可持续喷染技术：聚丙烯酸酯包覆颜料杂化乳液的软核/硬壳结构对喷涂平滑性的影响

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Sustainable spray dyeing technology: Effect of the soft-core/hard-shell structure of polyacrylate-encapsulated pigment hybrid latex on spraying smoothness

　　## 摘要要点- 颜料喷染染料的硬壳结构影响喷涂流畅性。- 高最低成膜温度（MFFT）是实现平滑喷染的主要因素。- 喷染织物表现出鲜艳的颜色、优异的摩擦牢度和匀染性。- 水和能源消耗分别减少了98.5%和77.5%，成本节约了65.9%。## 引言纺织工业是最耗水和耗能最多的制造业之一，同时也是工业废水和化学污染的主要来源[1]、[2]。特别是染色和整理过程消耗大量的水、盐、碱、染料和助剂，产生高色度、高盐度和高有机负荷的废水[3]、[4]。据报道，印染废水占纺织行业环境负担的相当比例，每年有大量残留染料和助剂排入水环境[5]。因此，开发更清洁、更短、资源效率更高的染色技术对于减少纺织制造中的水消耗、能源需求、废水排放和碳排放至关重要[6]。喷染（将颜料直接雾化沉积到纺织基材上）作为一种有前景的传统间歇式染色的替代方案[7]、[8]。与基于染浴的染色相比，喷染可以显著减少浴比、工艺用水和后续洗涤需求，从而缩短染色路线并降低能耗[9]。先前的研究已证明用活性染料对棉织物进行喷染的可行性；然而，基于染料的喷染仍然需要湿固色和洗涤步骤来去除未固着的染料，限制了水消耗和废水产生的进一步减少[10]。相比之下，基于颜料的喷染与水节约和无洗涤工艺更具兼容性，因为颜料借助成膜聚合物被物理固定在纤维表面，沉积后通常只需要干燥或烘焙[11]。尽管具有这些优势，基于颜料的喷染仍面临一个关键挑战：对外部聚合物粘合剂的依赖[12]、[13]。传统颜料喷涂系统通常需要相对大量的外部粘合剂将颜料颗粒锚定在纤维上并确保可接受的摩擦牢度[14]、[15]、[16]。然而，过多的粘合剂可能在纤维上形成连续薄膜，导致织物刚度增加、透气性降低和不理想的手感[17]。更重要的是，在气动喷涂过程中，水分快速蒸发和剪切诱导的颗粒团聚可能导致喷嘴处和狭窄流道内提前成膜或颗粒沉积，造成喷嘴堵塞、喷涂流量不稳定和颜色再现性差[18]、[19]、[20]、[21]。因此，同时实现无粘合剂颜料固着、高喷涂流畅性和令人满意的织物性能仍然是可持续颜料喷染的关键瓶颈。聚合物包封颜料乳胶提供了一种有吸引力的路线来解决这一瓶颈，通过将颜料着色和聚合物固着集成在单一杂化颗粒中[22]、[23]。特别是，软核-硬壳聚合物包封颜料乳胶有望将软聚合物核的成膜和自粘能力与硬聚合物壳的防结块和流动稳定功能相结合[24]、[25]，除了在包封颜料乳胶中已有的聚合物外不添加任何外部粘合剂[26]。软核可以增强烘焙过程中颜料颗粒与纤维之间的界面粘附力，而具有相对较高玻璃化转变温度（*T*_g）的硬壳可以抑制提前团聚、成膜和沉积[27]、[28]。目前，大多数关于软核/硬壳粘合剂或聚合物包封颜料乳胶的研究局限于传统丝网印刷。例如，Zhang等人制备了一种用于颜料印花的低温度自交联软核/硬壳结构聚丙烯酸粘合剂，印花织物表现出更柔软的不粘手感和优异的摩擦牢度和更高的*K/S*[29]。此外，Xie等人通过无皂无硫原位可逆加成-断裂链转移（RAFT）乳液聚合合成了纳米级聚合物包封颜料杂化乳胶用于无粘合剂颜料印花，增强了无粘合剂印花织物的色深、色牢度和透气性[30]。然而，上述大多数聚合物包封颜料乳胶表现出较低的成膜温度（<32 °C），这很容易在室温下导致成膜并造成喷嘴堵塞，从而限制了软核/硬壳聚合物包封颜料乳胶在喷涂中的应用。本文通过RAFT介导的微乳液聚合制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）改性软核/聚丙烯酸甲酯（pMMA）硬壳聚合物包封颜料乳胶（SHPEPLs），并将其应用于棉织物的无粘合剂喷染（图1）。设计PDMS改性聚丙烯酸软核以提供柔韧性、低表面能和界面粘附力，而引入pMMA硬壳以增加玻璃化转变温度并改善对喷涂诱导成膜的抗性。系统研究了pMMA壳含量对颗粒形貌、热行为、机械性能、润湿性、过滤性能、摩擦系数、过滤光滑度、颜色性能和织物可穿性的影响。优化的SHPEPL表现出优异的喷涂流畅性，在喷嘴上没有可见成膜，过滤效率高达93%。所得的喷染棉织物表现出良好的色深、摩擦牢度、透气性和手感。与传统染浴染色相比，基于SHPEPL的颜料喷染工艺显著减少了加工时间、水消耗、电力消耗和CO₂排放。本工作阐明了软核/硬壳结构在抑制喷嘴堵塞方面的作用，并为高流畅性、无粘合剂和可持续颜料喷染提供了有用的设计策略。## 章节摘要### 实验结果与讨论材料、测量和表征详见补充材料。### SHPEPL的表征SHPEPLs（R0-R6）由PDMS改性聚丙烯酸软核和pMMA硬壳组成，通过RAFT介导的微乳液共聚制备，使用AIBN作为引发剂，在70 °C下存在DNS-86的条件下进行。其中，R0代表没有pMMA硬壳的PDMS改性聚丙烯酸软核，R1-R3控制壳中的MMA用量，而R4-R6控制软核中的GMA用量（相对于核乳胶中使用的单体总量）。核磁（NMR）…### 结论总之，通过RAFT介导的微乳液聚合制备了PDMS改性自交联软核和pMMA硬壳的聚合物包封颜料乳胶。结果表明，当在SHPEPL中引入30%（质量）的PDMS、软核中3%（质量）的GMA和硬壳中20%（质量）的MMA时，颜料杂化乳胶膜表现出比软核成膜杂化乳胶膜更好的热性能、机械性能和润湿性。*T*_g…### CRediT作者贡献声明**Dong Ge**：形式分析、数据整理。**Dongming Qi**：监督指导。**Dingtao Guo**：调查研究、形式分析、数据整理。**Chuang Wang**：撰写—审阅与编辑、调查研究、形式分析、数据整理。**Jiawei Li**：撰写—审阅与编辑、验证、监督指导、资金获取、概念构思。### 利益冲突声明作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。### 数据可用性数据可根据要求提供。### 资金来源本工作得到国家自然科学基金（批准号：51703200）、浙江省重点研发计划（批准号：2024 C01199）、浙江理工大学基本研究基金（批准号：25242165-Y）和浙江省大学生创新创业训练计划（批准号：S202510338115）的资助。### 利益声明? 作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。---Dingtao Guo | Chuang Wang | Dong Ge | Dongming Qi | Jiawei Li