王一行， 沈嘉俊， 王玉萍， 靳向煜， 1b

(1. 東華大學 a.紡織學院;b.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620; 2. 浙江王金非織造布有限公司，浙江 湖州313000)

吸收性衛(wèi)生用品是一種經(jīng)濟和社會發(fā)展的必然產(chǎn)物，可為人們的生活帶來便利和舒適性。吸收性衛(wèi)生用品包括嬰兒紙尿褲/片、女性衛(wèi)生用品和成人失禁用品[1-3]。據(jù)中國造紙協(xié)會統(tǒng)計，2019年我國吸收性衛(wèi)生用品的市場規(guī)模(市場總銷售額)已達1 188.7 億元。隨著二胎政策的開放、人口老齡化的來臨以及人們消費觀念的改變，吸收性衛(wèi)生用品市場將會進一步擴大，預(yù)計市場規(guī)模將突破 1 300 億元[4]。

吸收芯體要求具有快速吸收液體和儲存液體的功能，作為吸收性衛(wèi)生產(chǎn)品的核心所在，它的性能好壞直接決定最終產(chǎn)品的優(yōu)劣[5-6]。目前吸收芯體大致分為兩類，即棉芯體和復(fù)合芯體。棉芯體主要是由木漿和高吸水樹脂(super absorbent polymer， SAP)混合后經(jīng)包覆材料包覆形成的芯體結(jié)構(gòu)；復(fù)合芯體由上至下依次為無塵紙層、上層SAP1、蓬松布層、下層SAP2和無塵紙層，每層直接通過熱熔膠黏合，最終組成一種新型的復(fù)合芯體結(jié)構(gòu)[7-8]。

在吸收芯體中，SAP起關(guān)鍵性作用，其是由交聯(lián)的親水性聚合物組成的高分子材料，吸水能力可為自身質(zhì)量的百倍乃至千倍。相比一般的吸水材料，SAP呈疏松的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使其在吸水后能夠呈現(xiàn)出超強的保水性能[9-10]。當SAP與水分子接觸時，其高分子鏈上大量的親水性基團將與水分子結(jié)合形成氫鍵從而產(chǎn)生化學吸附，使得SAP的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在水中不斷地伸展；再由于靜電作用，親水基團的不斷電離使得SAP內(nèi)部陽離子濃度遠大于水分子濃度，導(dǎo)致內(nèi)外滲透壓出現(xiàn)差異，加速了水分子與SAP的結(jié)合，SAP的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得到進一步舒展；隨著陽離子的進一步電離，待內(nèi)外滲透壓達到平衡時，SAP吸水達到飽和并形成水凝膠[11-12]。

目前吸收芯體存在的主要問題包括：SAP吸水后形成的凝膠具有阻水作用，上層SAP1吸水后形成的凝膠妨礙了水分的向下傳導(dǎo)，導(dǎo)致下層的SAP2無法有效地吸收水分。因此，須用另一種材料為SAP提供三維的空間分散分布，以減緩凝膠的堵塞現(xiàn)象，從而使液體可快速向下傳導(dǎo)，最終提高芯體的吸收性能。制備不同原料質(zhì)量配比以及不同面密度的三維網(wǎng)孔熱風非織造布，并將其用作吸收芯體的中間層，通過將SAP撒入試樣內(nèi)部形成一種空間的分散分布，研究三維網(wǎng)孔熱風非織造布的空間構(gòu)造在吸收芯體中的作用及其對吸收芯體吸液性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣材料

聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)皮芯纖維(線密度為3.33 dtex，長度為51 mm)；三維卷曲中空滌綸纖維(線密度為8.99 dtex，長度為64 mm，卷曲率為19%，中空度為30%)；面密度為30 g/m2的水刺非織造布(50%黏膠/50%滌綸)，山東德潤新材料有限公司；面密度為30 g/m2的ES熱風非織造布，山東德潤新材料有限公司；SAP1(型號：CAW3020)，日本觸媒化工有限公司；SAP2(型號：CAW2020)，日本觸媒化工有限公司；多用途噴膠，3M中國有限公司；去離子水；固體氯化鈉，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 制備方法

