干法纸芯材用于纸尿裤的研究范例

本文讨论了干法纸吸收材料用作纸尿裤芯层的实际应用，综述了干法造纸技术的发展史和所发表的有关干法造纸的论文。这一综述所涉及的范围较广，涵盖了40多篇关于干法纸的论文内容和过去十多年的有关一次性用品产业的文献。

在谈到干法纸材料时，我指的是分切至使用宽度的工业化的纤维成网材料。这些材料一般含有纤维状的松木浆，粉状或粒状的高吸水树脂(SAP)和某些种类的粘合剂，即乳胶或热粘合纤维。这些材料由类似于织物的上层和底层组成 ，两层之间为混有SAP的纤维层。作为工业化产品，其一般的设计结构变化多端，有多层和交替层的层状结构，纤维种类和纤维长度各有不同，SAP的种类和粒度大小各异，厚度和密度也可不同，甚至在结构基质中还可含有非织造布层。

Pivko在 1997年的一篇论文中指出，使干法造纸工业化的首创者是 Karl Kroyer先生。金佰利公司早期试验和开发的正是他的专利技术。Pivko随后指出干法造纸技术在 1967年、1977年、1987年和 1997年经历了几个里程碑：

1967年：金佰利公司推出了Softique干法造纸技术，日本Honshu公司销售TDS干法纸产品；

1977年：American Can公司推出了它的Bolt牌擦拭纸巾；

1987年：Airlaid公司由“好纸”步入非织造布行列 ；

1997年：Airlaid公司回到干法造纸行业。

这些大事均是伴随着所预计的干法纸材料的大量增长和它在一次性用品行业中大量应用而发生的。将干法纸材料用作纸尿裤吸收芯层的诱人目的是：要在减少绒毛浆含量的同时，使纸尿裤变薄，或降低其松厚度，提高其吸收能力，并全面提高产品的性能。但要达到预期的广泛认可并不是一件简单的事。

原因何在?

当干法纸材料在市场上已具有一定的影响力并在某些产品中成功地取代普通的绒毛浆和 SAP组成的芯层时，它们在婴儿纸尿裤、训练裤和成人失禁用品等主要产品中并未取得公认的成功。这一不足之处主要是由于按常规的技术控制程序使用干法纸材料带来的成本高和性能较差所致。从成本的观点来看，这种使用方法是失败的，因为它不能充分利用干法纸材料。与干法纸材料有关的一些特殊问题是在液体进入部位的凝胶阻塞和导流能力差。这些问题又导致了对干法纸材料进行额外的加工处理，以便解决这些问题，但这样做势必会增加产品的成本。

将干法纸材料用于超薄纸尿裤无甚进展的另一个原因似乎是担心消费者的接受程度。消费者总是感到薄型纸尿裤的吸水性不如过去的绒毛浆含量高的纸尿裤。本文提出了与此相反的实验数据，并且指出成人失禁用品和纸尿裤的当前消费趋势是薄型化和性能更稳定的产品。

纸尿裤发展史

为更好地了解干法纸材料在纸尿裤芯层中的应用，我们首先要了解纸尿裤的结构及其发展史。在20世纪60年代初，宝洁公司开发了一种世界知名的Pampers牌纸尿裤。这种早期的纸尿裤是蓬松而又厚重的纸尿裤，它含有绒毛浆和热熔胶。它的面层为人造丝材料，底层为聚乙烯。这种纸尿裤存在泄漏问题，生产商只能提高吸收性材料的用量并采用其他机械方法来减少泄漏。在过去20年中SAP的使用大大减少了绒毛浆的用量，使生产商能够制造松厚度较低的芯层。图 1显示了1983年-1999年绒毛浆用量下降的情况。

图1 纸尿裤中绒毛浆含量的下降趋势

Conley先生认为，干法纸芯材给纸尿裤带来的优点是：

●在液体渗入的开始和后续阶段，吸收速率较好；

●纸尿裤较薄，因此更舒适、更贴身；

●无需使用纤维和SPA 的喂料设备，简化了工艺；

●由于简化了工艺和采用了可控制的预制纤维状芯层材料，最终生产线速度提高，增加了产量；

●成本相同或下降。由于结构更加合理，生产线速度提高和减少了废品量，所以可实现降低每片纸尿裤成本的长期目标。

前两项优点是由于产品开发和材料供应商和纸尿裤生产商加以控制的结果。

Conley先生给出了一些数据，说明这类薄型芯材的第一个优点已经达到(表1)。

表 1 纸尿裤用干法纸芯材与品牌产品芯层的性能比较

作为设备制造商，R&L Engineering公司对为纸尿裤生产商开发富于生命力的生产线怀有强烈兴趣。上世纪90年代初我们曾研究过热粘合干法造纸设备，我们直接了解到热粘合干法纸作为吸收介质的一些优点，并且相信它用作纸尿裤的芯层有很好的作用。在纸尿裤生产线中能够被取消的几种设备都集中在购置、操作和维护等费用很高的设备上。这就使得我们确信我们能实现第3和第4项优点(简化工艺和增加产量)。特别是，我们可取消绒毛浆的锤磨系统，成形部和SPA 添加系统，同时还可降低对空气过滤的技术要求。取消这些设备可使新的生产线的售价下降50万美元，而且还可使生产线的电力负荷降低300kW。虽然这种投资费用的降低并不适合于现有的生产线，但是生产成本将有所下降。

