紙尿褲微氣候內(nèi)溫濕度的測試與分析*

張思云 靳向煜 (東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

由于紙尿褲的特性及方便性，越來越多的年輕父母選擇用紙尿褲給孩子最貼心的呵護(hù)。然而紙尿褲的大量使用存在安全、健康上的隱患。田安欣［1］指出，在紙尿褲與尿布疹的關(guān)系上，以及紙尿褲與嬰兒正常生理發(fā)育及衛(wèi)生習(xí)慣的培養(yǎng)方面，年輕父母仍有較大顧慮。特別是尿布疹的發(fā)病與紙尿褲的使用有著密切的關(guān)系，初步認(rèn)為尿布疹與紙尿褲的不正確使用［2］，以及紙尿褲所存儲的尿液對皮膚的刺激有關(guān)［3］。Michael Camilleri［4］對尿布疹的發(fā)病進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，列舉了多個尿布疹病例，探尋尿布疹的發(fā)病與紙尿褲使用的關(guān)系，得出尿布疹與紙尿褲的爆發(fā)式使用緊密相關(guān)。原曉斌等［5］則通過臨床觀察，統(tǒng)計(jì)了皮炎與月齡的關(guān)系，以及皮炎與紙尿褲更換時間的關(guān)系等，最終也證明了尿液對皮膚的刺激是引發(fā)皮炎的主要原因，與紙尿褲過敏無關(guān)。

以上研究均表明，尿液對嬰兒皮膚的刺激是產(chǎn)生尿布疹的主要原因，即尿液引起的嬰兒皮膚與紙尿褲之間形成的區(qū)別于外界環(huán)境的密閉微氣候內(nèi)溫濕度的變化對嬰兒皮膚的刺激是產(chǎn)生尿布疹的主要原因。嬰兒排出的尿液被紙尿褲吸收，SAP(超吸水性樹脂)顆粒鎖住了大部分的尿液，但仍會有部分尿液揮發(fā)進(jìn)入皮膚-紙尿褲之間的微氣候，影響微氣候內(nèi)的溫濕度。特別是在紙尿褲已經(jīng)吸收一定量的液體后，存液能力大大下降;或者嬰兒采用坐姿，有一定壓力施加在紙尿褲上，尿液更易反滲進(jìn)入微氣候，使微氣候的溫濕度環(huán)境急劇變化，對嬰兒皮膚產(chǎn)生刺激。

紙尿褲微氣候嚴(yán)重影響嬰兒的健康，目前有關(guān)紙尿褲微氣候的研究較少，而針對紙尿褲微氣候內(nèi)溫濕度的研究更少。Yayoi Satsumoto等［6］研究了紙尿褲微氣候中的空氣流通問題;Takako Fukazawa等［7］研究了紙尿褲的結(jié)構(gòu)與紙尿褲微氣候的關(guān)系，得出紙尿褲的彈性腰圍對微氣候溫濕度的影響，但沒有涉及到嬰兒在穿著紙尿褲的過程中微氣候的溫濕度變化。

紙尿褲微氣候?qū)雰旱陌踩c健康具有重要的影響。為了了解嬰兒在穿著紙尿褲過程中紙尿褲-皮膚形成的微環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了對比試驗(yàn)、紙尿褲微氣候溫濕度分布試驗(yàn)和溫濕度變化試驗(yàn)。構(gòu)建了恒溫假人試驗(yàn)平臺，通過模擬嬰兒排尿，測試紙尿褲在多次尿濕情況下的溫濕度分布和變化，以初步探索紙尿褲的微氣候情況，對紙尿褲的安全性和健康性做進(jìn)一步的評估。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

測試紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度需要一個試驗(yàn)平臺，此平臺可以模擬嬰兒皮膚狀態(tài)并模擬嬰兒實(shí)際穿著紙尿褲的形態(tài)。暖體假人可以滿足上述條件，但目前國內(nèi)尚無嬰兒型的暖體假人，因此本文自構(gòu)了一個恒溫假人試驗(yàn)平臺。在此平臺中不考慮紙尿褲微氣候內(nèi)少量的皮膚潛熱傳遞，是一個理想模型，可以模擬嬰兒穿著紙尿褲的狀態(tài)和嬰兒體表溫度。