1.2.1 三維網(wǎng)孔熱風非織造布的制備

三維網(wǎng)孔熱風非織造布的制備工藝流程如圖1所示。選用PP/PE皮芯纖維(簡稱PP/PE纖維)和三維卷曲中空滌綸纖維(簡稱滌綸纖維)共混制備三維網(wǎng)孔熱風非織造布。將PP/PE纖維和滌綸纖維按照一定的質(zhì)量配比(80/20和70/30)混合喂入開松機，隨后經(jīng)組合式雜亂梳理成網(wǎng)，即通過雜亂羅拉和凝聚羅拉高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流效應(yīng)使纖維卷曲、變向混合[13]，再經(jīng)過鋪網(wǎng)工序后進入熱風機進行熱黏合加固，熱風溫度設(shè)置為135～ 155 ℃，以確保PP/PE纖維中PE皮層熔融而PP芯層不被破壞，冷卻后卷繞得到三維網(wǎng)孔熱風非織造布[14]，如圖2所示。

圖1 三維網(wǎng)孔熱風非織造布的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of hot air nonwovens with three-dimensional mesh

(a) 三維網(wǎng)孔熱風非織造布

(b) ES熱風非織造布

相比ES熱風非織造布，三維網(wǎng)孔熱風非織造布的蓬松度和厚度更大，自然狀態(tài)下厚度約為11.33 mm，是普通熱風非織造布的5倍，并且三維網(wǎng)孔熱風布非織造布為多孔結(jié)構(gòu)，透過非織造布表面網(wǎng)孔可以看到底部的網(wǎng)格線。表1為根據(jù)上述工藝流程制備的5種三維網(wǎng)孔熱風非織造布試樣的基本參數(shù)。

表1 三維網(wǎng)孔熱風布非織造布試樣的基本參數(shù)

1.2.2 復(fù)合吸收芯體的制備

制備的復(fù)合吸收芯體結(jié)構(gòu)由上至下依次為水刺非織布、高吸收速度高擴散SAP1、三維網(wǎng)孔熱風非織造布、高吸液高保液SAP2和水刺非織布，各層之間通過氣溶膠進行黏合，在黏結(jié)過程中噴灑較少量的氣溶膠即可達到較好的黏結(jié)效果，氣溶膠對產(chǎn)品的吸收性能影響較小，可以忽略。保持上下層材料和添加的SAP不變，僅改變中間層材料，制備得到4種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合吸收芯體，結(jié)合商用的普通棉芯體，共計5種芯體結(jié)構(gòu)。表2為5種吸收芯體的基本參數(shù)。

表2 5種吸收芯體的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the five absorbent cores

1.3 測試與表征

1.3.1 表面形態(tài)

采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡，觀察三維網(wǎng)孔熱風非織造布及SAP顆粒的表面形態(tài)。

1.3.2 厚度

根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，采用YG 141D型織物厚度儀測試試樣的厚度，壓片重25 cN。

1.3.3 壓縮率和壓縮彈性率

根據(jù)GB/T 24442.1—2009《紡織品 壓縮性能的測定 第1部分：恒定法》，采用YG 141D型織物厚度儀測試試樣的壓縮率和壓縮彈性率。壓腳面積為100 cm2；輕壓壓力為0.02 kPa，加壓時間為10 s；重壓壓力為1.00 kPa，加壓時間為60 s；恢復(fù)時間為60 s。具體測試方法：先輕壓10 s后測試輕壓厚度d0，再重壓60 s后測試重壓厚度dm，然后卸除壓力恢復(fù)60 s后再測試恢復(fù)厚度dt。每塊試樣測5次，取平均值。根據(jù)式(1)和(2)計算試樣的壓縮率C和壓縮彈性率R。

(1)

(2)

1.3.4 蓬松度

在對試樣施加一定時間的壓力作用后，去除加載的負荷并測量此時試樣的厚度，同時計算試樣的體積與質(zhì)量之比。試樣的蓬松度按照式(3)進行計算，測試3組試樣并求其結(jié)果的平均值。

(3)