试验

为证实我们的理论，我们在一条婴儿纸尿裤中试生产线上进行试验。试验的产品是采用干法纸材料作为芯层，同时保留在类似工业化生产设备上生产的现有产品的其他特点。我们开发了几种结构不同的芯材样品，并对它们进行了所要求的性能试验。我们的研究工作说明，当我们利用薄型干法纸材料的不良属性(negative attribute)来形成一种完全防泄漏的隔离层时，能够取得最好的结果。我们的试验说明，在生产过程中采用折叠状的薄型干法纸材料 ，可达到高度的吸收作用和持液率，并且生产出的纸尿裤既舒适又贴身。

在此向想进一步了解情况的读者推荐两篇有关纸尿裤用芯材开发技术的论文，其技术与我们采用的类似。Chapas先生的论文公开了几种有关的设计。1993年 Pope&Talbot公司将沙漏型折叠设计用在成人失禁用品上。所采用的干法纸材料是在意大利 Nuova Red公司制造的干法纸机上单独生产的热粘合干法纸材料。这种干法纸材料以大卷筒的形式放置在生产线上，在组合以前将这种干法纸材料开槽和折叠。第 2篇是Jim Hanson的论文，它涉及到薄型芯材的设计标准，也提供了两种可供参考的芯材的横截面。

这两篇论文和我们自己的试验都说明，机械性能增强的薄型干法纸材料用作纸尿裤芯层可提供极好的性能，而且产品使人感觉舒适和有吸引力。考虑到这点，我们将介绍一种2003年开发的实用芯材，用统一的模式比较这种芯材的成本，并分析一些法规限制，即专利权。

通过对市售的工业化生产的婴儿纸尿裤的评价，我们开始了我们的产品开发。我们的计划是在规格和特性上使我们采用干法纸芯材制造的新纸尿裤与所购买的婴儿纸尿裤不相上下。这种新产品的性能必须达到或超过所购买的工业化生产的产品的性能。我们研制出一种简单的试验方法来比较工业化产品和我们生产的产品。我们特别注意测的数量，同时观察在液体渗研制了一种装置，这种装置确保液体均匀地流向芯材。该装置具有准确的计时功能，能确保液体均匀的流向芯材。该装置采用一种液体容器，该容器装有一个阀门，一个的块体和一个带有传感器的数字式经过计时器。此装置可使液体几次渗入样品，并同时记录液体流入纸尿裤表面的时间。在试验中，我们在5min的时间内渗入3次100ml的液体。为检测泄露，我们采用通用的方法：在液体渗入时观察纸尿裤是否有泄露。

采用我们的方法和测试装置，我们购买并分析了4种工业化生产的纸尿裤产品。这些产品全部使用了预制的芯材，它们代表了其生产方法的不同发展趋势，有些芯材还更薄。其结果列于表2.

表2 工业化生产的纸尿裤用预制芯材的性能测试结果

芯材的开发

我们预先制造了一种类似沙漏型折叠设计的芯材，即使如此也需要一系列的专用刀片和每种产品尺寸用的切割机模具。对该芯材样品进行了测试，结果显示出良好的吸收速率和总持液率。然而，这种折叠构型难以加工，而且不能在高速下生产。因此，我们继续研究不同的芯材构型，致力于发现一种制造工艺要求低，易于高速生产的、吸收能力强的干法纸芯材。

由于我们研制出不同的芯材样品，显而易见的是，通过折叠这些干法纸，我们就能将干法纸通常不利的性质转化为优点。我们研制出l3种芯材的折叠构型，并用4种工业化的芯材进行了对比测试：两种来自于金佰利公司，一种来自于宝洁公司，一种来自于Paragon公司。

经过多次试验，我们选定了一种折叠构型，即z形折叠。这种构型能提供优良的性能。而且在高车速下利用现有的技术就能相对简单地制造出来。由于z形折叠的芯材在吸收液体时会向上隆起 ，在渗入试验时泄漏很少发生。此外，这种设计可使干法纸材料全部都能用于液体的吸收，这样就能减少所需的干法纸材料的实际的用量。这种构型能使成本较低的干法纸材料用作芯层，而且还可提供优良的性能。

设备

在开发z形折叠芯材中，我们意识到生产这种产品需要设备。我们的目的是要开发一种能明显减少整个生产线的复杂性和维护要求的芯材及其生产工艺。

在经济方面的考虑事项

为分析将干法纸材料用作纸尿裤芯层的效果，我们仿造了产品及其工艺。为统一计算，我们减少了表格中的变数。表3列出了计算材料成本需用的数据和产品的技术规格，并对纸尿裤产品中传统使用的芯层和干法纸芯材进行了比较。

在将原材料成本再加上电费、运费、人员和维修等方面的费用以后，我们发现与传统的绒毛浆芯层相比，干法纸芯材在成本上具有竞争力。

表3含干法纸芯材和普通芯层的纸尿裤的技术规格明细表

表4含有干法纸芯材和传统芯层的纸尿裤的附加生产成本

专利权问题

在我们研制出z形折叠芯材构型之后，我们开始了一项调查，目的在于寻求该设计可能获得的知识产权保护。我们提交了临时专利申请书，以保全我们的优先日期，然后开始深入调查涉及此技术的现有专利。调查显示有 14项专利涉及到相类似的技术。这些专利被认为是我们的芯材设计之前已知的技术，它们通常是在我们的实用专利申请中必须加以对照的。虽然这些专利中都没有覆盖我们的特殊发明，但由于受保护有效期不长，决定放弃我们的专利申请。尤其是，申请前的有关专利的要点使得允许我们申请的专利范围变窄，这样就使它对投资者没有什么吸引力。

结论

我们利用干法纸材料成功地研制出具有生命力的纸尿裤芯材的实践说明，在纸尿裤的生产工艺中，利用低成本的材料作为原料，并通过机械控制手段来提高产品的性能，不仅是可能的，而且是合乎要求的。

摘于《生活用纸》(唐其铮编译 自N．W．，2004年，6—7月)