在基于D5的非水介质中，使用植物提取的姜黄素进行可持续丝绸染色

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Sustainable silk dyeing with plant-derived curcumin in a D5-based non-aqueous medium

　　

袁静红|王帆|李博伦|郑晓亮

绿色与环境友好型智能功能织物研究与工程教学中心，杭州职业技术学院，杭州，310018，中国

摘要

植物来源的色素的可持续利用作为合成染料的替代品，在纺织应用中受到了越来越多的关注。在本研究中，从姜黄中提取的生物活性多酚色素姜黄素被用作可再生天然染料，在基于十甲基环戊硅氧烷（D5）的非水体系中开发了一种资源高效的丝绸纤维着色工艺。通过对染料浓度、微水含量、媒染剂用量、D5体积、染色温度和时间的系统研究，建立了一种可控的染色方案。动力学和等温线模型表明，吸附遵循伪二级模型（R² = 0.998）和朗缪尔等温线（R² = 0.94），表明吸附为位点限制的单层吸附。微分散的水域促进了染料向丝绸无定形区域的扩散，而媒染剂中的Al³⁺形成了染料-金属-纤维三元复合物。结构和光谱分析表明，染料颗粒在表面有少量沉积，并且在无定形区域内有轻微的重排，同时结晶度略有增加，但并未改变丝绸丝胶的固有化学结构。优化后的工艺获得了均匀的着色效果（a = 0.236），K/S = 2.031，洗涤牢度等级为4，并且比传统水基染色节省了95%的水资源。在相似条件下，D5体系的K/S值与水基染色相当（2.031 vs 2.163），但仅使用了5%的水。这些结果展示了将植物基染料与创新的非水溶剂体系结合在可持续、性能导向的工业应用中的潜力。

引言

纺织业的快速增长使得减少水消耗成为现代染色技术面临的一个关键且日益紧迫的挑战（Prabhu, 2025）。传统的水基染色工艺依赖于大量的水和辅助化学品，导致能源消耗、淡水需求和废水产生（Natarajan et al., 2023; Prabhu et al., 2024）。因此，开发节水、环保和可持续的染色策略已成为学术界和工业界的主要研究焦点。已经研究了多种非水染色介质作为替代方案，包括超临界二氧化碳（scCO₂）（Cao et al., 2024; Lo, 2020; Wang et al.; Wang et al., 2020）、十甲基环戊硅氧烷（D5）（Alebeid et al., 2021; Cai et al., 2023; Saleem et al., 2021）、液体石蜡（LP）（Xu et al., 2016）和深共晶溶剂（DES）（An et al., 2025; Li et al., 2024; Mehdi et al., 2022; Zhang et al., 2024）。这些新兴介质为大幅减少用水量同时保持可接受的染色性能提供了新的途径。其中，scCO₂染色技术相对成熟，但其对高压设备的依赖限制了大规模工业应用（Zheng et al., 2025）。相比之下，D5是一种基于硅的流体，具有低毒性、低挥发性和高热稳定性，技术障碍较低（2017）。先前的研究表明，基于D5的体系在聚酯（An et al., 2021; Kalayci and Avinc, 2026; Zhang et al., 2023）、尼龙（Jatoi et al., 2017）和棉（Hu et al., 2025; Saleem et al., 2021）上表现出良好的染色性能，同时显著减少了水和辅助化学品的消耗。与此同时，基于LP和DES的染色体系也显示出可行性和应用潜力，进一步突显了非水介质在推进节水纺织染色技术方面的多功能性。然而，大多数这些研究集中在合成纤维或纤维素纤维上，基于D5的染色技术在蛋白质纤维（尤其是使用天然染料）上的应用仍然很少探索。

丝绸等蛋白质纤维的染色不仅涉及染料分子在纤维基质中的物理扩散，还涉及多种因素的相互作用，包括纤维表面的化学性质、染色介质的性质以及染料分子的聚集行为（Yin et al., 2022）。先前的研究表明，基于生物的酸可以显著增强染料分子与纤维之间的相互作用，从而提高染色性能（Al-horaibi et al., 2023; Habib et al., 2023; Zheng et al., 2023; Zhu et al., 2024）。例如，Feng等人（Feng et al., 2021; Wang et al., 2020）发现柠檬酸可以改变丝绸表面电荷，促进染料解聚和离子键合。尽管有这些发现，但这些机制是基于水基系统的，目前尚不清楚它们在D5等非水介质中是否同样有效。这一过程增强了染料与纤维之间的离子键合，从而改善了颜色表现和染料利用率（Zhou and Tang, 2016）。此外，关于反应性染料染色的研究揭示了纤维氨基酸组成的重要性（Gurusamy et al., 2023; Zhu and Long, 2022a, 2022b）。然而，这些机制研究尚未扩展到非水体系，关于染色介质（特别是水含量）如何影响分子层面的染料-纤维相互作用的知识仍有空白。

