乙烯砜型活性染料在陰離子表面活性劑體系中的水解動(dòng)力學(xué)

孫良喜，蔡國強(qiáng)，3，章曼雯，葛華云，3，王際平，3

(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學(xué)生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018;3.國家紡織與日用化學(xué)國際科技合作基地，浙江 杭州 310018)

活性染料自問世以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展已成為纖維素纖維印染的主要染料［1］。活性染料由于其分子結(jié)構(gòu)中活性基團(tuán)的存在，在上染纖維的同時(shí)，也會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，影響染料的利用率和產(chǎn)品的色牢度［2］。目前，在染整加工中，通常添加勻染劑、纖維潤濕劑、分散劑等染色助劑，以期提高染色效果。上述染色助劑大多為表面活性劑，其中陰離子表面活性劑應(yīng)用較為廣泛［3］。研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑在水溶液中不僅會(huì)以分子鏈狀態(tài)與染料發(fā)生作用，還會(huì)形成不同形態(tài)的聚集體，如膠束或囊泡，與染料結(jié)合，影響染料的吸收光譜以及染色性能［4－5］。表面活性劑與染料的相互作用勢(shì)必會(huì)影響活性染料的水解行為，進(jìn)而影響染料的上染性。高效液相色譜能對(duì)活性染料水解過程中的各組分進(jìn)行定性定量分析［6－7］。因此，本文采用高效液相色譜(HPLC)方法，研究乙烯砜型染料活性艷藍(lán)KN-R在陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(LAS)中的水解行為，重點(diǎn)考察LAS的濃度和反應(yīng)溫度對(duì)染料水解的影響，以期對(duì)活性染料在表面活性劑存在下的水解行為有更深的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

碳酸鈉，碳酸氫鈉，四丁基溴化銨，醋酸銨，鹽酸(36% ～38%)，均為分析純，購于杭州高晶精細(xì)化工有限公司;十二烷基苯磺酸鈉(95%)，購于阿拉丁化學(xué)試劑有限公司;乙腈，色譜純，購于Sigma-Aldrich公司;活性艷藍(lán)KN-R(C.I.活性藍(lán)19)，試劑級(jí)，購于Sigma-Aldrich公司。

高效液相色譜儀，Agilent 1260型，美國安捷倫公司;DF-101S型即熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 色譜條件

色譜柱為 Agilent Eclipse XDB-C18柱(5 μm，4.6mm×150mm);流動(dòng)相為離子對(duì)緩沖溶液(溶劑A:2mmol/L四丁基溴化銨和50mmol/L醋酸銨)和乙腈(溶劑B)的混合液，梯度淋洗;流速為1 mL/min;進(jìn)樣量為10 μL;柱溫為30℃;DAD檢測，檢測波長選染料的最大吸收波長為596 nm，測試靈敏度為0.04 AUFS。梯度淋洗體系如表1所示。

表1 HPLC分析所使用的梯度淋洗體系Tab.1 Gradient elution system for HPLC analysis

1.3 染料的水解

將LAS溶解到pH值為10的緩沖溶液(碳酸鈉和碳酸氫鈉緩沖體系)中，質(zhì)量濃度分別為0.1、1 g/L，然后將0.1 g染料溶解到100 mL上述溶液中，加熱到設(shè)定的溫度，恒溫?cái)嚢?80 min，按一定的時(shí)間間隔取樣5 mL，冷卻，用鹽酸中和至pH值為7后稀釋定容至50 mL，用0.22 μm濾頭過濾備用。

2 結(jié)果與討論

為了提高染料的利用率和上染效果，通常需要加入各類助劑，如勻染劑、固色堿劑、分散劑、緩染劑等。這些助劑大多是陰離子表面活性劑，當(dāng)其濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，表面活性劑在體系中會(huì)形成膠束，與染料發(fā)生作用，影響活性染料的水解行為。而商品形式的乙烯砜型活性染料一般以穩(wěn)定性較高的β-乙烯砜硫酸酯結(jié)構(gòu)存在，只有水解成乙烯砜型才能與纖維反應(yīng)進(jìn)而固著其上。因此，本文將重點(diǎn)研究pH值為10的條件下乙烯砜型活性染料在不同濃度的陰離子表面活性劑體系中的水解行為。所用的模型活性染料為活性艷藍(lán)KN-R，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。使用的陰離子表面活性劑為LAS，其臨界膠束濃度經(jīng)表面張力儀測定約為0.46 g/L。

圖1 活性艷藍(lán)KN-R(C.I.活性藍(lán)19)的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of Reactive Brilliant Blue KN-R(C.I.Reactive Blue 19)