式中：p為試樣蓬松度，cm3/g;h0為試樣四角的高度平均值，mm;m為試樣的質(zhì)量，g。

1.3.5 液體吸收時間及回滲量

通過模擬實際中嬰兒使用紙尿褲的情況，參照GB/T 28004—2011《紙尿褲(片、墊)》，設(shè)計搭建芯體吸液時間及回滲量測試裝置，如圖3所示。該裝置由1根注液管、4個砝碼、1個底座和1個標準壓塊組成，其中注液管和底座均為合成樹脂材料。注液管外直徑為3 cm，內(nèi)直徑為2 cm，管高為26.3 cm，底座直徑為13 cm，厚度為1.4 cm；每個砝碼的質(zhì)量為500 g；標準壓塊的質(zhì)量為1.2 kg，直徑為100 mm。嬰兒紙尿褲的吸收芯體寬度約為10 cm。當嬰兒使用紙尿褲并對其產(chǎn)生約1.5 kPa壓強時，計算得出產(chǎn)生約1.5 kPa壓強所需的壓力為19.9 N，為保證均勻施壓，選用4個質(zhì)量為500 g的砝碼作用于裝置底座。該裝置注液管一次性所能容納的液體體積為82.6 mL，標準GB/T 28004—2011《紙尿褲(片、墊)》中嬰兒紙尿褲最大的試驗取液量為80 mL，因此滿足標準要求。

圖3 芯體吸液時間及回滲量測試裝置示意圖Fig.3 Schematic of test device for core liquid absorption time and the amount of repermeability

2 結(jié)果與討論

2.1 三維網(wǎng)孔熱風非織造布的性能表征

2.1.1 表觀形態(tài)

PP/PE纖維和滌綸纖維經(jīng)熱風加固成形的三維網(wǎng)孔熱風非織造布以及嵌有SAP的三維網(wǎng)孔熱風非織造布的掃描電子顯微鏡圖如圖4所示。由圖4可以看出：三維網(wǎng)孔熱風非織造布上有明顯的熱熔黏結(jié)點，并且纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)雜亂。由此可見，選用PP/PE纖維通過熱風熔融進行黏結(jié)可為試樣提供一定的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，從而使試樣具有一定的強力。滌綸纖維可為其提供一定的蓬松度和壓縮回彈性能。此外，SAP顆粒成功嵌入了三維網(wǎng)孔熱風非織造布的內(nèi)部。試樣的多網(wǎng)孔立體結(jié)構(gòu)可使SAP散落至材料的內(nèi)部，材料內(nèi)部纖維的交錯糾纏又可以起到阻攔SAP的作用，最終部分SAP被有效保留到三維網(wǎng)孔熱風非織造布的內(nèi)部。

(a) 三維網(wǎng)孔熱風非織造布的黏結(jié)現(xiàn)象

(b) 嵌有SAP的三維網(wǎng)孔熱風非織造布

2.1.2 厚度、壓縮率和壓縮彈性率

三維網(wǎng)孔熱風非織造布的厚度、壓縮率及壓縮彈性率與試樣面密度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，當PP/PE纖維和滌綸纖維的質(zhì)量配比為80/20時，制得面密度為30 g/m2的三維網(wǎng)孔熱風非織造布試樣的厚度較小，三維結(jié)構(gòu)不明顯。后續(xù)提高試樣面密度并加大滌綸纖維的添加量，以PP/PE纖維與滌綸纖維質(zhì)量配比為70/30制得面密度分別為35、 40、 45和50 g/m2的三維網(wǎng)孔熱風非織造布試樣。以滌綸纖維質(zhì)量分數(shù)為30%的條件制得的試樣的壓縮率均達到60%左右，壓縮彈性率接近90%，并且在相同的原料配比下，隨著面密度的增加，試樣的厚度、壓縮率及壓縮彈性率均呈遞增趨勢。

圖5 三維網(wǎng)孔熱風非織造布的厚度、壓縮率及 壓縮彈性率與面密度的關(guān)系Fig.5 Relationship between thickness， compressibility and compressive elasticity of hot air nonwovens with three-dimensional mesh and areal density

2.1.3 蓬松度

圖6 三維網(wǎng)孔熱風布的蓬松度與面密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between bulkiness of three-dimensional mesh hot air nonwoven and areal density

