二甲基亚砜辅助的超临界二氧化碳染色技术用于尼龙/氨纶混纺织物的染色：一种实现优异染料固着效果和纤维完整性的可持续方法

《The Journal of Supercritical Fluids》：Dimethyl sulfoxide–assisted supercritical carbon dioxide dyeing of nylon/spandex Blends: A Sustainable Route to achieve improved dye fixation and fiber integrity

本研究开发了一种水基染色方法，通过将二甲基亚砜（DMSO）融入超临界二氧化碳系统，实现尼龙/弹性体混纺面料同时使用分散和活性染料的染色。结果表明，分散染料在尼龙上的固色率达94.7%，活性染料在弹性体上的固色率达78.4%，均优于传统水基染色工艺。该技术可在90℃、pH8.6条件下有效染色，同时保持纤维结晶结构和力学性能，为环保可持续的混纺面料染色提供了新策略。

　　

Jin Wang|Hongjuan Zhao|Yu Wang|Xiaoqing Xiong

辽宁省超临界二氧化碳无水染色重点实验室，大连工业大学，中国辽宁省大连市116034

摘要

由于氨纶独特的结构特性以及传统水基染色工艺的固有局限性（如高耗水量和复杂的废水处理问题），对尼龙/氨纶混纺织物的染色仍然是一个重大挑战。在这项研究中，我们通过将二甲基亚砜引入超临界二氧化碳体系中，开发了一种无水染色方法，使得分散染料和活性染料能够同时用于尼龙/氨纶混纺织物的染色。实验结果表明，分散染料在尼龙上的固着率为94.7%，活性染料在氨纶上的固着率为78.4%，优于传统的水基染色方法。此外，超临界二氧化碳优异的pH稳定性和纤维膨胀性能使得染色过程能够在90°C和pH 8.6的条件下有效进行。在这种条件下，纤维的晶体结构得以保持，拉伸强度和断裂伸长率与未染色织物相当。这项工作展示了一种可行且环保的尼龙/氨纶混纺织物染色策略，实现了染料固着率和纤维完整性的提升，而无需使用水。

引言

尼龙/氨纶混纺织物因其简单的生产工艺、较低的生产成本以及可调的弹性和强度而广泛应用于休闲装和运动装。然而，这些混纺织物中的氨纶纤维由于其独特的微观结构，给染色带来了显著挑战，导致染色性能较差，从而限制了织物的整体性能。氨纶中的硬质部分形成了一个被柔软部分包裹的致密结构，阻碍了染料分子的渗透和固着。虽然非晶态的柔软部分更容易被染料分子接触，但它们缺乏足够的官能团来形成牢固的染料-纤维相互作用，导致染料附着力弱且不稳定。这种内在的结构特性不仅会在染色后导致氨纶区域出现明显的“白斑”[1]，还会降低织物的耐洗性和耐摩擦性，从而显著影响尼龙/氨纶混纺织物的整体色牢度[2]。

为了解决与氨纶相关的染色问题，人们探索了三种主要策略：合成可染氨纶、开发专用于氨纶的染料以及优化染色工艺。第一种策略是合成可染氨纶，在聚合过程中加入蒙脱石、二胺化合物或尼龙化合物等添加剂，以创建更多的染料结合位点并提高染色性能[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。这种方法被广泛采用并已成功商业化。然而，它也有明显的缺点：添加染料增强剂需要专门的生产工艺，显著增加了制造成本；此外，可染氨纶的弹性恢复性能较差，更容易发生永久性变形[3]、[9]。第二种策略是开发专用于氨纶的染料，主要通过分子设计来提高染料固着率，这包括两种途径：一种是通过结构改性增强染料分子与氨纶之间的亲和力，从而提高染料吸收和色牢度；但这种方法受到可进行结构改性的染料种类有限以及实际应用中的颜色范围和商业可用性限制[10]、[11]、[12]、[13]。另一种途径是使用能够生成碳烯中间体的活性染料，这些中间体可以与氨纶中的C-H键发生反应形成共价键。虽然这种方法可以显著提高染料固着率和色牢度，但由于碳烯的形成需要约150°C的高温——远高于氨纶的热稳定性极限——会导致其机械性能严重下降[14]。第三种策略是通过引入超声波或酶处理等辅助技术来优化染色工艺。超声波处理可以增加染料吸收并部分改善染色后的氨纶机械性能，但其效果取决于所使用的染料；并非所有染料都能从超声波处理中受益，在某些情况下，染色效果甚至不如传统水基方法[15]、[16]、[17]。酶处理对染色性能的改善效果有限，还可能导致纤维断裂，从而影响尼龙/氨纶混纺织物的机械完整性[18]。无论采用哪种策略，水仍然是主要的染色介质，这导致了大量的水资源消耗，并给废水处理系统带来了巨大压力。

