天然植物染料的应用及发展

2015-04-18路振翔

纺织科学与工程学报 2015年4期

路振翔

(中原工学院纺织学院，河南郑州450007)

从人类社会产生的那一刻起，人类就已懂得从大自然的植物中得到各种的颜色来美饰自己的服饰。他们从野草或者树枝中挤出液汁，将获得的色彩用于染色或者绘制其他图案，但由于气候的影响、季节的变迁、植物染色方法的差异，使得所得到的颜色更是千差万别，这听起来更像是大自然赋予我们的植物染料不可思议的趣味性。天然植物染料主要来源是植物的根、茎、叶等部位，其色素一般可以自然降解，且大部分无毒性和其他的副作用，对环境没有危害，天然植物染料存在的各种优点使其日渐成为新型染料开发的重点。

1 天然植物染料的历史发展［1－5］

植物染料染色的历史可以追溯到远古时代的黄帝时期，那时候人们就已知道利用植物的汁液来对所穿衣物进行染色，以达到改善外观的效果。在中国许多的古籍文献中也对有关植物染料的色彩进行了多方面的记录，如:东汉《说文解字》中有39种关于植物色彩的名称，明清时期，由于生产技术的成熟和当时社会发展的进步，我国在植物染料的制备和染色的技术等方面都已达到很高的水平，所记载的植物染料色彩的种类更是不计其数，所制备的植物染料除自用外，通过水路大量销往日本、韩国、东南亚等国家，同时在陆地上，中国制造植物染料的经验跟随丝绸、茶叶沿丝绸之路一同传播到西亚各国，对当时世界印染染色产生了久远的影响。

作为四大文明古国之一的古埃及，在3000年前已经掌握了植物染料染色的技术，如在金字塔中发现的各种红色标记等都已证明植物染料在当时已经成为皇室的专用染料;在2500年前的印度，人们已有从茜草中提取色素的记录;在后来的欧洲也出现了从植物中提取色素用于染色的记载。

随着工业革命和科学技术的发展，植物染料逐渐被化学合成的染料代替。在19世纪以前，纺织印染的染料大多是植物染料，而在19世纪中叶后，合成染料由于其色彩缤纷、色谱齐全、染色牢度好且价格便宜等特点，逐渐取代了植物染料在印染界的地位。大小染坊开始使用化学染料对织物进行染色，只有在偏远的少数民族地区还在继续使用植物染料染色，植物染料慢慢的退出了其历史舞台。

近年来，随着环保、健康、生态意识的增强，健康环保的染色理念又重新回到人们的视野，开发应用型植物染料已成为国际上的热点研究方向。在纺织印染行业，在植物染料提取及染色工艺研究过程中，因为多数植物染料无毒无害、无过敏性、无致癌性的优点和植物染料染色后的印染废水的生物可降解性和与环境的相容性，使得植物染料在高档纺织品面料、服饰用品等领域得到广泛应用。

2 天然植物染料分类

自然界中可用于提取色素，用于对纤维染色的植物种类丰富，常见的植物可以达到几百种。植物染料常见的主要有茜草、紫草、苏木、靛蓝、石榴皮和姜黄等。植物染料在性能上与合成染料最为相似，在一定的条件下可以对纤维进行染色。各种植物中所含的染料成分通常是以化合物形式存在。从植物染料的化学结构看，植物染料主要有以下几大类:

(1)类胡萝卜素

类胡萝卜素主要存在于植物叶片、果实中，包括叶红素和叶黄素两种，主要是黄橙红色，自然界分布比较广泛，该类色素的颜色是由长链共轭多烯结构所致，在水中溶解度小，易溶于油性溶剂。

