天然染料的应用现状及发展趋势

2016-05-10范云丽徐华凤王雪燕

纺织科学与工程学报 2016年1期

关键词：天然染料染料色素

范云丽，徐华凤，王雪燕

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

天然染料的应用现状及发展趋势

范云丽，徐华凤，王雪燕

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

摘要：概述了天然染料的分类、色素提取和染色方法等，并分析了天然染料存在的问题和国内外天然染料的应用和发展现状及发展前景。

关键词：天然染料的分类色素提取染色方法应用现状发展前景

从上世纪开始，随着经济的发展，生活水平的提高，人们对纺织产品的要求不仅在于其实用性、美观性和耐用性，同时也开始重视其安全性、环保性。许多研究表明有多种化学染料能够产生致癌物质，因此确保染料的天然、无毒性能够降低其对人体的潜在危害。同时，化学染料的制造及应用对环境的污染负荷越来越重，某些污染性较大的染料已被限制使用，如酸性媒介染料，因染色时需要采用重铬酸盐类媒染剂，染色废水有毒对环境危害较大，被其他种类染料取代。而天然植物染料无毒、无害、生物降解性良好，对环境友好，某些还兼有抗菌、防紫外线功能，因此从19世纪中叶开始天然染料被化学染料逐渐取代之后，如今又逐渐受到人们的青睐。

1天然染料的分类

1.1天然染料的来源分类

天然染料主要分为三大类：天然植物染料、天然动物染料和天然矿物质染料。天然植物染料主要是从各种植物的根、叶、茎及果实、树皮和花朵中提取而来，如姜、石榴、靛蓝、黄栀子、茶树、桑树等；天然动物染料的种类较少,一般是从胭脂虫和贝壳类动物中提取而来,如:虫胭脂、虫胶、胭脂虫红等；天然矿物质染料是从各种矿物中提取而来的有色无机物质,如锰棕、铬黄、群青等[1]。近年来研究者发现微生物中的细菌、霉菌、真菌等产生的色素也可作为天然染料使用[2，3]。上述天然染料中植物天然染料种类最多，应用最广泛，人们对植物染料的研究也最多。

1.2天然染料的化学结构分类

经研究发现黄色和红色品种的天然染料数量最多，而黑色、蓝色和绿色较少。按化学结构来分类，天然染料可分为类胡萝卜素类、蒽醌类、萘醌类、类黄酮类、姜黄素类、靛蓝类、叶绿素类、单宁类等[4，5]。

表1　各类天然染料的优缺点

1.3天然染料的溶解性分类

天然染料按照其溶解性可分为：水溶性天然染料，醇溶性天然染料和油溶性天然染料。水溶性天然染料易溶于水和含水乙醇，难溶于无水乙醇且不溶于石油醚；醇溶性天然染料在无水乙醇、丙酮等有机溶剂中溶解度较大；油溶性天然染料不溶于水，在乙醇、丙酮等有机溶剂中溶解度很小，而易溶于二氯甲烷和石油醚等有机溶剂中[6]。

1.4天然染料的颜色分类

天然染料的颜色分类是指按织物染色后的颜色进行分类：有蓝色系、红色系、黄色系、紫色系、绿色系及其它色系。绿色是色彩中极为重要的色调,广泛存在于绿色植物的叶绿素中,资源丰富，是最容易获取的天然染料；春秋战国时期的绿色植物染料主要是荩草，而现在比较有的绿色植物染料是鼠李。红色天然染料在一些植物中存在大量色基，容易提取，最鲜艳亮丽的红色天然染料是胭脂虫红，提取于胭脂虫红虱的体内；最常用的红色天然染料来源于茜草和紫胶。黄色系的植物染料有很多,大量存在于自然界中，有槐花、栀子、郁金、姜黄、荩草、银杏、林檎、菊花等，其中姜黄天然染料是黄色天然染料中最有名和最鲜艳的染料之一。从很久以前，靛蓝类天然染料就一直是最主要和最常用的蓝色染料，属于还原性染料，含有靛蓝的植物主要有菘蓝、马蓝、蓼蓝。紫色系的植物染料有紫檀、紫草、落葵、野苋等，紫草和茜素相似,须加媒染剂方可使丝、毛、麻等纤维着色。我国古代黑色植物染料种类有很多,以皂斗的应用历史最为悠久。儿茶棕染料是从一种生长在印度等地的名为儿茶的木材中提取的。

