Ariel V. Melendres Adam Stone

一種新型高通液性高吸收性樹脂SAP-HP

Super Absorbent Polymer with High Permeability

Ariel V. Melendres Adam Stone

高吸收性樹脂（SAP）是一種合成聚合物，由于其擁有獨(dú)特的性質(zhì)，即相對(duì)于自身質(zhì)量來(lái)說(shuō)能吸收大量的水，因此主要用作吸水材料。SAP的使用是一項(xiàng)創(chuàng)新，尤其是幾十年前開始應(yīng)用于紙尿褲?，F(xiàn)在SAP已廣泛應(yīng)用于嬰兒紙尿褲、失禁用品和衛(wèi)生巾等。

目前市場(chǎng)上的SAP，絕大多數(shù)是丙烯酸單體在交聯(lián)劑作用下發(fā)生自由基聚合反應(yīng)制成的。使用過(guò)程中，SAP內(nèi)部形成的特殊三維結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出可吸收大量水的獨(dú)特屬性。

紙尿褲的吸收芯體由絨毛漿和SAP組成，用來(lái)吸收尿液。當(dāng)前的研究方向?yàn)闇p少絨毛漿用量，使紙尿褲體積更小、更薄，同時(shí)保持總的吸收能力不變。因此，減少絨毛漿用量后，紙尿褲中需要更多的SAP，以維持總的吸收能力。并對(duì)SAP進(jìn)行改良，使其滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，如提高SAP的通液性，以彌補(bǔ)絨毛漿用量減少后導(dǎo)致的芯體蓬松性損失和傳輸液體功能的損失。SAP的通液性提高后，離心保水量（CRC）等吸收特性需要維持在可接受的水平，且保持較高的加壓吸收量（AUP）。

SAP的通液性

通液性是指多孔材料允許液體透過(guò)的能力。對(duì)于SAP來(lái)說(shuō)，通液性在衛(wèi)生用品中十分重要，主要是指芯層中SAP顆粒在溶脹狀態(tài)下液體的滲透性，因此也被稱為凝膠層滲透性（Gel Bed Permeability，GBP）。低通液性或者說(shuō)低GBP值表明液體穿過(guò)溶脹的SAP凝膠層的流速較低。

在紙尿褲的實(shí)際應(yīng)用中，較低的GBP造成尿液在芯體中擴(kuò)散性變差，會(huì)導(dǎo)致紙尿褲出現(xiàn)產(chǎn)品性能問(wèn)題。紙尿褲在使用過(guò)程中，尿液必須擴(kuò)散并滲透到芯體中，否則就出現(xiàn)凝膠阻塞，這一現(xiàn)象發(fā)生于第二次的尿液被溶脹后的SAP堵住不能下滲，而流向其他方向，導(dǎo)致發(fā)生泄漏。為了使凝膠層具有較好的通液性，溶脹的SAP顆粒之間應(yīng)該形成開放式通道允許液體通過(guò)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，要求SAP顆粒在溶脹狀態(tài)下必須保持足夠的穩(wěn)定性，即在壓力作用下，單個(gè)顆粒應(yīng)具有足夠的凝膠強(qiáng)度。如果凝膠顆粒不具有足夠的強(qiáng)度，在壓力作用下不僅不會(huì)產(chǎn)生顆粒間的孔隙，反而會(huì)形成屏障，阻礙液體通過(guò)。

新型高通液性SAP

通常，紙尿褲中具有較高CRC的SAP凝膠顆粒在壓力作用下很容易塌陷變形，失去了發(fā)揮作用所需的通液性。為將通液性提高至期望值，一種常用的方法是將CRC降至較低水平，通液性提高的同時(shí)AUP也得到一定程度的提高。

最近，研發(fā)了一種具有高通液性、中等CRC和較高AUP的SAP——SAP-HP。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚕筍AP顆粒獲得內(nèi)部和外部交聯(lián)的良好平衡，提高其通液性，滿足紙尿褲的使用需求。

● 通液性GBP

該公司采用行業(yè)可接受的方法和標(biāo)準(zhǔn)的GBP儀器測(cè)定了這種新型SAP的通液性。試驗(yàn)中采用0.9%NaCl溶液作為試驗(yàn)液體。

以下為根據(jù)達(dá)西定律確定滲透率的公式：

式（1）中：K表示通液性（GBP），單位：cm2；

Q表示流速，單位：g/s；

H表示凝膠層試樣的高度，單位：cm；

μ表示測(cè)試液（0.9%NaCl溶液）的粘度，單位：cp；

A表示垂直于液體流的橫截面積，單位：cm2；

ρ表示液體密度，單位：g/cm3；

P表示靜水壓，單位：dynes/cm2；

靜水壓的計(jì)算公式為P=ρ×g×h，其中g(shù)是重力加速度，單位：cm/s2；h是液體高度，在本試驗(yàn)中為4.0cm。

采用GBP儀器，將粒徑為300～600μm干燥的SAP顆粒浸沒在0.9%NaCl溶液中，制成凝膠層供試驗(yàn)用。

在通液性試驗(yàn)中，每5s記錄一次通過(guò)凝膠層的0.9%NaCl溶液的量（以g為單位），以此來(lái)測(cè)定流速。

圖1 通液性試驗(yàn)中流過(guò)4種不同SAP的液體質(zhì)量和時(shí)間

圖1所示為SAP-HP與市場(chǎng)上其他供應(yīng)商的不同SAP通液性試驗(yàn)結(jié)果。記錄了2min內(nèi)通過(guò)凝膠層的液體量，液體量與時(shí)間呈直線關(guān)系。代表SAP-HP的直線斜率最大，這表示其流速最快。通過(guò)材料的液體流速是決定通液性的主要因素，是紙尿褲應(yīng)用中的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。較高的通液性表明液體的流速較高，這對(duì)絨毛漿含量減少，SAP含量增加的紙尿褲來(lái)說(shuō)更為重要。通過(guò)公式2，基于最小二乘法計(jì)算流速Q(mào)（單位：g/s）。

