基于氢键作用偶氮型分散染料的合成及其耐碱性机制研究

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耐碱型分散染料满足了涤纶织物在碱性条件下染色的需求,有助于实现涤/棉混纺织物同浴染色,对提高染色加工效率,减少水资源、助剂使用,以及印染废水处理负担具有重要的现实意义。目前,大多数分散染料普遍存在耐碱性不高、耐碱性机制不明确等问题。基于此,本文合成了8支含有氰基、羟基的偶氮类分散染料,研究了分子相互作用-分子共平面性-染料性能之间的构效关系,探究了含氰基、羟基分散染料的碱性水解机制,最后研究了8支染料对涤纶和涤/棉混纺织物的碱性染色性能。具体研究结果如下:(1)以3-(三氟甲基)苯胺、4-(三氟甲基)苯胺、3-甲基苯胺、4-甲基苯胺和2-氨基-6-氟苯并噻唑作为重氮组分,以N,N-二羟乙基苯胺、N-(2-氰乙基)-N-羟乙基苯胺和间苯二酚作为偶合组分,通过重氮化偶合反应合成了4支单偶氮类分散染料(D1-D4)和4支双偶氮类分散染料(D5-D8)。使用FT-IR、HPLC-MS、~1H NMR、13C NMR和UV-Vis对染料结构和最大吸收波长(λmax)进行表征。结果表明,实验成功制备了分散染料D1-D8,其λmax分别为423 nm、428 nm、510 nm、494 nm、404 nm、406 nm、429nm、440 nm,其中D3和D4的色光为红色,其余染料色光皆在黄色光谱范围内。(2)通过DFT计算方法对分散染料D1-D8进行结构优化,并培养了两支染料单晶与计算结果相互印证,探究了染料分子空间结构与染料性能之间的关系。结果表明分散染料D1-D8都具有平面结构,对比单晶与计算优化结构,验证了DFT计算方法具有良好的精准度。染料单晶D6和D7都属于单斜晶体体系,分子共平面性较好,晶胞之间存在紧密、有序的堆积结构。通过Hirshfeld表面和二维指纹图(2D Fingerprint plots)分析染料分子间作用力,D6分子间作用力主要有氢键、范德华力和π-π相互作用力,其中代表氢键的H…F/F…H相互作用占比最多,约34%。D7分子间作用力主要也是由氢键、范德华力和π-π相互作用力组成。其中代表H…H弱相互作用占比最多,约53%。同时,染料D6和D7分子内都存在氢键,使染料结构更加稳定。分子内氢键调控染料分子的平面性能,分子间作用力使染料具有紧密、有序的堆积结构,有助于阻碍了亲核试剂对染料的进攻。(3)研究了合成染料中含氰基、羟基分散染料的碱性水解机制。结果表明,染料D4中的氰基水解为酰胺基和羧基,染料水溶性大幅增加,在高温高压碱性条件下处理30 min染料便完全水解。使用DFT对氰基的过渡态进行计算,计算结果与实验数据一致。染料D5中羟基在碱性条件下发生电离,染料极性略微增加,在整个碱处理过程中染料并没有完全水解。经过高温高压碱处理后,使用D4和D5的水解液对涤纶织物进行染色,D4染色织物的K/S值仅为2.085,而D5染色织物的K/S值为21.443,匀染性良好,表现出优异的耐碱性能。(4)研究了分散染料D1-D8对涤纶织物和涤/棉混纺织物的碱性染色性能。结果表明,在不同p H条件下染色织物的K/S值皆高于19,其中染料D1、D2、D6和D8具有较好的碱性染色性能,染料D3、D5和D7具有较好的耐酸碱稳定性能。D1-D8在2g/L Na OH(p H=12.7)条件下染色上染率皆在90%以上,与常规弱酸性(p H=4.5)条件下染色相比差距不大。D1-D8在p H=12.7条件下对涤纶织物染色具有较好的提升力,o.w.f达到3%之后,染色织物的K/S值不再发生明显变化。D1-D8染色涤纶织物在p H=12.7条件下的耐摩擦、耐水洗、耐升华色牢度均在4级以上,其中D1-D4的耐日晒色牢度在2-3级,D5-D8的耐日晒色牢度在4级以上,与p H=4.5条件下染色涤纶织物的色牢度基本相同。此外,D1-D8在涤/棉混纺织物一浴一步法染色工艺中的染色性能要逊色于二浴二步法染色工艺,其中染料D1、D5、D7和D8的一浴一步法染色性能较好与二浴二步法染色的色差(ΔE)分别为1.24、1.29、1.07和1.44。
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