1.5天然染料的应用分类

天然染料结构各不相同，因此染色方法也有较大差异。天然染料的类别与代表染料来源如表2所示。

表2　天然染料的应用分类

2天然染料的优点

2.1环保无毒

部分化学染料因含有有毒成分可导致皮肤出现过敏、红肿、发炎、流脓等症状，甚至有些化学染料含有致癌物质；同时目前很多化学染料的原材料都来源于煤炭和石油。煤炭、石油在许多行业应用较多，消耗较快，不可再生，过度使用会造成资源枯竭；而且化学染料在染色过程中产生的印染废水处理难度较大，成本较高，不易循环利用，容易造成环境污染[7]。而天然染料是环保、健康的染料，生物降解性良好，与生态环境相容性好,而且无毒无害,对皮肤无刺激性和致癌性，且其来源可再生，同时天然染料染色废水不会产生化学染料废水所引发的水污染问题,废水脱色等处理难度较小，具有良好的研究发展前景[8]。

2.2抗菌作用

天然染料产品不仅色泽独特，而且某些种类具有一定的医疗保健功能，如染草有杀菌解毒、止血消肿的功能；马蓝叶子可作为药材，对痢疾杆菌及脑膜炎球菌有极强的杀灭作用；紫草具有抗病毒、抗菌消炎、抗肿瘤的作用，对湿疹、皮炎和银屑病等有较好的治疗作用；染黄色的艾草,在民间是趋吉避凶的护身符；苏枯、紫草、红花、洋葱等天然染料植物，都是常用的中药材[9]。

2.3防紫外线作用

有些天然染料具有特殊的结构，因此上染织物后使织物具有较强的防紫外线功能，如从茜草中提取出来的染料和靛青天然染料染色的棉织物，都对紫外线有良好的防护作用[10]。因此使用天然染料不仅有利于保护自然环境,而且有利于开发出具有特殊需求的高附加值纺织产品。

2.4具有天然香味

织物经过部分天然植物染料上染后具有自然清香的味道,这一点化学染料却达不到,而且天然染料染出的织物手感也比化学染料染出的织物丰满厚实。同时，天然织物染料因为色素成分的不确定性，使其色彩极为丰富,是化学染料所不能相比的，因此染出的织物具有自然、朴素、雅致的效果。

3 天然染料的应用缺陷

3.1天然染料供应不足

天然染料来源于各种动植物和菌类，然而这些原材料中色素含量较小，制备提取过程较复杂，时间较长，需经历种植(培育)→收集→提取→制备→应用的过程，而且天然染料的回收利用率较低，因此天然染料不能实现大批量生产与应用[11]。并且如果要获取大量的植物染料，难免会对各种植物进行大量的砍伐，造成生态破坏和成本增加。并且许多天然染料是十分珍贵的中草药，具有很高的药用价值，若纯粹用于提取天然染料就很不经济，造成资源浪费[12]。

3.2天然染料重现性较差

天然染料的生产工艺是不标准的，在提取天然色素时，天然染料原料中其他成分也被一起提取出来，导致天然染料的色素成分十分复杂，即使是同一种植物，由于气候、产地和采集时间的不同都会造成其色素的成分、数量、色泽度和浓度不同，再加上本来非色素物质也可能发生色素化转变等原因，因此天然染料存在具有染色重现性较差的问题[13]。

3.3天然染料染色牢度较差

大多数天然染料对于化学染料存在染色牢度差的问题，只有靛蓝和槐花等天然植物染料的染色牢度相对较好。虽然有些天然染料在应用过程中会使用媒染剂，但色牢度还是达不到要求，尤其是皂洗牢度，因此许多天然染料染色纺织品在使用过程中存在褪色掉色的问题。同时，天然染料的制备和绝大部分天然染料在染色过程中都使用媒染剂，而传统的媒染剂中基本都含有金属离子，有些因为不满足生态环保已被禁止使用[13]。

4天然染料的提取方法

天然染料是从天然原料中萃取而来的，温度、pH值、时间等因素影响天然色素的萃取，要充分顺利地提取天然色素需要合适的温度、酸碱度和萃取时间。要根据天然原材料和色素的不同特性选择合适的萃取方法[14]。天然染料的提取传统方法为水煮提取法，新方法一般有乙醇浸渍法、超声波法、冷冻干燥法等[13，15，16]。如表3所示。

