納米生色技術(shù)的原理與優(yōu)勢

劉瓊溪，張 欣，余榮沾

（廣東欣豐科技有限公司，廣東開平 529300）

1 天然著色的歷史回顧

溫飽是人類生存最基本的需求，在解決了穿得暖的問題之后，人們就開始有了對美的期盼，印染由此而生。中國民間傳統(tǒng)手工印染有著悠久的文化歷史和獨(dú)特的民族魅力，長期以來深受人們喜愛，在世界上享有盛譽(yù)。

傳統(tǒng)的印染使用的都是天然染料。天然染料在先秦時期的《考工記》、北魏賈思勰所著的《齊民要術(shù)》和明代宋應(yīng)星所著的《天工開物》中都有記述。傳統(tǒng)的天然染料一般可分為礦物染料、植物染料和動物染料。天然染料大多無毒無害，并具有較好的生物可降解性和環(huán)境相容性。[1]中國傳統(tǒng)印染多為手工操作，最具代表性的工藝種類有絞纈、蠟纈、夾纈、藍(lán)印花布等，均被列為國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。傳統(tǒng)印染初步實(shí)現(xiàn)了人們由穿得暖到穿得美的愿望，有人將其稱之為印染行業(yè)的第一次革命。

傳統(tǒng)印染的染料無毒無害，產(chǎn)品淳樸，具有民族特色，但存在著一些難題。首先，天然染料多來源于動物、植物，難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、大批量生產(chǎn)，要想獲得足夠染料，就會造成對生態(tài)環(huán)境的破壞；其次，傳統(tǒng)的天然染料染色方法存在色量低、染色時間過長、容易褪色、不耐水洗和日曬等問題。再者，傳統(tǒng)印染色系單調(diào)，難于滿足人們對多彩世界的審美需求。

2 化工染色的興起與面臨的難題

2.1 化工染色的興起

20世紀(jì)30～40年代，隨著石油化工的快速發(fā)展，合成纖維開創(chuàng)了紡織纖維的新紀(jì)元，相繼有多種合成纖維問世。染料的發(fā)展歷來與纖維的開發(fā)緊密聯(lián)系，例如，1941年開發(fā)了聚酯纖維，1953年就研制出了適合聚酯纖維的分散染料。伴隨著合成纖維和化工染料的高速發(fā)展，化工染色得以快速崛起，開啟了印染產(chǎn)業(yè)第二次革命的大門。

這一時期印染產(chǎn)業(yè)最顯著的特點(diǎn)是：第一，基布材料種類增多，除了傳統(tǒng)的亞麻、棉布材料，纖維、黏膠、細(xì)紡布、尼龍等都可作為印染的基材，以滿足人們不同用途的需要；第二，化工染料大量涌現(xiàn)，滿足不同纖維的染色需求，據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)40年代以來，新研發(fā)的化工染料有3 000余種，經(jīng)常生產(chǎn)的也有800余種；第三，印染圖樣個性化，在現(xiàn)代工藝的支持下，印染圖案更加豐富多彩，只要人們喜歡都可以印上具有個人特色的圖案，不再局限于傳統(tǒng)的圖案；第四，印染企業(yè)飛速擴(kuò)張，規(guī)模以上企業(yè)接近2 000家，機(jī)械化大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)能已出現(xiàn)過剩；第五，當(dāng)代印染產(chǎn)業(yè)耗水、耗能、排污嚴(yán)重，易導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，已成為國家環(huán)保重點(diǎn)監(jiān)控的對象。

2.2 化工染色面臨的難題

化工染色生產(chǎn)能力快速提高，印染花色品種豐富，滿足了人們對美的需求，但化工染色耗水、耗能、排污難的問題始終沒有得到解決。

化工染色的廢水來源于兩個源頭。首先是化工染料生產(chǎn)廢水[2]，染料生產(chǎn)工藝復(fù)雜，在磺化、硝化、重氮化、還原、氧化以及酸（鹽）析等各個工序中都會產(chǎn)生大量的廢氣、廢水和廢渣；其次是印染過程產(chǎn)生的廢水，主要來自纖維織物漂煉和染色的環(huán)節(jié)。化工染色的廢水不僅水量大，還具有色度高、有機(jī)物濃度高、成分復(fù)雜、含鹽量高、水質(zhì)水量變化大、毒性大等特點(diǎn)，排入天然水體不僅會消耗水中的溶解氧，使水生生物大量死亡，一些苯胺、偶氮類的染料還具有強(qiáng)致癌性，排放到環(huán)境中對人類和其他生物的健康構(gòu)成極大威脅，因此，染料廢水的治理被列為環(huán)境保護(hù)的重要工作。

