一體式非織造吸液芯體的制備及其性能研究*

張 楠 靳向煜 趙 奕

東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620

隨著我國三胎政策的開放和老齡化的快速步入，我國個人衛生用品市場迅速擴大。嬰兒紙尿褲市場的零售總額由2013年的238.3億元增加至2018年的555.4億元，復合年均增長率為18.4%[1]。成人失禁用品，其主要品類為紙尿褲和尿墊，市場規模從2013年的31.7億元增長至2018年的70.3億元，復合年均增長率為17.3%。數量巨大且快速增長的老齡人口及新生嬰兒逐步成為我國個人衛生用品市場龐大的消費群體[2]。

個人衛生用紙尿褲主要由面層、導流層、吸收芯層和底膜組成。其中，吸收芯層發揮著紙尿褲最為主要的吸液保液功能，其吸收量的大小將直接影響紙尿褲的吸液質量[3]。市面上的吸收芯層主要分傳統芯體與復合芯體兩類。前者吸液后易起坨斷層，影響多次吸水性；后者由高吸水樹脂與蓬松布層鋪組合而成，缺少絨毛漿纖維對液體的傳導，所以當高吸水樹脂超過一定質量時，復合芯體吸收尿液后易形成凝膠，導致尿液吸收擴散不良[4]，堵塞液體下滲通道。復合芯體是近些年發展較快的一種芯體，為避免其吸液后產生凝膠現象，一種方法是改變芯體中高吸水樹脂的分布，如專利CN110464547A[5]中介紹了一種立體復合芯體，即在撒粉的同時噴涂熱熔膠，再經立體模具固定成型，最終制成具有一定立體形狀且間隔排列的吸水層，只是該方法采用熱熔膠包裹高吸水樹脂后芯體吸水性能受影響，且工藝復雜，實操性欠佳；另一種方法是增加導流結構，如專利CN206822784U[6]中介紹了一種具有壓痕或切痕結構的吸收芯體，其吸收區設有多處沿芯體縱向的痕線結構，可促進液體縱向擴散，但其拉伸強度低，難以滿足高速生產線要求。

黏膠纖維吸濕性強，且纖維表面溝槽多，毛細作用強，用于吸收芯層中可起到類似輸送管道的作用；中空滌綸的空腔結構能增大纖維的剛度，提高熱風非織造芯體的回彈性，使芯體吸液后不易塌陷，芯體多次吸液性能提高[7-8]；熱風非織造布有一定的厚度和蓬松度，吸液迅速，能暫存自身質量10倍以上的液體，并具有極好的抗回滲性[9]。液體在不同孔隙內的填充速率表現不同，孔隙越大則填充速率越快。在下層纖維網規格相同的條件下，上層纖維網孔隙大時液體穿透時間較短[10]。

本文將選用黏膠纖維、中空滌綸及親水聚烯烴雙組分(ES)纖維為原料，采用上層為粗纖維、下層為細纖維的復合纖網結構，利用梳理成網、在線撒粉和熱風加固技術，制備免起坨、無阻塞且吸液效果優良的一體式非織造吸液芯體。

1 試驗部分

1.1 原料

本試驗原料包括黏膠纖維、中空滌綸、親水ES纖維(其皮層為聚乙烯PE、芯層為聚丙烯PP)和高吸水樹脂(SAP)。其中：黏膠纖維長度為38 mm，線密度為1.67 dtex，由唐山三友興達化纖有限公司提供；中空滌綸長度為64 mm，線密度為6.67 dtex，由中國石化儀征化纖股份有限公司提供；兩種親水ES纖維，長度為51 mm、線密度為6.67 dtex及長度為38 mm、線密度為2.22 dtex，皆由山東德潤新材料科技有限公司提供；高吸水樹脂，型號為BC283，平均粒徑為270 μm，由臺塑工業(寧波)有限公司提供。試驗原料的表面形態如圖1所示。