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

所用材料及設(shè)備有：假人、恒溫水浴鍋、潛水泵、水管、流量調(diào)節(jié)器、溫濕度記錄儀、溫度計(jì)、模擬尿液、針筒注射器、紙尿褲。

假人使用80 cm高的塑料空心假人，內(nèi)部能夠容納一定量的熱水并將熱量傳遞到體表，能夠模擬嬰兒站立穿著紙尿褲的狀態(tài)。溫濕度記錄儀的型號為L95-2+，有溫度和濕度兩個探頭，溫度的測量范圍為－40～100℃，精度為±0.2℃;濕度的測量范圍為0%～100%，精度為±2%，能夠定時記錄溫濕度數(shù)據(jù)并儲存，可記錄16 000組數(shù)據(jù)。模擬尿液用符合GB/T6682—2008的去離子水配制9 g/L的氯化鈉溶液，在(23±2)℃下其表面張力為(70±2)mN/m［8］。使用市面上一種常見品牌的紙尿褲，大號，有彈性腰圍和防側(cè)漏邊，能夠和假人皮膚緊密貼合，避免外界環(huán)境溫濕度及空氣對流的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

嬰兒的臀部和下腹部位的溫度為36～37℃［9］，為模擬嬰兒皮膚的真實(shí)溫度，本文設(shè)計(jì)了恒溫假人試驗(yàn)平臺，原理如圖1所示。空心假人身穿紙尿褲站立，利用潛水泵將水浴鍋內(nèi)44℃的水抽入空心假人體內(nèi)，并從假人腿部將水導(dǎo)出，通過流量調(diào)節(jié)器控制進(jìn)水速度，使其與出水速度相同，實(shí)現(xiàn)水的穩(wěn)定循環(huán)，保證假人恒溫。由于假人自身材質(zhì)的吸熱以及向周圍的散熱，假人在44℃水溫的情況下能夠保持皮膚表面溫度在36℃左右，接近人體-紙尿褲微氣候內(nèi)的溫度。將溫濕度記錄儀的溫度探頭和濕度探頭固定在皮膚與紙尿褲形成的微氣候內(nèi)，多次向微氣候內(nèi)注射一定量的模擬尿液，每隔5 s記錄排尿后微氣候內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)并儲存。

2 試驗(yàn)與討論

2.1 對比試驗(yàn)

考慮到一天(24 h)內(nèi)不同時刻或者不同天氣條件下，外界的溫濕度及空氣流速會有較大差異，將直接影響紙尿褲的微氣候，因而本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在室溫為20℃的密閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，以消除外界環(huán)境的影響。為了驗(yàn)證各組試驗(yàn)均是在相同且不變的環(huán)境中進(jìn)行的，本文設(shè)計(jì)了一組對比試驗(yàn)，即分別在晴天和陰雨天兩種天氣條件下測試紙尿褲微氣候的溫濕度在24 h內(nèi)的變化情況，晴天時室外溫度為18～27℃，陰雨天時室外溫度為15～20℃。紙尿褲微氣候在24 h內(nèi)的試驗(yàn)變化情況如圖2所示。

從晴天時溫濕度曲線［圖2(a)］和陰雨天時溫濕度曲線［圖2(b)］可以發(fā)現(xiàn)，從試驗(yàn)開始到5 h左右，曲線一直處于變化狀態(tài)，屬于溫濕度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫濕度所需的正常的平衡過程;平衡5 h后兩圖中的溫濕度曲線基本保持不變。晴天時的溫度為(36.2 ±0.5) ℃，濕度為(56.7 ±3.9)%，陰雨天時的溫度為(35.7±0.5) ℃，濕度為(61.8±3.9)%，溫濕度波動范圍都很小，說明紙尿褲內(nèi)的微氣候在24 h內(nèi)比較穩(wěn)定，不會因?yàn)闀r間的變化影響微氣候條件。但陰雨天氣條件下紙尿褲微氣候內(nèi)的濕度比晴天時高5%左右，差異不大，認(rèn)為紙尿褲微氣候同樣與室外天氣條件變化無關(guān)。試驗(yàn)證明，紙尿褲微氣候溫濕度的變化與所處環(huán)境條件無關(guān)。

2.2 紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度分布

尿液排出之后，熱濕迅速在紙尿褲微氣候內(nèi)傳遞，兩者的傳遞過程相互影響、相互作用，多數(shù)情況下屬于共同傳遞的過程。熱濕傳遞過程的影響因素較多，如材料的物理性質(zhì)和環(huán)境中的水分等，織物的熱阻、濕阻越大，熱濕傳遞越困難。當(dāng)材料中有水分時，熱傳遞包括蒸發(fā)引起的潛熱傳遞和伴隨液態(tài)水傳遞引起的熱量損失，同時水分也會影響熱阻和濕阻的大小［10］。尿濕以后，紙尿褲中水分分布不勻，影響熱濕傳遞，導(dǎo)致微氣候內(nèi)的溫濕度分布不勻。本試驗(yàn)選取3個部位測試紙尿褲的微氣候，分別為下腹、腹股溝和臀部。將假人試驗(yàn)平臺搭好之后，使用針筒注射器向紙尿褲內(nèi)注射80 mL、37 ℃的模擬尿液［7］，在 10～12 s內(nèi)注射完畢;數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行第二次注射，以此方法反復(fù)操作;濕度達(dá)到90%以上或注射4次后停止注射，試驗(yàn)結(jié)束，每個部位測試3次。結(jié)果表明，3次試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。任意選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示。