公式2中m是圖1中直線的斜率，y是任意時(shí)刻通過(guò)凝膠層的液體質(zhì)量，x表示時(shí)間。

圖2 通過(guò)不同SAP凝膠層的液體流速

從圖2可以看出，液體在SAP-HP中的流速最快。在對(duì)SAP-HP進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，觀察到在3min（完成試驗(yàn)所要求的時(shí)間）時(shí)間內(nèi)，液體持續(xù)不受阻礙地從儀器底部整個(gè)區(qū)域流下來(lái)。其他3種SAP，液體流速則較慢且相對(duì)受阻。

根據(jù)公式1計(jì)算通液性GBP值。除流速Q(mào)外，每次試驗(yàn)中還精確測(cè)量了凝膠層的高度H。裝置的底面積不變，高度的變化代表材料的體積變化，隨著SAP吸水，體積不斷膨脹，形成穩(wěn)定的凝膠層，通液性也隨之增加。因此，從某種程度上可以說(shuō)，加壓吸收量AUP越大、吸液后凝膠顆粒的體積越大，SAP的通液性越好。

圖3 不同SAP的通液性GBP值

SAP-HP的通液性及其CRC值，顯示出其凝膠顆粒的穩(wěn)定性，而這種性能是通過(guò)適當(dāng)?shù)膬?nèi)部和表面交聯(lián)獲得的。這種類型的SAP非常適用于改善紙尿褲的性能，如吸收速度、防反滲和防泄漏等。

● 加壓吸收量AUP

圖5為0.7psi下的加壓吸收量（AUP）和通液性的疊加圖。供應(yīng)商A的SAP的AUP值比SAP-HP低15%，供應(yīng)商B的SAP比SAP-HP高4%，供應(yīng)商C的SAP比SAP-HP低7%。由圖中可見，SAP-HP具有更佳的綜合性質(zhì)，同時(shí)具有高通液性和較高的AUP值，再次說(shuō)明其更適合用于改善紙尿褲的性能。

圖3顯示了不同SAP的GBP值。SAP-HP的GBP值最高，比排在第二位的供應(yīng)商A的SAP高約35%，而其他兩種SAP的GBP值更低。SAP-HP的高GBP值表明，液體可容易地快速通過(guò)凝膠層，當(dāng)其用在紙尿褲中時(shí)，不會(huì)發(fā)生任何凝膠堵塞。在使用了高通液性SAP的芯體中，液體可以從SAP顆粒之間的間隙流過(guò)。

● 離心保水量CRC

圖4為離心保水量（CRC）與通液性的疊加圖。用離心機(jī)測(cè)量SAP的CRC值，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將離心機(jī)吊籃轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速調(diào)整為250G。從圖中可見，SAP-HP的CRC值比供應(yīng)商A提供的SAP略高，但SAP-HP的通液性GBP值卻比它高35%。由供應(yīng)商B和供應(yīng)商C提供的SAP的CRC值比SAP-HP約高8%，但它們的GBP值卻比SAP-HP低75%。通常，隨著CRC的增加，SAP的通液性會(huì)減弱。市場(chǎng)上大部分具有較高CRC的SAP的通液性都很低甚至無(wú)通液性，而其他具有中等CRC值的SAP的通液性也相當(dāng)?shù)汀AP-HP很好地平衡了通液性、CRC和AUP這幾項(xiàng)指標(biāo)。

圖4 不同SAP的通液性GBP值和離心保水量CRC

圖5 不同SAP的通液性GBP值和加壓吸收量AUP

結(jié)論

SAP-HP是一種新型SAP，具有更好的應(yīng)用性能。該產(chǎn)品的研發(fā)重心集中于提高具有中等CRC值和較高AUP（0.7psi）值的SAP的通液性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在用SAP-HP制成的凝膠層中，液體的流速更快，因此可以證明，相對(duì)于來(lái)自其他主要供應(yīng)商的SAP，SAP-HP的通液性更好。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果還顯示，SAP-HP凝膠顆粒的結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性。SAP-HP不僅具有符合要求的穩(wěn)定吸收性質(zhì)，如CRC和AUP，還具有更高的通液性，這對(duì)紙尿褲來(lái)說(shuō)十分重要。使用這種SAP，液體可均勻分布到紙尿褲整個(gè)芯層區(qū)域，提高紙尿褲的吸收速度、防反滲性和防泄漏性。

1. 高吸收性聚合物.歐洲非織造布工業(yè)協(xié)會(huì)（EDANA）.http:// www.edana.org.

2. 美國(guó),8,822,582[B2].2014-09.

3. 美國(guó),6,239,230[B1].2001-05-29.

4. Jose M. Asua.聚合反應(yīng)工程[M].布萊克威爾出版社，2007.