基于天然色素的超临界CO2棉染技术专用染料的合成及染色机制研究

Natural pigment is of high security, biodegradable and has good substantivity with cotton fiber, therefore it is suitable for cotton supercritical carbon dioxide (SC-CO2) dyeing technology. But the low supercritical CO2 solubilities and less firm cotton-bindings of natural pigments cause the problem of the low color depths and poor fastnesses (washing & rubbing) of cotton fiber dyed in supercritical CO2 technology, which results in the supercritical CO2 dyeing technology to be unavailable to the commercial application. This application proposes an idea for introducing promoting soluble groups (alkyl, cyan, nitro, ester and halogen groups) and functional groups capable of reacting with cotton (hydroxymethyl, carboxyl groups) to natural pigments to synthesize natural structure dyes. By promoting soluble groups, the solubilities of natural structure dyes in SC-CO2 will be enhanced, and further the color depths of cotton dyed by natural structure dyes will be improved; by functional groups capable of reacting with cotton, the bindings between dyes and cotton fiber will be strengthened, and further the fastnesses (washing & rubbing) of cotton dyed by natural structure dyes will be improved. The effect of the promoting soluble groups and functional groups capable of reacting with cotton on the dyeing property of natural structure dyes will also be illuminated. By this way, supercritical CO2 dyeing technology will be developed, good performance of supercritical CO2 cotton dyes will be obtained, and a new method and theoretical guidance will be provided.

天然色素安全系数高、可生物降解、对棉纤维具有较好的直接性，适合作为专用染料用于超临界CO2棉染技术。但天然色素在超临界CO2中溶解度偏低、与棉纤维结合力较弱导致其在超临界CO2中染色棉纤维时存在色深低、水洗摩擦牢度差的问题，无法在超临界CO2棉染技术中进行实际应用。本申请提出将促溶基团（烷基、氰基、硝基、酯基和卤素基团）和能与棉纤维反应的基团（羟甲基、羧基）引入天然色素中合成天然结构染料。通过促溶基团提高天然结构染料在超临界CO2中的溶解度，从而提高染后棉纤维的色深；通过能与棉纤维反应的基团提高天然结构染料与棉纤维的结合力，从而提高染后棉纤维的水洗摩擦牢度。阐明促溶基团和能与棉纤维反应的基团对天然结构染料在超临界CO2中染色性能的影响规律，为发展超临界CO2染色、获得性能优良的超临界CO2棉用染料提供新途径和理论指导。

天然色素安全系数高、可生物降解、对棉纤维具有较好的直接性，适合作为专用染料用于超临界CO2棉染技术。但天然色素在超临界CO2中溶解度偏低、与棉纤维结合力较弱导致其在超临界CO2中染色棉纤维时存在色深低、水洗摩擦牢度差的问题，无法在超临界CO2棉染技术中进行实际应用。.促溶基团的引入是提高天然结构染料在超临界CO2中的溶解度，从而提高染后棉纤维的色深的关键点。本研究通过促溶基团（烷基、硝基、酯基和卤素基团）的筛选，证明烷基和酯基的引入可以有效增加天然结构染料在超临界CO2中的溶解度，继而增加天然结构染料在棉纤维上的色深。活性基团的引入是提高天然结构染料与棉纤维的结合力，从而提高染后棉纤维的水洗摩擦牢度的关键点。本研究通过活性基团（羟甲基、羧基）的筛选，证明羟甲基可有效提高染后棉纤维的水洗摩擦牢度。继而通过促溶基团和活性基团的协同增效效应，证明羟丁基引入天然结构染料中对染色后棉纤维的色深及水洗摩擦牢度的提升效果最好。应用这一规律，可以合成出适合超临界CO2棉纤维染色的染料，使其染色深度达到中等色深。且这一规律同样应用于羊毛纤维和蚕丝纤维，有望在天然染料应用于棉纤维的同时，同时解决羊毛纤维和蚕丝纤维的染色问题。.本项目在研究过程中还发现超临界CO2染色时加入DMSO能提高染料的色深。DMSO提高棉纤维染色能力的机理是使棉纤维溶胀，提高蚕丝纤维染色能力的机理是使蚕丝纤维边缘形成孔洞增加了蚕丝纤维的表面积。利用这一规律可以有效提高各类染料在棉纤维、蚕丝纤维上的上染效果，从而进一步推进天然纤维无水染色的工业化进程。此外酯基除了能增加天然结构染料的溶解度，还能增加分散染料在超临界CO2中的溶解度，同时酯基的引入还能增加分散染料对纤维的亲和力，因此酯基得引入能增加分散染料在超临界CO2中染色涤纶的能力。利用这一规律可以有效解决不同批次分散染料染涤纶时的色差问题。