通过碳烯插入交联及基于重氮吡啶的染料对合成纤维进行着色

《Sustainable Materials and Technologies》：Synthetic fiber coloring via carbene insertion cross-linking with diazirine-based dyes

基于卡宾染料开发无水染色工艺实现合成纤维环保染色。通过合成含不同量偶氮基团的卡宾染料，在加热条件下形成活性卡宾中间体，与纤维表面碳氢键发生共价键合反应。采用FT-IR、NMR和HRMS证实染料结构，热分析表明染料非爆炸性。染料在聚丙烯、芳纶、氨纶及聚酯/氨纶混纺面料上实现高效固色，双卡宾染料K/S值和固色率均优于单卡宾染料。研究揭示了染料-纤维间共价键合机制，证实该技术具有显著环保效益和工业应用潜力。

　　近年来，随着环保意识的提升和纺织行业对可持续发展的追求，合成纤维染色技术面临着诸多挑战。传统的染色方法不仅需要大量的水和化学助剂，还可能造成严重的环境污染。此外，合成纤维的种类繁多，其化学结构和表面特性各不相同，导致染色效果参差不齐，增加了生产成本和操作难度。因此，开发一种更环保、高效、且适用于多种合成纤维的染色方法成为研究热点。

合成纤维广泛应用于服装、工业、医疗、建筑和运动器材等多个领域。在服装行业，聚酯、尼龙和聚丙烯等合成纤维被大量用于制作服装、鞋类和配饰，因其轻便、易护理和耐磨的特性，能够满足多样化的时尚和功能性需求。在工业应用中，合成纤维被用于制造绳索、帆布、过滤材料、汽车内饰等产品，其高强度和耐用性使其成为天然纤维的有力替代品。此外，合成纤维还被应用于医疗、建筑和运动器材等特殊场景，以满足特定的需求。然而，这些应用也伴随着染色过程中的技术难题和环境问题。

传统染色方法的一个主要问题是染色效果的多样性和复杂性受到限制。在 dope 染色中，通常采用固定的染料种类和配方，导致颜色控制和调配不够精确。这不仅影响了最终产品的色彩表现，也限制了染色工艺的灵活性。此外，传统的染色方法往往伴随着大量废水的排放和有害气体的产生，对环境造成不良影响。例如，染色过程中使用的化学助剂和水溶性染料在处理时会产生大量的废水，这些废水如果未经妥善处理，可能对水体和土壤造成污染。同时，染色过程中释放的挥发性有机化合物（VOCs）和氮氧化物（NOx）等气体也会对大气环境产生影响。

另一个问题是不同种类的合成纤维具有不同的化学结构和表面特性，导致染色时需要使用特定的染料，增加了生产成本和操作复杂性。例如，聚酯纤维与聚丙烯纤维在化学结构上存在差异，因此它们对染料的吸附能力和反应性也不同。这使得染色过程中需要对不同纤维进行不同的处理，增加了工艺的复杂性。此外，染色牢度通常较低，导致纤维在使用过程中容易褪色，影响产品的使用寿命和外观质量。

为了应对这些问题，研究人员开始探索更环保、高效的染色方法。其中，一种基于活性染料的非水染色方法引起了广泛关注。活性染料能够与纤维表面的官能团发生反应，形成共价键，从而实现染色。这种方法的优点在于不需要使用大量的水和化学助剂，能够有效减少环境污染。此外，活性染料的染色牢度较高，能够提高产品的使用寿命和外观稳定性。

近年来，科学家们在活性染料的设计和合成方面取得了显著进展。例如，Hayes 等人在 2005 年首次合成了含 diazirine 基团的 fluorene 酮类活性染料。这些染料在光照条件下，diazirine 基团被激活，生成高反应性的碳烯中间体，进而与纤维表面的官能团发生反应，实现染色。Lepage 等人在 2019 年合成了含有两个 diazirine 基团的双 diazirine 分子，这种分子在加热条件下分解为碳烯中间体，能够实现对多种有机聚合物的交联染色。这些研究为活性染料的应用提供了新的思路和方法。

然而，现有的活性染料通常只含有一个碳烯生成基团（mono-reactive group），导致反应效率和交联染色速率较低。此外，使用有机锂试剂进行合成过程也限制了这些活性染料的大规模生产和应用。因此，开发一种含有多个 diazirine 基团的活性染料（multi-reactive group）成为研究重点。这种染料在加热条件下能够生成多个碳烯中间体，进而与纤维表面的官能团发生反应，实现高效的染色效果。同时，这种方法不需要使用化学助剂和水，能够有效减少环境污染。

在本研究中，科学家们设计并合成了两种新型含 diazirine 基团的碳烯染料，分别用于非水染色方法对多种合成纤维进行染色。这些染料在加热条件下被激活，生成碳烯反应中间体，并与纤维表面的官能团发生反应，形成共价键，从而实现染色。研究还探讨了染料浓度、固色温度和时间对 K/S 值和固色率的影响，以确定最佳的染色和固色工艺。结果表明，使用双碳烯染料（bis-carbene dyes）染色的织物表现出更高的 K/S 值和固色率，说明双碳烯染料在染色效果上优于单碳烯染料（mono-carbene dyes）。

此外，研究还详细分析了碳烯染料与纤维之间的反应机制。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）和高分辨率质谱（HRMS）等手段对染料进行了表征，验证了其结构和热稳定性。热分析和基于 Yoshida 相关的计算结果表明，这两种染料在加热条件下不会发生爆炸，具有良好的安全性，适合大规模生产和应用。染色效果的测试表明，使用这两种染料染色的织物表现出优异的色牢度，说明碳烯染料在染色性能上具有显著优势。

本研究的成果为纺织行业提供了一种更环保、高效的染色方法，具有重要的应用前景。通过使用含 diazirine 基团的碳烯染料，可以有效减少化学助剂和水的使用，降低环境污染。同时，这种方法能够提高染色效果和色牢度，满足消费者对高品质纺织品的需求。此外，这种方法还具有良好的通用性，能够适用于多种合成纤维，包括聚酯、尼龙、聚丙烯、氨纶和聚酯/氨纶混纺等材料。

综上所述，本研究为纺织行业提供了一种新的清洁生产方案，具有重要的理论和实践意义。通过设计和合成含 diazirine 基团的碳烯染料，并采用非水染色方法，可以有效解决传统染色方法中的诸多问题，推动纺织行业向更加环保、高效和可持续的方向发展。