Katarzyna Dobrosielska-Oura博士 巴斯夫欧洲公司

纸尿裤芯层吸收液体的速度与漩涡时间相关吗?

Diaper Core Liquid Acquisition Speed and Vortex Time

Katarzyna Dobrosielska-Oura博士 巴斯夫欧洲公司

*编者注：巴斯夫欧洲公司位于德国路德维希港，系巴斯夫集团总部所在地。

漩涡时间[1][即烧杯中2g高吸收性树脂（SAP）将搅动的50g液体（0.9％盐水溶液）变成凝胶所需的时间] 是经常被用来确定SAP之间差别的方法，而一种流行的观点是漩涡时间越短，液体吸收的速度越快。但是，如果没有准确理解漩涡时间的定义以及其与纸尿裤的吸收速度的相关性，可能会造成很大误解。

现在的纸尿裤液体吸收速度（液体被吸入纸尿裤芯层的速度）需要进行优化，才可减少渗漏的概率。消费者希望纸尿裤是完全没有渗漏的。很明显，如果液体能被纸尿裤芯层快速吸收并锁住，就不会渗漏。因此，重要的是纸尿裤能快速吸收尿液，而且具有足够的吸收量，从而在使用状态下能吸收先后几次排泄的尿量。

如何能根据现有原材料的特性预测纸尿裤的性能来设计纸尿裤呢？SAP的哪些特性能让纸尿裤达到最佳防漏并且保持表面干爽呢? 20多年前就有几位研究者试图回答这些问题[2][3]。

在本文中，巴斯夫研究了单一的SAP的漩涡时间与液体在纸尿裤芯层的吸收速度的相关性。漩涡时间这个指标已经提出很多年了，但是我们最近在纸尿裤市场上观察到的情况与人们普遍期待使用漩涡时间来预测纸尿裤性能方面的作用并不一致。

纸尿裤芯层的功能[4]

纸尿裤的主要部分是芯层，作用是吸收尿液并防止在使用状态下出现液体渗漏。传统纸尿裤芯层的两个主要组成部分是SAP和绒毛浆，它们具备两种不同的液体吸收方式。绒毛浆的作用主要像海绵，能快速吸收液体，但在被压缩时，会快速释放液体，它是作为一个快速、可逆转的临时储水结构，有限量的吸收储存纸尿裤使用者快速排泄的尿液。而SAP膨胀比较慢，吸收进去的尿液就会不可逆转地锁在SAP颗粒里面，在纸尿裤芯层中形成固体凝胶。由于液体被牢牢地锁在凝胶中，因此在受压条件下液体也仍然保持在里面。SAP具有很高的吸液能力，使得今天的纸尿裤使用非常方便。但是它的特性限制了液体传导能力。

一开始，液体被芯层吸收的速度一般非常快，这是因为亲水性绒毛浆纤维通过毛细作用（灯芯效应）以及纤维素的开孔结构（排水）进行优良的传导而造成。但是，已经润湿的芯层液体吸收速度就非常慢了，因为在第一次液体吸收后，芯层结构就发生了变化，影响了后续的液体吸收能力。膨胀中的SAP颗粒填满了绒毛浆纤维之间的空间，从而减少了芯层中的空隙容积。绒毛浆纤维网的强度明显降低，失去弹性，在液体重量的作用下逐渐塌陷。这就限制了液体的输送，因为输送只能通过间隙和通道进行，而不能通过膨胀的SAP颗粒进行。因此，SAP实际上不但充当了一个不可逆转的液体储存器，也成为纸尿裤芯层中液体传导的阻碍。因为尿液传导不充分，所以我们看到的结果就是芯层的很多部分都未能有效地用于存储液体。已经润湿的结构对液体吸收的速度太慢，使其不能充分地接纳后面排泄的液体。正常使用条件下，婴儿经常多次排泄，现代纸尿裤的芯层在设计上不仅能处理第一次排出的尿液，而且还能吸收后面多次排出的尿液，因此能使用一整夜而不需要更换。就是这个原因，漩涡时间适中的SAP比漩涡时间短的SAP更适合提升纸尿裤的性能。因为漩涡时间短的SAP可能导致凝胶堵塞，影响液体传导。随着芯层中SAP的比例提高或混合不均匀，凝胶堵塞效应变得越来越明显。

长期以来，市场上的需求趋势是越来越薄的纸尿裤很受欢迎，这就要求使用更高比例的SAP，同时相应减少绒毛浆的用量，因此同时保持高效的液体吸收和传导功能的任务就变得更加困难。

SAP含量高/绒毛浆含量低的芯层的吸水特性可以通过加入一个导流层（ADL）而获得显著提高。导流层通常是一个蓬松的非织造布材料，具有多孔的间隙，即使在润湿后也不会失去孔隙度（即空隙空间），因此可以承担多次连续的尿液排泄，而不会造成最初吸收和液体分散后的纸尿裤表层结构塌陷[5]。

