纸尿裤功能面层材料的研究现状和进展

刘 燕 李勇翰 余 亮 吴 胜 王新厚 陈长洁

1. 东华大学 纺织学院,上海 201620;2. 浙江珍琦护理用品有限公司,浙江 杭州 311400

随着我国三胎政策的实施及人口老龄化的加剧,我国卫生用品的需求量逐年增大。对于妇女卫生巾、纸尿裤等一次性卫生用品,其面层作为与人体皮肤直接接触的材料,舒适性、功能性、健康性显得尤为重要[1]。近年来,纸尿裤面层材料的这些性能也受到了越来越多的关注。

纸尿裤结构示意见图1,其通常由面层、导流层、包覆层、吸收芯体和背层等部分组成[2],背层一般包括透气微孔膜和复合底膜。其中,面层材料应柔软爽滑,亲肤透气,触感舒适,并具有优异的吸湿性,不储水[3],能快速吸收液体并将液体导入下面的导流层或吸收芯体,能在一定程度上阻止液体反渗至纸尿裤的面层,并尽可能地保持人体皮肤表面干爽[4]。

图1 纸尿裤各部分结构Fig.1 Structure of each part of diapers

目前,市场上的纸尿裤面层材料主要为纺黏非织造材料、热风非织造材料和水刺非织造材料等。其中,纺黏非织造材料成本较低,其长丝排列紧密,强力高,回渗较少,但手感较差,整体偏硬;热风非织造材料质地蓬松柔软,手感较好,但露出的短纤维头端容易使敏感人群出现皮肤过敏现象[5],且材料不易降解,会造成环境污染;水刺非织造材料手感较为柔软,且不含化学黏合剂,对人体皮肤刺激较小,其原料目前以棉纤维和黏胶纤维为主,材料吸湿能力强,但吸液后湿热较难散去,回渗较高,极易形成潮湿环境[6],人体舒适性较差。总之,纸尿裤面层用非织造材料还存在一系列的不足,有待进一步改善和提高。

本文将从速渗干爽、消臭除异味、抗菌护肤及柔软舒适这4项纸尿裤面层功能入手,综述它们的研究意义及开发技术。

1 速渗干爽面层

速渗干爽功能指的是,尿液接触纸尿裤面层后能被迅速吸收,且几乎没有液体反渗至面层的上表面。该功能不仅受吸收芯体性能的影响,还与面层的性能密切相关。目前,速渗干爽纸尿裤面层材料的开发技术主要有3D立体结构、打孔及单向导湿等。

1.1 3D立体结构

3D立体结构可以减少人体皮肤与纸尿裤面层之间的接触面积[7],增加面层的柔软性和透气性,此外还可以加快液体的下渗,实现尿液的快速导流。通常,带有3D立体压纹的纸尿裤面层用非织造材料是先利用热轧工艺中带有不同形状凸起的压花辊热轧,再冷却定型得到的。且与人体接触的凸点部分一般进行了拒水处理,这更有利于为人体皮肤提供干爽舒适的环境。

钱程等[8]开发了一种凹凸型热风非织造材料,可用作纸尿裤的面层。其将刻有凹槽的印花滚筒浸渍拒水剂溶液,利用该滚筒对非织造材料进行拒水处理,使非织造材料上的凸起部位呈拒水性、凹陷部位呈亲水性。且凸起部位可以增大下渗和导流的速度。拒水的凸起部位与人体皮肤接触,可以提供更为干爽的感受。张立[9]开发了一款具有凹凸型亲水非织造面层的纸尿裤,其凸起部位呈阵列式分布。该凸起部位内部填充有高分子吸水性树脂(SAP),能起到支撑的作用,可防止凸起部位受压塌陷,且凸起部位顶部喷涂有无氟防水剂,这使得与人体皮肤接触的部分可以保持较好的干爽性。

