謝錫佳， 王添輝， 利 莉， 蔡光合， 陳宗哲， 梁倩兒

（廣東茵茵股份有限公司， 東莞 523380）

1 引言

隨著空間站和載人登月等深空探測任務的不斷推 進，航 天 員 飛 行 時 間 加 長。 為 解 決長時間飛行過程中的排尿問題，航天員會在航天服內(nèi)穿戴尿液收集裝置，其中紙尿褲是應用最為廣泛的一種方式。 紙尿褲按結(jié)構(gòu)分為開合式和褲型2 個大類。 開合式紙尿褲具有吸收量大，系合力可調(diào)節(jié)，防泄漏安全系數(shù)高，可長期使用等優(yōu)點，以往航天員使用的尿收集裝置都是開合式。 但航天員反饋現(xiàn)有紙尿褲穿戴后比較厚重，冗余感強，對襠部的壓迫感強烈。 隨著航天員面臨工作任務的增加，工作內(nèi)容更為精細，工作時長也大大延長，研究穿戴更為方便、更舒適、無冗余感的新型紙尿褲用品極其必要。

本文針對新形勢下航天員的任務需求，開展大容量、高舒適褲型紙尿褲研究，創(chuàng)新使用超聲波對彈性材料進行無延時打孔加工技術，采用吸收芯體與防逃逸芯體相結(jié)合的雙模芯，針對成人褲型紙尿褲的腰部彈性閉合系統(tǒng)及芯體吸收系統(tǒng)，進行了新型彈性材料在不同拉伸倍率情況下的超聲波對材料開孔均勻性及焊接強度實驗，以及不同組合的吸收系統(tǒng)的吸收能力實驗，最后分析出大容量高舒適航天紙尿褲的制備條件。

2 實驗

2.1 目的及技術指標

本文實驗目的是將新型彈性材料固定在腰部彈性閉合系統(tǒng)內(nèi)，測試彈性材料開孔面積比率、開孔均勻度、材料間結(jié)合強度以及腰部側(cè)邊的粘合強度；同步使用雙模芯體進行組合，測試產(chǎn)品的飽和吸收量。

技術指標如下：①紙尿褲腰部、腹部及側(cè)腰等覆蓋區(qū)域的材料開孔率大于50%；②依據(jù)前期對消費人群實際使用褲型紙尿褲的測試結(jié)果，每25 mm寬側(cè)腰材料焊接強度設定在12 ～18 N 之間；③模擬尿液總飽和吸收量大于800 g。

2.2 實驗材料

1）聚丙稀無紡布，木質(zhì)纖維素纖維，聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂，高彈性氨綸絲，微孔型聚乙烯透氣膜，熱熔型粘合劑，37 g／m熱塑性聚氨酯與聚丙烯纖維預先復合好的彈性TPU／PP 膜。

2）人工尿液。 在2 L 蒸餾水中加入（18±0.01）g NaCl 配制成溶液，在溫度為（20±2）℃時，其表面張力應達到（70±2）mN／m。

2.3 實驗設備

1）Ultrasonic 超聲波焊接儀，威?？坪Ｓ邢薰?；

2）OPT-12V 數(shù)碼顯微鏡，上海致旗實業(yè)有限公司；

3）BS-6KH 電子天平，昆山巨天儀器設備有限公司；

4）INSTRON 材料拉伸測試儀，東莞力一試驗設備有限公司。

2.4 制備方法

1）彈性腰圍基礎裝置的制備。 將第1 層聚丙烯無紡布片材平鋪到工作臺面上；將TPU／PP膜作為中間層，利用穩(wěn)定器將TPU／PP 薄膜拉伸到設定的拉伸倍率，四周固定，然后將TPU／PP 薄膜連同穩(wěn)定器一起覆蓋在第1 層材料上；最后把第3 層材料聚丙稀無紡布蓋在前面2 層材料上。

2）雙模芯體制備。 利用干冰冷凍劑對開合式紙尿褲芯體固定部位進行冷凍噴射，逐步揭開吸收面層、導流層、芯體包裹層，直至取出完整木漿混合芯體；裁剪合適尺寸的預制復合芯體；將預制復合芯體覆蓋在木漿混合芯體上；用熱熔膠機噴涂聚丙烯無紡布后，再對雙模芯體進行包裹；將包裹好的雙模芯體組裝回彈性腰圍構(gòu)件內(nèi)。

