紙尿褲功能面層材料的研究現狀和進展

劉 燕 李勇翰 余 亮 吳 勝 王新厚 陳長潔

1. 東華大學 紡織學院,上海 201620;2. 浙江珍琦護理用品有限公司,浙江 杭州 311400

隨著我國三胎政策的實施及人口老齡化的加劇,我國衛生用品的需求量逐年增大。對于婦女衛生巾、紙尿褲等一次性衛生用品,其面層作為與人體皮膚直接接觸的材料,舒適性、功能性、健康性顯得尤為重要[1]。近年來,紙尿褲面層材料的這些性能也受到了越來越多的關注。

紙尿褲結構示意見圖1,其通常由面層、導流層、包覆層、吸收芯體和背層等部分組成[2],背層一般包括透氣微孔膜和復合底膜。其中,面層材料應柔軟爽滑,親膚透氣,觸感舒適,并具有優異的吸濕性,不儲水[3],能快速吸收液體并將液體導入下面的導流層或吸收芯體,能在一定程度上阻止液體反滲至紙尿褲的面層,并盡可能地保持人體皮膚表面干爽[4]。

圖1 紙尿褲各部分結構Fig.1 Structure of each part of diapers

目前,市場上的紙尿褲面層材料主要為紡黏非織造材料、熱風非織造材料和水刺非織造材料等。其中,紡黏非織造材料成本較低,其長絲排列緊密,強力高,回滲較少,但手感較差,整體偏硬;熱風非織造材料質地蓬松柔軟,手感較好,但露出的短纖維頭端容易使敏感人群出現皮膚過敏現象[5],且材料不易降解,會造成環境污染;水刺非織造材料手感較為柔軟,且不含化學黏合劑,對人體皮膚刺激較小,其原料目前以棉纖維和黏膠纖維為主,材料吸濕能力強,但吸液后濕熱較難散去,回滲較高,極易形成潮濕環境[6],人體舒適性較差。總之,紙尿褲面層用非織造材料還存在一系列的不足,有待進一步改善和提高。

本文將從速滲干爽、消臭除異味、抗菌護膚及柔軟舒適這4項紙尿褲面層功能入手,綜述它們的研究意義及開發技術。

1 速滲干爽面層

速滲干爽功能指的是,尿液接觸紙尿褲面層后能被迅速吸收,且幾乎沒有液體反滲至面層的上表面。該功能不僅受吸收芯體性能的影響,還與面層的性能密切相關。目前,速滲干爽紙尿褲面層材料的開發技術主要有3D立體結構、打孔及單向導濕等。

1.1 3D立體結構

3D立體結構可以減少人體皮膚與紙尿褲面層之間的接觸面積[7],增加面層的柔軟性和透氣性,此外還可以加快液體的下滲,實現尿液的快速導流。通常,帶有3D立體壓紋的紙尿褲面層用非織造材料是先利用熱軋工藝中帶有不同形狀凸起的壓花輥熱軋,再冷卻定型得到的。且與人體接觸的凸點部分一般進行了拒水處理,這更有利于為人體皮膚提供干爽舒適的環境。

錢程等[8]開發了一種凹凸型熱風非織造材料,可用作紙尿褲的面層。其將刻有凹槽的印花滾筒浸漬拒水劑溶液,利用該滾筒對非織造材料進行拒水處理,使非織造材料上的凸起部位呈拒水性、凹陷部位呈親水性。且凸起部位可以增大下滲和導流的速度。拒水的凸起部位與人體皮膚接觸,可以提供更為干爽的感受。張立[9]開發了一款具有凹凸型親水非織造面層的紙尿褲,其凸起部位呈陣列式分布。該凸起部位內部填充有高分子吸水性樹脂(SAP),能起到支撐的作用,可防止凸起部位受壓塌陷,且凸起部位頂部噴涂有無氟防水劑,這使得與人體皮膚接觸的部分可以保持較好的干爽性。