1.2 打孔

打孔不仅能够增加纸尿裤面层的透气性,还能使液体迅速通过孔洞导流至吸收层,减少尿液与皮肤的接触时间[10]。目前,应用于卫生材料的网孔材料主要有微孔膜和非织造网孔材料两类。微孔膜的主要成分是聚烯烃,其网孔的形成主要与致孔剂CaCO3颗粒的加入有关。非织造网孔材料的制备技术一般有点刺透法、水刺法和激光打孔法等,其中激光打孔法效率高,成本低,可控性强[11]。现阶段,纸尿裤用打孔面层一般采用拒水材料。为了使液体仅从孔洞向下渗透,并在一定程度上减少向面层的反渗,需结合并利用芯体的吸水性能和锁水性能。有研究[12]表明,将孔洞设置成上宽下窄的漏斗状,有利于抑制液体的反渗。

王丹等[13]先将脱脂棉通过水刺工艺制备成全棉水刺非织造材料,再采用拒水整理剂NT-X030和拒水增强剂NT-X628进行整理,得到超疏水全棉水刺非织造材料,最后通过激光打孔的方式制得大网孔超疏水非织造材料。测试结果显示,当网孔直径为3.0 mm、网孔间距为0.5 mm时,所得材料的液体返渗量为0.08 g、穿透时间为1.53 s,具有速渗快干的特点,非常适用于纸尿裤的面层。曹榆秋等[14]开发了一种含拒水打孔热风非织造材料面层的纸尿裤。该面层设有若干列圆柱通孔,面层之下的隔湿层表面均匀分布有若干行透水孔,且透水孔为漏斗状,可以有效地抑制尿液反渗到面层,维持较为干爽的使用环境。何志锋[15]开发了一种由拒水层(上层)和亲水层(下层)黏合成型的纸尿裤用干爽面层,其通过在拒水层设置若干通孔,达到了良好的导流效果,拒水层上的液体能迅速通过通孔进入亲水层,同时实现了低反渗。

1.3 单向导湿

单向导湿要求水分传输具有单向性,即水分在材料中只能自发地沿着厚度方向传输,或由材料的一侧向另一侧传输,反向则无法传输[16]。赋予纸尿裤的面层单向导湿性能,可大幅减少尿液的回渗,提高产品的干爽性。

目前,单向导湿非织造材料的制备技术主要有结构设计和化学处理两种[17]。结构设计主要是利用毛细管直径的差异或润湿性的差异,设计出具有导湿梯度的复合结构,从而实现单向导湿功能的[18]。化学处理主要包括后整理和等离子体接枝改性整理等。其中,后整理主要通过使织物正反面的亲水性形成较大的差异,从而实现水分的定向传输;等离子体接枝改性整理通过对纤维表面进行处理,使纤维表面的自由能升高或降低,织物的润湿性发生改变[19]。

王先锋等[20]以聚乳酸(PLA)非织造材料为基布,采用多巴胺亲水改性,并结合静电纺丝技术,制得一种定向导水纸尿裤面层材料。测试结果显示,该材料具备一侧亲水、另一侧疏水的特性,能形成润湿性梯度结构,其单向导湿指数为1 409.04%,反向耐水压为232 Pa。此外,由于PLA材料可以完全降解,故有望解决当前由不可降解合成纤维制备的纸尿裤面层材料所面临的生态环境问题。孙振云[21]以聚乙烯(PE)/聚酯(PET)拒水纤维为上层材料原料,PE/聚丙烯(PP)亲水纤维为下层材料原料,利用热风穿透黏合工艺,制得双层复合材料用于纸尿裤面层。研究发现,下层材料中粗纤维含量越多、上层材料的面密度越大,越有利于双层复合材料形成差动毛细效应,抑制液体的回渗。邱雪宁[22]以亲水聚烯烃系(ES)纤维和疏水ES纤维为原料,经各自梳理成网后再平行铺层,最后分别采用针刺和热黏合的方式加固复合,制得定向导水材料。研究发现,相同面密度的针刺材料与热轧材料,前者厚度、孔径及拉伸断裂强力更大,液体穿透时间更短,但抗返渗能力略弱于后者。