3）彈性腰圍結(jié)合部構(gòu)件制備。 將制備好的2片彈性腰圍的最外層邊緣對齊，利用固定器進行拉伸固定；用超聲波按設計圖形進行點焊接。

2.5 測試方法

1）彈性腰圍開孔率測試。 首先將TPU／PP彈性材料按不同拉伸比制備成彈性腰圍部件，再進行拉伸固定后拍照，利用Adobe Photoshop CS6圖形處理軟件進行開孔面積和開孔率測試。

2）彈性腰圍構(gòu)件中材料之間結(jié)合強度測試。將制備好的開孔彈性腰圍拉伸100%后，裁剪為25 mm×100 mm，選取一端為起始端，預先剝離15 mm，用材料拉伸測試儀夾具夾住剝離端進行剝離測試，拉伸速度為100 mm／min，剝離距離為60 mm。

3）彈性腰圍構(gòu)件端部焊接強度測試。 將超聲波焊接好的構(gòu)件，裁剪為25 mm×100 mm，選取一端為起始端，預先剝離15 mm，用材料拉伸測試儀夾具夾住剝離端進行剝離測試，拉伸速度為100 mm／min，剝離距離為60 mm。

4）雙模芯體飽和吸收量測試。 配置50 L人工尿液放置在不銹鋼方型水槽內(nèi)，將預制好的雙模芯體浸泡入液體中，浸泡30 min 后，用平面托板水平托起芯體，水平放置水槽上方5 min，瀝干多余水分。 將托板連同芯體置于天平上稱出質(zhì)量，減去托盤及芯體原始質(zhì)量即為飽和吸收量。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 彈性腰圍開孔率數(shù)據(jù)分析

TPU／PP 彈性材料為非透氣型材質(zhì)，為滿足紙尿褲包裹皮膚區(qū)域的透氣性需求，需強制將彈性材料進行打孔處理，開孔率越高，透氣性越好，但同時需兼顧打孔后材料之間的焊接強度，在焊接強度與開孔率之間進行優(yōu)化處理。

打孔采用觸碰式無延時技術，當超聲波頭接觸到彈性腰圍材料時，瞬間的能量強度要求可以擊破TPU／PP 材料，同時使破洞邊緣能很好地與上下層無紡布進行焊接，且焊接強度需達到規(guī)定的數(shù)值。 因此彈性材料需要預先拉伸，必須預先在TPU／PP 材料上負載一定能量。

樣品1 ～4 分別為彈性材料TPU／PP 預先拉伸3.5 倍、4 倍、4.2 倍、4.5 倍，再使用超聲波開孔后得到的樣品。 樣品用數(shù)碼顯微鏡進行拍照后，用Adobe Photoshop CS6 圖形處理軟件進行計算處理，得到表1 不同拉伸倍率下開孔率測試結(jié)果。 表中照片為各樣品的拍攝照片，總區(qū)域面積為照片中選定圖片區(qū)域面積，彈力面積為選定區(qū)域面積除去孔洞的面積，圖形處理軟件計算開孔率＝1-（彈力面積／總區(qū)域面積）×100%。

測試結(jié)果如表1 所示，樣品1 中彈性材料大部分的區(qū)域未實現(xiàn)開孔，平均穿孔率為28.05%，該樣品的透氣性不良；樣品2 中的彈性材料部分區(qū)域未實現(xiàn)開孔，部分區(qū)域發(fā)生破裂，其平均穿孔率達到46.95%；樣品3 彈性材料被擊穿的孔洞分布均勻，開孔率為64.64%，該材料將具有良好的透氣性能；樣品4 出現(xiàn)非常顯著的破裂，且破裂面積較大，此時彈性腰圍材料開孔率反而降低為50.31%，原因是材料破裂后褶皺在一起。

表1 不同拉伸倍率下開孔率測試結(jié)果Table 1 Test results of porosity under different drawing ratio

綜上所述，若用作彈性腰圍材料，樣品1 的開孔率數(shù)值低，且透氣性不佳；樣品2 既有開孔不良的缺陷，又有彈性材料破裂的風險；樣品4 出現(xiàn)大比例的破裂；而樣品3 彈性材料出現(xiàn)非常均勻的開孔，開孔率較高，后續(xù)做成尿褲的彈性腰圍時，加工工藝穩(wěn)定，透氣性良好，故優(yōu)選樣品3。