三維網(wǎng)孔熱風非織造布的蓬松度與面密度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，隨著三維網(wǎng)孔熱風布面密度的增加，蓬松度逐漸增大。進一步分析可以發(fā)現(xiàn)：雖然試樣a和b的面密度只相差5 g/m2，但是試樣b的蓬松度卻是試樣a的兩倍之多；而纖維質(zhì)量配比相同的b、 c、 d、 e等4種試樣，隨面密度增加，其蓬松度的變化并不明顯。這說明滌綸纖維在三維網(wǎng)孔熱風非織造布的蓬松度中起關(guān)鍵作用，滌綸纖維質(zhì)量占比的增加能夠明顯增大三維網(wǎng)孔熱風非織造布的蓬松度。這主要是由于該滌綸纖維的卷曲度較大，能夠使非織造布具有較大的彈性，可以增大纖維之間的間隔，從而獲得較好的蓬松度，而相同的纖維質(zhì)量配比下，隨著試樣面密度的增大，單位面積上的滌綸纖維數(shù)量增多，試樣的厚度也逐漸增大，故而蓬松度的增幅不明顯。

2.2 SAP及復(fù)合吸收芯體的性能

2.2.1 三維網(wǎng)孔熱風非織造布對凝膠堵塞的影響

為改善凝膠堵塞現(xiàn)象以提升芯體整體的吸收性能，制備了三維網(wǎng)孔熱風非織造布，通過多層添加SAP的方式降低SAP的堆積密度，以使SAP呈分散狀分布，從而解決SAP吸液后造成的凝膠堵塞問題。設(shè)計2組試驗：(1)在150 mL燒杯①中加入5 g的SAP；(2)在150 mL燒杯②中先加入2 g SAP，再加入三維網(wǎng)孔熱風非織造布，然后再次撒入3 g SAP。分別在上述兩個燒杯中加入40 mL質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液，5 min后再分別添加1次相同的NaCl溶液。試驗過程及最終結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可以看出，在純SAP中加入液體后，上層SAP迅速吸水膨脹并形成凝膠層，最底部的SAP因未接觸水分而仍然保持顆粒狀。這主要是因為SAP堆積密度較高，且吸液后形成的凝膠拒水，不利于液體的擴散。采用SAP與三維網(wǎng)孔熱風非織造布的組合結(jié)構(gòu)時，加入液體后擴散效果較好，且底層的SAP也可吸收到一定的液體，可見此種組合結(jié)構(gòu)對于凝膠堵塞現(xiàn)象有一定的緩解作用。這是因為采取分層添加SAP的方式，可在一定程度上降低SAP的堆積密度，同時，三維網(wǎng)孔熱風非織造布的多孔隙結(jié)構(gòu)為液體的擴散提供了“導(dǎo)流”通道，有助于液體的快速擴散。

(a) 試驗組1

(b) 試驗組2

2.2.2 吸液前后復(fù)合吸收芯體的形態(tài)變化

復(fù)合吸收芯體在吸液后由于SAP的吸水膨脹，厚度會有所增加，表面形態(tài)也會發(fā)生一定變化，其中芯體的厚度及吸液后芯體的平整度是吸收性衛(wèi)生產(chǎn)品舒適性的重要指標。復(fù)合吸收芯體吸液前后形態(tài)變化如圖8所示。

由圖8可以看出：在未吸液的情況下，加入三維網(wǎng)孔熱風非織造布的復(fù)合吸收芯體4#的自然厚度約為5.76 mm，略低于市面上的普通棉芯體，較為輕??；吸液后，由于SAP吸液膨脹，復(fù)合吸收芯體的厚度增加，但也低于5#普通棉芯體，不會在使用過程中產(chǎn)生厚重感。由圖8(a)可以看出，吸液后1#試樣的表面不平整，有起坨現(xiàn)象，且縱向擴散長度較大。這主要是由于加液點處的SAP吸水后形成凝膠，水分向下傳導(dǎo)困難，開始沿試樣縱向兩邊擴散，最終多被上層其他處的SAP吸收，而底層部分SAP尚未接觸到水分，無法被有效利用。4#試樣在吸液之后表面平整且無起坨現(xiàn)象，這是因為三維網(wǎng)孔熱風非織造布作為中間層骨架，將吸液后的SAP凝膠限制在三維網(wǎng)孔熱風非織造布的內(nèi)部，因此復(fù)合吸收芯體整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

(a) 1#、 4#試樣吸液前后的形態(tài)變化

(b) 1#～5#試樣吸液前后的厚度

2.2.3 液體吸收時間

試樣的液體吸收時間測試結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，第2次加液的吸收時間t2大于第1次加液的吸收時間t1。這主要是因為第1次加液后，上層的SAP迅速吸收液體，液體被吸收所需時間較短，而在第2次加液時，上層的部分SAP已經(jīng)達到吸水飽和并且膨脹變大引起凝膠堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致水分向下擴散的速度減小，從而延長液體吸收時間。