2 消臭除异味面层

消臭除异味面层主要应用于成人纸尿裤。成人由于排泄量大,更换纸尿裤频率低,故极易产生异味,因此对成人纸尿裤的消臭除异味性能要求更高[23]。消臭除异味机制主要包括物理吸附、化学反应及掩盖消臭等[24]。其中,物理吸附即采用具有吸附功能的活性炭、石墨烯等材料制备纸尿裤面层材料,以吸附异味;化学反应即采用特定的物质与异味分子进行反应,使异味物质变成无臭物质,从而达到消臭除异味的目的;掩盖消臭即利用其他物质如芳香剂的气味等掩盖异味。目前,有关纸尿裤的消臭除异味技术多应用于纸尿裤的芯体材料,面层材料应用较少,且主要为物理吸附和掩盖消臭两种。

刘静[25]以β-环糊精为壁材,通过包络结合法包埋柠檬香精,制得了一种微胶囊;再结合聚丙烯酸酯类黏合剂,利用浸渍法对水刺非织造材料进行芳香整理,得到了一种纸尿裤面层材料。且研究发现,芳香整理的最优工艺为黏合剂质量分数30%、整理剂稀释倍数80、浸渍时间2 h。芳香整理后,微胶囊黏附非织造材料的效果良好,香味浓郁程度介于微胶囊和未整理非织造材料之间,且放置40 d后,香精质量浓度由0.063 g/L降至0.020 g/L,香味仍有存留,异味改善效果较理想。此外,芳香整理对非织造材料其他性能的影响较小。唐地源等[26]通过浸渍的方式将石墨烯附着到PLA非织造材料上,并在干燥后制得了石墨烯改性非织造材料,可用于纸尿裤面层。石墨烯具有独特的网状结构和极高的比表面积,可以吸附和过滤颗粒、细菌和病毒,同时还能吸附异味。徐忠海[27]发明了一种含茶籽精华素的纸尿裤。其通过在纸尿裤面层的表面涂覆以茶籽精华素为主的护肤成分,形成一层防扩薄层,达到了杀菌润肤和消臭除异味的目的。柯海水[28]发明了一种活性炭负离子茶叶纸尿裤。其通过在纸尿裤面层之下设置活性炭纤维层和负离子纤维层,赋予纸尿裤消炎抗菌、消臭除异味等功能。

3 抗菌护肤面层

目前,赋予纸尿裤面层材料抗菌性的方法主要有两种:一种是采用天然绿色并具有一定抗菌性的纤维;另一种是采用抗菌整理剂对非织造材料进行后整理。前一种方法制备的抗菌面层材料手感通常较为舒适,无化学剂添加,安全性高,但抗菌效果较差,抗菌谱窄,且材料成本高;后一种方法制备的抗菌面层材料抗菌性更高,但由于抗菌剂直接接触人体皮肤,可能存在健康安全隐患[29],且消费者认可度不高。

3.1 添加抗菌亲肤纤维

抗菌纤维可分为天然抗菌纤维和化学抗菌纤维两种[30]。部分天然纤维自身就具有抗菌亲肤功效,已广泛应用于服装、家纺及卫生用品等领域,最常见的有蚕丝、麻纤维及竹纤维等。化学抗菌纤维一般是将抗菌成分通过共混、改性及后整理等方法添加到纤维中得到的。出于安全性考虑,化学抗菌纤维在纸尿裤面层中应用较少。

蚕丝的主要成分——丝肽中含有多种对人体有益的氨基酸,具有天然的抗菌性,且蚕丝对人体的摩擦刺激性是现有纤维中最小的[31]。王娅等[32]以蚕丝短纤为上层材料原料,以ES热风非织造材料为下层材料原料,通过水刺加固工艺复合,制得了一种新型纸尿裤面层材料。且研究发现,该复合的最优工艺是水刺4道、面密度38 g/m2、上油率1.7%、蚕丝短纤和ES纤维的质量比53∶47。在此工艺条件下,所得蚕丝/ES非织造材料更亲肤,并具有护肤和抑菌的功能,其拉伸性能、透气性能、透水时间和反渗量等都满足卫生用卷材的要求。

