ΔP——浸透壓(Pa);

σ——表面張力(N/m);

α——接觸角(°);

d——毛細管直徑(μm)。

由上可見，當微孔膜直徑小于d時，水不會透過。由于不同產品所需浸透壓不同，按照公式(3)即可計算出產品滿足不同要求時所需微孔膜孔徑d 的大小［23］。

2.4.2 復合底膜

復合底膜主要由流延膜和非織造材料通過一定的方式復合而成。由于復合底膜集合了流延膜良好的柔軟性和防水性，也具有非織造材料的強度和透氣性，更是大大擴大了原有壓紋膜的應用領域和提高了產品的附加值。壓紋膜的復合產品不僅可應用于嬰兒尿褲、護理墊等個人衛生用品，也可應用于手術衣、防護服等產品領域［24］。

2.5 腿口防側漏邊

腿口防側漏邊是用于大腿口兩邊，連接面層，用于防止尿液因不能及時滲透下去而從側面溢出。一般情況下，腿口防側漏邊常用拒水PP紡粘法非織造材料和SMS結構的非織造材料。腿口防側漏邊及背層通常都使用SMS結構設計。

腿口防側漏邊一般要求拒水。SMS非織造材料的拒水整理是在SMS纖維表面吸附一層能使其表面張力低于水的表面張力的物質，使水在SMS非織造材料上的接觸角大于90°而拒水。常用的拒水整理劑有長鏈烷烴化合物、有機硅聚合物及有機氟整理劑［25］。由于SMS非織造材料具有較高的抗靜水壓，因而其拒水效果也較好。對于紙尿褲防側漏邊的非織造材料，耐靜水壓只要不低于1.2 kPa即可［26］。普通15 g/m2的SMS復合非織造材料耐靜水壓通常可達到1.5 kPa，因此用于腿口防側漏邊的SMS非織造材料的面密度只需15 g/m2左右，甚至更低就能達到要求。

2.6 紙尿褲整體吸液原理

充分利用各層非織造材料，并進行有效組合可實現漸進的吸液過程。當把液體注向紙尿褲樣品時，液體首先接觸面層，并沿著非織造材料向橫向擴散，然后液體穿透面層向導流層擴散，最后被吸收芯層吸收。吸收芯體是由絨毛漿和SAP混合制成的，首先絨毛漿通過毛細管的作用將液體迅速吸收、擴散，接著紙漿纖維中的液體被SAP吸收，紙漿回復到干燥狀態后進行下一次吸液，而SAP吸收尿液后形成膠體物，即使在有外力加壓的情況下，也能鎖住液體不被擠出。這樣，絨毛漿繼續靠毛細管的作用擴散液體，然后由SAP吸收。同時，由于SAP顆粒吸收液體后會膨脹，顆粒間緊密堆砌使間隙大幅減少，液體向深層擴散的阻力加大，而絨毛漿的毛細管作用能夠使得液體繼續向下傳遞，可見絨毛漿主要起到類似輸送管道的作用［27］。當液體向深層擴散達到背層時，由于液體分子直徑大于微孔膜直徑被存留在紙尿褲中而不滲漏，而直徑小的氣體分子能向外界擴散，增加紙尿褲的透氣性。如果尿液太多沒有及時被吸收而留在面層，尿液由于受壓而向橫向擴散，腿口防側漏邊的拒水作用會阻礙液體進一步擴散，較高的耐靜水壓也會防止液體溢出而發生側漏。

3 結語

紙尿褲的各層結構都有其各自主要特性。面層材料采用經親水整理的熱風或熱軋非織造材料，能夠使液體有效地吸收并迅速下滲至導流層;導流層多采用熱風非織造材料，利用其表面纖維排列縱橫比大使得更多液體進入吸收芯層，而熱風非織造材料蓬松，其厚度也起到了暫時持液的作用;吸收芯層由絨毛漿和SAP均勻混合而成，兩者的混合比例以及均勻性都是吸收芯層大量吸收液體的關鍵;背層通常采用PP透氣微孔膜或者熱軋非織造材料PE復合底膜，用于防止尿液的滲出，起到隔離的作用。腿口防側漏邊主要采用SMS結構的非織造材料，經過拒水整理達到所需的拒水及耐靜水壓要求。

根據紙尿褲各層結構的吸液原理分析，對紙尿褲整體吸收應有總體的設計。因此，分析和了解液體在紙尿褲整體環境中的吸收原理對于紙尿褲的設計及其材料的應用具有重要意義。

［1］江曼霞.中國一次性衛生用品的概況和展望［J］.產業用紡織品，2008，26(1)：87-93.

［2］白木.紙尿褲市場發展綜述［J］.湖北造紙，2004(3)：29-31.

［3］池玲晨.PE/PP復合紡粘非織造材料結構性能與紙尿褲應用研究［D］.上海：東華大學，2006.

［4］梅興波.用即棄嬰兒尿布的開發［J］.非織造材料，2000(12)：18-19.

［5］張靜峰.熱風非織造材料吸收性能初探［J］.產業用紡織品，2008，26(8)：18-21.

［6］張玉慶，吳宏明，李忠明.熱軋非織造材料熱壓粘合機理的初步探討［J］.合成技術及應用，1994(3)：20.

［7］謝道訓.熱風非織造材料的應用與前景展望［J］.非織造材料，1997(3)：11.

［8］王歡，吳海波，靳向煜，等.導流層在紙尿褲中的應用及其性能測試［J］.生活用紙，2009(12)：47-49.

［9］江曼霞，張玉蘭，周楊.導流層在吸收性衛生用品中應用的調查研究［J］.生活用紙，2009(2)：1-4.

［10］陳振斌.丙烯酸系耐鹽性高吸水樹脂研究［D］.蘭州：蘭州大學，2007.

［11］祁曉華.耐鹽性高吸水樹脂的合成及其溶脹動力學研究［D］.蘭州：蘭州大學，2009.

［12］盛沛.粘土型高吸水性復合材料的制備及其性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［13］田中鍵治.高吸水性樹脂和其應用開發［J］.精細化工，1994，23(12)：5-13.

［14］龍明策，王鵬，鄭彤.高吸水性樹脂溶脹熱力學及吸水機理［J］.化學通報，2002(10)：705-709.

［15］陳雪萍，翁志學，黃志明.高吸水性樹脂的結構與吸水機理［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.淺談絨毛漿生產［J］.造紙化學品，2006，18(1)：20-21.

［18］蔡文樣.淺談生活用紙的吸收性能及影響因素［J］.工藝與技術，2004(2)：10.

［19］肖大峰.影響絨毛漿吸液能力的因素［J］.紙和造紙，1994(2)：33-35.

［20］徐永建，張曉東.絨毛漿原料選擇問題的探討［J］.陜西科技大學學報，2004，22(1)：63-65.

［21］徐凱，張軍師.透氣微孔膜制備方法及透氣機理的研究進展［J］.合成樹脂及塑料，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，苑會林.防水透氣微孔膜［J］.塑料，1998，27(1)：23-26.

［24］王國輝.PE流延壓紋膜的復合應用［J］.塑料包裝，2002，12(2)：24-25.

［25］陳錫勇，何艷軍，李淑芳.醫療用SMS產品探討［J］.產業用紡織品，2011，29(12)：35-39.

［26］WHITE C.低定量和超柔軟是紡粘及其復合材料的發展方向［J］.產業用紡織品，2000，18(1)：31-36.

［27］楊曉旗，韓建.高吸水衛生材料動態吸水特性的測試方法［J］.浙江理工大學學報，2009，26(5)：668-672.