2.1 HPLC分析

乙烯砜型活性染料一般以穩(wěn)定性較高的β-乙烯砜硫酸酯結(jié)構(gòu)存在;在堿性溶液中，β-乙烯砜硫酸酯發(fā)生消除反應(yīng)生成真正的活性基團(tuán)乙烯砜基;繼而與纖維反應(yīng)或發(fā)生水解。在本文的梯度淋洗條件下，無論在水中還是在不同濃度的LAS溶液中，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，HPLC譜圖中依次在tR為1.76、3.75、2.62和2.21 min處出現(xiàn)4個(gè)色譜峰，且tR為1.76 min的色譜峰的峰高和峰面積迅速減小并消失，tR為3.75 min的色譜峰的峰高和峰面積現(xiàn)增加后減小，而tR為2.62 min的色譜峰的峰高和峰面積逐漸增大，當(dāng)水解反應(yīng)進(jìn)行到一定時(shí)間后，在tR為2.21 min處又出現(xiàn)了1個(gè)色譜峰，其峰高和峰面積也逐漸增大，如圖2所示。

圖2 活性艷藍(lán)KN-R在不同體系中的水解色譜圖Fig.2 HPLC spectra of Reactive Brilliant Blue KN-R in different systems.(a)Water;(b)0.1 g/L LAS，60 ℃;(c)1 g/L LAS，50 ℃;(d)1 g/L LAS，60 ℃;(d)1 g/L LAS，70 ℃

HEYNA［8］的研究表明，乙烯砜型活性染料的水解過程如圖3［8］所示。β-乙烯砜硫酸酯結(jié)構(gòu)(I)的染料在堿性溶液中先發(fā)生水解，得到乙烯砜型染料(II)，之后進(jìn)一步水解得到伯醇結(jié)構(gòu)的水解染料(III);乙烯砜型染料可與伯醇結(jié)構(gòu)的水解染料發(fā)生加成反應(yīng)，得到醚鍵結(jié)構(gòu)的染料(IV);醚鍵結(jié)構(gòu)的染料在堿性溶液中可再與水反應(yīng)最終得到伯醇結(jié)構(gòu)的染料。水解過程反應(yīng)式如圖3所示。

圖3 活性艷藍(lán)KN-R的水解過程Fig.3 Hydrolytic process of Reactive Brilliant Blue KN-R

由反相高效液相色譜的原理可知，極性強(qiáng)的物質(zhì)先出峰，極性弱的物質(zhì)后出峰［9］。醚鍵結(jié)構(gòu)染料IV分子中含有2個(gè)磺酸基團(tuán)，其極性大于伯醇結(jié)構(gòu)染料III。因此，HPLC譜圖上，各結(jié)構(gòu)染料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對(duì)應(yīng)的保留時(shí)間分別為 1.76、3.75、2.62、2.21 min。

2.2 LAS濃度和反應(yīng)溫度對(duì)染料水解的影響

從染料水解過程并結(jié)合HPLC譜圖(見圖2)分析，可以將活性艷藍(lán)KN-R的水解過程分為2個(gè)階段:階段1為硫酸酯型染料I轉(zhuǎn)變成乙烯砜型染料II;階段2為染料II進(jìn)一步通過一系列反應(yīng)得到水解染料III和醚鍵結(jié)構(gòu)染料IV。乙烯砜型染料的活性基團(tuán)為乙烯砜基，當(dāng)其進(jìn)一步水解(階段2)，將失去反應(yīng)活性，而且該反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，因此階段2的水解將會(huì)影響活性染料的利用率。鑒于表面活性劑的膠束化性質(zhì)以及其在染整加工中的廣泛應(yīng)用，研究表面活性劑的濃度對(duì)乙烯砜型活性染料的水解行為將有利于優(yōu)化染色工藝。

從圖2可看到，階段1的水解行為非常迅速，在15 min的時(shí)候染料I均轉(zhuǎn)變成II型乙烯砜結(jié)構(gòu)染料。但是LAS的存在將有助于階段1的進(jìn)行，60℃時(shí)LAS體系中，5 min時(shí)染料已基本轉(zhuǎn)變成染料II。這可能是因?yàn)槿玖螴I的極性相對(duì)最小，易與LAS的疏水脂肪鏈發(fā)生疏水相互作用，當(dāng)LAS的濃度高于其CMC值時(shí)，形成的膠束進(jìn)一步增溶染料II，促進(jìn)了階段1的進(jìn)行。但對(duì)階段2而言，LAS濃度的影響則是兩面的。60℃，當(dāng)其質(zhì)量濃度為0.1 g/L時(shí)(低于其CMC)，染料水解速率相對(duì)水中大幅加快，在180 min時(shí)幾乎所有的染料II均水解為染料III和IV，這可能是由于LAS作為分散劑，提高了染料在溶液中的分散均勻性，增加了染料分子與氫氧根離子的接觸概率，促進(jìn)了水解的進(jìn)行。而當(dāng)LAS濃度高于其CMC時(shí)(1g/L)，水解速率較水中有所減緩，這可能是由于增溶于膠束疏水內(nèi)核中的染料II相對(duì)難與堿性環(huán)境接觸，其水解速率受到抑制。