(2)萘醌类化合物

这类植物染料主要是紫色，存在于紫草草根中，其主要结构是α-萘醌。具有α-萘醌结构的染料以老松黄或指甲花为典型。

(3)蒽醌染料

红色的染料都含有蒽醌结构，大多数是从植物中提取的，其耐光牢度较好，染色时它们与金属媒染剂形成络合物，生成的金属－络合物，具有良好的水洗牢度。

(4)花色素

天然花色素的机构有两种，天然橙和天然蓝，前者是从植物的花中提取的，后者可以从植物的根茎中提取。

(5)单宁类化合物

大多数植物的果实、果皮、树皮等枝干中都含有单宁类化合物，在染色时易与多价金属离子媒染剂络合，使染料固着在纤维上。其结构中多酚、羟基、羧基的数目居多，单宁类化合物与重金属离子络合后所显示的颜色主要为灰、深棕、黑色等。

(6)黄酮类化合物

黄酮与异黄酮是植物色素中极其重要的种类，为多羟基化合物，以黄、红色调为主，在自然界中分布较广，这类色素在植物细胞中以配糖体存在，可溶于水。

(7)靛蓝类色素

含靛类结构的主要植物染料是靛蓝，靛蓝可以称之为最古老的植物染料，其主要存在于木兰的植物中。

3 天然植物染料的应用现状

3.1 天然植物染料的来源及其特点

植物染料是天然染料的一种，染料色素主要来源于植物的根茎叶，然后经加工处理后应用于织物的染色。如:靛蓝、苏木、紫草、姜黄等。植物染料之所以又重新受到关注，主要是因为植物染料来源于植物的根茎叶，染色后印染废水与环境相容性好，残渣可生物降解，毒性较低;另一个原因就是利用植物染料染出的织物保留了植物本身特有的芳香，而且通过植物染料染出的织物手感也十分厚实柔软，符合我们追求的舒适生活要求。

3.2 天然植物染料的应用现状［6－7］

植物染料良好的环境相容性和其他功能，使得其得到更好的研究和发展。目前，应用植物染料染色的织物在国内外市场上颇受欢迎。

我国对植物染料的开发和利用已正在积极的探索研究中，多所纺织院校共同努力且已经建立了植物染料较为完备数据库和全面的植物染料色卡。植物染料染色的织物已经在高档面料、装饰用品等领域获得广泛应用。在工业生产中已形成生产链，如中国纺织研究院制备的天然黄和天然绿两种植物染料，可以用于棉织物和丝绸的染色;江苏三毛集团开发的高支天素丽“绿色”环保型高档面料，就是采用植物染料染色的，该种面料既符合国内人们对面料的追求，又符合国际倡导的环保型面料的要求。

近几年，由于植物染料环保舒适的特性，使日本、韩国［8］和印度等国家在植物染料这一领域已做了大量的研究。日本对植物染料的研究包括很多方面，包括植物染料的染色工艺、媒染剂对染色的影响因素等;韩国在植物染料研究和开发中，重点在于植物染料分子结构分析、植物染料染色机理的研究技术等。

3.3 天然植物染料染色的优势

(1)合成染料应用广泛，但是经过长期的研究证实:某些合成染料含有寒毒物质，会对人体造成一定的伤害;除此之外，使用化学合成染料染色时，还需要添加多种染色助剂，这些都会对人体和环境造成潜在的危害，从而不利于环境的可持续发展。

(2)植物染料染色主要来自于自然界的各种植物，染色的过程也主要是提取色素，染色后所产生的残液对环境产生的危害微乎其微。采用植物染料染色，其无毒、无害、无环境污染的特点使植物染料成为可持续利用的资源，染色后印染废水的毒性减小，有利于减少污水排放，既保护了环境，又对水资源进行了循环利用。此外，很多用来提取染料的植物本身就是中草药。这些植物大多具有药用的功效，对人体具有保健作用，因此我们可以利用这些植物提取染料助剂，用在纺织品的功能整理上，使纺织品上染颜色的同时又具有保健作用。因此，相比较合成染料，植物染料以其优越的性能又重回人们的视野。

