《Polymers》：Cotton Cationization and Dyeing in One Bath: A Short-Process, Salt-Free Approach for Reactive Dyes
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为促进纺织工业的可持续发展，并解决棉染色中高水耗和盐污染的关键挑战，研究人员开发了一种使用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTA）的短流程阳离子染色方法。与传统阳离子染色不同，该方法省去了中间干燥步骤，在改性后直接向同一浴中添加活性染料，实现了无盐染色并显著节约
为促进纺织工业的可持续发展，并解决棉染色中高水耗和盐污染的关键挑战，研究人员开发了一种使用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTA）的短流程阳离子染色方法。与传统阳离子染色不同，该方法省去了中间干燥步骤，在改性后直接向同一浴中添加活性染料，实现了无盐染色并显著节约用水。研究人员系统考察了关键参数的影响，包括GTA浓度、NaOH浓度、改性温度和时间、染色浴比、保温时间以及染色温度。针对C.I.活性红195、活性黑5和活性蓝19，确定了最佳染色条件：GTA浓度40 g/L，NaOH浓度1 g/L，改性温度90 °C，时间50 min，染色温度60 °C，浴比1:15，保温时间分别为30、20和40 min。改性后，热稳定性和结晶度略有下降（从60.51%降至58.18%），而亲水性无显著变化。这种短流程阳离子染色方法在节省时间、能源和水的同时，保持了与传统方法相当的染色性能，为棉纤维无盐染色提供了一种实用且可持续的新途径。
**论文解读：棉纤维短流程阳离子化无盐染色方法的研究**
**研究背景与问题**
棉纤维因其舒适性、安全性、可再生性及在服装和医用纺织品中的广泛应用，成为不可替代的可持续天然纤维。然而，传统棉染色工艺存在突出的环境和技术瓶颈：棉纤维表面富含羟基（–OH），带负电荷，与阴离子活性染料产生强烈静电排斥。为提高染料上染率，传统工艺依赖大量电解质（如氯化钠或硫酸钠，浓度通常为50–100 g/L）来屏蔽纤维表面电荷并促进染料吸附，导致盐分和未固色染料在废水中积累，引发水体富营养化、土壤盐渍化和生物毒性。此外，传统工艺需要多次水洗以去除未固色染料，显著增加水耗和能耗，且染料利用率常低于70%，色牢度不足。这些问题严重制约了棉纺织业的绿色转型。
阳离子改性被认为是解决上述问题的有效策略之一，通过向纤维表面引入阳离子基团（如氨基、季铵盐等）以增加正电荷密度，抵消棉的负电荷。然而，传统阳离子改性存在工艺冗长、水耗高、染色不均匀等问题。例如，3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵（CHPTAC）虽易扩散进入纤维内部，但纤维亲和力低，需高用量（50–200 g/L）才能实现无盐染色；而高分子阳离子聚合物虽可降低用量，但制备成本高且需专用设备。为此，研究人员采用低用量的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTA）对棉织物进行改性，并在改性后直接向同一浴中添加活性染料进行染色，跳过了中间洗涤和干燥步骤，开发出一种短流程无盐染色方法（SSFP），旨在节约时间、能源和水，同时保持染色性能。
**关键技术与方法**
研究人员使用GTA作为阳离子改性剂，通过碱催化下环氧基团与棉纤维C6羟基反应实现接枝。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证GTA接枝成功；通过Zeta电位分析监测表面电荷反转；利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）观察表面形貌及元素分布；采用热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）评估热稳定性与结晶度；通过水滴润湿时间和毛细效应测试亲水性；使用Datacolor 800测色仪测量K/S值（颜色深度）和色差ΔE（匀染性）；通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis）测定染料上染率和固色率；采用高效液相色谱（HPLC）分析水解染料与改性棉之间的结合模式；通过ISO标准测试耐摩擦色牢度和耐洗涤色牢度。所有实验均进行至少三次重复，数据以均值±标准差表示，并使用单因素方差分析（ANOVA）进行统计检验。
