Ariel V. Melendres Adam Stone

一种新型高通液性高吸收性树脂SAP-HP

Super Absorbent Polymer with High Permeability

Ariel V. Melendres Adam Stone

高吸收性树脂（SAP）是一种合成聚合物，由于其拥有独特的性质，即相对于自身质量来说能吸收大量的水，因此主要用作吸水材料。SAP的使用是一项创新，尤其是几十年前开始应用于纸尿裤。现在SAP已广泛应用于婴儿纸尿裤、失禁用品和卫生巾等。

目前市场上的SAP，绝大多数是丙烯酸单体在交联剂作用下发生自由基聚合反应制成的。使用过程中，SAP内部形成的特殊三维结构，使其表现出可吸收大量水的独特属性。

纸尿裤的吸收芯体由绒毛浆和SAP组成，用来吸收尿液。当前的研究方向为减少绒毛浆用量，使纸尿裤体积更小、更薄，同时保持总的吸收能力不变。因此，减少绒毛浆用量后，纸尿裤中需要更多的SAP，以维持总的吸收能力。并对SAP进行改良，使其满足产品质量要求，如提高SAP的通液性，以弥补绒毛浆用量减少后导致的芯体蓬松性损失和传输液体功能的损失。SAP的通液性提高后，离心保水量（CRC）等吸收特性需要维持在可接受的水平，且保持较高的加压吸收量（AUP）。

SAP的通液性

通液性是指多孔材料允许液体透过的能力。对于SAP来说，通液性在卫生用品中十分重要，主要是指芯层中SAP颗粒在溶胀状态下液体的渗透性，因此也被称为凝胶层渗透性（Gel Bed Permeability，GBP）。低通液性或者说低GBP值表明液体穿过溶胀的SAP凝胶层的流速较低。

在纸尿裤的实际应用中，较低的GBP造成尿液在芯体中扩散性变差，会导致纸尿裤出现产品性能问题。纸尿裤在使用过程中，尿液必须扩散并渗透到芯体中，否则就出现凝胶阻塞，这一现象发生于第二次的尿液被溶胀后的SAP堵住不能下渗，而流向其他方向，导致发生泄漏。为了使凝胶层具有较好的通液性，溶胀的SAP颗粒之间应该形成开放式通道允许液体通过。为实现这一点，要求SAP颗粒在溶胀状态下必须保持足够的稳定性，即在压力作用下，单个颗粒应具有足够的凝胶强度。如果凝胶颗粒不具有足够的强度，在压力作用下不仅不会产生颗粒间的孔隙，反而会形成屏障，阻碍液体通过。

新型高通液性SAP

通常，纸尿裤中具有较高CRC的SAP凝胶颗粒在压力作用下很容易塌陷变形，失去了发挥作用所需的通液性。为将通液性提高至期望值，一种常用的方法是将CRC降至较低水平，通液性提高的同时AUP也得到一定程度的提高。

最近，研发了一种具有高通液性、中等CRC和较高AUP的SAP——SAP-HP。通过适当的工艺，使SAP颗粒获得内部和外部交联的良好平衡，提高其通液性，满足纸尿裤的使用需求。

● 通液性GBP

该公司采用行业可接受的方法和标准的GBP仪器测定了这种新型SAP的通液性。试验中采用0.9%NaCl溶液作为试验液体。

以下为根据达西定律确定渗透率的公式：

式（1）中：K表示通液性（GBP），单位：cm2；

Q表示流速，单位：g/s；

H表示凝胶层试样的高度，单位：cm；

µ表示测试液（0.9%NaCl溶液）的粘度，单位：cp；

A表示垂直于液体流的横截面积，单位：cm2；

ρ表示液体密度，单位：g/cm3；

P表示静水压，单位：dynes/cm2；

静水压的计算公式为P=ρ×g×h，其中g是重力加速度，单位：cm/s2；h是液体高度，在本试验中为4.0cm。

采用GBP仪器，将粒径为300～600µm干燥的SAP颗粒浸没在0.9%NaCl溶液中，制成凝胶层供试验用。

在通液性试验中，每5s记录一次通过凝胶层的0.9%NaCl溶液的量（以g为单位），以此来测定流速。

图1 通液性试验中流过4种不同SAP的液体质量和时间

图1所示为SAP-HP与市场上其他供应商的不同SAP通液性试验结果。记录了2min内通过凝胶层的液体量，液体量与时间呈直线关系。代表SAP-HP的直线斜率最大，这表示其流速最快。通过材料的液体流速是决定通液性的主要因素，是纸尿裤应用中的一项非常重要的指标。较高的通液性表明液体的流速较高，这对绒毛浆含量减少，SAP含量增加的纸尿裤来说更为重要。通过公式2，基于最小二乘法计算流速Q（单位：g/s）。

