天然染料在紡織面料中的應用與研究

武松梅，陳秀芳，張勇

（安徽職業技術學院 現代服裝學院，安徽 合肥230011）

0 前言

合成染料具有色彩鮮艷、耐洗耐磨、制作方便、成本低廉等優點，大大促進了紡織行業的發展。近年來，隨著人們生活水平的日漸提高，人們對綠色、環保、健康的生活方式愈加重視，而部分合成染料因其在生產過程中造成環境污染，含有致癌物質等因素，引起了人們的普遍擔憂[1]。天然染料具有合成染料難以相比的生物降解性和環保性，且有的天然染料具有一定的藥用功能[2]。因此，開發天然染料對保障人類身心健康，滿足環保需求具有十分重要的意義。天然染料因其具有無毒、無污染、綠色環保、原料來源較豐富等優勢，是未來紡織品發展的趨勢[3]。本文從天然染料的分類進行展開，分析天然染料的提取方法，針對天然染料染色存在的問題，探討解決方法，為紡織面料使用天然染料染色具有一定指導意義。

1 天然染料的分類

人類使用天然染料的歷史非常悠久，古人很早開始使用藍草進行染色織物[4]；后來，把彩色的礦石研磨成粉末狀進行染色。天然染料的分類方法很多。

1.1 常見天然纖維的來源

天然染料從獲取的來源有植物染料、動物染料、礦物染料[5]，如表1所示。

表1 常見天然纖維的來源

1.1.1 植物染料

植物染料種類最多，應用普遍。植物染料是指取自花、草、樹木、莖、葉、果實、種子、皮等不同部位獲取的色素[6]。植物染料顏色柔和，常有紅色系、黃色系、藍色系和其他色系等。同時，很多植物染料具有一定的功效，如抗菌、防紫外線等[7]。

1.1.2 動物染料動物染料比較少，如胭脂蟲紅、紫膠蟲、貝紫等。

胭脂蟲紅是來源于雌胭脂蟲體內的一種色素。該色素易溶于水，染色織物時酸性時呈現橘紅色，中性呈現猩紅色，堿性呈現紫紅色。具有穩定性能高，安全性好，對人體健康無危害等優點。

紫膠蟲色素是紫膠雌蟲分泌的，酸堿的酸堿性不同，會出現紅色或是紫色。該蟲在我國很多省份都有分布。

1.1.3 礦物染料

礦物染料是將朱砂、赭石等有色礦磨成極細微的粉末。該染料在水中不溶，可以作為印花色漿，或化學纖維制造過程中加入該色素，使纖維獲取顏色[8]。

1.2 按化學分子結構分

化學分子結構決定著染料的各方面性質，決定著染色的效果及方法。根據分子結構的不同，天然染料分為以下幾類，具體見圖1。

圖1 各類天然染料的化學結構

2 天然染料的提取方法

2.1 水浸法

提取天然染料的傳統方法是水浸法，此法適用親水的色素，Bechtold等[9]將葡萄渣利用此法獲取色素，染色羊毛面料。水浸法對設備需求低，但提取的染料粒子較大，染色牢度較差，但提取時間長，不經濟。

2.2 溶劑法

利用一些溶劑可增加色素的提取效果。Baaka[10]等用NaOH提取杏仁殼的色素，對各類面料進行染色，效果較好。溶劑法工藝過程簡單，設備成本低，應用廣泛。

2.3 超聲波法

超聲波通過超聲振動，加速改變染料的結構、功能、狀態，有利于染料分子滲出[11]。超聲波能有效地促進色素分子在溶劑中溶解，可以實現加工時間減少，生產效率高。超聲波染色所需的水量、熱量和鹽濃度均有明顯的節約，由此產生的廢水中溶解固體含量顯著減少，降低了污水處理難度

裴家鳳等[12]使用超聲波水提取黃連，效果明顯好于常規處理。超聲波法雖然設備有特殊要求，但是因時間、溫度要求較低，可大幅節約時間和資源。

2.4 微波法

微波提取天然染料分子的色素，通過微波加熱使染料細胞溫度升高，細胞的胞壁和內部缺少水分出現裂紋，溶劑容易進入細胞內，溶解細胞內的色素[13]。微波法設備簡單，提取效率高、時間短，能耗低，污染較低，目前更多在實驗室研究階段。