超临界二氧化碳（scCO₂）无水染色技术因其无需用水、低E因子以及低能耗（得益于scCO₂的低比热容）而被认为是推动纺织行业绿色转型的关键技术[19]、[20]。然而，传统scCO₂体系与大多数高极性染料的兼容性较差，严重限制了其在尼龙/氨纶混纺织物染色中的应用。目前，scCO₂染色主要应用于尼龙/氨纶包芯纱中尼龙外层的低色牢度着色[21]，目前尚无关于在scCO₂体系中成功染色尼龙/氨纶混纺织物的报道。

二甲基亚砜（DMSO）是一种有效的scCO₂共溶剂，近年来被许多研究者用于各种scCO₂染色改性策略中，以克服scCO₂染色体系的固有局限性[22]、[23]。我们之前的研究也表明，将染料溶解在DMSO中并通过浸轧工艺将其施加到织物上，然后再进行scCO₂染色，确实可以有效克服传统scCO₂染色体系的局限性。DMSO对染料的优异溶解性显著提高了scCO₂体系与极性染料的兼容性，使得大多数类型的染料都能被使用，并可以选择对尼龙和氨纶都有良好亲和力的染料[24]、[25]、[26]。此外，DMSO可以与scCO₂一起循环利用，保持了该过程的无水特性、低E因子和低能耗，确保了其环境可持续性[25]。

基于这些发现，本研究将DMSO整合到scCO₂染色体系中，探索了使用分散染料、弱酸染料和活性染料同时染色尼龙和氨纶组分的方法。系统评估了scCO₂/DMSO体系用于尼龙/氨纶混纺织物染色的可行性和潜力，并确定了最佳的染料类型和染色参数。这项工作为开发一种新型无水染色技术提供了实验验证，该技术结合了出色的染色性能和环境可持续性，适用于尼龙/氨纶混纺织物。

材料

材料

尼龙/氨纶混纺织物（85%尼龙66，15%氨纶，密度为150克/平方米；70旦尼龙和40旦氨纶；氨纶组分基于聚酯）和100%尼龙66织物（密度为60克/平方米）由苏州益智达秀纺织贸易有限公司提供。100%聚酯基氨纶纱（40旦）由浙江诸暨龙鳌天纺织有限公司提供。用于染色实验的氨纶纤维被切割成直径1.5厘米、长度4.5厘米的纤维束。

染料和化学品

分散黄E-3G（广东产）

结果与讨论

为了研究不同类型染料在scCO₂/DMSO体系中的染色行为，分别将三种代表性染料——分散黄E-3G、弱酸黄6G和活性黄13——应用于100%尼龙和100%氨纶织物上。

结论

在这项研究中，成功将DMSO引入scCO₂染色体系，实现了尼龙/氨纶混纺织物的有效染色。结果表明，scCO₂/DMSO体系通过克服染料的溶解性限制，显著扩展了传统scCO₂体系的染色能力。之前与scCO₂染色不兼容的分散染料、弱酸染料和活性染料，在引入DMSO后均能够有效染色尼龙纤维。

CRediT作者贡献声明

Xiaoqing Xiong：资金获取。Yu Wang：实验研究、数据分析。Hongjuan Zhao：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、资金获取、概念构思。Jin Wang：初稿撰写、数据可视化、结果验证、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Hongjuan Zhao表示获得了辽宁省教育厅科学研究基金的财政支持；Hongjuan Zhao还获得了国家自然科学基金的财政支持；Xiaoqing Xiong也获得了国家自然科学基金的财政支持。Hongjuan Zhao拥有专利#ZL

致谢

本研究得到了辽宁省教育厅科学研究基金（项目编号LJKMZ20220903）和国家自然科学基金（项目编号21706021、21606032）的支持。