随着非水染色技术的快速发展，来自可再生资源的天然染料因其生物降解性和相对较低的环境影响而受到越来越多的关注（Ozdemir et al., 2025）。姜黄中的多酚色素姜黄素具有鲜艳的颜色和对蛋白质纤维的亲和力，使其成为可持续染色的有希望的选择（Ferrandin-Schoffel et al., 2025; Jitpibull et al., 2025; Kurien et al., 2018）。迄今为止，已经投入了大量努力将姜黄素及其衍生物应用于传统的水基染色体系。例如，Tang等人（Yu and Tang, 2024; Zhou and Tang, 2016）研究了用反应性紫外线吸收剂修饰姜黄素，并系统评估了其在丝绸上的染色行为和功能性能，证明了天然染料的分子功能化可以有效增强其在蛋白质纤维上的吸收和固定。同样，Gaffer等人（2017）合成了一系列基于姜黄素的染料，用于制造抗菌丝绸织物，突显了天然染料在功能性纺织应用中的多功能性。此外，Tang（Zhou and Tang, 2017）研究了染色后固定处理对姜黄素染色丝绸的颜色牢度和生物活性的影响，强调了固定策略在提高天然染料体系耐久性方面的关键作用。虽然这些研究推进了水基中的姜黄素染色，但它们很少涉及非水介质，因为在疏水溶剂（如D5）中极性天然染料的溶解度较低是一个主要挑战。节水的替代方案包括无盐姜黄素染色在棉上的应用（Fazal ur et al., 2022; Jorge et al., 2025; Lin et al., 2024; Liu et al., 2025）以及scCO₂中的反应性修饰姜黄素（Wang et al., 2020）。然而，scCO₂染色需要高压设备，而基于D5的体系操作更简单、更具可扩展性，但其应用尚未得到系统研究。因此，存在一个明确的研究空白：姜黄素在D5非水介质中的染色行为、传输和固定机制尚不清楚，微水的作用也未阐明。最近的研究提供了一些线索：在D5聚酯染色中，约50%的相对重量水分可以改善染料吸收和纤维膨胀（An et al., 2020; Wang et al., 2020）。Pei等人（2019）表明水可以扩散到纤维的非晶区域，从而促进膨胀。在D5反应性染色中，低水分可以抑制水解——与水浴相比减少了57.8%（Zhang et al., 2026）。对于蛋白质纤维，反胶束体系表明水溶性染料在水基微核中可以有效地吸附到丝绸上（Sawada and Ueda, 2003）。总体而言，D5中的微水可能有助于染料传输、纤维膨胀和染料-纤维固定。

鉴于这些挑战，本研究系统地研究了姜黄素在基于D5的非水介质中对丝绸纤维的染色行为。研究特别关注了关键工艺参数（包括微水含量、染料浓度、媒染剂用量、染色温度和时间）对染料扩散、吸附和固定的影响。此外，还通过表面形态、晶体结构、机械性能和化学稳定性的分析，全面评估了基于D5的染色对丝绸纤维物理化学性质的影响。还进行了使用传统水基体系的对比实验，以评估颜色强度、染料均匀性和洗涤牢度。通过这些研究，建立了一种优化的基于D5的染色方案，旨在阐明微水在增强染料传输和固定方面的关键作用——通过促进染料溶解、诱导丝绸膨胀和调节染料-纤维结合——并验证D5作为一种可持续的替代介质。该研究为开发环境友好的非水染色技术提供了理论见解和实际指导，适用于蛋白质基纺织品。

章节片段

材料和化学品

丝绸纤维购自浙江大丽有限公司（中国浙江），姜黄素染料（99%）购自上海明达生物技术有限公司（中国上海）。十甲基环戊硅氧烷（D5）购自唐山三友硅业有限公司（中国唐山）。十二水合硫酸铝钾购自上海林恩科技有限公司（中国上海）。标准肥皂片由上海纺织工业研究所提供

姜黄素用量的影响

通过将染料浓度从2%变化到12%（相对于纤维重量的重量百分比），同时保持100%的微水含量、1:30的液剂比例、2%的媒染剂用量、80°C的染色温度和60分钟的染色时间，系统研究了姜黄素用量对丝绸纤维在D5非水介质中染色行为的影响。相应的颜色强度（K/S）值和染色均匀性总结在图2中。

如图2所示，

结论

总之，本研究展示了使用姜黄素这种可再生天然色素在基于D5的非水体系中可持续染色丝绸纤维。通过系统优化关键工艺参数（包括染料浓度、微水含量、媒染剂用量、温度和时间），实现了均匀的着色效果（a = 0.236），具有较高的颜色强度（K/S = 2.031）和优异的洗涤牢度（等级4），同时比传统水基染色减少了95%的水资源消耗。

CRediT作者贡献声明

袁静红：撰写——审稿与编辑、可视化、数据管理。王帆：撰写——初稿、验证、调查、正式分析、数据管理。李博伦：可视化、验证、数据管理。郑晓亮：可视化、验证、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢杭州职业技术学院的绿色与环境友好型智能功能织物研究与工程教学中心的支持。