导流层对纸尿裤性能的影响

使用导流层能提高纸尿裤中液体的处理能力，方法是临时储存液体，然后协助液体分散到吸水芯层上面，然后有效地输送到下面的储存层中。可观察到的效果是液体吸收的速度更快、芯层面积的利用率更高，具体见图1。

图1　导流层和芯层内的液体输送和分散

分层的功能结构需要快速地对接收到的尿液作出反应，确保快速的初始吸收、保持表层干爽、并通过吸入储水芯层而让导流层快速脱水（以便接收更多的尿液）[6]。

这是导流层一个非常重要的特性，因为尿液的排泄很快，并需要预留足够的空隙空间才可快速把尿液吸收。现今的纸尿裤因不同地域的习惯和纸尿裤的设计，导流层的类型、尺寸、形状和结构各有不同。

我们用商业生产的纸尿裤SAP–芯层占比为35％的HySorb®R7059进行试验，以观察导流层在芯层表面积所占的比例对纸尿裤性能的影响程度。用来做比较的纸尿裤样品没有导流层。试验用纸尿裤按以下方法准备：纸尿裤样品，在芯层上面分别放不同尺寸定量为60g/m2的热风非织造布导流层，盖住排尿点（排泄点）；然后将非织造布表层放回纸尿裤中。选择导流层的尺寸，分别覆盖芯层表面积的10％、30％、50％和70％。图2显示了导流层占芯层表面积50％的纸尿裤的示例。测量带导流层和不带导流层的纸尿裤样品的吸收情况（穿渗速度和回渗），可以观察到两者的巨大差别。

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图2　导流层（蓝色非织造布）占芯层表面积50％的试验用纸尿裤

测试方法：常压回渗和加压回渗，常压穿渗（吸收速度）和加压穿渗（吸收速度）

我们根据评估纸尿裤性能的欧洲标准规程，将纸尿裤平放进行测试。评估了多次（最多5次）排泄后纸尿裤的干爽度、以及（通过观察排尿点的情况取得的）吸收时间。试验以可重现性模拟了纸尿裤真实的使用状况（见图3）。

图3　为测量纸尿裤的吸收性能而准备的常压穿渗（吸收速度）和加压穿渗（吸收速度），常压回渗和加压回渗试验装置

首先将纸尿裤摊平放在桌上，用塑料圆柱筒将测试液体（0.9％盐水溶液）滴到排尿点上，不用压力（回渗和穿渗速度）或使用0.7psi的外部压力（加压回渗和加压穿渗速度），观察和手动测量每次加入溶液的吸收时间（第一次的液体量为100mL，后面4次每次50mL）。加压回渗（是指纸尿裤吸收液体后，在0.7psi的外部压力下渗出的液体量）在每次注入液体10min后测定。

图4　铺上不同表面积的导流层后，纸尿裤的加压回渗量和加压穿渗速度

从图4中可看出，没有导流层的纸尿裤在所有5次测试中加压穿渗速度都慢，而且回渗量非常多。加入一小片导流层（芯层表面积的10％）可稍微提高液体的加压穿渗速度，但是纸尿裤还是湿的。另一方面，如果采用表面积较大的导流层，可大大加快加压穿渗速度和减少回渗。导流层占芯层面积30％的纸尿裤的加压穿渗速度比没有导流层的纸尿裤要快3倍，同时可减少加压回渗量（RUL）。继续增大导流层的表面积则不会影响液体加压穿渗速度。导流层可以快速吸取液体，让其从排尿点流走，在芯层上水平地分散到远端后被吸收。在芯层的SAP从导流层中吸出液体，腾空导流层的空隙，使得表层结构得到再生，因此纸尿裤表面保持干爽，准备吸收后续排泄的液体。导流层的空隙结构和尺寸必须足够大，以保证所需的液体容量和液体的流动性。根据试验可以得出这样的结论：在我们选择的纸尿裤设计中，导流层占芯层表面积大约50％的表现最佳。但是，重要的一点是排尿点应该在导流层表面积范围内。

漩涡时间与纸尿裤穿渗速度的关联

最初测量漩涡时间纯粹作为一个简单的方法来测量单一SAP的膨胀速度，目的是保证产品质量的稳定。因为这个试验对很多参数都非常敏感，比如离心保水量、温度、颗粒尺寸和形状、黏度、液体的离子强度或凝胶的剪切模量[7]，所以必须小心操作，以保证取得准确的结果并进行恰当的解读。但是，这种方法不能测量在压力下，或者SAP置于芯层结构（SAP被固定和约束在绒毛浆纤维之间）时的穿渗速度。由于在含有绒毛浆纤维材料中的SAP的膨胀和吸收原理有别于在单一SAP中观察到的情况[8]，因此用单一的SAP进行测试的结果不能准确地预测其在含绒毛浆的纸尿裤中发生的具体情况。