圖1 試驗原料的掃描電鏡(SEM)照片

1.2 試樣制備

試樣的制備具體分為上、下纖網層的制備。其中，上纖網層選用線密度為1.67 dtex的黏膠纖維、6.67 dtex的中空滌綸和6.67 dtex的親水ES纖維；下纖網層選用線密度為1.67 dtex的黏膠纖維、6.67 dtex的中空滌綸和2.22 dtex的親水ES纖維。

首先分別將纖維原料進行混合開松后，喂入雙道夫雜亂梳理機中成網；接著，將高吸水樹脂顆粒通過在線撒粉裝置均勻加入到纖網中；最后，將上、下纖網層復合，喂入熱風小樣機中進行加固。其制備工藝流程如圖2所示。

1.3 試驗方案的確立

正交試驗前已對課題進行了單因素試驗，初步確定了單因素4個變量(即纖維質量配比、上下纖網層復合結構、熱風溫度及熱風時間)的較優范圍。對單因素試驗結果進行極差分析，按顯著性排序選出了正交試驗的3個因素——纖維質量配比[A1為50%親水ES纖維+ 48%黏膠纖維+2%中空滌綸、A2為50%親水ES纖維+44%黏膠纖維+6%中空滌綸、A3為50%親水ES纖維+40%黏膠纖維+10%中空滌綸]，熱風溫度(B1為133 ℃、B2為135 ℃、B3為137 ℃)及熱風時間(C1為110 s、C2為120 s、C3為130 s)，并選定上、下纖網層質量組合形式為200 g+100 g。

接著進行正交試驗。確定試驗為三因素三水平試驗，不考慮交互作用，3個因素共占3列，故選取三水平正交表L9(34)最為合適，并設有1空列，可作為試驗誤差以衡量試驗的可靠性。正交試驗表設計如表1所示，其中L代表正交設計，9代表試驗總次數，3代表各因素水平數，4代表因素個數(包含此試驗的3個因素與空白列)。

圖2 試樣制備工藝流程

1.4 性能測試

1.4.1 吸液倍率

參照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分：吸收性的測定》標準，取試樣尺寸為100 mm×100 mm，稱取干燥試樣質量m1，接著將其完全浸沒于純水中，1 min后立即取出并垂直懸掛2 min，稱取此時的試樣質量m2。吸液倍率Lc用試樣所吸收的液體質量與試樣干燥質量之比表示，具體見式(1)。每種試樣測5次，結果取平均值。

(1)

1.4.2 多次吸收速度

參照HLJ-TM-35紙尿褲國際理化性能測試方法，將尺寸為200 mm×100 mm的試樣正面向上平放于試驗臺上，試樣中間部位的上方放置一標準放液漏斗，漏斗下口中心距試樣表面垂直距離為8 mm。往漏斗中加入純水30 mL，打開漏斗節門至最大，同時開始計時，記錄第一次液體全部被吸收的時間t1，以表征第一次吸收速度。靜置5 min后，重復上述步驟，記錄第二次液體全部被吸收的時間t2，以表征第二次吸收速度。每種試樣測5次，結果取平均值。

1.4.3 回滲量

參照GB/T 28004—2011《紙尿褲(片、墊)》標準，準備上濾紙與下濾紙，稱取干燥上濾紙質量m3，將尺寸為200 mm×100 mm的試樣正面向上平放于下濾紙上。試樣中間部位上方放置一標準放液漏斗，漏斗下口中心距試樣表面垂直距離8 mm。往漏斗中加入純水30 mL，打開漏斗節門至最大，5 min后重復上述步驟，10 min后將上濾紙放于試樣表面，并放置標準壓塊，加壓1 min后立即稱取上濾紙質量m4。回滲量M以上濾紙試驗前后的質量差表示：

M=m4-m3

(2)