1.2 打孔

打孔不僅能夠增加紙尿褲面層的透氣性,還能使液體迅速通過孔洞導流至吸收層,減少尿液與皮膚的接觸時間[10]。目前,應用于衛生材料的網孔材料主要有微孔膜和非織造網孔材料兩類。微孔膜的主要成分是聚烯烴,其網孔的形成主要與致孔劑CaCO3顆粒的加入有關。非織造網孔材料的制備技術一般有點刺透法、水刺法和激光打孔法等,其中激光打孔法效率高,成本低,可控性強[11]。現階段,紙尿褲用打孔面層一般采用拒水材料。為了使液體僅從孔洞向下滲透,并在一定程度上減少向面層的反滲,需結合并利用芯體的吸水性能和鎖水性能。有研究[12]表明,將孔洞設置成上寬下窄的漏斗狀,有利于抑制液體的反滲。

王丹等[13]先將脫脂棉通過水刺工藝制備成全棉水刺非織造材料,再采用拒水整理劑NT-X030和拒水增強劑NT-X628進行整理,得到超疏水全棉水刺非織造材料,最后通過激光打孔的方式制得大網孔超疏水非織造材料。測試結果顯示,當網孔直徑為3.0 mm、網孔間距為0.5 mm時,所得材料的液體返滲量為0.08 g、穿透時間為1.53 s,具有速滲快干的特點,非常適用于紙尿褲的面層。曹榆秋等[14]開發了一種含拒水打孔熱風非織造材料面層的紙尿褲。該面層設有若干列圓柱通孔,面層之下的隔濕層表面均勻分布有若干行透水孔,且透水孔為漏斗狀,可以有效地抑制尿液反滲到面層,維持較為干爽的使用環境。何志鋒[15]開發了一種由拒水層(上層)和親水層(下層)黏合成型的紙尿褲用干爽面層,其通過在拒水層設置若干通孔,達到了良好的導流效果,拒水層上的液體能迅速通過通孔進入親水層,同時實現了低反滲。

1.3 單向導濕

單向導濕要求水分傳輸具有單向性,即水分在材料中只能自發地沿著厚度方向傳輸,或由材料的一側向另一側傳輸,反向則無法傳輸[16]。賦予紙尿褲的面層單向導濕性能,可大幅減少尿液的回滲,提高產品的干爽性。

目前,單向導濕非織造材料的制備技術主要有結構設計和化學處理兩種[17]。結構設計主要是利用毛細管直徑的差異或潤濕性的差異,設計出具有導濕梯度的復合結構,從而實現單向導濕功能的[18]。化學處理主要包括后整理和等離子體接枝改性整理等。其中,后整理主要通過使織物正反面的親水性形成較大的差異,從而實現水分的定向傳輸;等離子體接枝改性整理通過對纖維表面進行處理,使纖維表面的自由能升高或降低,織物的潤濕性發生改變[19]。

王先鋒等[20]以聚乳酸(PLA)非織造材料為基布,采用多巴胺親水改性,并結合靜電紡絲技術,制得一種定向導水紙尿褲面層材料。測試結果顯示,該材料具備一側親水、另一側疏水的特性,能形成潤濕性梯度結構,其單向導濕指數為1 409.04%,反向耐水壓為232 Pa。此外,由于PLA材料可以完全降解,故有望解決當前由不可降解合成纖維制備的紙尿褲面層材料所面臨的生態環境問題。孫振云[21]以聚乙烯(PE)/聚酯(PET)拒水纖維為上層材料原料,PE/聚丙烯(PP)親水纖維為下層材料原料,利用熱風穿透黏合工藝,制得雙層復合材料用于紙尿褲面層。研究發現,下層材料中粗纖維含量越多、上層材料的面密度越大,越有利于雙層復合材料形成差動毛細效應,抑制液體的回滲。邱雪寧[22]以親水聚烯烴系(ES)纖維和疏水ES纖維為原料,經各自梳理成網后再平行鋪層,最后分別采用針刺和熱黏合的方式加固復合,制得定向導水材料。研究發現,相同面密度的針刺材料與熱軋材料,前者厚度、孔徑及拉伸斷裂強力更大,液體穿透時間更短,但抗返滲能力略弱于后者。

