纸尿裤用高吸收性树脂选择方法的研究

王林梢 湖南舒比奇生活用品有限公司

一 背景

随着婴儿纸尿裤应用的普及，人们对于纸尿裤的应用研究也越来越深入。纸尿裤的基础材料包括非织造布、高吸收性树脂（SAP）、热熔胶等，对于高吸收性树脂的研发体系已基本成熟，出现了一批领先的供应商，如国外的日本住友、触媒、德国BASF，国内的台塑、卫星、丹森、诺尔等。而目前的问题是如何将已开发成熟的SAP合理地应用在纸尿裤中，如何选择SAP以做出一款干爽舒适的纸尿裤。

本文将结合高吸收性树脂（SAP）的性能指标及应用在纸尿裤中的性能表现，探讨SAP性能与纸尿裤综合性能的对应关系，并为纸尿裤用SAP的选择提供依据。

二 高吸收性树脂（SAP）定义

高吸收性树脂（Super Absorbent Polymer，SAP）是一种新型功能高分子材料，能够吸收比自身重几百到几千倍的液体，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶，即使加压也很难把水分离出来。因此，它在个人卫生用品、工农业生产、土木建筑等各个领域都有广泛用途。

高吸收性树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子材料，最早由Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分，有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纤维素系（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）几大类。其中聚丙烯酸系高吸收性树脂与淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。

本文通过对SAP的多种性能进行分析，最终锁定加压吸收量（AUP）和离心保水量（CRC）为纸尿裤用SAP的两大关键选择指标，并结合实际进行验证，可望为纸尿裤用SAP的选择提供一定的理论依据。

三 验证方法

纸尿裤产品最基本的需求是不漏尿且干爽。产品不漏尿，首先要保证纸尿裤的芯体具有一定的储尿能力，通过SAP的CRC性能测试，可得到SAP的离心保水量，所谓保水能力指的是吸水后的膨胀体能保持其水溶液不离析的状态的能力。再结合大量婴幼儿日平均尿液量的数据分析，可推算出不同尺码纸尿裤中SAP的合理添加量，通过此方法可基本得出每种SAP的最低添加量。

纸尿裤的干爽性取决于所用SAP的胶体强度，一方面胶体强度较大的SAP当吸液溶胀后依然保持一定的强度，有利于SAP凝胶间空隙的保持，减轻凝胶堵塞效应；另一方面较大的胶体强度也能保证被SAP锁定的液体不易被外力挤出，保证产品的干爽。下面将通过两组实验进行验证。

四 实验与结果分析

4.1 主要仪器与试剂

自组装SAP测试用连续加压吸收装置（0.3psi，可记录一定压力下SAP的持续吸收能力）、茶袋、电子分析天平、离心脱水机、U型测试仪、量筒、烧杯、玻璃棒、0.9%生理盐水、亚甲基蓝。

4.2 胶体强度的测试

胶体强度的测试方法通常可以通过0.3psi加压吸收量（AUP）来测定。这种测试方法对SAP的加压扩散性能起到很好的判别作用：对于无规则SAP吸液溶胀后，相邻SAP间依然存有空隙，只要凝胶强度足够大，即使在压力作用下，这种SAP间隙依然会存在，不会形成凝胶堵塞（gel blocking），从而保证芯体的加压扩散；另一方面较强的胶体强度也能保证被SAP锁定的液体不易被外力挤出，保持芯体的干燥度。因此对于无规则SAP，我们可通过0.3psi压力下的加压吸收去评判其胶体强度，从而关联到芯体的干爽度。然而对于具有特定型态的SAP（如住友60s），由于其通过特有工艺（反向悬浮聚合）制成，其产品型态为葡萄球型。此种特定型态SAP在吸液后容易形成凝胶堵塞，即使没有外部压力，吸液溶胀后的SAP颗粒间也很难存有间隙，因此其常压扩散性能都会较差，故若随意采用AUP值去评估其胶体强度可能会得到一个较差的结果，从而会干扰到SAP的选择，因为这样的结果并不是真实的，而是因为住友60s自身的结构导致其形成凝胶堵塞导致扩散性能差。且实际应用中，绒毛浆的加入可有效避免凝胶堵塞。故需要进一步对AUP值的测定方法加以细化（排除凝胶效应）来探讨AUP值与干爽度的关系。

实验步骤：选取住友、巴斯夫和触媒3种SAP，分别单独或以等量组合方式将0.5g、1g、2gSAP平铺在圆筒尼龙网上，称量圆筒整体定量，打开加液开关，30min后取下圆筒并称量定量，分别算出平铺0.5g、1g、2gSAP的加压吸收倍率，测试数据如下：