麻纤维具有良好的吸湿性,其也因含有抑菌成分而具有天然的抗菌性。艾志伟等[33]先将汉麻纤维(质量分数45%)与ES纤维(质量分数55%)混合,经梳理成网、热黏合加固后,得到了一款汉麻热黏合非织造材料,然后将纯ES纤维非织造材料作为上层、汉麻热黏合非织造材料作为下层,通过复合得到了纸尿裤面层材料。测试结果表明,该纸尿裤面层材料对金黄色葡萄球菌、白念珠菌和大肠埃希菌的抑菌率分别达36.27%、31.58%和37.50%,回渗量为0.43 g,满足婴儿纸尿裤测试标准要求。俞晶颖[34]利用汉麻纤维天然的抗菌性,先将汉麻纤维和棉纤维梳理成网后水刺加固,再进行柔软整理,得到了一款卫生用非织造材料。且试验结果表明,当汉麻纤维质量分数为50%时,该非织造材料对大肠埃希菌的抑菌率达94%。

竹纤维本身也具有抗菌功效,可以有效抑制细菌的滋生,且竹纤维内部超细的微孔结构[35]可以吸附有害物质和异味。张欢[36]开发了一款含不漂白竹纤维的纸尿裤,面层即为竹纤维水刺非织造材料,其充分利用了竹纤维天然的抗菌、保湿及散热等性能。

3.2 抗菌整理

天然抗菌纤维虽具备一定的抗菌性,但抗菌效果不强。目前,应用广泛的抗菌纤维及抗菌非织造材料一般是通过后整理手段实现的。抗菌剂的添加能提高织物的抗菌效果[37],且抗菌范围更广,功能更完善。现有抗菌整理方法包括浸渍法、涂层法、表面改性法、微胶囊整理法及复合法等。

叶文婷[38]通过静电纺丝工艺,将聚丙烯腈(PAN)/双癸基二甲基氯化铵(DDAC)微纳米纤维抗菌材料复合到ES非织造材料上,制得一种微纳米纤维复合抗菌非织造材料。且试验发现:最优静电纺丝工艺条件为PAN溶液质量分数14%、接收距离18 cm、纺丝电压12 kV;当PAN质量分数为5%时,含DDAC的静电纺微纳米纤维材料的抗菌效果最好,其对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率都大于99.99%。鞠林昕[39]先以木棉纤维和棉纤维为原料,经梳理成网、水刺加固等工艺制得非织造材料后,再对非织造材料进行基于聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)共沉积的载银抗菌整理及金银花提取液抗菌整理。结果发现:经载银抗菌整理的非织造材料,对金黄色葡萄球菌的抑菌率达99.9%,而经金银花提取液抗菌整理的非织造材料,对金黄色葡萄球菌的抑菌率达82.3%。两者都能赋予织物较好的抗菌性。

3.3 添加护肤成分

目前,一般采用直接涂覆法在纸尿裤的面层添加护肤成分。当护肤成分遇到水分后,其会溶解并黏附于人体皮肤和纸尿裤的表面,避免肌肤被水分浸泡,起到了抑菌和护肤的功效。

刘洲福[40]在纸尿裤生产线中将由乳木果油制成的膏体加热溶解,并均匀涂抹于纸尿裤的面层,制得了一款乳木果油纸尿裤。当遇到尿液时,该纸尿裤表层上的膏体会溶解并黏附于皮肤之上,在皮肤表面形成一层保护层,起到护肤的作用,达到预防和缓解尿疹的效果。俞励平等[41]发明了一种设置有护理膏层的纸尿裤。该护理膏溶于水,并能在遇水后逐渐变成黏稠、润滑的液体,所释放的功效成分对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌能起到较强的抑制作用。

4 柔软舒适面层

柔软舒适功能主要是针对纸尿裤面层用纺黏非织造材料和热风非织造材料而言的,因为相对于手感柔软的水刺非织造材料,未经处理的纺黏非织造材料一般手感较硬,舒适性差,热风非织造材料手感虽较为蓬松,但不够爽滑。目前,制备纸尿裤面层用柔软型非织造材料的技术主要包括两种:双组分纺丝与降低纤维卷曲度。

4.1 双组分纺丝

通过双组分纺丝技术制备非织造材料,可改善非织造材料的结构,使纤网内纤维形成有效、均匀的黏合。所得材料蓬松度高,表面均匀,舒适柔软[42],且不含树脂加工剂,故非常适合用作卫生用品或接触皮肤的表层材料。