2 消臭除異味面層

消臭除異味面層主要應用于成人紙尿褲。成人由于排泄量大,更換紙尿褲頻率低,故極易產生異味,因此對成人紙尿褲的消臭除異味性能要求更高[23]。消臭除異味機制主要包括物理吸附、化學反應及掩蓋消臭等[24]。其中,物理吸附即采用具有吸附功能的活性炭、石墨烯等材料制備紙尿褲面層材料,以吸附異味;化學反應即采用特定的物質與異味分子進行反應,使異味物質變成無臭物質,從而達到消臭除異味的目的;掩蓋消臭即利用其他物質如芳香劑的氣味等掩蓋異味。目前,有關紙尿褲的消臭除異味技術多應用于紙尿褲的芯體材料,面層材料應用較少,且主要為物理吸附和掩蓋消臭兩種。

劉靜[25]以β-環糊精為壁材,通過包絡結合法包埋檸檬香精,制得了一種微膠囊;再結合聚丙烯酸酯類黏合劑,利用浸漬法對水刺非織造材料進行芳香整理,得到了一種紙尿褲面層材料。且研究發現,芳香整理的最優工藝為黏合劑質量分數30%、整理劑稀釋倍數80、浸漬時間2 h。芳香整理后,微膠囊黏附非織造材料的效果良好,香味濃郁程度介于微膠囊和未整理非織造材料之間,且放置40 d后,香精質量濃度由0.063 g/L降至0.020 g/L,香味仍有存留,異味改善效果較理想。此外,芳香整理對非織造材料其他性能的影響較小。唐地源等[26]通過浸漬的方式將石墨烯附著到PLA非織造材料上,并在干燥后制得了石墨烯改性非織造材料,可用于紙尿褲面層。石墨烯具有獨特的網狀結構和極高的比表面積,可以吸附和過濾顆粒、細菌和病毒,同時還能吸附異味。徐忠海[27]發明了一種含茶籽精華素的紙尿褲。其通過在紙尿褲面層的表面涂覆以茶籽精華素為主的護膚成分,形成一層防擴薄層,達到了殺菌潤膚和消臭除異味的目的。柯海水[28]發明了一種活性炭負離子茶葉紙尿褲。其通過在紙尿褲面層之下設置活性炭纖維層和負離子纖維層,賦予紙尿褲消炎抗菌、消臭除異味等功能。

3 抗菌護膚面層

目前,賦予紙尿褲面層材料抗菌性的方法主要有兩種:一種是采用天然綠色并具有一定抗菌性的纖維;另一種是采用抗菌整理劑對非織造材料進行后整理。前一種方法制備的抗菌面層材料手感通常較為舒適,無化學劑添加,安全性高,但抗菌效果較差,抗菌譜窄,且材料成本高;后一種方法制備的抗菌面層材料抗菌性更高,但由于抗菌劑直接接觸人體皮膚,可能存在健康安全隱患[29],且消費者認可度不高。

3.1 添加抗菌親膚纖維

抗菌纖維可分為天然抗菌纖維和化學抗菌纖維兩種[30]。部分天然纖維自身就具有抗菌親膚功效,已廣泛應用于服裝、家紡及衛生用品等領域,最常見的有蠶絲、麻纖維及竹纖維等。化學抗菌纖維一般是將抗菌成分通過共混、改性及后整理等方法添加到纖維中得到的。出于安全性考慮,化學抗菌纖維在紙尿褲面層中應用較少。

蠶絲的主要成分——絲肽中含有多種對人體有益的氨基酸,具有天然的抗菌性,且蠶絲對人體的摩擦刺激性是現有纖維中最小的[31]。王婭等[32]以蠶絲短纖為上層材料原料,以ES熱風非織造材料為下層材料原料,通過水刺加固工藝復合,制得了一種新型紙尿褲面層材料。且研究發現,該復合的最優工藝是水刺4道、面密度38 g/m2、上油率1.7%、蠶絲短纖和ES纖維的質量比53∶47。在此工藝條件下,所得蠶絲/ES非織造材料更親膚,并具有護膚和抑菌的功能,其拉伸性能、透氣性能、透水時間和反滲量等都滿足衛生用卷材的要求。