3.2 開孔彈性膜材料層間結(jié)合強度分析

彈性腰圍開孔后，利用材料拉力機對彈性腰圍層間材料結(jié)合強度進行測試，測試結(jié)果如圖1 所示。 層間材料粘接強度主要依靠對超聲波頭與無紡布之間的焊接點進行固定。 TPU／PP 材料拉伸倍率越低，上下無紡布與彈性材料之間的粘接強度越好，當彈性材料的拉伸倍率越接近該材料的斷裂倍率時，粘接強度越低，原因是拉伸比越大，彈性材料的有效厚度越薄。 樣品3 拉伸優(yōu)選倍率為4.2倍時，材料層間結(jié)合強度為0.98 N／25 mm。

圖1 彈性膜層間結(jié)合強度測試曲線Fig.1 Test curve of bonding strength of elastic film

該強度數(shù)值接近腰部材料的層間強度要求，后續(xù)可以通過調(diào)整超聲波能量密度或改變上下無紡布的厚度進行優(yōu)化提高，也可以通過改變超聲波頭的外形及面積來提升層間焊接強度。

3.3 彈性腰圍端部焊接強度分析

褲型紙尿褲彈性腰圍需在兩側(cè)腰進行焊接，焊接后強度需滿足使用者穿戴活動過程不裂開，同時也方便使用者從側(cè)邊撕開。 經(jīng)實際使用測試，得到該側(cè)腰焊接強度優(yōu)選焊接強度范圍在（12～18）N／25 mm（即每25 mm 寬材料的焊接強度）。 對含有彈性材料的3 層腰部構(gòu)件進行超聲波端邊封焊接，焊接點直徑為0.8 mm，點與點之間中心間距為1.8 mm，雙排焊接，排與排之間間距為2.5 mm。 將材料相同的2 塊樣品1、2、3、4進行焊接，得到樣品5、6、7、8。

用材料拉伸測試儀對樣品的側(cè)腰焊接強度進行測試，測試結(jié)果如圖2 所示。 不同樣品的焊接強度均在優(yōu)選焊接強度范圍（12 ～18）N／25 mm內(nèi)，說明TPU／PP 不會影響到腰部邊封的焊接強度，后續(xù)可進一步將焊接花型優(yōu)化。

圖2 彈性腰圍側(cè)邊焊接強度試曲線Fig.2 Test curve of side welding strength of elastic waistline

3.4 雙模芯體飽和吸收量分析

成人紙尿褲吸收芯體為粉碎后木漿與高吸水性樹脂的混合體，該混合體分為上下2 層，下層混合體一般設計成8 字型，上層混合體一般設計成直條型。 這種芯體設計不足之處在于太厚，飽和吸收量又偏小。

本文選取傳統(tǒng)的成人紙尿褲，將其上層直條芯體去除，保留下層8 字形狀大芯體。 然后在下芯體上方疊加1 片預制好的大容量超薄芯體，寬為105 mm，長為445 mm，每平米質(zhì)量為410 g，得到雙模芯體。 對雙模芯體進行厚度測量，厚度為17 mm，比原有芯體厚度降低了9 mm（表2）。

表2 雙模芯體飽和吸收量結(jié)果Table 2 Results of saturated absorption of dual core

對原有芯體和雙模芯體進行飽和吸收量測試，發(fā)現(xiàn)雙模芯體總飽和吸收量為1039.5 g，增加了413.3 g。 該飽和吸收量可以涵蓋100%成人2次尿液量，且后續(xù)可以通過優(yōu)化疊加的超薄芯體的寬度和克重，使總飽和吸收量增加到更大值。芯體厚度可以通過優(yōu)化芯體的配方，使整個產(chǎn)品厚度進一步下降到7 mm 以下，這對于穿戴舒適度會有一個比較顯著的提升。

4 結(jié)論

1）彈性材料TPU／PP 的預先拉伸倍率優(yōu)選為4.2 倍，此時彈性材料開孔率高，開孔均勻，孔邊緣被拉裂的風險最低，此時彈性材料與上下無紡布的層間結(jié)合強度為0.98 N／25 mm。 后續(xù)可以優(yōu)化超聲波頭面積及超聲波頭的點陣排布方式，以提高該強度。

2）彈性腰圍側(cè)邊焊接強度均在優(yōu)選焊接強度范圍（12 ～18）N／25 mm 內(nèi)。

3）雙模芯體在顯著降低產(chǎn)品厚度的前提下，提升了飽和吸收量，且后續(xù)可以進一步提升飽和吸收量，厚度也可以進一步下降。 這可以顯著提升產(chǎn)品的穿戴合身性。