為了破解化工染色污染環(huán)境這一難題，國內(nèi)外科技工作者進(jìn)行了不懈的努力，也取得了一定的效果。一是開發(fā)新染料以減輕對環(huán)境的污染，重點(diǎn)是分散染料、活性染料和酸性染料等[3]，但這些染料都沒有改變化工染色的本質(zhì)，只是污染危害有所減輕；二是運(yùn)用新技術(shù)、新工藝減輕污染，例如數(shù)碼印花技術(shù)[4]，不僅使印花圖案更豐富，可滿足人們個性化的需求，同時，印花過程中產(chǎn)生的廢水大大降低，但還無法根除廢水。近期，有科學(xué)家提出超臨界CO2萃取技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非水和節(jié)水染色[5]，但這一技術(shù)主要應(yīng)用在分散染料對滌綸等疏水性合成纖維的染色中，對于其他纖維面料的染色還處在探索階段。

3 納米生色技術(shù)的原理及特有的優(yōu)勢

印染產(chǎn)業(yè)的廢水不僅在印染環(huán)節(jié)產(chǎn)生，染料自身的生產(chǎn)也要產(chǎn)生大量廢水，因此，只要使用化工染料，印染產(chǎn)業(yè)的污染難題就很難破解。當(dāng)前，我國正在大力倡導(dǎo)綠色環(huán)保，美麗中國的理念深入人心，國家對排污企業(yè)的管控越來越嚴(yán)，印染企業(yè)的生存空間越來越窄。納米生色技術(shù)不用染料、不用水，為徹底根除印染產(chǎn)業(yè)的污染難題開辟了一條新的道路。納米生色是指運(yùn)用真空沉積技術(shù)在織物表面濺射生成納米量級的膜層，通過對膜層結(jié)構(gòu)、尺度和材料的調(diào)整，利用自然光在薄膜上的干涉衍射和散射產(chǎn)生變化萬千的色彩。

3.1 關(guān)鍵核心技術(shù)

在納米生色過程中，采用超臨界萃取技術(shù)、真空沉積技術(shù)、自組裝膜技術(shù)對織物表面進(jìn)行處理，在織物表面的網(wǎng)格狀、凹凸不平的結(jié)構(gòu)上沉積多層納米級的鈦、鋅、鐵、銀、鎂、硅、氧、氮等對人體無害的金屬或非金屬元素，直接在織物或其他基材表面生成納米薄膜。根據(jù)薄膜光學(xué)理論，光線經(jīng)過薄膜的反射、折射后產(chǎn)生相干光，由于光的干涉疊加而改變光的強(qiáng)度，使光譜中某些特定波長的光強(qiáng)增強(qiáng)，另一些則減弱，最終使布料呈現(xiàn)出不同的顏色。另外，干涉疊加的結(jié)果與入射光、反射光的傾角直接相關(guān)，當(dāng)觀看的角度不同時，顏色也不同，會顯示出特有的金屬光澤或者虹彩效果，也就是我們常說的變角度色。

采用特殊技術(shù)對表面進(jìn)行保護(hù)，不需要使用水、蒸汽和染化料，顛覆性地解決了傳統(tǒng)染化料對人體的毒副作用，從根本上解決了傳統(tǒng)印染行業(yè)污染嚴(yán)重，水耗、能耗大等一系列難題。

3.2 突破性創(chuàng)新

本技術(shù)在不改變織物和其他基材的原有質(zhì)感及屬性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生流光溢彩的色澤，為時尚界提供了新的選擇，其獨(dú)特的著色方法使傳統(tǒng)印染無法上色的織物，例如香云紗、芳綸、玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維等，實(shí)現(xiàn)了色彩的突破。