1.4.4 表面形態

采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡，觀察一體式非織造吸液芯體的表面形態。

2 試驗結果與分析

正交試驗中，各因素不同水平參數組合對應不同指標(吸液倍率、多次吸收速度、回滲量)。數值的平均值用k來表示。如當測試指標為吸液倍率時，k1、k2、k3分別為各因素第一水平、第二水平及第三水平所對應的吸液倍率的平均值。k1、k2、k3的值與該因素的水平變動對試驗指標的影響相關。比較其值的大小，可判斷該因素各水平對試驗指標的影響程度。

2.1 吸液倍率

正交試驗中，9組試樣吸液倍率的測試結果見表2，考慮試驗指標為吸液倍率，k值越大越好。

表2 正交試樣的吸液倍率測試結果

纖網浸入測試液體后，纖維吸收部分液體，纖網中的孔隙儲存部分液體，高吸水樹脂吸收大部分液體。表2中：纖維質量配比列k1值最大，k2、k3較小且依次減小，這是因為黏膠纖維質量分數越大、中空滌綸質量分數越小時，芯體纖維吸收的液體就越多，即吸液倍率越高；熱風溫度列k1值最大，k2、k3較小且差異很小，原因可能是隨著溫度的升高，親水ES纖維表層軟化熔融量逐漸增大，纖維交叉點處黏結面積增大，本試驗中親水ES纖維質量分數達50%，大量的黏結使纖網產生一定的收縮，高吸水樹脂在纖網中被包裹得更緊實，液體的傳遞與吸收受到影響，故吸液倍率下降[11]。熱風時間列k2值最大，k1值次之，k3值較小。

為進一步驗證最優工藝參數是否是在試驗誤差很大的情況下得出，以及各因素水平的變化是否對測試指標具有顯著影響，以空白列為誤差項對吸液倍率進行方差分析，即將數據的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構造F檢驗。F檢驗中統計量F值是各因素均方與誤差均方的比值，結果如表3所示。方差分析結果表明，各因素對吸液倍率的影響程度均顯著，且顯著程度排序為熱風溫度>纖維質量配比>熱風時間，各因素最優工藝參數可選取為A1B1C2。

表3 正交試樣吸液倍率方差分析結果

2.2 多次吸收速度

正交試驗9組試樣多次吸收速度的測試結果如圖3所示，用吸收時間表征吸收速度。

圖3 正交試樣1#～9#多次吸收速度測試結果

由圖3可看出：第一次吸收速度和第二次吸收速度變化趨勢幾乎一致，從1#到9#，兩次吸收速度變化都呈先減少后增大再減少最后增大的變化趨勢。其中，試樣3#多次吸收速度最優。在試樣1#～3#、4#～6#和7#～9#中，試樣7#～9#兩次吸收速度數值的k值均最大，分別為9.58、9.78，試樣1#～3#兩次吸收速度數值的k值均最小，分別為7.71、7.30。考慮到試驗指標為多次吸收速度，該值越小越好，確定選取纖維原料配比第一水平A1為佳；在試樣1#、4#、7#，2#、5#、8#和3#、6#、9#中，試樣3#、6#、9#兩次吸收速度數值的k值均最小，分別為7.37、8.10，故確定選取熱風溫度第三水平B3為佳；在試樣1#、6#、8#，2#、4#、9#和3#、5#、7#中，試樣3#、5#、7#兩次吸收速度數值的k值均最小，分別為7.08、6.97，故確定選取熱風時間第三水平C3為佳。

對正交試樣多次吸收速度進行方差分析，結果如表4所示。纖維原料配比對t2影響顯著，纖維原料配比優水平選取A1；熱風時間對t1影響顯著，熱風時間優水平選取C3；熱風溫度對t1和t2影響不顯著，這可能是因為熱風溫度與熱風時間之間存在交互作用，而這部分誤差歸為隨機誤差，熱風溫度優水平仍選取B3。綜合來看，多次吸收速度最佳工藝參數仍以A1B3C3為佳。

