紙尿褲用高吸收性樹脂選擇方法的研究

王林梢 湖南舒比奇生活用品有限公司

一 背景

隨著嬰兒紙尿褲應用的普及，人們對于紙尿褲的應用研究也越來越深入。紙尿褲的基礎材料包括非織造布、高吸收性樹脂（SAP）、熱熔膠等，對于高吸收性樹脂的研發體系已基本成熟，出現了一批領先的供應商，如國外的日本住友、觸媒、德國BASF，國內的臺塑、衛星、丹森、諾爾等。而目前的問題是如何將已開發成熟的SAP合理地應用在紙尿褲中，如何選擇SAP以做出一款干爽舒適的紙尿褲。

本文將結合高吸收性樹脂（SAP）的性能指標及應用在紙尿褲中的性能表現，探討SAP性能與紙尿褲綜合性能的對應關系，并為紙尿褲用SAP的選擇提供依據。

二 高吸收性樹脂（SAP）定義

高吸收性樹脂（Super Absorbent Polymer，SAP）是一種新型功能高分子材料，能夠吸收比自身重幾百到幾千倍的液體，并且保水性能優良，一旦吸水膨脹成為水凝膠，即使加壓也很難把水分離出來。因此，它在個人衛生用品、工農業生產、土木建筑等各個領域都有廣泛用途。

高吸收性樹脂是一類含有親水基團和交聯結構的大分子材料，最早由Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經皂化制得。按原料劃分，有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纖維素系（羧甲基化、接枝物等）、合成聚合物系（聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等）幾大類。其中聚丙烯酸系高吸收性樹脂與淀粉系及纖維素系相比，具有生產成本低、工藝簡單、生產效率高、吸水能力強、產品保質期長等一系列優點，成為當前該領域的研究熱點。

本文通過對SAP的多種性能進行分析，最終鎖定加壓吸收量（AUP）和離心保水量（CRC）為紙尿褲用SAP的兩大關鍵選擇指標，并結合實際進行驗證，可望為紙尿褲用SAP的選擇提供一定的理論依據。

三 驗證方法

紙尿褲產品最基本的需求是不漏尿且干爽。產品不漏尿，首先要保證紙尿褲的芯體具有一定的儲尿能力，通過SAP的CRC性能測試，可得到SAP的離心保水量，所謂保水能力指的是吸水后的膨脹體能保持其水溶液不離析的狀態的能力。再結合大量嬰幼兒日平均尿液量的數據分析，可推算出不同尺碼紙尿褲中SAP的合理添加量，通過此方法可基本得出每種SAP的最低添加量。

紙尿褲的干爽性取決于所用SAP的膠體強度，一方面膠體強度較大的SAP當吸液溶脹后依然保持一定的強度，有利于SAP凝膠間空隙的保持，減輕凝膠堵塞效應；另一方面較大的膠體強度也能保證被SAP鎖定的液體不易被外力擠出，保證產品的干爽。下面將通過兩組實驗進行驗證。

四 實驗與結果分析

4.1 主要儀器與試劑

自組裝SAP測試用連續加壓吸收裝置（0.3psi，可記錄一定壓力下SAP的持續吸收能力）、茶袋、電子分析天平、離心脫水機、U型測試儀、量筒、燒杯、玻璃棒、0.9%生理鹽水、亞甲基藍。

4.2 膠體強度的測試

膠體強度的測試方法通常可以通過0.3psi加壓吸收量（AUP）來測定。這種測試方法對SAP的加壓擴散性能起到很好的判別作用：對于無規則SAP吸液溶脹后，相鄰SAP間依然存有空隙，只要凝膠強度足夠大，即使在壓力作用下，這種SAP間隙依然會存在，不會形成凝膠堵塞（gel blocking），從而保證芯體的加壓擴散；另一方面較強的膠體強度也能保證被SAP鎖定的液體不易被外力擠出，保持芯體的干燥度。因此對于無規則SAP，我們可通過0.3psi壓力下的加壓吸收去評判其膠體強度，從而關聯到芯體的干爽度。然而對于具有特定型態的SAP（如住友60s），由于其通過特有工藝（反向懸浮聚合）制成，其產品型態為葡萄球型。此種特定型態SAP在吸液后容易形成凝膠堵塞，即使沒有外部壓力，吸液溶脹后的SAP顆粒間也很難存有間隙，因此其常壓擴散性能都會較差，故若隨意采用AUP值去評估其膠體強度可能會得到一個較差的結果，從而會干擾到SAP的選擇，因為這樣的結果并不是真實的，而是因為住友60s自身的結構導致其形成凝膠堵塞導致擴散性能差。且實際應用中，絨毛漿的加入可有效避免凝膠堵塞。故需要進一步對AUP值的測定方法加以細化（排除凝膠效應）來探討AUP值與干爽度的關系。

實驗步驟：選取住友、巴斯夫和觸媒3種SAP，分別單獨或以等量組合方式將0.5g、1g、2gSAP平鋪在圓筒尼龍網上，稱量圓筒整體定量，打開加液開關，30min后取下圓筒并稱量定量，分別算出平鋪0.5g、1g、2gSAP的加壓吸收倍率，測試數據如下：