**研究结果**
**3.1 GTA改性棉的表征与机理分析**
FT-IR谱图显示，GTA改性棉在1462 cm?1处出现新的季铵基团（C-N）伸缩振动峰，证实GTA成功接枝。Zeta电位从原始棉的-17.9 mV逐渐正向偏移，在改性30 min后电荷反转为正，50 min后趋于稳定，表明接枝达到饱和。SEM图像显示改性后纤维表面轻微粗糙但无结构损伤；EDS元素映射检测到N和Cl元素均匀分布，氮含量从0%增至1.12 wt%，接枝效率约13.8%。TGA结果显示，阳离子棉的热失重温度从300 °C降至270 °C，归因于改性导致结晶度降低。XRD图谱表明，改性前后棉的纤维素I晶型保持不变，但结晶度从60.51%降至58.18%，这是因为NaOH处理破坏了部分氢键。亲水性测试（毛细高度）显示改性前后无显著变化，因为GTA接枝引入了新的羟基和亲水性季铵基团。
**3.2 不同活性染料的改性参数分析与确定**
以活性黑5为模型，系统考察了GTA浓度、NaOH浓度、改性温度和改性时间的影响。在NaOH 3 g/L下，K/S值随GTA浓度升高而增加，在40 g/L时达到峰值14.17，之后下降（因过量GTA导致染料聚集）。固定GTA 40 g/L时，K/S值随NaOH浓度先升后降，在1 g/L时达到最大18.96（过高NaOH促进染料水解）。改性温度最优为90 °C（更高温度破坏醚键或使环氧基过度水解）。改性时间在50 min时K/S值达22.08并趋于稳定。对活性蓝19（蒽醌型）和活性红195（偶氮型）的验证表明，两者在相同GTA浓度（40 g/L）、NaOH浓度（1 g/L）和改性温度（90 °C）下均表现良好，但活性蓝19仅需40 min改性，而活性红195和活性黑5需50 min，差异源于染料结构不同。
**3.3 染色参数优化：浴比、时间与温度的影响**
浴比优化显示，1:15为三种染料的最优值：过低浴比（1:5或1:10）可能导致润湿不足且不均匀，过高浴比（1:30或1:40）则降低染料浓度和上染率。保温时间因染料分子空间位阻和扩散速率而异：活性蓝19结构最简单，空间位阻最小，扩散最快，最优保温时间20 min；活性黑5居中，需30 min；活性红195分子结构大、共轭链长，迁移阻力最大，需40 min。染色温度优化发现，活性黑5和活性蓝19（乙烯砜型）更适合低温染色，但温度过低（40 °C）上染率显著降低；活性红195（s-三嗪型）耐高温，但超过60 °C时水解加速导致K/S值下降。因此，60 °C被选为三种染料的最佳平衡温度。
**3.4 改性棉与活性染料之间结合模式的研究**
将三种染料水解后用于SSFP染色，结果发现，使用未水解染料时K/S值（活性蓝19/黑5/红195分别为18.92、20.63、20.88）显著高于使用水解染料时的值（10.53、11.55、14.42），而水解染料在传统含盐染色（TSDP）中几乎不上染（K/S值0.34、2.07、1.03），证明染料已完全水解。HPLC分析残留染液显示，SSFP和传统无盐染色（TFDP）的残留染料含量相近，且均低于TSDP，表明阳离子化提高了染料利用率。机理分析表明，活性染料与改性棉之间通过离子键和共价键两种方式牢固结合，因此SSFP在节省时间和能耗的同时能达到与传统阳离子染色相同的效果。
**3.5 三种不同染色方法的总体性能比较**
TSDP下，活性蓝19、黑5、红195的K/S值分别为15.37、18.80、7.79，固色率分别为68.49%、70.88%、53.07%。TFDP下K/S值分别升至19.93、22.42、22.04，固色率接近99%以上，染料被充分利用。SSFP下K/S值分别为19.22、22.14、21.58，上染率和固色率与TFDP接近。色牢度方面，阳离子染色样品的牢度略有下降（活性蓝19从4级降至3~4级，黑5从3~4级降至3级，红195从4级降至3级），但SSFP与TFDP的色牢度完全相同，说明省去中间步骤并未影响牢度。成本分析显示，SSFP相比TSDP和TFDP分别节省约24.1%和46.8%的水电费用，同时省去中间洗涤和干燥步骤，缩短总加工时间，减少设备占用和人工成本，提高生产效率。此外，减少废水排放和盐排放有助于减轻废水处理设施负担，符合日益严格的环保法规，具有长期经济和战略优势。
**总结与结论**
研究人员开发了一种基于GTA的棉织物短流程阳离子染色方法，成功实现了无盐、节水、短流程的染色。最佳工艺条件为：GTA浓度40 g/L，NaOH浓度1 g/L，改性温度90 °C，染色温度60 °C，浴比1:15。改性时间因染料结构而异（活性蓝19 40 min，活性黑5和活性红195 50 min）；保温时间分别为30、20、40 min。改性后棉织物热稳定性和结晶度略有下降，但亲水性不变。机理分析证实活性染料与改性棉之间通过离子键和共价键结合。SSFP的色牢度与传统阳离子染色相同，且染色性能（K/S值、上染率、固色率）与传统阳离子染色相当。该短流程方法在节约时间、能源和水方面优势显著，具有良好的工业应用潜力，后续中试试验需进一步优化工艺稳定性和重现性。本工作为未来棉织物可持续阳离子染色提供了一种有前景的新途径。