本技術(shù)通過調(diào)整納米膜層的組分和厚度，實(shí)現(xiàn)了仿生色在布料上的上染，就像蝴蝶翅膀一樣，從不同角度觀察會呈現(xiàn)不同的顏色，為時尚和功能織物的使用翻開新的篇章。還能通過控制不同位置納米膜層厚度的方式產(chǎn)生花紋圖案，開辟了無染化料印花的新領(lǐng)域。

本技術(shù)具備穩(wěn)定的抗紫外線、抗靜電、屏蔽、防水、抑菌、自清潔等功能，可廣泛使用于箱包袋、室內(nèi)高級墻紙墻布、家居面料、工業(yè)用料、特種功能防護(hù)用品、醫(yī)療和軍工產(chǎn)品上，可滿足特殊用途的功能生態(tài)紡織品需求?？稍趦δ芗徔椘贰⒆孕钅苤悄芗徔椘贰⒗w維傳感器、納米傳感器、柔性智能電子設(shè)備等方面實(shí)現(xiàn)突破。

2.1 病情觀察 密切觀察患者的生命體征變化以及其他的臨床表現(xiàn)，尤其是地塞米松抗過敏治療期間觀察藥物的療效以及不良反應(yīng)。由于服用地塞米松可能引起水鈉潴留導(dǎo)致血壓控制不佳等情況，結(jié)合患者既往有高血壓等心血管疾病史，注意其血壓及心律的變化，發(fā)現(xiàn)異常及時通知醫(yī)師，做好相應(yīng)的處理。

3.3 納米生色的優(yōu)勢

納米生色不使用染化料，綠色健康。納米生色所用膜層材料選用人體必須的微量元素，對人體無害，貼身側(cè)的膜層選用的鈦達(dá)到了可植入體內(nèi)的安全級別。因?yàn)橥耆挥萌玖希_染料生產(chǎn)的諸多難題也就不存在了。納米生色技術(shù)不用水，不會產(chǎn)生廢水，破解了化工染色污染環(huán)境的難題，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保。

納米生色織物不掉色，防水防污。納米生色利用特殊工藝在織物表面生成膜層，與基布之間是強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合，耐水洗、抗揉搓、不掉色，色牢度比普通漂染更好，可謂歷久彌新。此外，特殊的納米結(jié)構(gòu)還賦予了納米生色布料防水防污特性，滴水不入，污漬塵埃用濕布一擦即可去除。

納米生色技術(shù)應(yīng)用廣泛。隨著石油化工的飛速發(fā)展，一些紡織用的新材料還在不斷涌現(xiàn)，以往印染的傳統(tǒng)是出現(xiàn)了新纖維就要研究新染料，有些纖維的染色至今還是難題，例如碳纖維等。而納米生色獨(dú)特的生色機(jī)理使它幾乎可以在各種纖維布料上成膜生色，從根本上破解了這一難題，大大拓寬了應(yīng)用范圍。

納米生色織物表面光滑，防靜電，穿著舒適。普通織物表面在微觀尺度上有許多毛刺，織物間或織物與人體摩擦?xí)r，容易產(chǎn)生靜電。納米生色技術(shù)在織物表面生成了一層納米級的膜層，覆蓋住了毛刺，手感好，不易產(chǎn)生靜電，同時，膜層改善了面料的導(dǎo)電性能，產(chǎn)生的靜電易釋放，使人穿著更加舒適。

納米生色技術(shù)能賦予織物特殊功能，提高附加值。在醫(yī)學(xué)方面，可以用納米級的氧化鈦、銀或氧化銀制作內(nèi)衣褲，能夠起到抗菌、消炎、預(yù)防皮膚病的作用；通過穿用含有納米級鈣、氧化鈣、氧化鐵、硒、鋅等織物補(bǔ)充人體需要的微量元素。在軍事方面，納米生色具有阻燃、防磨和防刺傷的作用，適合用作軍服面料；納米生色的結(jié)構(gòu)色、角度色特質(zhì)適合制作迷彩服；金屬膜層具有屏蔽、紅外吸波、防輻射等功能，在軍事偽裝和防護(hù)方面也有用武之地。