2.5 超臨界法

超臨界下流體的狀態介于液體與氣體之間，同時具有氣體、液體的特征性[14]，在一定溫度、壓力條件下，流體能有效地滲入染料中，適合加工天然染料。該法環保，提取色素效果很好，但成本高，加工條件高。

3 染色方法

3.1 直接染

水溶性較好的染料，如姜黃、黃連染料等可直接上染面料[15]。該法染色面料色牢度較差。

3.2 媒染法

直接染的天然色素可以通過添加媒染劑提高上染率。媒染劑作為纖維-染料之間的橋梁，建立了三者天然染料-媒染劑-纖維之間牢固關系，可增加上染面料的色牢度。

染色時使用媒染劑，還能獲得功能性。Ghoreishian等人[16]用銅離子媒染劑等處理蠶絲面料，織物獲得了抗菌效果，色牢度也得到提高。

3.2.1 媒染劑

媒染劑分為天然媒染劑、金屬媒染劑。常見種類如下表2。

表2 媒染劑的種類

金屬媒染劑一般選擇毒性較小的金屬離子，如鐵、鋁、鋅等，以金屬離子為中心染色效果好。金屬媒染劑，對人體健康、環境產生一定的危害。

天然媒染劑來自自然物質，這類物質含有具有媒染效果的金屬成分，如礦泉水、稀土等。王慧等用蘇木染麻織物，發現含鐵離子的礦泉水做媒染劑，上染效果好。

復合媒染劑即使用兩種或兩種以上的媒染劑，能發揮各自的特點，染色性能優異。

3.2.2 媒染方法

媒染方法有前媒法、后媒法、同媒法。前媒法是染色前，將面料浸泡在媒染劑溶液中進行預處理，處理后的面料放入染料中進行染色。后媒法則相反。同媒法媒染劑和染料同時加入染液中對面料進行染色。其中，后媒染法色牢度以及顏色均勻性最好。

4 面料改性

為了改善紡織面料與天然染料的親和性，研究者往往利用很多改性的方法對織物表面進行預處理，提高織物表面對天然染料的吸附[17]。

4.1 化學改性

化學改性利用化學物質（如液氨、陽離子劑、殼聚糖等）與面料纖維產生化學反應，使纖維的表面成功添加新的基團，改善面料的染色性能。化學改性方法簡單，操作便捷。

4.2 物理改性

物理改性主要有等離子體處理、γ射線處理、超臨界二氧化碳處理等方法。

4.2.1 等離子技術

等離子技術通過氣體等離子體處理產生的離子等活性基團，改變紡織面料纖維的表面[18]，提高天然染料的上染率和色牢度。該法具有節能減排的優勢。

4.2.2 超聲波

超聲波在紡織品染整加工過程中，染色速度可顯著增加，上染率得到提高，加工時間短。減少纖維的損壞、生產效率高[19]。

天然染料上染紡織面料采用超聲波具有很多優點，提高了上染效率，環保，既對溫度要求不高，染色時間減短，又減少了印染廢水中的化學物質排放，降低了處理廢水的成本。

4.2.3 微波法

通過微波進行加熱，能促進染料分子快速進入面料內部，提高面料吸收染料的能力。微波法也可實現面料內部與表面均勻受熱[20]，縮短染色時間。

4.2.4 γ射線輻照輔助染色法

γ射線通過原子核躍遷，產生射線，對織物表面基團產生電離，激發織物表面形成自由基，從而使織物物理和化學性能產生變化，利于染料分子的滲透，提高上染效率[21]。

4.3 生物改性

生物改性主要使用酶對面料進行處理，能夠改變面料表面纖維的結構、結晶度和聚合度，提高纖維面料對染料分子的吸附能力，污染小，但成本高。

5 總結

與合成染料相比，天然染料具有安全、環保的優點。但是天然染料顏色少，染料的提取難度大，純度較低，上染紡織面料色牢度較差，染色不勻。因此，天然染料工業化大規模生產仍然面臨很多問題。