4 天然植物染料在纺织品染色中应用［9］

4.1 植物染料色素的提取

植物染料色素的提取方法多种多样，常见的方法就是采用化学的手段，根据色素的有效成分在不同溶剂中溶解性能的差异而设计的，这类提取手段简单，便于操作，且设备更容易实现。

(1)水煮法

由于植物染料的色素分别存在于植物的皮、叶、花和根茎之中，且大部分的植物色素可以和水混溶，故传统的提取也是最常应用的提取方法就是用水萃取。该种方法工艺简单，设备要求低，技术容易掌握，也是目前适用范围最广的方法。

(2)乙醇浸渍法

该方法适用于较难溶于水的植物染料，将植物原料充分粉碎，放入密闭的容器中，在容器中加入无水乙醇，浸渍五个小时后将溶液倒出;再加入相同浓度的无水乙醇浸渍5个小时;反复两次，将两次所得溶液混合、过滤，即为所需染液。

提取工艺如下:植物原料→粉碎→乙醇溶液中浸渍→倒出溶液(染液)→过滤残渣→乙醇溶液中再次浸渍→倒出染液。

(3)超声波法

将粉碎后的植物染料与水在超声波发生器中处理，冷却后过滤残渣，滤液进行干燥，制备染液。利用超声波法所制备的染液纯度比普通方法制备的染液高，染液渗透力强，染色后织物的牢度高。

提取工艺如下:植物原料、水→超声波发生器中处理→冷却→过滤→干燥→制备染液。

(4)分散剂法

将自制分散剂加入到提取色素的染液中，原来在水中溶解度较低的染料在分散剂的作用下形成较为稳定的分散体系，使得植物色素颗粒得以较快分散，增加织物与染料的接触面积，提高染液的上染速率和上染百分率，使织物的牢度得到提高。

4.2 植物染料染色方法［10－12］

由于染色工艺的不同，不同的植物染料在水中的溶解性能也不同，大多数植物染料可以直接吸附固着在织物上，有些植物染料需要借助媒染助剂才可以对织物进行染色，甚至某些植物染料在水中不溶解，必须借助其对酸、碱性溶液的溶解程度不同而固着在纤维上。根据植物染料染色与化学染料染色工艺不同，植物染料染色主要包括直接染色法、还原染色法和媒染染色法等。

(1)直接染色法

大部分的植物染料在水中的溶解性较好，植物染料制备的染液可以直接吸附在织物纤维上，根据不同的植物染料设计不同的工艺过程和工艺条件。

染色工艺:制备染液→染色→水洗→皂洗、水洗、干燥。

(2)还原染色法

植物中存在多种天然色素，但是有些植物染料在染色过程中容易与空气接触氧化形成不溶于水的色素，因此在染色前需要对原染液进行还原，染色后再采用空气氧化法，使其氧化显色，重新成为不溶于水的还原型染料，从而使染料更好的固着在织物上。

(3)媒染法染色

某些织物染料对水的溶解性好，可以直接固着在织物纤维上，但染色后染色织物色牢度较差。为提高染色后织物色牢度，通常使用媒染剂和色素络合配位，形成能在纤维上吸附的金属离子络合键而固着在纤维上，从而提高染色织物的染色牢度。媒染法包括前媒染法、后媒染法和同浴染色。

4.3 植物染料染色牢度特征

对于植物染料染色，随着染液浓度的提高，染色后织物的色牢度降低。尽管在植物染料染色中需要使用媒染剂，媒染剂和某些后处理可以提高染色牢度，但是由于植物染料的发色基团存在不稳定性，极易导致植物染料的耐洗和耐光牢度降低。对于大多数的植物染料而言，其耐光牢度相对于合成染料稍差一些，某些植物染料在水洗后颜色会发生明显的变化。同时由于植物染料的色素来自于不同的植物，且随着环境、地理、季节的不同，对染色后织物的牢度也是有影响的。

