离子液体介导的天然染料与再生纤维素纤维原位纺丝染色可持续纺织技术研究

本刊推荐一项突破性研究：为解决传统纺织印染高水耗和合成染料污染问题，研究人员开发了基于离子液体(IL)平台的天然染料与再生纤维素纤维原位纺丝染色技术。该研究通过离子液体同时溶解纤维素和分散天然染料，实现了纤维成形与着色一步完成，所得纤维力学性能与商业纤维相当(拉伸强度~210 MPa)，且无需媒染剂。这项技术将染色工序整合，大幅减少水和能源消耗，为可持续纺织制造业提供了新范式。

　　

时尚产业光鲜亮丽的背后，隐藏着一个沉重的环境负担。其中，纺织品染色环节是主要的污染源之一。传统染色工艺不仅极度耗水——每公斤织物需要约150升水，还会向水体中释放大量难以降解的合成染料，据估计，全球每年有高达4万吨的合成染料作为工业废水被排放，占全球废水污染的20%。这些含有复杂芳香族结构的染料会降低水中溶氧，引发水体富营养化，并对工人健康造成过敏、皮炎等风险。

尽管天然染料以其可再生、可生物降解和亲肤的特性被视为可持续替代品，但其工业化应用长期面临两大系统性问题：一是依赖铁(Fe)、铜(Cu)等重金属媒染剂来固色，这实际上将毒性从工厂转移到了成品服装上；二是仍需在水资源密集的后纺染色过程中消耗大量水资源。另一方面，作为合成纤维替代品的再生纤维素纤维（如粘胶纤维），其传统生产过程中使用的有毒溶剂二硫化碳(CS₂)也带来了严重的环境和健康担忧。

面对这些挑战，研究人员将目光投向了自然界最丰富的生物聚合物——纤维素，以及一种名为离子液体(Ionic Liquid, IL)的绿色溶剂。离子液体因其独特的溶解能力和可回收性，在纤维素加工领域展现出巨大潜力。那么，能否利用离子液体创建一个统一的平台，一举解决纤维生产和染色两道工序的环保难题呢？发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》上的研究论文“Natural Dyes and Regenerated Cellulose Fibers Blending using Ionic Liquid as a Common Platform for Sustainable Textiles/Fashion Applications”给出了肯定的答案。

这项研究的关键技术方法在于构建了一个离子液体介导的一体化纺丝染色平台。研究人员以1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯（EMIM DEP）为溶剂，同时溶解来自木材浆粕的纤维素和源自高粱(Sorghum)、波斯菊(Coreopsis)等植物的天然染料，形成均匀的纺丝原液。随后，通过实验室自建的湿法纺丝设备，将原液挤入以水为凝固剂的浴槽中，直接纺制出带有颜色的再生纤维素纤维。整个过程将纤维再生和染色合二为一，避免了传统粘胶工艺中有毒化学品的使用和后续高水耗的染色步骤。

初始 investigations of the dyed fibers

研究首先评估了四种天然染料（高粱、波斯菊、菘蓝(Woad)和巴西木(Brazilwood)）在纤维素/离子液体体系中的相容性。结果显示，高粱和波斯菊染料能完全溶解并均匀分散，纺丝后纤维颜色均匀且在水中洗涤时无明显染料脱落，表明染料被成功固定在纤维内部。尤其是高粱染料，赋予了纤维明亮的橙红色调，而波斯菊则产生了亮黄色。相比之下，菘蓝染料在凝固浴中出现了颜色褪色和染料团聚现象，巴西木染料则在遇水后因与水中钙(Ca²⁺)、镁(Mg²⁺)离子络合而发生明显的颜色变化。因此，后续研究聚焦于表现稳定的高粱和波斯菊染料。

Microscopy of dyed regenerated cellulose fibers

通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现，无论是未染色的纤维素纤维还是添加了高粱或波斯菊染料的纤维，其表面均光滑致密，没有明显的孔洞或缺陷。纤维横截面的高倍SEM图像进一步证实，染料在纤维基质中实现了均匀分散，未观察到染料团聚体。这表明原位纺丝染色工艺实现了染料分子水平的良好分散，与纤维素形成了均一的复合材料。光学显微镜测量显示，添加高粱染料的纤维直径（73.73 ± 4.2 μm）与未染色纤维（84.88 ± 11.20 μm）相当，而波斯菊染料则使纤维直径略有增加（90.76 ± 8.73 μm）。