公式2中m是图1中直线的斜率，y是任意时刻通过凝胶层的液体质量，x表示时间。

图2 通过不同SAP凝胶层的液体流速

从图2可以看出，液体在SAP-HP中的流速最快。在对SAP-HP进行试验的过程中，观察到在3min（完成试验所要求的时间）时间内，液体持续不受阻碍地从仪器底部整个区域流下来。其他3种SAP，液体流速则较慢且相对受阻。

根据公式1计算通液性GBP值。除流速Q外，每次试验中还精确测量了凝胶层的高度H。装置的底面积不变，高度的变化代表材料的体积变化，随着SAP吸水，体积不断膨胀，形成稳定的凝胶层，通液性也随之增加。因此，从某种程度上可以说，加压吸收量AUP越大、吸液后凝胶颗粒的体积越大，SAP的通液性越好。

图3 不同SAP的通液性GBP值

SAP-HP的通液性及其CRC值，显示出其凝胶颗粒的稳定性，而这种性能是通过适当的内部和表面交联获得的。这种类型的SAP非常适用于改善纸尿裤的性能，如吸收速度、防反渗和防泄漏等。

● 加压吸收量AUP

图5为0.7psi下的加压吸收量（AUP）和通液性的叠加图。供应商A的SAP的AUP值比SAP-HP低15%，供应商B的SAP比SAP-HP高4%，供应商C的SAP比SAP-HP低7%。由图中可见，SAP-HP具有更佳的综合性质，同时具有高通液性和较高的AUP值，再次说明其更适合用于改善纸尿裤的性能。

图3显示了不同SAP的GBP值。SAP-HP的GBP值最高，比排在第二位的供应商A的SAP高约35%，而其他两种SAP的GBP值更低。SAP-HP的高GBP值表明，液体可容易地快速通过凝胶层，当其用在纸尿裤中时，不会发生任何凝胶堵塞。在使用了高通液性SAP的芯体中，液体可以从SAP颗粒之间的间隙流过。

● 离心保水量CRC

图4为离心保水量（CRC）与通液性的叠加图。用离心机测量SAP的CRC值，按照行业标准将离心机吊篮转子的转速调整为250G。从图中可见，SAP-HP的CRC值比供应商A提供的SAP略高，但SAP-HP的通液性GBP值却比它高35%。由供应商B和供应商C提供的SAP的CRC值比SAP-HP约高8%，但它们的GBP值却比SAP-HP低75%。通常，随着CRC的增加，SAP的通液性会减弱。市场上大部分具有较高CRC的SAP的通液性都很低甚至无通液性，而其他具有中等CRC值的SAP的通液性也相当低。SAP-HP很好地平衡了通液性、CRC和AUP这几项指标。

图4 不同SAP的通液性GBP值和离心保水量CRC

图5 不同SAP的通液性GBP值和加压吸收量AUP

结论

SAP-HP是一种新型SAP，具有更好的应用性能。该产品的研发重心集中于提高具有中等CRC值和较高AUP（0.7psi）值的SAP的通液性。试验结果显示，在用SAP-HP制成的凝胶层中，液体的流速更快，因此可以证明，相对于来自其他主要供应商的SAP，SAP-HP的通液性更好。同时试验结果还显示，SAP-HP凝胶颗粒的结构具有更高的稳定性。SAP-HP不仅具有符合要求的稳定吸收性质，如CRC和AUP，还具有更高的通液性，这对纸尿裤来说十分重要。使用这种SAP，液体可均匀分布到纸尿裤整个芯层区域，提高纸尿裤的吸收速度、防反渗性和防泄漏性。

1. 高吸收性聚合物.欧洲非织造布工业协会（EDANA）.http:// www.edana.org.

2. 美国,8,822,582[B2].2014-09.

3. 美国,6,239,230[B1].2001-05-29.

4. Jose M. Asua.聚合反应工程[M].布莱克威尔出版社，2007.