为探讨漩涡时间和芯层对液体的穿渗速度之间是否存在关联，我们人工制备纸尿裤芯层样品：选取了漩涡时间范围异常宽（28s、41s、65s和143s）的4种不同的SAP，评估其吸收特性。

所有纸尿裤芯层样品都有类似的饱和容量和大约50％ 的SAP含量。绒毛浆和SAP均匀混合形成的芯层在负压下放入一个长方形成型设备中，芯层的绒毛浆纤维中有均匀分布的SAP颗粒，然后在受控的条件下进行挤压。此外将基本定量为60g/m2的热风非织造布导流层放在芯层上面，盖住芯层表面的50％。再用面层盖住整个芯层结构。按上述方法测试芯层的回渗与穿渗速度。

图5　在不同漩涡时间的SAP制成的芯层上测量到液体加压穿渗速度和穿渗速度

图5显示了测试的结果。从图中可看出，漩涡时间在穿渗速度方面明显没有起主要作用，即使在芯层的设计中使用了最佳的导流层尺寸时也是这样。甚至发现，漩涡时间短的SAP延缓了芯层的穿渗速度。

而另一方面，漩涡时间太长的话，SAP吸收液体速度太慢，也不完全，液体会一直保持在绒毛浆纤维之间的空隙中，在10min后测量回渗情况时，液体可以从芯层渗出。

表1　在不同漩涡时间的SAP制成的芯层上测量到的回渗和加压回渗多次的回渗量

由上述测试可见，纸尿裤最佳的回渗与穿渗速度性能是通过中等漩涡时间的SAP而取得的。这种SAP可以在不可逆转地锁定液体前让液体高效地分布在整个芯层中，同时仍然能足够快地吸收液体，以确保较低的回渗。

但是，根据我们的实验数据，在单一的SAP的漩涡时间和用相同SAP制成并且表面带导流层的芯层的液体吸收速度之间不存在“涡旋时间越短，液体吸收速度越快”这种对应关系。

需要指出的是，在0.7psi压力的条件，把同一个不带导流层的芯层进行上述试验，无法通过该试验，这是因为液体穿渗时间太长（从第二次开始，每次下渗的时间超过10min，因此实验终止），这表明导流层确实是现今的纸尿裤中调节液体吸收速度的一个非常关键的材料。

总结

通过试验，我们发现导流层对纸尿裤的性能表现是非常重要的，但是导流层没有必要覆盖整个芯层。从技术和经济上看有一个明显的最佳点。当然排尿点肯定是要在导流层覆盖的区域内，其位置应取决于纸尿裤的适合尺寸、芯层的完整性和表面积。

但是，我们用最佳尺寸的导流层覆盖的SAP+绒毛浆芯层进行了研究，并未找到证据可证明人们经常假定的SAP的漩涡时间与芯层的穿渗速度存在对应关系。只有纸尿裤的穿渗速度才是在各个市场的消费者关注的，因为它与良好的防漏效果相关。

纸尿裤所使用的大量不同的成分和设计会让人更不容易全面理解纸尿裤的性能。不应该仅凭纸尿裤的任何一种结构成分或其参数就来预测回渗、穿渗速度或纸尿裤的总体性能。控制液体在纸尿裤芯层的吸收不仅仅是要选择SAP本身的最佳参数，而且还要考虑整个结构（包括SAP、绒毛浆、导流层、芯层中SAP与绒毛浆比例以及SAP的分布模式）的综合影响。

致谢

我想在这里感谢巴斯夫（中国）有限公司和巴斯夫东亚地区总部有限公司的各位同事，尤其是Joy Hu、Green Cai和May Wong，以及巴斯夫德国总部的Thomas Daniel、Markus Vogt 和Mark Elliott对本文的贡献和支持。

参考文献

[1] F.L. Buchholz, A.T. Graham, Modern Superabsorbent Polymer Technology, Wiley-VCH, 1998: 155.

[2] Masuda Fusayoshi, Superabsorbent Polymers: Science and Technology, ACS Symposium Series, 1994.

[3] Nagorski Herbert, Superabsorbent Polymers: Science and Technology, ACS Symposium Series, 1994.

[4] Edana, Absorbent Hygiene Products Training Course, 2012. [5] Carlos Richer, Absorbency: Does anybody really know what it is?, Insight, 2006: 11.

[6] Tucker Helmes et al. Clinical Pediatrics, Vol. 53(9S), 2014: 4S.

[7] F.L Buchholz, Graham A.T. Modern Superabsrobent Polymer Technology, Wiley, 1998.

[8] F.L. Buchholz et al, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 98, 2005 (2493).