FTIR Analysis of the dyes and dyed fibers

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析为染料与纤维之间的相互作用提供了化学证据。与未染色纤维相比，染色纤维在1650 cm^-1附近的吸收峰发生了位移，这归因于染料分子中黄酮类化合物和单宁等成分的C=C键弯曲振动增强，表明染料成功地引入了纤维结构。在1020 cm^-1附近归属于纤维素中C-O-C键伸缩振动的吸收峰，在染色后（尤其是高粱染料）变得更加显著，提示染料分子可能通过氢键等作用与纤维素链发生了相互作用。

Mechanical properties of dyed regenerated cellulose fibers

力学性能是决定纤维能否实际应用的关键指标。拉伸测试结果表明，添加高粱染料的纤维表现出优异的力学性能，其拉伸强度（204.1 ± 17.9 MPa）和杨氏模量（15.0 ± 1.3 GPa）与未染色纤维（210.3 ± 29.6 MPa, 15.7 ± 1.3 GPa）相当，甚至断裂伸长率还有所提高（18.6% vs 9.1%）。这表明高粱染料中的酚类物质可能通过与纤维素形成氢键，在一定程度上增强了纤维的韧性。而波斯菊染料则导致纤维力学性能略有下降，研究人员推测可能是染料中某些成分在较高浓度下起到了塑化作用，轻微破坏了纤维素分子间的氢键网络。与羊毛、椰壳纤维、棕榈纤维以及商业粘胶纤维（如Enka）相比，本研究开发的染色再生纤维素纤维在强度-模量关系上具有竞争力。

Thermogravimetric Analysis (TGA) of the fiber samples

热重分析(TGA)显示，染色纤维的热稳定性有所降低，其起始分解温度（高粱染料：262.08°C；波斯菊染料：241.61°C）低于未染色纤维（283-365°C）。这可能是由于染料的加入打断了纤维素分子间的一些相互作用，或者染料本身所含的少量有机/无机杂质促进了纤维素的早期热分解。尽管如此，染色纤维的分解温度仍远高于日常穿着环境下的温度要求，满足纺织品应用标准。

Color Intensity and Strength of dyed regenerated cellulose fibers

颜色性能的定量分析显示，含有7%染料（相对于纤维素重量）的测试样品与低浓度染料的标样相比，颜色发生了显著变化。高粱染色纤维的总色差(ΔE)为13.89，呈现出更暗的色调（ΔL* = -12.74），红色成分（Δa* = 3.49）和蓝色成分（Δb* = -3.63）使其色彩接近潘通色卡478C。波斯菊染色纤维的ΔE为11.12，色调偏红（Δa* = 1.41）和偏黄（Δb* = 8.37），接近潘通458C。反射率和颜色强度(K/S)值分析进一步证实了染色纤维具有令人满意的颜色深度和色牢度潜力。

Environmental benefits from dope dyeing

研究还简要评估了原液染色技术的环境效益。与传统染色相比，该技术可显著降低能耗（估算节省高达34.36%）、水耗和二氧化碳排放（以年产100吨纤维计，可减少约415吨/年）。通过消除单独的染色步骤，减少了化学品使用和生产时间，体现了其在资源效率和环境责任方面的巨大优势。

综上所述，这项研究成功地验证了离子液体作为统一平台，用于整合天然染料染色和再生纤维素纤维生产的可行性。其核心结论在于，通过离子液体（如EMIM DEP）介导的阳离子-π等非共价相互作用，可以实现高粱、波斯菊等天然染料在纤维素纺丝原液中的稳定分散和高效固定，从而在无需有毒媒染剂的情况下，一步法制备出力学性能优异、颜色鲜艳的再生纤维素纤维。这项技术的意义重大，它从源头上解决了传统纺织染整行业的高水耗、高污染难题，为实现封闭循环、环境友好的纺织品制造模式提供了切实可行的技术蓝图。它不仅推动了生物聚合物（纤维素）和生物基染料（天然染料）在高端纺织服装领域的应用，也响应了联合国可持续发展目标中关于清洁用水（SDG6）和负责任消费与生产（SDG12）的号召，为时尚产业的绿色转型指明了方向。未来的研究可以进一步拓展染料种类、优化离子液体回收工艺，并开展全面的生命周期评估，以加速该技术的产业化进程。