圖3 紙尿褲微氣候內(nèi)溫濕度分布

由圖3(a)可見：在模擬尿液注射前，下腹、腹股溝和臀部三處的溫度分別為35.9、36.5和36.7℃，相差較小;第一次注射后三處都變化了0.3℃左右，仍沒有較大差別;第二次注射后，臀部溫度最高，下腹處較低，腹股溝處最低;第三次注射后，趨勢更加明顯。由圖3(b)可見：注射前三個位置的濕度基本相同;在第一次和第二次注射后三處濕度呈現(xiàn)明顯差別，下腹的濕度最大，腹股溝較小，臀部最小;在第三次注射后，下腹和腹股溝的濕度均達(dá)到90%以上，臀部濕度只有70%。表明紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度分布十分不勻，在溫度方面，臀部最高，下腹次之，腹股溝最低;在濕度方面，下腹最大，腹股溝次之，臀部最小。

上述微氣候的變化與紙尿褲設(shè)計(jì)有關(guān)。紙尿褲為多層結(jié)構(gòu)材料，其中SAP顆粒的分布和導(dǎo)流層的作用直接影響紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度分布。參照人體生理結(jié)構(gòu)將模擬尿液注射在紙尿褲中的前部，由于導(dǎo)流層的分散作用，尿液在紙尿褲中迅速向四周擴(kuò)散，但由于重力的作用，腹股溝處的尿液最多，而臀部由于距離尿濕部位較遠(yuǎn)，尿液很少擴(kuò)散到臀部，臀部受尿液影響最小，因而濕度最小，溫度最高。雖然在腹股溝位置尿液最多，但由于重力的影響，SAP顆粒較多分布在腹股溝位置，因此腹股溝處的尿液大部分被SAP顆粒吸收鎖住，濕度比下腹部小。同時SAP顆粒是具有許多親水基團(tuán)的低交聯(lián)度樹脂，易與水分子形成氫鍵并通過交聯(lián)結(jié)構(gòu)鎖住水分子，導(dǎo)致紙尿褲中的水分子量劇增，大大降低了紙尿褲的熱阻與濕阻，熱濕較其他部位更容易擴(kuò)散到外界環(huán)境中，使溫濕度下降。同時腹股溝處的尿液較多，蒸發(fā)量較大，同樣影響腹股溝處的溫濕度。因而在紙尿褲微氣候中腹股溝溫度最低，臀部溫度最高;臀部濕度最小，下腹?jié)穸茸畲蟆＿@與Michael Camilleri［4］得到的結(jié)論相吻合。

為了檢驗(yàn)上述結(jié)論，本文采用另外兩種常見的紙尿褲A和紙尿褲B進(jìn)行溫濕度分布試驗(yàn)。這兩種紙尿褲的結(jié)構(gòu)與上述紙尿褲一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，這兩種紙尿褲的溫濕度分布與上述試驗(yàn)一致。

圖4 兩種紙尿褲的微氣候溫濕度分布

2.3 紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度變化

熱濕傳遞是動態(tài)的，溫濕度會不斷地發(fā)展變化。在尿液迅速被紙尿褲吸收的過程中，仍有部分濕氣不斷地通過蒸發(fā)進(jìn)入微氣候。熱量可以通過熱傳導(dǎo)、熱輻射、對流傳熱以及蒸發(fā)散熱四種形式向四周傳遞，濕氣主要通過紙尿褲纖維間和纖維內(nèi)部空隙四向傳遞，微氣候內(nèi)熱量和濕氣不斷變化，則溫濕度不斷變化。

由于腹股溝處的溫濕度比較具有代表性，為了解紙尿褲微氣候內(nèi)溫濕度的變化規(guī)律，本文設(shè)計(jì)在腹股溝部位測試微氣候內(nèi)的溫濕度。試驗(yàn)方法與上述相同，共試驗(yàn)3次。觀察紙尿褲微氣候腹股溝部位在一次尿濕和多次尿濕后的溫濕度變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 腹股溝部位溫濕度變化曲線

