单向导水纳米纤维膜复合热风非织造材料面层的制备及性能

蓝华孟 张梦洁 王荣武

东华大学 纺织学院,上海 201620

人们对高品质生活的不断追求使得消费者对纸尿裤的质量和功能的要求也在不断提高,纸尿裤市场发展迅速,主要用于制备纸尿裤的非织造材料也处于不断发展和升级中[1-2]。其中,纸尿裤的面层在使用过程中因与皮肤直接接触,故其干爽性能是重点关注的指标。调查显示,婴儿纸尿裤产品仍然存在以下使用痛点:尿液吸收能力差;存在漏液、反渗等情况;使用后容易出现皮肤泛红现象;等等[3]。以上问题可以归结为纸尿裤的干爽性能较差。因此,开发具有单向导水、防反渗性能的非织造材料作为面层,对改善纸尿裤干爽性能较差的问题具有重要意义。

单向导水面层材料主要利用差动毛细效应和润湿梯度效应,在材料厚度方向上形成附加压力差,这样液体在附加压力差的作用下可实现定向传导,从而减少了液体的反渗[4]。但当前的单向导水面层多以传统非织造材料为主,其对防反渗及干爽性能的提升,效果并不显著。曹万宏等[5]通过水刺加固的方法,将漂白脱脂棉与漂白不脱脂棉制备成单向导水非织造材料,并发现该材料的防反渗能力有所提高,尿液反渗量约为1 g,干爽性能较好。齐国瑞等[6]采用雾化喷涂工艺,使用无氟拒水整理剂对纯棉水刺非织造材料进行了单面拒水整理,获得了单向导湿的纸尿裤面层材料,并发现该面层材料的液体穿透时间、反渗量等都优于市面上的纯棉面层材料。王先锋等[7]以聚乳酸非织造布为基布,使用多巴胺对基布进行亲水改性后,再通过在另一面沉积一层疏水静电纺纤维膜的方法制备了具有一定反向耐水压性能的纸尿裤面层材料。但该面层材料拒水面为人体接触面,故难免会因摩擦等原因导致疏水剂膜脱落,这可能会对婴儿皮肤造成潜在的伤害。

热塑性聚氨酯(TPU)具有优异的力学性能[8],聚乙烯吡咯烷酮(PVP)材料具备亲水、可溶于水的特性[9]。结合这两种材料并利用静电纺丝技术,可获得TPU/PVP静电纺纳米纤维膜,其中TPU主要为静电纺纳米纤维膜提供力学支撑。TPU/PVP静电纺纳米纤维膜具有微米级的孔径结构,可利用毛细效应实现对尿液的有效扩散,减少尿液的积聚。此外,微纳米级的孔径尺寸介于水分子直径与水蒸气分子直径之间,可以实现一定的防水透气效果[10]。而且,PVP材料的亲水性利于尿液的吸收和传导,尿液能快速下渗,使纸尿裤具备干爽性好的特点。

本文将采用聚烯烃系纤维(ES)热风非织造材料为基布,使用无针静电纺丝技术制备TPU/PVP静电纺纳米纤维膜并将其作为复合层,以此获得具有孔径梯度及亲疏水性差异的TPU/PVP静电纺纳米层复合ES热风面层(下文简称“复合面层”)。同时探究TPU、PVP不同质量比对复合面层的透气性能、单向导水性能、结合牢度,以及组合纸尿裤的尿液下渗速度、尿液扩散长度、尿液回渗量等的影响。

1 复合面层组装纸尿裤的制备

1.1 材料与仪器

试验原料:ES热风非织造材料,面密度18 g/m2。

试验试剂:TPU,相对分子质量15 000,东莞市樟木头豪圣塑胶原料部;PVP,型号K30,东莞市樟木头豪圣塑胶原料部;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),分析纯,国药集团;去离子水,实验室自制;人工尿液,由质量分数分别为99.1%的去离子水与0.9%的NaCl构成,实验室自制。

测试仪器:JFS-2200型工业用防爆大功率搅拌器,磁力搅拌器,大型无针静电纺丝设备(九一高科无纺机械有限公司),NDJ-5S型数字黏度计,TM3000型扫描电子显微镜,CFP-1100AI型多孔材料孔径分析仪,YG461E型全自动织物透气性测定仪,UWT型织物耐磨试验机,FA2004A型电子天平,M290型液态水分管理仪。