通過對(duì)HPLC譜圖各峰進(jìn)行積分計(jì)算，得到各峰的峰面積百分比，如圖4所示，更為直觀地表現(xiàn)出LAS濃度變化對(duì)染料水解行為的影響。相對(duì)于水溶液中染料的水解行為，質(zhì)量濃度為0.1 g/L的LAS溶液對(duì)染料的階段1和階段2的水解行為都起到促進(jìn)作用，而質(zhì)量濃度為1 g/L的LAS溶液則對(duì)染料的階段1的水解起到促進(jìn)作用，對(duì)階段2的水解則是抑制作用。

圖4 不同體系中KN-R水解過程中各類染料占比隨時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Percent of each hydrolysis dye of KN-R-time variation curves in different systems.(a)Water;(b)0.1 g/L LAS，60 ℃;(c)1 g/L LAS，50 ℃;(d)1 g/L LAS，60 ℃;(e)1 g/L LAS，70 ℃

另外，從圖2、4可看到，反應(yīng)溫度的升高將促進(jìn)階段1和階段2的進(jìn)行，尤其是對(duì)階段2的影響較大。當(dāng)LAS質(zhì)量濃度為1 g/L，50℃水解180 min，溶液中以乙烯砜型染料II為主，占83%，而當(dāng)溫度升高到70℃時(shí)，180 min后乙烯砜型染料II已基本上都被水解。

2.3 染料水解動(dòng)力學(xué)研究

從圖2、4可看到，硫酸酯型染料I在15 min內(nèi)已全部轉(zhuǎn)變成乙烯砜型染料II，因此，本文在研究染料水解動(dòng)力學(xué)時(shí)忽略染料I轉(zhuǎn)變成染料II的反應(yīng)，僅考慮乙烯砜型染料II的水解動(dòng)力學(xué)。在堿性溶液中，［OH－］可視為常數(shù)，反應(yīng)速率由式(1)決定:

式中:［C］為反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)染料II的濃度;k為水解速率常數(shù)。

對(duì)式(1)進(jìn)行積分，并用各自的峰面積百分比A代替染料濃度，則得到式(2):

式中A0和A分別為染料II水解過程中t=15 min和t時(shí)刻的峰面積。

根據(jù)HPLC的結(jié)果做ln(A0/A)對(duì)t的關(guān)系圖，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看到，ln(A0/A)與時(shí)間呈較好的線性關(guān)系，表明該水解反應(yīng)為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。不同體系中KN-R的水解速率常數(shù)見表3。

圖5 ln(A0/A)與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.5 ln(A0/A)-time relationship curves.(a)Different concentrations，60℃;(b)Different temperatures，1 g/L LAS

由表3可以看出，60℃時(shí)質(zhì)量濃度為0.1 g/L LAS體系中，染料II的水解速率常數(shù)是水中的3倍左右。而在質(zhì)量濃度為1 g/L LAS體系中，水解速率常數(shù)略小于水中，表明乙烯砜型染料II的水解相對(duì)受到抑制，可以更長時(shí)間地保持染料的反應(yīng)活性，提高染料的利用率。同時(shí)溫度升高，水解速率常數(shù)增加明顯。

表3 活性艷藍(lán)KN-R在不同體系中的水解速率常數(shù)Tab.3 Hydrolysis rate constants(k)of Reactive Brilliant Blue KN-R in different systems

3 結(jié)論

1)乙烯砜型活性染料KN-R在陰離子表面活性劑LAS體系中的水解行為受表面活性劑濃度的影響較大。相對(duì)水體系，當(dāng)濃度小于臨界膠束濃度時(shí)，LAS的存在將促進(jìn)KN-R的水解;當(dāng)濃度大于臨界膠束濃度時(shí)，LAS對(duì)階段1促進(jìn)，快速轉(zhuǎn)變成乙烯砜型染料II，但對(duì)階段2的水解起到抑制作用，能更長時(shí)間地保持染料的反應(yīng)活性。

2)當(dāng)硫酸酯型染料I完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁╉啃腿玖螴I后，在［OH－］為常數(shù)時(shí)，無論水體系還是表面活性劑體系，染料II的水解反應(yīng)均為準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)。從水解速率常數(shù)值看，質(zhì)量濃度為0.1g/L LAS體系的水解速率是水體系的3倍左右，而質(zhì)量濃度為1 g/L LAS體系的水解速率則低于水體系。

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