麻纖維具有良好的吸濕性,其也因含有抑菌成分而具有天然的抗菌性。艾志偉等[33]先將漢麻纖維(質量分數45%)與ES纖維(質量分數55%)混合,經梳理成網、熱黏合加固后,得到了一款漢麻熱黏合非織造材料,然后將純ES纖維非織造材料作為上層、漢麻熱黏合非織造材料作為下層,通過復合得到了紙尿褲面層材料。測試結果表明,該紙尿褲面層材料對金黃色葡萄球菌、白念珠菌和大腸埃希菌的抑菌率分別達36.27%、31.58%和37.50%,回滲量為0.43 g,滿足嬰兒紙尿褲測試標準要求。俞晶穎[34]利用漢麻纖維天然的抗菌性,先將漢麻纖維和棉纖維梳理成網后水刺加固,再進行柔軟整理,得到了一款衛生用非織造材料。且試驗結果表明,當漢麻纖維質量分數為50%時,該非織造材料對大腸埃希菌的抑菌率達94%。

竹纖維本身也具有抗菌功效,可以有效抑制細菌的滋生,且竹纖維內部超細的微孔結構[35]可以吸附有害物質和異味。張歡[36]開發了一款含不漂白竹纖維的紙尿褲,面層即為竹纖維水刺非織造材料,其充分利用了竹纖維天然的抗菌、保濕及散熱等性能。

3.2 抗菌整理

天然抗菌纖維雖具備一定的抗菌性,但抗菌效果不強。目前,應用廣泛的抗菌纖維及抗菌非織造材料一般是通過后整理手段實現的。抗菌劑的添加能提高織物的抗菌效果[37],且抗菌范圍更廣,功能更完善。現有抗菌整理方法包括浸漬法、涂層法、表面改性法、微膠囊整理法及復合法等。

葉文婷[38]通過靜電紡絲工藝,將聚丙烯腈(PAN)/雙癸基二甲基氯化銨(DDAC)微納米纖維抗菌材料復合到ES非織造材料上,制得一種微納米纖維復合抗菌非織造材料。且試驗發現:最優靜電紡絲工藝條件為PAN溶液質量分數14%、接收距離18 cm、紡絲電壓12 kV;當PAN質量分數為5%時,含DDAC的靜電紡微納米纖維材料的抗菌效果最好,其對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率都大于99.99%。鞠林昕[39]先以木棉纖維和棉纖維為原料,經梳理成網、水刺加固等工藝制得非織造材料后,再對非織造材料進行基于聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亞胺(PEI)共沉積的載銀抗菌整理及金銀花提取液抗菌整理。結果發現:經載銀抗菌整理的非織造材料,對金黃色葡萄球菌的抑菌率達99.9%,而經金銀花提取液抗菌整理的非織造材料,對金黃色葡萄球菌的抑菌率達82.3%。兩者都能賦予織物較好的抗菌性。

3.3 添加護膚成分

目前,一般采用直接涂覆法在紙尿褲的面層添加護膚成分。當護膚成分遇到水分后,其會溶解并黏附于人體皮膚和紙尿褲的表面,避免肌膚被水分浸泡,起到了抑菌和護膚的功效。

劉洲福[40]在紙尿褲生產線中將由乳木果油制成的膏體加熱溶解,并均勻涂抹于紙尿褲的面層,制得了一款乳木果油紙尿褲。當遇到尿液時,該紙尿褲表層上的膏體會溶解并黏附于皮膚之上,在皮膚表面形成一層保護層,起到護膚的作用,達到預防和緩解尿疹的效果。俞勵平等[41]發明了一種設置有護理膏層的紙尿褲。該護理膏溶于水,并能在遇水后逐漸變成黏稠、潤滑的液體,所釋放的功效成分對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌能起到較強的抑制作用。

4 柔軟舒適面層

柔軟舒適功能主要是針對紙尿褲面層用紡黏非織造材料和熱風非織造材料而言的,因為相對于手感柔軟的水刺非織造材料,未經處理的紡黏非織造材料一般手感較硬,舒適性差,熱風非織造材料手感雖較為蓬松,但不夠爽滑。目前,制備紙尿褲面層用柔軟型非織造材料的技術主要包括兩種:雙組分紡絲與降低纖維卷曲度。

4.1 雙組分紡絲

通過雙組分紡絲技術制備非織造材料,可改善非織造材料的結構,使纖網內纖維形成有效、均勻的黏合。所得材料蓬松度高,表面均勻,舒適柔軟[42],且不含樹脂加工劑,故非常適合用作衛生用品或接觸皮膚的表層材料。