1.2 试验方法

1.2.1 TPU/PVP纺丝液的制备

称取一定质量的TPU和PVP溶解于DMF中,室温下经搅拌器搅拌12 h后得到均匀透明且呈黏稠状的TPU/PVP纺丝液。共配制4种TPU/PVP纺丝液,其中m(TPU)∶m(PVP)=12∶4,10∶6,8∶8,6∶10,且TPU/PVP纺丝液中溶质的质量分数均保持在16%。

1.2.2 静电纺纳米纤维膜的制备

使用大型无针静电纺丝设备进行无针静电纺丝。设备如图1所示,电极为纺丝钢针,纺丝液在钢针上可以形成多束泰勒锥。这种纺丝方式可大幅提高纺丝效率,适用于样品的快速制备和产业化生产。

图1 大型无针静电纺丝设备及其工作原理Fig.1 Large needle-free electrostatic spinning equipment and its working principle

先将搅拌均匀的TPU/PVP纺丝液倒入可移动供液装置中,然后通过抽吸装置将ES热风非织造材料吸附在可移动的网帘上。本研究将使用4个纺丝模块,设置网帘速度为1 m/min,纺丝电压为35～45 kV,纺丝距离为10 cm。制备的TPU/PVP静电纺纳米纤维膜沉积在ES热风非织造材料上,形成了复合面层。4种质量比即m(TPU)∶m(PVP)=12∶4,10∶6,8∶8,6∶10对应的复合面层试样分别记为1#、2#、3#、4#。

1.2.3 纸尿裤的组装

4种商用纸尿裤基本参数如表1所示,复合面层组装纸尿裤结构示意见图2。复合面层组装纸尿裤的组装步骤:使用吹风机的热风模式将原装纸尿裤的面层与导流层之间的热熔胶加热融化,当面层与导流层可分离时将原装纸尿裤的面层揭下,并在热熔胶还具有黏性的情况下,用复合面层替换原装纸尿裤的面层,并使复合面层尽可能地与导流层贴合。试验还使用ES热风非织造材料替换了原装纸尿裤的面层,并将得到的组装纸尿裤作为对比试样。

表1 4种商用纸尿裤基本参数Tab.1 Basic parameters of four commercial diapers

图2 复合面层组装纸尿裤结构示意Fig.2 Schematic diagram of assembled diapers with composite surface

1.3 结构与性能测试

1.3.1 纳米纤维膜表面微观形貌

参照GB/T 36422—2018,采用TM3000型台式扫描电子显微镜,对TPU/PVP静电纺纳米纤维膜表面微观形貌进行观察。

1.3.2 纳米纤维膜孔径

参照GB/T 32361—2015,采用CFP-1100AI型多孔材料孔径分析仪,对TPU/PVP静电纺纳米纤维膜孔径进行测量。

1.3.3 复合面层透气性能

参照GB/T 5453—1997,采用YG461E型全自动织物透气性测定仪,对复合面层进行透气性能测试。测试面积为20 cm2,压降为200 Pa。每种试样测试5次,结果取平均值。

1.3.4 复合面层单向导水性能

参照AATCC 195-2009,使用M290型液态水分管理仪,对复合面层的单向导水性能进行测试。

1.3.5 复合面层结合牢度

使用UWT型织物耐磨试验机,采用标准羊毛磨料进行摩擦,摩擦方式为平磨。4种样品均摩擦20次,测量样品的磨损面积,以此表征TPU/PVP静电纺纳米纤维膜与ES热风非织造材料的结合牢度。但由于磨损的创面形状不规则,故采用图像处理技术并结合Matlab(2021)软件实现磨损创面的提取及材料脱落比即面积损失率的计算。

1.3.6 纸尿裤性能测试

参照GB/T 28004—2011,对由1#、2#、3#、4#试样及ES热风非织造材料与A、B、C、D这4种商用纸尿裤面层重新组装的纸尿裤进行测试,主要测试指标有尿液下渗速度、尿液扩散长度及尿液回渗量等。具体操作:注入尿液,计算从开始倒液到液体消失,尿液穿透纸尿裤面层所用的时间,以此表征尿液下渗速度,本文共测2次,第一次倒液与第二次倒液间隔5 min;注液后10 min,测量尿液的扩散长度;纸尿裤试样吸收一定量的尿液后,测试一定压力下返回面层的尿液质量即尿液回渗量。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维膜表面微观形貌

不同质量比的TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的扫描电镜照片如图3所示,其纤维平均直径及变异系数如表2所示。