5 天然植物染料染色新技术的开发研究［13－15］

5.1 生物学方法

植物染料工业化应用是当前的首要问题。随着社会进步和生物学的高速发展，利用生物学的方法去培养某些细胞组织已取得了巨大成功，用培养液培育了多种植物，经过人工培养的植物中色素的含量比正常情况下植物的色素含量稍高。采用生物培养技术可以大大加快细胞组织的生长速度，植物染料的原料来源既可依靠自然植物，又能通过生物的办法获得。生物学方法制备植物染料的原材料的应用不但能够避免大量自然植物被砍伐，而且还能获取与自然生长植物相似的色素，从而达到节约资源、可持续发展的目的。

5.2 染色方法的改进

对传统的染色方式进行改进或对纤维进行改性后再染色可使植物染料的染色效果得到不同程度的改善。某些天然染料在水中的溶解度很小，染色时为了达到一定深度往往需要重复上染，不仅造成了染液的浪费，对织物的色牢度也没有根本性的提高。通过实验证明，该类染料染色时可以采用分散剂染色法，染料的水溶性越小，分散法染色效果就越明显，分散法就是用阴离子或非离子表面活性剂使染液中处于悬浊状态的色素颗粒得到分散，染液形成较为稳定的分散体系，染色时增加织物和染料颗粒接触机会，染料被吸附的速度也大大加快，因而染色时间和染料的浓度都可以减小到最低限度，从而降低了染色成本。

5.3 媒染剂试验和环保助剂的开发方面

近年来，染色助剂效果、媒染机理、最佳工艺数据已成为植物染料染色研究的重点，主要是研发对环境友好的媒染、还原、固色等助剂，以取代在染色时能产生有害物质的印染助剂，使植物染色更接近零污染和纯生态条件，更加符合天然染料的价值体现。

5.4 超声波等高新技术的应用

超声波具有促进色素释放、提高色素溶解度等多种功效。研究内容分为超声波色素提取、染色方法，并分析其促染机理、最佳工艺条件等。虽然其成本相对较高、难度较大、限制较多、在植物染研究系统中占的比例较低，但在植物染色整体水平的提升方面有非常大的发展空间和潜力。

6 结语

天然植物染料对实现生态染色具有重要意义，但目前要使其商业化并完全代替合成染料，还需要研究和解决以下问题。

(1)植物染料的来源

植物染料的来源主要是依靠大量的砍伐植被来获取，这样不仅会给我们的环境带来破坏，而且与使用植物染料达到环保的目的相违背。种植植被需要大量土地，我国西部地区更是地广人稀，能够大面积开发种植天然色素植物，既为天然染料的制备提供了丰富的资源，又有利于西部自然环境的改善，促进西部大发展。同时也可以采用生物法来获取植物染料的原材料，因为人工培育的植物，其色素含量比天然植物高。细胞生长速度快，减缓染料色素提取周期。通过生物方法制备植物染料的原材料不仅能够避免大量自然植物被砍伐，而且还能获得与自然生长植物相似的色素。

(2)植物染料染色后颜色的重现性比较差，即使是同一种植物但由于产地不同、气候条件不同及采集时间不同都可能会影响色素的组成及色泽，这使得它难以进行标准化生产。因此，植物染料色素的提取及染色工艺的研究，还需进行规范的试验和设备的设计，以及通过实验确定各种工艺参数、制订产品质量指标，为更好的工业化生产打下基础。

(3)采用常规染色方法，用植物染料对织物染色时不能达到理想的染色牢度，特别是皂洗牢度和日晒牢度，而大多传统的媒染剂为重金属离子，使用媒染剂时会影响染色织物的环保性能，研究染色后织物的色牢度成为当前一大难题。此外，植物染料对纺织纤维的亲和力较低，用传统的染色方法还存在着染色时间过长、给色量低等问题。

植物染料无毒、对环境相容性好和特殊的药用价值等众多优点使它成为近年来染整领域新的宠儿。随着生物技术的大力发展，充分利用天然植物染料来开发一些高附加值多功能的纺织品具有广阔的发展前景。

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