Zhen等[43]在熔噴過程中將PE聚合物與PP共混,以改善PP非織造材料的柔軟性。試驗發現,在較高的模具溫度下,PE的加入破壞了PP的結晶結構,使得到的非織造材料更加蓬松,且柔軟度與純PP非織造材料相比有較大提升。該材料在紙尿褲、衛生巾等產品中具有很大的應用潛力。Duo等[44]以高收縮聚酯(HSPET)和聚酰胺6(PA6)為原料,通過雙組分紡黏水刺技術制備了一款HSPET/PA6超細纖維非織造材料。研究發現,HSPET/PA6超細纖維非織造材料經沸水處理后,其中的HSPET組分收縮,在非織造材料表面形成立絨,材料內部結構變得相對蓬松,柔軟度得到大幅提高。

4.2 降低纖維卷曲度

非織造材料的舒適性會因短纖維卷曲度的不同而有所不同。研究[45]表明,降低熱風非織造材料中纖維的卷曲度,可以有效降低非織造材料的摩擦性能,這對改善非織造材料的手感有很大的幫助,其能使非織造材料既具備熱風非織造材料的蓬松綿柔,又具有紡黏非織造材料的絲柔爽滑。目前,改變制備工藝參數可調整纖維的卷曲度。

劉歡等[46]通過控制工藝降低了皮芯結構聚乙烯/聚酯纖維的卷曲度,從而改變非織造材料的手感。其研究發現,當熱風溫度為135 ℃、熱風風機頻率為25 Hz、加熱時間為3 min時,聚乙烯/聚酯纖維的卷曲度從19.08%降低到12.08%,材料的縱向平均摩擦因數減小了22.4%,材料在保留了熱風非織造材料蓬松性的同時還兼具紡黏非織造材料手感爽滑的特點,且力學、透氣、透濕等性能幾乎不受影響。齊晶晶[47]通過改變熱風非織造材料生產過程中錫林與工作輥的速比、熱風風機頻率和熱風溫度等工藝參數,制得不同卷曲度的ES纖維,并以其為原料開發了熱風非織造材料。研究發現,纖維生產的最優工藝參數為錫林與工作輥速比11.67、熱風風機頻率42 Hz、熱風溫度133 ℃。纖維卷曲度的減小有利于改善所得熱風非織造材料的柔軟性和摩擦性。

5 結語

紙尿褲面層直接與人體皮膚接觸,其在整個紙尿褲結構中扮演著十分重要的角色,是實現紙尿褲功能的第一個環節。目前,紙尿褲功能面層材料品種雖層出不窮,但仍存在一些不足。

整體來看,紙尿褲面層的功能目前過于單一,難以滿足消費者對多功能產品的需求,應加大多功能材料的研發;廢棄紙尿褲的處理問題也日益成為關注的焦點,后期研發應更注重可降解材料如聚乳酸纖維等的應用;此外,紙尿褲智能化方面還有所欠缺,若使用過程中能自發地提醒使用者及時更換紙尿褲,則能一定程度地減少皮膚問題。

具體來看,3D立體結構面層加工技術要求高,且成本高;打孔面層對芯體鎖水能力依賴性較大,若芯體鎖水能力欠佳,則液體可能從孔洞中反滲上來;單向導濕面層的親疏水化學整理可能導致材料的手感變差,且整理劑應確保對人體無害;消臭除異味面層目前研究較少,該材料在成人輕度失禁紙尿褲領域有廣闊的應用前景;抗菌護膚面層方面,天然抗菌纖維雖安全可靠但抗菌效果欠佳,化學抗菌整理劑對人體有潛在的危害,因此可考慮使用天然綠色抗菌提取物進行抗菌整理,或將抗菌整理層置于面層之下,避免人體皮膚直接接觸;柔軟舒適面層大多采用細旦纖維制備,其他方法如雙組分紡絲或降低纖維卷曲度等方法對生產工藝要求高且較復雜,故研究較少,可轉向研究納米級熔噴非織造材料。

總之,紙尿褲面層未來應向著多功能化、智能化、綠色安全、環保可降解等方向不斷邁進。