表2 TPU/PVP静电纺纳米纤维平均直径Tab.2 Average diameters of TPU/PVP electrospun nanofibers

结合图3和表2可以看出:1#试样中TPU/PVP静电纺纳米纤维直径较均匀;2#、3#试样中TPU/PVP静电纺纳米纤维直径均匀性较差;4#试样中TPU/PVP静电纺纳米纤维直径较均匀,但存在串珠结构,这与TPU/PVP纺丝液中PVP质量分数增加时纺丝液黏度会减小有关。制备1#、2#、3#及4#试样的纺丝液黏度依次为1 045、584、437及220 mPa·s。当黏度下降到一定程度时,大分子链间的纠缠力不够,在高压静电场的作用下纺丝液未被充分拉伸就发生了断丝、飞丝,因此会出现纤维粗细不均、串珠等现象[11]。

2.2 纳米纤维膜孔径

不同质量比的TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的孔径如表3所示。分析表3可以发现,随着纺丝液中PVP质量分数的增加,TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的平均孔径呈先减后增的趋势。这是由于在相同的纺丝工艺参数条件下,随着纺丝液中PVP质量分数的增加,纺丝液的黏度减小,大分子链间纠缠力减小,纺丝液更易被拉伸成细丝,故而形成的纤维直径较小,纳米纤维膜的孔径减小,但当纺丝液黏度进一步减小时,大分子链间纠缠力不够,纺丝液成纤量变少,纳米纤维膜的厚度减小,孔径增大。

表3 TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的孔径Tab.3 Pore sizes of TPU/PVP electrospun nanofiber membranes

2.3 复合面层透气性能

不同复合面层的透气率如图4所示。

图4 复合面层透气率Fig.4 Air permeability of composite surfaces

分析图4可知,不同复合面层的透气率为50～200 mm/s,透气性能变化与TPU/PVP静电纺纳米纤维膜孔径的变化规律一致。1#透气性能最好,透气率为195.3 mm/s,3#透气性能最差,透气率为68.7 mm/s。

2.4 复合面层单向导水性能

利用累计单向传递指数(R)表征复合面层的单向导水性能。不同面层材料的单向导水性能测试结果如图5所示。

图5 面层材料液态水分管理曲线Fig.5 Liquid moisture management curves of surface materials

从图5a)可以看出,当液体滴落在ES热风非织造材料面层的上表面时,上下表面会同时获得水分,且上表面获取的水分含量大于下表面获取的;从图5b)～图5e)可以发现,1#、2#、3#、4#复合面层的下表面即TPU/PVP静电纺纳米纤维膜所在面能够迅速捕获水分,且在10 s左右,下表面相对含水量超过上表面相对含水量,这主要是由于上表面即ES热风非织造材料所在面孔径较大,液体在重力作用下容易穿透,其次是由于ES热风非织造材料与TPU/PVP静电纺纳米纤维膜之间存在一定孔径梯度及亲疏水性差异,使得复合面层在厚度方向上形成了附加压力差。观察图5还可发现,随着PVP质量分数的增加,复合面层的R先增大后减小,原因在于PVP材料亲水又溶于水,适当增加PVP的质量分数有利于下表面获得并积累水分,但持续增加PVP会使得下表面水分积累过多,致使水分反渗到上表面影响上表面水分的监测结果。

图6为不同面层材料的上、下表面水分扩散云图,其中蓝色表示湿润,黑色表示未湿润。从图6可以看出,TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的存在有利于复合面层水分的扩散;PVP质量分数的增加对复合面层微量水分扩散影响不明显,水分在4种复合面层的下表面即TPU/PVP静电纺纳米纤维膜所在面上的扩散半径(r)均为20 mm。

2.5 复合面层结合牢度

不同复合面层下表面即TPU/PVP静电纺纳米纤维膜所在面的结合牢度测试结果如图7和表4所示。

表4 TPU/PVP静电纺纳米纤维膜面积损失率Tab.4 Area loss rates of TPU/PVP electrospun nanofiber membranes

图7 TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的磨损情况Fig.7 Wear of TPU/PVP electrospun nanofiber membranes

从图7和表4可以看出,摩擦后4种TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的面积损失率均未达到100%,说明4种TPU/PVP静电纺纳米纤维膜都未完全脱落,它们与ES热风非织造材料具有一定的黏合作用。这一方面是因为接收网帘带有抽吸装置,该装置能够使部分静电纺纳米纤维沉积在热风非织造材料纤维层内,2种纤维形成机械锁结;另一方面是因为PVP本身就是一种黏合剂,其处于溶液状态时就具有一定的黏性,纺丝过程中TPU/PVP静电纺纳米纤维膜处于一定的湿润状态,这有利于TPU/PVP静电纺纳米纤维膜与ES热风非织造材料基布的黏合[12-14]。