本次試驗(yàn)共注射 3次，分別是在 0.57、1.45、2.33 h注射。注射前為紙尿褲微氣候內(nèi)沒有尿液時的初始微氣候，其溫度維持在36.5℃，濕度為53.4%。第一次注射后，濕度曲線先急劇上升后再緩慢下降，呈現(xiàn)兩個變化階段，符合文獻(xiàn)［11］理論。

Li［11］認(rèn)為在織物中濕傳遞存在兩個變化過程，可用公式(1)描述：

式中：Df(x，t)——擴(kuò)散系數(shù);

x——纖維在織物中的位置坐標(biāo);

Cf——纖維中的水蒸氣濃度;

Cfs——纖維表面的水蒸氣濃度;

Rf——纖維半徑;

Ha——空氣中的相對濕度;

r——纖維徑向坐標(biāo);

t——時間;

T——纖維溫度。

第一個方程描述了水分在纖維表面的傳遞機(jī)理，即第一階段;第二個方程描述了水分在纖維內(nèi)部的傳遞機(jī)理，即第二階段。其中Df(x，t)隨著纖維位置和時間的變化而變化。第一階段中Df(x，t)為定值，且數(shù)值較大，說明吸收速率快，擴(kuò)散時間短。第二階段Df(x，t)呈指數(shù)變化，數(shù)值較小，由于水分進(jìn)入纖維內(nèi)部引起纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，因而第二階段的平衡時間較長。在本試驗(yàn)的第一階段，微氣候內(nèi)的濕度瞬間增加到64.1%，變化時間短，基本呈線性變化，Df(x，t)較大且恒定。第二階段濕度緩慢下降，較長時間后穩(wěn)定在62.5%，Df(x，t)較小且呈指數(shù)變化。由于人工尿液的溫度比微氣候內(nèi)的溫度高，因而溫度隨著濕度的增加而增加，隨著濕度的減小而減小。

第一次注射尿液后，紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度保持為36℃和60%左右，微氣候的舒適度和初始狀態(tài)差距較小，對嬰兒皮膚沒有危害。第二次注射后，濕度突變到72.5%，第一階段的 Df(x，t)大且不變。在第二階段中，由于紙尿褲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，導(dǎo)致水分在纖維內(nèi)部擴(kuò)散十分緩慢，Df(x，t)很小，濕度曲線沒有下降的表現(xiàn)。由于尿液的影響溫度快速上升到36.8℃后，由于紙尿褲內(nèi)水分逐漸蒸發(fā)散熱，溫度隨即緩慢下降到35.6℃。第三次注射后，濕度驟變到100%，紙尿褲完全浸濕，溫度從36.5℃下降到31.3℃，紙尿褲微氣候內(nèi)相比初始階段處于濕冷狀態(tài)，對嬰兒皮膚有極大的危害。

為研究不同材料或結(jié)構(gòu)紙尿褲溫濕度變化的差異，現(xiàn)采用上述試驗(yàn)方法測試紙尿褲A和紙尿褲B。雖然其材料、結(jié)構(gòu)及性能不完全相同，但紙尿褲A和紙尿褲B的溫濕度變化曲線呈現(xiàn)出與上述試驗(yàn)相同的趨勢，如圖6所示。在第一次和第二次注射后，濕度的變化均在人體皮膚可接受的范圍內(nèi)，溫度的變化幅度很小。在第三次注射后，紙尿褲微氣候內(nèi)溫度和濕度的變化幅度都很大，紙尿褲內(nèi)呈濕冷的環(huán)境，嚴(yán)重影響嬰兒皮膚的健康，建議嬰兒三次尿濕后立即更換紙尿褲。

3 結(jié)語

(1)紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度呈不均勻分布，下腹最潮濕，臀部最干燥;腹股溝溫度最低，臀部溫度最高。

(2)紙尿褲微氣候內(nèi)腹股溝處的溫濕度在尿濕后會發(fā)生突變，隨即漸趨穩(wěn)定。在2次尿濕后(尿量為160 mL)仍然可以保持較舒適的狀態(tài)，但在3次尿濕，即紙尿褲吸收了240 mL尿液后，微氣候突變?yōu)闈窭洵h(huán)境，應(yīng)立即更換紙尿褲。

紙尿褲微氣候內(nèi)的溫濕度對嬰兒健康有重要影響，本文在模擬嬰兒尿濕的基礎(chǔ)上初步探究了微氣候內(nèi)的溫濕度分布和變化，對進(jìn)一步研究紙尿褲使用的安全性，以及如何合理、健康地使用紙尿褲提供了試驗(yàn)依據(jù)。

圖6 兩種紙尿褲腹股溝部位溫濕度變化曲線

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