《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Inhibiting hydrolysis in high-temperature coloring process of polylactic acid fibers and dye diffusion behavior in a waterless dyeing system
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PLA纤维在D5（含乙酸）和DA系统非水染色中的性能优于传统水基系统，表现为色牢度（洗/摩擦均达3-5级）、低收缩率（DA系统比水基低50%以上）、热稳定性提升（初始分解温度提高约30℃）及零废水排放。研究证实非水染色技术可同时满足环保与染色质量需求，为生物基纺织品工业化提供新路径。
董文斌|刘书华|朱军|秦永瑞|裴柳军|王继平
上海纺织化学清洁生产工程研究中心；上海工程技术大学，中国上海 201620
摘要
聚乳酸（PLA）纤维作为一种生物基且可生物降解的替代材料，在推动绿色纺织发展方面展现出巨大潜力。然而，传统的PLA水溶性染色方法通常需要高温（存在纤维损坏的风险）和有害的化学助剂。本研究系统地探讨了PLA织物在非水介质（含有醋酸作为染色促进剂的D5溶液，简称DA系统）和传统水溶性染色系统中的染色性能。DA染色系统获得了与水基系统相当甚至更优的结果。DA介质在洗涤和摩擦牢度方面表现出稳定的高评级（3-5级），而水基系统由于纤维表面残留的游离染料导致牢度较低。在D5和DA系统中染色的PLA织物的收缩率明显低于水基系统。水基染色系统因PLA水解而出现明显的酸化现象，而D5和DA系统则保持弱酸性至接近中性状态。此外，D5和DA系统保持了PLA的热稳定性——其初始分解温度高于纯PLA，且D5系统在质量损失5%时的温度略高于纯PLA。从可持续性的角度来看，DA系统消除了水溶性染色产生的废水，并将用水量减少了100%。这项研究为环保型PLA染色提供了可行的技术途径，解决了传统纺织染色中水资源短缺和废水污染的核心问题，为促进可生物降解PLA纺织品的可持续工业应用提供了宝贵的见解。
引言
纺织行业面临着日益严重的可持续性危机，主要问题包括大量水资源消耗、有害化学物质的排放以及对不可再生石油基合成材料（如聚酯）的依赖[1]、[2]。在这种紧迫的挑战下，聚乳酸（PLA）纤维作为一种重要的生物基和可生物降解的替代品应运而生，为绿色纺织的发展开辟了新的途径[3]、[4]、[5]。PLA源自可再生资源（如玉米淀粉），具有优异的机械性能，并且在生产过程中对环境的影响显著较低[6]、[7]。然而，PLA纺织品的广泛应用受到一个根本性障碍的严重阻碍：缺乏高效且环保的染色工艺[8]、[9]。传统的PLA水溶性染色方法往往需要高温（可能导致纤维损坏）和有害的化学助剂（带来环境负担），这削弱了其固有的可持续性优势[10]、[11]。因此，迫切需要开发专门针对PLA织物的新型环保着色技术。
PLA染色的主要技术挑战源于其独特的物理化学性质[12]。其天然的疏水性严重限制了水在纤维基质中的渗透和染料的扩散。此外，PLA的玻璃化转变温度（Tg约为60-70°C）相对较低[13]，这使得在接近或超过100°C的染色温度下使用常规方法（如疏水性聚酯常用的方法）存在不可逆的热变形、收缩甚至部分熔化的风险，从而影响织物的完整性和尺寸稳定性[14]。因此，传统的PLA水溶性分散染色需要在较低温度（<100°C）下操作，这会导致染料吸收不足（K/S值低）和洗涤牢度差；或者需要引入化学促进剂（通常称为载体）[15]、[16]。无论是否使用载体，水溶性染色本身都会消耗大量水资源，并产生含有染料、盐、分散剂和残留载体的废水，给环境治理带来严重挑战[17]、[18]。深共晶溶剂（DES）作为一种绿色染色介质，能够避免PLA的水解，尤其是与合适的染料结合使用时。然而，其更广泛的工业应用受到两个关键限制：某些疏水性染料的溶解度有限，影响了可实现的颜色深度；以及相对较高的成本，阻碍了大规模应用[19]、[20]、[21]。同样，超临界CO2染色是一种出色的无水替代方法，与特定的疏水性染料和纤维具有良好的相容性。然而，其广泛应用受到经济性和可扩展性的限制，主要源于高昂的资本投入和运营成本。因此，开发一种温和、可扩展且环保的PLA染色技术，以最小化环境影响，仍然是纺织染色行业亟待解决的问题。