表1 不同SAP在不同質量下的加壓吸收量

圖1 不同SAP在不同質量下的加壓吸收量

當平鋪0.5gSAP時，SAP基本可以單層均勻分布在尼龍網上。隨著SAP量的增加，SAP在尼龍網上很難均勻單層的分布。當質量增加到2g時，SAP已堆積較厚一層于尼龍網上。可以理解為：當SAP定量為0.5g時，SAP可均勻單層的分布在尼龍網上，避免了凝膠堵塞效應，所測得AUP數據可較真實的體現SAP的膠體強度，測得的數據可作為SAP膠體強度的定性指標（適用于標準的加壓吸收裝置，圓筒尼龍網直徑為60mm），數值越大，膠體強度越大。當SAP定量為1g時，測得的AUP數值已部分受到凝膠堵塞效應的影響，呈橢球狀的住友60s凝膠堵塞效應嚴重。當SAP定量為2g時，無論何種SAP，測得的AUP數值都會受到凝膠堵塞效應的影響。

在加壓0.3psi條件下，2g住友60s樣品的AUP值為12g，隨著測試樣品量的減少，凝膠阻塞效應降低，AUP值增加，當測試樣品量為0.5g時，其AUP值為31g，高于巴斯夫和觸媒SAP，可以得出住友60s具有最大膠體強度。巴斯夫N7059膠體強度僅次于住友60s，且分別以0.5g樣品和1g樣品測試得到的AUP數值一樣，說明巴斯夫N7059的滲透擴散性能具有優勢。觸媒QX-W-1515膠體強度較差，分別以0.5g樣品和1g樣品測試得到的AUP數值一樣，說明觸媒QXW-1515具有較好的滲透擴散性能，且以2g樣品測試時，觸媒具有最大AUP值，說明觸媒SAP更加適合SAP比例高的芯體。綜合來說，膠體強度住友60s＞巴斯夫N7059＞觸媒QXW-1515，滲透擴散性能觸媒QX-W-1515＞巴斯夫N7059＞住友60s。

4.3 CRC測試

紙尿褲需要滿足最大尿量吸收，才能保證不漏尿。因此計算上述各種SAP及SAP組合方式的CRC，來決定一片紙尿褲SAP的添加量。

實驗步驟：用電子分析天平稱取0.200g（±0.005）SAP，置于茶袋（m1）中，封口后浸沒在生理鹽水中，30min后取出，稱重m2，在2,100r轉速的離心機中離心3min，稱重得出m3，計算公式：

CRC=（m3-m1）/0.2（g/g）；m2為自由飽和吸收量FA

表2 不同SAP的CRC與FA

圖2 不同SAP的AUP與CRC曲線圖

圖3 嬰兒尿量數據（來自調研數據統計）

對于單一SAP來說，AUP越高的CRC越低，當凝膠強度（交聯密度）較大時，樹脂分子鏈的伸展受到制約，導致吸水率下降。混合使用可以看出SAP的CRC都在32g/g以上，以每次吸液量491/5=98.5g計算，每片L碼紙尿褲至少需要3.1g SAP，以一片紙尿褲吸收兩次最大尿液的情況，則需要添加（174.4＊2）/32=10.9g SAP，加上絨毛漿的吸收倍率為10，10.9g SAP+10.9g絨毛漿理論上吸收量為457.8g，基于產品成本、產品手感以及熱熔膠拒水情況考慮，L碼平均添加10g SAP，足夠滿足需求。因此成品驗證時，以SAP與絨毛漿1∶1比例混合，即添加SAP10g、絨毛漿10g，其他材料維持不變，測試其干爽度。

4.4 成品干爽度驗證

紙尿褲的干爽度測試流程如下：

圖4 SAP和絨毛漿按1:1組成的芯體干爽性能測試結果

國內廠家所生產的傳統結構芯體，SAP與絨毛漿一般是按1∶1比例混合的，SAP顆粒間均勻地填充了絨毛漿，避免了凝膠堵塞，符合0.5gSAP的AUP測試方法。結合上圖芯體（SAP：絨毛漿=1∶1）的干爽性排名，可以看出SAP膠體強度越大，產品越干爽。

五 結論

1. 芯體開發時，SAP的CRC控制在32g/g以上即可；膠體強度指標可用0.5gSAP在0.3psi的AUP數值進行評估，測得SAP的AUP值越大，則該SAP與絨毛漿按1∶1混合的芯體越干爽；

2. 當SAP占芯體比例在50%～60%范圍時，為同時保證吸收量與干爽性，AUP大于30，CRC大于35具有最大優勢；

3. 當SAP比例超過60%時，SAP應保證吸收量，此時AUP不必超過30，但考慮到凝膠堵塞現象，擴散性更好的SAP具有最大優勢；

4. 當SAP比例小于50%時，大量的木漿纖維可幫助滲透與擴散，為保證干爽性，AUP大于30的SAP具有最大優勢。