表4 正交試樣多次吸收速度方差分析結果

2.3 回滲量

正交試驗9組試樣回滲量的測試結果如圖4所示。

圖4 正交試樣回滲量測試結果

分析回滲量時，正交試驗的k值越小，顯示其抗回滲性能越優。由圖4可以明顯看出，在試樣1#～3#、4#～6#和7#～9#中，試樣4#～6#回滲量k值最大，試樣7#～9#次之，試樣1#～3#最小，故確定纖維原料配比以A1為佳；在試樣1#、4#、7#，2#、5#、8#和3#、6#、9#中，試樣3#、6#、9#回滲量k值最大，試樣1#、4#、7#回滲量k值最小，故確定熱風溫度以B1為佳；在試樣1#、6#、8#，2#、4#、9#和3#、5#、7#中，試樣1#、6#、8#回滲量k值最大，試樣3#、5#、7#與試樣2#、4#、9#回滲量k值近似相等且較小，故確定熱風時間以C2或C3為佳。

對正交試樣回滲量做方差分析，結果如表5所示。纖維原料配比對回滲量的影響最顯著，纖維原料配比優水平選取A1，熱風溫度與熱風時間對回滲量的影響并不顯著，考慮實際生產成本及生產效率等因素，熱風溫度優水平選取B1，熱風時間優水平選取C2。綜合來看，回滲量最佳工藝參數以A1B1C2為佳。

表5 正交試樣回滲量方差分析結果

2.4 表面形態

以工藝參數為A1B1C2即50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風溫度133 ℃及熱風時間120 s制備的一體式非織造吸液芯體為例，圖5為其表層SEM照片。

從圖5可以看出：高吸水樹脂較均勻地分散在熱風纖網中，高吸水樹脂粒徑比纖網孔隙大得多，且纖網中的親水ES纖維皮層熔融冷卻后在纖維交叉點處產生了黏結點，將高吸水樹脂固定在纖網中，形成了高吸水樹脂立體分布于纖網中的一體結構。

工藝參數A1B1C2制備的一體式非織造吸液芯體兩次吸液后表面及截面照片如圖6所示，可以看到：兩次吸液后芯體表面平整度高，無起坨斷層現象，吸液區域近似圓形，說明纖網中高吸水樹脂分布均勻度高。

圖6 一體式非織造吸液芯體兩次吸液后的照片

為進一步驗證本試驗制備的一體式非織造吸液芯體是否具備良好的吸液性能，將其與市面上的2種熱銷品牌紙尿褲進行對比(表6)，其中試樣①為國外品牌紙尿褲吸收芯層，試樣②為國內品牌紙尿褲吸收芯層，試樣③為本試驗制備的芯體。測試溶液為0.9%(質量分數)氯化鈉溶液，兩次吸收速度測試量均為40 mL。表6的結果表明，本試驗制備的芯體吸液倍率介于試樣①與②之間且遠大于試樣②；其兩次吸收速度分別比試樣②快45.54%和33.61%，比試樣①快29.82%和9.01%。

表6 三種吸收芯層吸液性能對比

3 結論

以黏膠纖維、中空滌綸和親水ES纖維為原料，經梳理成網、在線撒粉及熱風加固工藝，制備吸液后表面平整度高且無凝膠現象的一體式非織造吸液芯體。

(1) 就吸液倍率而言，各因素顯著性排序為熱風溫度>纖維原料配比>熱風時間，最佳工藝參數為50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風溫度133 ℃及熱風時間120 s。

(2) 就多次吸收速度而言，纖維原料配比與熱風時間對其影響顯著，最佳工藝參數為50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風溫度137 ℃及熱風時間130 s。

(3) 就回滲量而言，纖維原料配比對其影響顯著，最佳工藝參數為50%親水ES纖維+48%黏膠纖維+2%中空滌綸、熱風溫度133 ℃及熱風時間120 s。