鉴于PLA纺织品染色的可持续性挑战，使用十甲基环戊硅氧烷（D5）作为非水介质进行染色已成为一种非常有前景的绿色解决方案[22]。D5具有出色的性能特点，非常适合这一应用。具体而言，其天然的化学惰性确保了其与纺织纤维（如PLA、氨纶）和活性/分散染料的良好相容性，避免了染色过程中的不良反应（如纤维水解或染料降解）。此外，D5出色的可回收性使得可以实现闭环处理，显著减少了用水量并消除了废水排放，解决了传统水溶性染色系统的核心环境问题[23]。值得注意的是，D5在聚酯（PET）染色中表现出优异的性能，实现了较高的染料吸收率、良好的均匀性，同时显著降低了能耗和环境影响[24]、[25]。考虑到PLA和PET（均为疏水性聚酯）的结构和化学性质，D5已成为一种有吸引力的可持续PLA染色介质，使用该介质染色可以降低热降解的风险[26]。然而，关于D5在PLA染色中的应用仍存在关键的知识空白。尽管从PET的研究中可以推断出初步的可行性，但不同分散染料对PLA在D5中染色行为的影响尚未得到充分研究。
本研究系统地探讨了使用三种结构不同的分散染料（Blue 183:1、Red 177、Yellow 114）在非水介质中对聚乳酸织物的染色效果。评估了三种染色系统：（1）仅使用非水介质；（2）使用环保促进剂的非水介质；（3）传统的水溶性染色（作为基准）。通过K/S值、颜色牢度、尺寸稳定性、浴液pH变化和热重分析（TGA）全面评估了染色性能。吸附动力学模型阐明了促进剂在非水介质中对PLA染色效果的增强机制。所提出的策略为实际应用提供了技术指导，为减少纺织制造业的碳排放提供了可行的途径。
材料
纯PLA机织织物（75 × 150 D，230克/平方米）购自苏州青木纺织科技有限公司。C.I. Disperse Blue 183:1、C.I. Disperse Red 177、C.I. Disperse Yellow 114购自浙江龙盛染料化学有限公司。醋酸（作为促进剂和分析试剂）购自Sigma-Aldrich公司。二甲基亚砜（DMSO，分析试剂）购自Aladdin公司。2-萘磺酸（NNO）、碳酸钠（Na2CO3）和连二亚硫酸钠（Na2S2O4）也用于实验。
不同染色系统中PLA织物的染色性能
为了研究非水介质在PLA织物染色中的适用性，使用了三种分散染料（C.I. Disperse Red 177、C.I. Disperse Blue 183:1和C.I. Disperse Yellow 114）在120°C下进行染色实验，并将结果与传统的水溶性染色系统进行了比较。该染色温度是通过系统筛选确定的：在110°C时，染料吸收不足，无法达到所需的颜色深度；而超过130°C的温度则会导致
结论
本研究开发了一种创新的非水染色策略，采用环保助剂（DA系统）对聚乳酸纺织品进行染色。关键发现是，DA系统的染色效果与传统水溶性染色（DW系统）相当，同时具有两个显著优势：更高的颜色深度（K/S值为2.9 vs 2.0）和更好的纤维热稳定性。
未引用的参考文献
[37], [38]
CRediT作者贡献声明
刘书华：撰写——审稿与编辑，数据管理。董文斌：撰写——初稿，软件使用，方法论设计。裴柳军：撰写——审稿与编辑，可视化处理，方法论设计，资金获取，数据管理。王继平：项目监督，资源协调，资金获取，概念构思。朱军：实验研究。秦永瑞：数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22072089）、安徽省关键技术研究开发项目（2023t07020001）、中央引导地方科技发展资金项目（2025YD008）、松江区科技研究项目（23SJJBGS2）以及浙江省清洁染色与整理技术重点实验室开放项目（QJRZ2301）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有潜在的利益冲突