Zhen等[43]在熔喷过程中将PE聚合物与PP共混,以改善PP非织造材料的柔软性。试验发现,在较高的模具温度下,PE的加入破坏了PP的结晶结构,使得到的非织造材料更加蓬松,且柔软度与纯PP非织造材料相比有较大提升。该材料在纸尿裤、卫生巾等产品中具有很大的应用潜力。Duo等[44]以高收缩聚酯(HSPET)和聚酰胺6(PA6)为原料,通过双组分纺黏水刺技术制备了一款HSPET/PA6超细纤维非织造材料。研究发现,HSPET/PA6超细纤维非织造材料经沸水处理后,其中的HSPET组分收缩,在非织造材料表面形成立绒,材料内部结构变得相对蓬松,柔软度得到大幅提高。

4.2 降低纤维卷曲度

非织造材料的舒适性会因短纤维卷曲度的不同而有所不同。研究[45]表明,降低热风非织造材料中纤维的卷曲度,可以有效降低非织造材料的摩擦性能,这对改善非织造材料的手感有很大的帮助,其能使非织造材料既具备热风非织造材料的蓬松绵柔,又具有纺黏非织造材料的丝柔爽滑。目前,改变制备工艺参数可调整纤维的卷曲度。

刘欢等[46]通过控制工艺降低了皮芯结构聚乙烯/聚酯纤维的卷曲度,从而改变非织造材料的手感。其研究发现,当热风温度为135 ℃、热风风机频率为25 Hz、加热时间为3 min时,聚乙烯/聚酯纤维的卷曲度从19.08%降低到12.08%,材料的纵向平均摩擦因数减小了22.4%,材料在保留了热风非织造材料蓬松性的同时还兼具纺黏非织造材料手感爽滑的特点,且力学、透气、透湿等性能几乎不受影响。齐晶晶[47]通过改变热风非织造材料生产过程中锡林与工作辊的速比、热风风机频率和热风温度等工艺参数,制得不同卷曲度的ES纤维,并以其为原料开发了热风非织造材料。研究发现,纤维生产的最优工艺参数为锡林与工作辊速比11.67、热风风机频率42 Hz、热风温度133 ℃。纤维卷曲度的减小有利于改善所得热风非织造材料的柔软性和摩擦性。

5 结语

纸尿裤面层直接与人体皮肤接触,其在整个纸尿裤结构中扮演着十分重要的角色,是实现纸尿裤功能的第一个环节。目前,纸尿裤功能面层材料品种虽层出不穷,但仍存在一些不足。

整体来看,纸尿裤面层的功能目前过于单一,难以满足消费者对多功能产品的需求,应加大多功能材料的研发;废弃纸尿裤的处理问题也日益成为关注的焦点,后期研发应更注重可降解材料如聚乳酸纤维等的应用;此外,纸尿裤智能化方面还有所欠缺,若使用过程中能自发地提醒使用者及时更换纸尿裤,则能一定程度地减少皮肤问题。

具体来看,3D立体结构面层加工技术要求高,且成本高;打孔面层对芯体锁水能力依赖性较大,若芯体锁水能力欠佳,则液体可能从孔洞中反渗上来;单向导湿面层的亲疏水化学整理可能导致材料的手感变差,且整理剂应确保对人体无害;消臭除异味面层目前研究较少,该材料在成人轻度失禁纸尿裤领域有广阔的应用前景;抗菌护肤面层方面,天然抗菌纤维虽安全可靠但抗菌效果欠佳,化学抗菌整理剂对人体有潜在的危害,因此可考虑使用天然绿色抗菌提取物进行抗菌整理,或将抗菌整理层置于面层之下,避免人体皮肤直接接触;柔软舒适面层大多采用细旦纤维制备,其他方法如双组分纺丝或降低纤维卷曲度等方法对生产工艺要求高且较复杂,故研究较少,可转向研究纳米级熔喷非织造材料。

总之,纸尿裤面层未来应向着多功能化、智能化、绿色安全、环保可降解等方向不断迈进。