表1 不同SAP在不同质量下的加压吸收量

图1 不同SAP在不同质量下的加压吸收量

当平铺0.5gSAP时，SAP基本可以单层均匀分布在尼龙网上。随着SAP量的增加，SAP在尼龙网上很难均匀单层的分布。当质量增加到2g时，SAP已堆积较厚一层于尼龙网上。可以理解为：当SAP定量为0.5g时，SAP可均匀单层的分布在尼龙网上，避免了凝胶堵塞效应，所测得AUP数据可较真实的体现SAP的胶体强度，测得的数据可作为SAP胶体强度的定性指标（适用于标准的加压吸收装置，圆筒尼龙网直径为60mm），数值越大，胶体强度越大。当SAP定量为1g时，测得的AUP数值已部分受到凝胶堵塞效应的影响，呈椭球状的住友60s凝胶堵塞效应严重。当SAP定量为2g时，无论何种SAP，测得的AUP数值都会受到凝胶堵塞效应的影响。

在加压0.3psi条件下，2g住友60s样品的AUP值为12g，随着测试样品量的减少，凝胶阻塞效应降低，AUP值增加，当测试样品量为0.5g时，其AUP值为31g，高于巴斯夫和触媒SAP，可以得出住友60s具有最大胶体强度。巴斯夫N7059胶体强度仅次于住友60s，且分别以0.5g样品和1g样品测试得到的AUP数值一样，说明巴斯夫N7059的渗透扩散性能具有优势。触媒QX-W-1515胶体强度较差，分别以0.5g样品和1g样品测试得到的AUP数值一样，说明触媒QXW-1515具有较好的渗透扩散性能，且以2g样品测试时，触媒具有最大AUP值，说明触媒SAP更加适合SAP比例高的芯体。综合来说，胶体强度住友60s＞巴斯夫N7059＞触媒QXW-1515，渗透扩散性能触媒QX-W-1515＞巴斯夫N7059＞住友60s。

4.3 CRC测试

纸尿裤需要满足最大尿量吸收，才能保证不漏尿。因此计算上述各种SAP及SAP组合方式的CRC，来决定一片纸尿裤SAP的添加量。

实验步骤：用电子分析天平称取0.200g（±0.005）SAP，置于茶袋（m1）中，封口后浸没在生理盐水中，30min后取出，称重m2，在2,100r转速的离心机中离心3min，称重得出m3，计算公式：

CRC=（m3-m1）/0.2（g/g）；m2为自由饱和吸收量FA

表2 不同SAP的CRC与FA

图2 不同SAP的AUP与CRC曲线图

图3 婴儿尿量数据（来自调研数据统计）

对于单一SAP来说，AUP越高的CRC越低，当凝胶强度（交联密度）较大时，树脂分子链的伸展受到制约，导致吸水率下降。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计算，每片L码纸尿裤至少需要3.1g SAP，以一片纸尿裤吸收两次最大尿液的情况，则需要添加（174.4＊2）/32=10.9g SAP，加上绒毛浆的吸收倍率为10，10.9g SAP+10.9g绒毛浆理论上吸收量为457.8g，基于产品成本、产品手感以及热熔胶拒水情况考虑，L码平均添加10g SAP，足够满足需求。因此成品验证时，以SAP与绒毛浆1∶1比例混合，即添加SAP10g、绒毛浆10g，其他材料维持不变，测试其干爽度。

4.4 成品干爽度验证

纸尿裤的干爽度测试流程如下：

图4 SAP和绒毛浆按1:1组成的芯体干爽性能测试结果

国内厂家所生产的传统结构芯体，SAP与绒毛浆一般是按1∶1比例混合的，SAP颗粒间均匀地填充了绒毛浆，避免了凝胶堵塞，符合0.5gSAP的AUP测试方法。结合上图芯体（SAP：绒毛浆=1∶1）的干爽性排名，可以看出SAP胶体强度越大，产品越干爽。

五 结论

1. 芯体开发时，SAP的CRC控制在32g/g以上即可；胶体强度指标可用0.5gSAP在0.3psi的AUP数值进行评估，测得SAP的AUP值越大，则该SAP与绒毛浆按1∶1混合的芯体越干爽；

2. 当SAP占芯体比例在50%～60%范围时，为同时保证吸收量与干爽性，AUP大于30，CRC大于35具有最大优势；

3. 当SAP比例超过60%时，SAP应保证吸收量，此时AUP不必超过30，但考虑到凝胶堵塞现象，扩散性更好的SAP具有最大优势；

4. 当SAP比例小于50%时，大量的木浆纤维可帮助渗透与扩散，为保证干爽性，AUP大于30的SAP具有最大优势。