棉纤维因其透气性、柔软性和整体舒适性而在服装行业中备受重视
[1]。它们继续主导着纺织行业，约占全球纺织纤维消费量的50%
[2]。纺织染色是纺织加工中的关键步骤
[3]。由于活性染料具有鲜艳的颜色以及与纤维素纤维形成共价键的独特能力
[4]，95%的纤维素纤维都使用活性染料进行染色。传统的棉织物染色工艺需要在染浴中使用大量无机盐，以减少活性染料与棉纤维之间的静电排斥，从而提高染料在棉纤维上的吸附率
[5]。这种做法导致染色废水中盐分浓度很高。此外，在活性染料的固着阶段加入Na
2CO
3或NaOH会进一步增加废水的盐分浓度。高碱度还会加速活性染料的水解，水解后的活性染料可能对棉纤维失去反应性，导致活性染料的固着率仅为60-70%
[6]。因此，染色废水是一种盐分高且颜色强度高的工业废水
[7]，这对环境构成了重大挑战
[8]，处理成本占总生产成本的20-25%
[9]。因此，解决这些挑战对于遵守环境法规和降低生产成本至关重要
[10]。
对棉纤维进行阳离子改性是实现无盐染色的有效方法[11]。已经合成了具有不同结构的阳离子改性剂，通常根据分子量将其分为聚合物阳离子改性剂和小分子阳离子改性剂。聚合物改性剂由于分子量大，对棉纤维的亲和力较高，所需用量远低于小分子改性剂[12],[13]。然而，其较大的分子结构使得染料难以渗透到棉纤维中[14]，这大大影响了染色效果。相比之下，使用小分子改性剂改性的棉纤维更容易被染料渗透，从而获得更好的染色效果。一个典型的小分子阳离子改性剂例子是3-氯-2-羟丙基三甲基铵氯化物（CHPTAC），它在碱性条件下会生成缩水甘油基三甲基铵氯化物（GTA）。然而，CHPTAC在改性过程中的用量很大（50-200克/升）[15],[16]。此外，尽管大多数阳离子改性剂可以在棉纤维的活性染色过程中减少对无机盐的依赖，但仍需要一定浓度的碱才能实现有效的染料固着。
为了解决这些问题，创新设计并合成了含有双季铵盐和双环氧基团的新改性剂BEQA-1、BEQA-2和BEQA-3。利用环氧基团与纤维素的高反应性和季铵盐的稳定阳离子性质，这些具有不同烷基链长度的改性剂表现出良好的亲和力、渗透性和对纤维的高反应性。由于具有双重官能团，它们能够有效地对棉纤维进行阳离子改性，提高改性剂的利用率。此外，改性剂中的环氧基团与棉纤维反应会产生新的羟基，这些羟基比棉纤维本身的羟基更具酸性，可能在中性条件下促进染料与纤维的反应。
近年来，计算模拟技术在染色行业的准确预测和机理研究方面受到了广泛关注。与实验研究相比，计算模拟可以快速系统地阐明化学反应机理。例如，密度泛函理论（DFT）方法可用于分析分子间相互作用机制、能量和反应路径，而分子动力学（MD）模拟可以揭示分子在基质中的扩散轨迹[17],[18]。这两种方法的结合已成为研究复杂化学反应机理的强大工具。本文也采用了计算模拟来更好地研究新改性剂的作用机制和染料-纤维反应的机理。
在本研究中，首先合成了新的改性剂，并对其进行了表征，然后使用不同浓度的改性剂对棉纤维进行了阳离子改性，根据染色效果确定了最佳用量。通过与单环氧单季铵盐的系统性比较，研究了这些新型改性剂在无盐染色中的优势及其对减少化学耗量的贡献。通过与酸性染料的比较分析，阐明了活性染料分子的结构特征，这些特征使得它们能够在中性pH条件下与改性纤维发生固着反应。MD模拟和DFT计算进一步阐明了活性染料在改性棉纤维上的无盐吸附和中性固着机理。这项工作为棉纤维的高效、经济可行和可持续染色提供了一种新的策略。