此外,从表4还可以发现,TPU/PVP静电纺纳米纤维膜面积损失率随着PVP质量分数的增加先减小后增大。这是由于PVP质量分数的增加有利于TPU/PVP静电纺纳米纤维膜与ES热风非织造材料基布的黏合,但当PVP质量分数增加到一定量时,TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的力学性能变差,脆性增加[15],故摩擦时纳米纤维膜容易破损、脱落,复合面层的结合牢度下降。

2.6 组装纸尿裤各项性能指标

2.6.1 尿液下渗速度

原装及组装纸尿裤的尿液下渗速度测试结果如图8所示。

图8 原装及组装纸尿裤尿液下渗速度Fig.8 Urine infiltration velocity of original and assembled diapers

从图8可以发现,4种含复合面层即1#、2#、3#、4#试样的组装纸尿裤的尿液下渗时间都受到了一定的影响,这与TPU/PVP静电纺纳米纤维堆积形成的微米级且不对称的孔径结构有关,同时尿液下渗时间还与TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的厚度等因素有关。

2.6.2 尿液扩散长度

原装及组装纸尿裤的尿液扩散长度测试结果如图9所示。

从图9可以看出:3#复合面层组装的纸尿裤的尿液扩散长度整体上明显大于对比试样及其他3种复合面层组装的纸尿裤,这与TPU、PVP材料的分子结构及TPU/PVP静电纺纳米纤维膜的结构有关。TPU是嵌段共聚物,含有亲水性和疏水性基团,可以起到传递水分子的作用;PVP材料亲水,尿液通过其亲水基团进行扩散;TPU/PVP静电纺纳米纤维膜具有致密的结构,尿液可以在纤维膜表面流动及通过毛细效应进行扩散,且孔径越小,毛细效应越强,水分扩散越好[16],尿液扩散长度越大。

2.6.3 尿液回渗量

原装及组装纸尿裤的尿液回渗量测试结果如图10所示。

从图10可以看出,相比于对比试样即ES热风非织造材料面层组装的纸尿裤,除了4#+B组装纸尿裤,4种复合面层组装的纸尿裤的尿液回渗量减少,抗尿液反渗能力明显提升,特别是2#和3#组装的纸尿裤,它们的回渗量平均值在0.05 g左右,说明用它们作为纸尿裤的面层具有优异的干爽性。这主要是因为TPU/PVP静电纺纳米纤维膜具有不对称的微米级孔径结构,可以防止液体直接穿透。此外,TPU/PVP静电纺纳米纤维膜具有亲水性,当液体接触纳米纤维膜时,由于毛细效应及亲水基团的作用,液体能够在纳米纤维膜上扩散,因此不易形成大量液体的穿透反渗。加之复合面层的上表面材料是具有一定厚度的疏水性ES热风非织造材料,因此可以保持一定的干爽性。4#+B组装纸尿裤的尿液回渗量有所增加,原因可能与以下2个因素有关:一是4#试样中TPU/PVP静电纺纳米纤维存在串珠现象,纤维粗细不均,孔径不均匀;二是所含PVP质量分数较大,导致TPU/PVP静电纺纳米纤维亲水性强,易形成积液。

3 结论

本研究旨在制备一种具有单向导水性能和一定防反渗性能的非织造材料作为纸尿裤的面层。通过使用静电纺丝技术制备TPU/PVP静电纺纳米纤维膜,并与ES热风非织造材料复合,形成TPU/PVP静电纺纳米纤维膜复合ES热风面层。

研究发现,当纺丝液中m(TPU)∶m(PVP)=8∶8即TPU和PVP质量分数均为8%时,得到的复合面层综合性能最佳:其结合牢度最佳,TPU/PVP静电纺纳米纤维膜面经过20次摩擦后,其面积损失率仅为1.44%;其单向导水性能优异,累计单向传递指数可达624.63%。用此复合面层制备的组合纸尿裤,尿液扩散长度大,尿液回渗量低(约0.05 g),能有效防止尿液回渗,具有出色的干爽性,但对尿液的下渗速度提高不显著。

综上所述,本研究提供了一种新的制备具有单向导水性和防反渗性能的面层非织造复合材料的方法,对于研发纸尿裤等失禁产品和类似要求的医卫产品具有一定的参考价值。