间位芳纶纤维染色性能新突破

摘要：《Dimethyl Sulfoxide and Sodium Chloride Modulate the Crystal Structure in PMIA to Enhance Dyeing Performance: Molecular Dynamics S

《Dimethyl Sulfoxide and Sodium Chloride Modulate the Crystal Structure in PMIA to Enhance Dyeing Performance: Molecular Dynamics Simulation and Experimental Investigations》这篇文章由江南大学朱博课题组发表于《Advanced Science 》期刊上。文章通过实验表征与分子动力学模拟相结合的方法，研究了二甲亚砜（DMSO）和氯化钠（NaCl）对间位芳纶（PMIA）纤维染色性能的影响，揭示了 DMSO/NaCl 体系对 PMIA 纤维结构的调控机制，为高性能纤维的染色技术提供了绿色高效的解决方案。

图1. 二甲基亚砜/氯化钠溶液体系下聚间苯二甲酰间苯二胺非晶区的建模过程

1. 研究背景

间位芳纶纤维（PMIA）具有优异的耐高温、耐化学和机械性能，但高结晶度和紧密的分子结构使其染色性能较差，限制了其在一些领域的应用。

图2. a）染色PMIA纤维的表面形貌。b）PMA纤维表面的元素含量。c）PMIA纤维的曲线拟合C1s

2. 实验方法

采用 DMSO 与 NaCl 协同作用，通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）等实验手段，结合分子动力学模拟，对 PMIA 纤维的结构和性能进行了研究。

图3. a）傅里叶变换红外光谱。b）氢键强度比。c、d）不同样品的 X 射线衍射。e、f）不同样品的结晶度。

3. 实验结果

DMSO 和 NaCl 对 PMIA 纤维结构的影响DMSO 通过破坏 PMIA 分子间氢键，显著增加 PMIA 纤维的自由体积和链段运动能力；NaCl 通过中和纤维表面电荷，减少了染料与纤维的静电排斥。在 DMSO 和 NaCl 的协同作用下，PMIA 纤维的表面结构和元素分布发生显著改变，晶体结构未被破坏，但氢键网络发生重组且强度增强。

图4. a， b）不同样品的K/S值。c，d）不同样品的染料吸收

DMSO 和 NaCl 对 PMIA 纤维染色性能的影响DMSO/NaCl 协同处理显著提升了 PMIA 纤维的染色深度（K/S 值）和上染率，同时保持了优异的色牢度和机械性能。匀染性测试显示，纤维截面染色均匀性明显改善。

图5. 染色聚间苯二甲酰间苯二胺织物的截面和表面照片

4. 分子动力学模拟结果

DMSO/NaCl 对 PMIA 非晶区氢键网络的调控DMSO 的 S═O 基团与 PMIA 的 N - H 或 C═O 基团相互作用，破坏原有的 PMIA 氢键网络，随着 DMSO 浓度增加，PMIA 非晶区氢键数量显著减少，分子链流动性增强、自由体积增大，为染料提供更多吸附位点。NaCl 在低浓度时通过离子效应削弱氢键，高浓度时又促进强氢键形成，维持了纤维的机械性能。

图6. a， b）不同样品的Zeta电位。c-f）（c）D-0%；（d）D-50%；（e）N-0 g L−1；（f）N-50 g L

DMSO/NaCl 对 PMIA 分子链运动性和自由体积的影响DMSO 浓度增加显著提升 PMIA 分子链的均方位移（MSD）和扩散系数（D），当 DMSO 超过特定阈值后链段运动趋于稳定，同时自由体积分数（FFV）大幅增加。NaCl 浓度变化呈现双向调控作用，低浓度时增强链段运动并扩大自由体积，高浓度时则导致链段运动受限、自由体积减少，最佳协同效应出现在中等浓度。

图7. DMSO/NaCl诱导的PMIA纤维结构调制和增强的染料吸附途径的示意图

内聚能密度（CED）和溶解度参数（δ）分析DMSO 通过破坏氢键网络降低 PMIA 的 CED，削弱分子间作用力；NaCl 通过促进氢键重建增强 CED，两者协同作用平衡了纤维溶胀与结构稳定性。当 DMSO/NaCl 体系的 δ 值与 PMIA 的 δ 差异最小时，溶剂与纤维的相容性最佳，溶胀效果最优。

图8. a， d）氢键数量的变化。b，e）PMIA中氢键的平均数量。c，f）PMIA中H（N─H）to O（O C）的RDF曲线

图9. a， c）不同模型的MSD值。b，d）不同模型的值。e，f）不同模型的FFV。g）模型的自由体积示意图

5. 研究结论

DMSO 和 NaCl 协同作用通过破坏与重建 PMIA 纤维的氢键网络，增加自由体积和优化电荷分布，在提升 PMIA 染色均匀性与深度的同时维持了纤维结构稳定性。该体系为 PMIA 提供了高效染色方案，未来需扩展至酸性 / 分散染料体系以验证普适性，并探索其在其他高性能纤维中的应用潜力。同时，实验与模拟结合的方法为复杂纤维结构调控提供了新范式。