一種新型高通液性高吸收性樹脂SAP-HP

Ariel V. Melendres Adam Stone

一種新型高通液性高吸收性樹脂SAP-HP

Super Absorbent Polymer with High Permeability

Ariel V. Melendres Adam Stone

高吸收性樹脂（SAP）是一種合成聚合物，由于其擁有獨特的性質，即相對于自身質量來說能吸收大量的水，因此主要用作吸水材料。SAP的使用是一項創新，尤其是幾十年前開始應用于紙尿褲。現在SAP已廣泛應用于嬰兒紙尿褲、失禁用品和衛生巾等。

目前市場上的SAP，絕大多數是丙烯酸單體在交聯劑作用下發生自由基聚合反應制成的。使用過程中，SAP內部形成的特殊三維結構，使其表現出可吸收大量水的獨特屬性。

紙尿褲的吸收芯體由絨毛漿和SAP組成，用來吸收尿液。當前的研究方向為減少絨毛漿用量，使紙尿褲體積更小、更薄，同時保持總的吸收能力不變。因此，減少絨毛漿用量后，紙尿褲中需要更多的SAP，以維持總的吸收能力。并對SAP進行改良，使其滿足產品質量要求，如提高SAP的通液性，以彌補絨毛漿用量減少后導致的芯體蓬松性損失和傳輸液體功能的損失。SAP的通液性提高后，離心保水量（CRC）等吸收特性需要維持在可接受的水平，且保持較高的加壓吸收量（AUP）。

SAP的通液性

通液性是指多孔材料允許液體透過的能力。對于SAP來說，通液性在衛生用品中十分重要，主要是指芯層中SAP顆粒在溶脹狀態下液體的滲透性，因此也被稱為凝膠層滲透性（Gel Bed Permeability，GBP）。低通液性或者說低GBP值表明液體穿過溶脹的SAP凝膠層的流速較低。

在紙尿褲的實際應用中，較低的GBP造成尿液在芯體中擴散性變差，會導致紙尿褲出現產品性能問題。紙尿褲在使用過程中，尿液必須擴散并滲透到芯體中，否則就出現凝膠阻塞，這一現象發生于第二次的尿液被溶脹后的SAP堵住不能下滲，而流向其他方向，導致發生泄漏。為了使凝膠層具有較好的通液性，溶脹的SAP顆粒之間應該形成開放式通道允許液體通過。為實現這一點，要求SAP顆粒在溶脹狀態下必須保持足夠的穩定性，即在壓力作用下，單個顆粒應具有足夠的凝膠強度。如果凝膠顆粒不具有足夠的強度，在壓力作用下不僅不會產生顆粒間的孔隙，反而會形成屏障，阻礙液體通過。

新型高通液性SAP

通常，紙尿褲中具有較高CRC的SAP凝膠顆粒在壓力作用下很容易塌陷變形，失去了發揮作用所需的通液性。為將通液性提高至期望值，一種常用的方法是將CRC降至較低水平，通液性提高的同時AUP也得到一定程度的提高。

最近，研發了一種具有高通液性、中等CRC和較高AUP的SAP——SAP-HP。通過適當的工藝，使SAP顆粒獲得內部和外部交聯的良好平衡，提高其通液性，滿足紙尿褲的使用需求。

● 通液性GBP

該公司采用行業可接受的方法和標準的GBP儀器測定了這種新型SAP的通液性。試驗中采用0.9%NaCl溶液作為試驗液體。

以下為根據達西定律確定滲透率的公式：

式（1）中：K表示通液性（GBP），單位：cm2；

Q表示流速，單位：g/s；

H表示凝膠層試樣的高度，單位：cm；

μ表示測試液（0.9%NaCl溶液）的粘度，單位：cp；

A表示垂直于液體流的橫截面積，單位：cm2；

ρ表示液體密度，單位：g/cm3；

P表示靜水壓，單位：dynes/cm2；

靜水壓的計算公式為P=ρ×g×h，其中g是重力加速度，單位：cm/s2；h是液體高度，在本試驗中為4.0cm。

采用GBP儀器，將粒徑為300～600μm干燥的SAP顆粒浸沒在0.9%NaCl溶液中，制成凝膠層供試驗用。

在通液性試驗中，每5s記錄一次通過凝膠層的0.9%NaCl溶液的量（以g為單位），以此來測定流速。

圖1 通液性試驗中流過4種不同SAP的液體質量和時間

圖1所示為SAP-HP與市場上其他供應商的不同SAP通液性試驗結果。記錄了2min內通過凝膠層的液體量，液體量與時間呈直線關系。代表SAP-HP的直線斜率最大，這表示其流速最快。通過材料的液體流速是決定通液性的主要因素，是紙尿褲應用中的一項非常重要的指標。較高的通液性表明液體的流速較高，這對絨毛漿含量減少，SAP含量增加的紙尿褲來說更為重要。通過公式2，基于最小二乘法計算流速Q（單位：g/s）。