圖9 1#～5#試樣的液體吸收時間Fig.9 Liquid absorption time of sample 1#-5#

由圖9可知，1#試樣兩次的吸收時間最長。這是因為1#試樣無中間層，SAP緊密堆積在一起，導(dǎo)致上層的SAP吸水后形成凝膠，阻礙水分向下傳導(dǎo)，故液體吸收時間延長。2#試樣中間層加入了ES熱風非織造布，在一定程度上降低了液體的吸收時間，這說明將SAP一定程度的分散可以有效緩解凝膠堵塞現(xiàn)象，加快液體的吸收。3#、 4#試樣加入了三維網(wǎng)孔熱風非織造布，其吸收時間大大縮短。其中：4#試樣的第2次吸收時間t2接近第1次的吸收時間t1，兩次吸收時間均在5 s以內(nèi)；4#試樣的總吸收時間相比未添加中間層的1#試樣縮短了約90%，相比5#普通棉芯體縮短了約70%。這是因為：加入三維網(wǎng)孔熱風非織造布的芯體結(jié)構(gòu)中SAP呈分散狀分布，吸液膨脹后不會緊密堆積形成凝膠壁，故不存在凝膠堵塞現(xiàn)象；同時，三維網(wǎng)孔的三維立體結(jié)構(gòu)為液體提供了更多的“導(dǎo)流”通道，使得液體向下傳導(dǎo)的路徑更多，更易傳導(dǎo)，且穿插在SAP之間的纖維也可起到很好的“導(dǎo)流”作用。

2.2.4 回滲量

回滲量是指芯體在吸收液體后在一定壓力作用下，水分再次回滲到芯體表面的量，回滲量越小，芯體表面越干爽，皮膚舒適感越好，不易出現(xiàn)皮膚過敏等問題[15]。試樣的回滲量測試過程及結(jié)果如圖10所示。

(a) 回滲量測試過程

(b) 回滲量

由圖10可知：1#～4#試樣的回滲量較小，均低于0.5 g; 5#試樣的回滲量(2.0 g)較大。1#～4#試樣采用純SAP顆粒的結(jié)構(gòu)，芯體試樣吸收液體后，水分被SAP持有，在一定壓力下不易流失，回滲量較小；5#試樣采用SAP+木漿結(jié)構(gòu)，加入木漿纖維后，一部分水分被木漿纖維所持有，而木漿的加壓保水能力較弱，在加壓條件下，水分流失，試樣回滲量較大。由此可見，SAP的加壓保水能力較強。

3 結(jié) 論

(1) 三維卷曲中空滌綸纖維對三維網(wǎng)孔熱風非織造布的蓬松度起到了關(guān)鍵作用，提高面密度或增大中空滌綸纖維的添加比例，三維網(wǎng)孔熱風非織造布的厚度、蓬松度、壓縮率和壓縮回彈性均有所增大。以PP/PE纖維和中空滌綸纖維質(zhì)量配比70/30為條件制得的面密度為50 g/m2的三維網(wǎng)孔熱風非織造布，其蓬松度為81 cm3/g，具有較好的三維立體結(jié)構(gòu)，厚度是ES熱風非織造布的5倍。

(2) SAP吸水后會形成凝膠，當吸水達到飽和時，凝膠堆積形成拒水層，阻礙了水分子的向下傳導(dǎo)，形成的凝膠堵塞現(xiàn)象會增加吸收芯體吸收時間，降低吸收芯體中SAP的利用率，將SAP均勻分散有助于解決此問題。

(3) 三維網(wǎng)孔熱風非織造布的立體多孔結(jié)構(gòu)可使SAP在其內(nèi)部形成一種多平面分散狀，在降低SAP堆積密度的同時可為液體提供更多的“導(dǎo)流”通道，此種結(jié)構(gòu)在SAP吸水后不會發(fā)生凝膠堵塞現(xiàn)象，將其應(yīng)用于復(fù)合芯體之中可大大縮短芯體的吸收時間，減少回滲量，且三維網(wǎng)孔熱風非織造布的纖維結(jié)構(gòu)可起到一定的骨架作用，芯體吸液后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免起坨現(xiàn)象的產(chǎn)生，對于紙尿褲等吸收性用品而言具有重要意義。