納米生色技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，低能耗，性價比高。經(jīng)過幾年的實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)，目前，納米生色技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化、自動化生產(chǎn)，既可大規(guī)模、集約化生產(chǎn)，也可進(jìn)行小微規(guī)模生產(chǎn)，滿足個性化定制的要求。相比傳統(tǒng)的化工印染，納米生色技術(shù)能耗更低，產(chǎn)品的性價比更高。

4 納米生色技術(shù)的應(yīng)用

4.1 納米生色的功能拓展

加快完善色系，提供完備的著色方案。經(jīng)過數(shù)年的努力，我們已經(jīng)建立了幾十種配色方案，并成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但與歷史悠久的化工染色相比，納米生色的色系還未完備，尚需我們進(jìn)一步探索，提供更多樣的、色彩更靚麗的生色方案。

運(yùn)用數(shù)碼科技，噴鍍多彩的花紋圖案。目前的納米生色技術(shù)以單色或漸變色為主，為了滿足人們對多彩生活的需求，需要將數(shù)碼科技與納米生色技術(shù)相互融合，噴鍍出豐富多彩的花紋圖案，使納米生色產(chǎn)品系列更加多姿多彩。

選配膜層材料，賦予膜層特殊的功能。納米生色不僅可以賦予基布色彩，還可以通過調(diào)整膜層材料賦予膜層某些特殊的功能。例如防靜電功能，金屬膜層可降低布料的表面電阻率，有利于靜電的消散；另一方面，光滑的膜層表面使布料不易帶電，提供了一個防靜電的新途徑。通過對膜層結(jié)構(gòu)和材料的調(diào)整，納米生色技術(shù)還可賦予膜層紅外吸波、電磁屏蔽等功能，目前已經(jīng)有了突破性的進(jìn)展，我們將會在下一篇文章中專題討論。

4.2 納米生色的發(fā)展前景

納米生色是對我國印染科技實(shí)現(xiàn)彎道超車的生動演繹。納米生色技術(shù)是全世界首創(chuàng)，在織物著色原理上實(shí)現(xiàn)了根本性突破，推動我國印染行業(yè)再度走在世界前列。公司已經(jīng)申報了60余項(xiàng)發(fā)明專利，必將引起印染界的高度關(guān)注。

納米生色技術(shù)為傳統(tǒng)印染產(chǎn)業(yè)的高污染、高耗能提供了解決方案。納米生色技術(shù)具有綠色、環(huán)保、無污染、低能耗的特質(zhì)，與國家大力倡導(dǎo)的綠色發(fā)展、美麗中國的理念高度契合。

納米生色是納米科技在印染行業(yè)的成功應(yīng)用。1990年7月，第一屆國際納米科技大會在美國巴爾的摩召開，標(biāo)志著納米科技的正式誕生。20 多年來，納米科技已經(jīng)在諸多領(lǐng)域取得了成就，而納米生色技術(shù)則是納米科技在印染行業(yè)成功應(yīng)用的典范。

2018年6月15日，中國紡織工業(yè)聯(lián)合會組織對納米生色技術(shù)進(jìn)行了科技鑒定，織物染整、納米科技、應(yīng)用光學(xué)和工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的知名專家對這一原創(chuàng)性、顛覆性的成果給予了高度評價，認(rèn)為整體技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先，建議盡快開拓市場，推廣應(yīng)用。2018年7月，在由軍委科技委發(fā)起、中國科學(xué)院舉辦的第一屆“率先杯”未來技術(shù)創(chuàng)新大賽上，納米生色技術(shù)獲得決賽優(yōu)勝獎，這預(yù)示著該項(xiàng)技術(shù)將會迎來更廣闊的應(yīng)用空間，有望引領(lǐng)印染產(chǎn)業(yè)跨入綠色環(huán)保、健康時尚的新時代，開啟印染技術(shù)革命的大門。