公式2中m是圖1中直線的斜率，y是任意時刻通過凝膠層的液體質量，x表示時間。

圖2 通過不同SAP凝膠層的液體流速

從圖2可以看出，液體在SAP-HP中的流速最快。在對SAP-HP進行試驗的過程中，觀察到在3min（完成試驗所要求的時間）時間內，液體持續不受阻礙地從儀器底部整個區域流下來。其他3種SAP，液體流速則較慢且相對受阻。

根據公式1計算通液性GBP值。除流速Q外，每次試驗中還精確測量了凝膠層的高度H。裝置的底面積不變，高度的變化代表材料的體積變化，隨著SAP吸水，體積不斷膨脹，形成穩定的凝膠層，通液性也隨之增加。因此，從某種程度上可以說，加壓吸收量AUP越大、吸液后凝膠顆粒的體積越大，SAP的通液性越好。

圖3 不同SAP的通液性GBP值

SAP-HP的通液性及其CRC值，顯示出其凝膠顆粒的穩定性，而這種性能是通過適當的內部和表面交聯獲得的。這種類型的SAP非常適用于改善紙尿褲的性能，如吸收速度、防反滲和防泄漏等。

● 加壓吸收量AUP

圖5為0.7psi下的加壓吸收量（AUP）和通液性的疊加圖。供應商A的SAP的AUP值比SAP-HP低15%，供應商B的SAP比SAP-HP高4%，供應商C的SAP比SAP-HP低7%。由圖中可見，SAP-HP具有更佳的綜合性質，同時具有高通液性和較高的AUP值，再次說明其更適合用于改善紙尿褲的性能。

圖3顯示了不同SAP的GBP值。SAP-HP的GBP值最高，比排在第二位的供應商A的SAP高約35%，而其他兩種SAP的GBP值更低。SAP-HP的高GBP值表明，液體可容易地快速通過凝膠層，當其用在紙尿褲中時，不會發生任何凝膠堵塞。在使用了高通液性SAP的芯體中，液體可以從SAP顆粒之間的間隙流過。

● 離心保水量CRC

圖4為離心保水量（CRC）與通液性的疊加圖。用離心機測量SAP的CRC值，按照行業標準將離心機吊籃轉子的轉速調整為250G。從圖中可見，SAP-HP的CRC值比供應商A提供的SAP略高，但SAP-HP的通液性GBP值卻比它高35%。由供應商B和供應商C提供的SAP的CRC值比SAP-HP約高8%，但它們的GBP值卻比SAP-HP低75%。通常，隨著CRC的增加，SAP的通液性會減弱。市場上大部分具有較高CRC的SAP的通液性都很低甚至無通液性，而其他具有中等CRC值的SAP的通液性也相當低。SAP-HP很好地平衡了通液性、CRC和AUP這幾項指標。

圖4 不同SAP的通液性GBP值和離心保水量CRC

圖5 不同SAP的通液性GBP值和加壓吸收量AUP

結論

SAP-HP是一種新型SAP，具有更好的應用性能。該產品的研發重心集中于提高具有中等CRC值和較高AUP（0.7psi）值的SAP的通液性。試驗結果顯示，在用SAP-HP制成的凝膠層中，液體的流速更快，因此可以證明，相對于來自其他主要供應商的SAP，SAP-HP的通液性更好。同時試驗結果還顯示，SAP-HP凝膠顆粒的結構具有更高的穩定性。SAP-HP不僅具有符合要求的穩定吸收性質，如CRC和AUP，還具有更高的通液性，這對紙尿褲來說十分重要。使用這種SAP，液體可均勻分布到紙尿褲整個芯層區域，提高紙尿褲的吸收速度、防反滲性和防泄漏性。

1. 高吸收性聚合物.歐洲非織造布工業協會（EDANA）.http:// www.edana.org.

2. 美國,8,822,582[B2].2014-09.

3. 美國,6,239,230[B1].2001-05-29.

4. Jose M. Asua.聚合反應工程[M].布萊克威爾出版社，2007.