表3　天然色素提取方法

5天然植物染料的染色方法

化学染料出现以后,天然染料就逐渐被代替,到合成纤维出现时,天然染料已很少使用,所以天然染料基本只是用来对棉、麻、丝、毛等天然纤维染色。近年来,随着人们对天然染料的逐渐重视,开始尝试用天然染料染合成纤维。天然植物染料的染色方法按染料种类不同分为：直接染色法、媒染法、还原染色法等[13，19-22]，如表4所示。

表4　天然染料染色方法

6天然染料的研究应用

从上世纪开始，日本推出了十几种天然植物染料，印染公司把天然染料靛蓝应用到印花工艺中，并以硫酸亚铁为媒染剂，用洋葱、紫胶和郁金染料萃取出来的天然染料对涤纶纤维进行媒染。目前，东京大学研究人员对大肠杆菌菌株进行改良，用发酵法生产出酪氨酸的黄烷酮和苯基丙氨酸的黄酮等黄酮类的天然色素。韩国有科研团队通过培养基因再组合大肠菌的方式开发出一种靛蓝类生物天然染料。韩国庆北大学进行了关于提升天然染料耐日晒牢度的研究，结果表明通过使用抗五倍子酸、茶多酚、坏血酸等天然化合物可以将天然染料的耐晒牢度提高至1级左右[23-24]。同时，印度研究人员也对天然染料的应用做了大量研究，如从杨树皮和凤仙花中提取天然染料，并研究开发了杏树叶提取的天然染料上染染纱线、茶叶天然染料染羊毛染色工艺等。另外，印度科研者还进行了在媒染剂存在的条件下，利用超声波和微波对棉织物进行天然染料染色的实验，得到了较好的上染率和染色牢度，并减少能量消耗。印度的Pier利用超临界CO2提取了番茄红素、金盏草等胡罗卜素类天然染料，并在超临界二氧化碳中对经过聚乙二醇预处理的棉织物进行染色，结果表明，织物的上染率显著提高。意大利研究者在天然染料染毛织物和丝织物的研究领域做出了突出的贡献，对天然染料的原料供应及毛、丝织物天然染料染色工艺进行了大量研究。美国 Allegro天然染料公司推出了100多种棉用天然染料。

紫草、大黄和茜草等天然染料的色素结构中都有蒽醌或萘醌，与分散染料的结构十分相似，分子量较小，具有疏水性，研究表明这几种染料染色涤纶纤维，吸附等温线符合Nernst等温线，与分散染料染聚酯纤维的吸附等温线相同，说明这几种天然染料上染涤纶纤维的染色机理类似分散染料，是目前所知唯一的阳离子天然染料，可用来上染纤维，有研究结果表明其热力学染色机理符合Langmuir吸附等温线，这表明黄檗碱天然染料可以和聚丙烯腈纤维形成离子键,使染料吸附在纤维上。苏木资源丰富,经加工提取出的天然色素属于媒染型天然染料，有红、黄及其相组合的多种颜色，可对真丝纤维进行染色。程万里等人通过正交试验对苏木染料的提取、媒染剂和染色工艺进行了研究，优化出最佳染色工艺条件,并且进行了效果评定，结果表明：提取苏木色素时加碱可增大色素的溶解度，从而提高提取率；铝和铁作为媒染剂时，苏木色素染色纺织品色牢度较好,耐洗牢度和摩擦牢度均能达到3～4级以上，但其耐碱稳定性较差,在碱性条件下织物色光改变较大[25]。同时，林杰等人还研究了天然苏木染料在大豆蛋白纤维染色中的应用,确定出合理的染色工艺[26]。赵学恒等人采用苏木红天然染料对羊毛纤维进行染色，结果表明羊毛织物在低温染色时上色率有所提高,且颜色更加鲜艳[27]。

许多天然染料因其特殊的成分和结构被应用于新型功能性纺织品的开发研究中。例如:大黄天然染料染色的防紫外线织物；艾蒿染色织物，可医治皮肤病；用郁金香、靛蓝、茜草和红花染色的织物，具有防过敏、护肤、杀菌及防虫等功能。某些天然植物染料来源于药用植物，因此其染色织物具有一定的药理特性，被人们垂青，如姜黄具有治疗传染性肝炎、胆结石等特殊功效。另外，日本研究人员利用发酵法成功的生产黄酮类天然植物染料[28]，由此可见通过生物方法不仅可以获得天然染料，而且又可以避免因提取染料而使大量植物被破坏，影响生态环境。吕丽华等人研究了天然姜黄染料染色纤维素纤维，结果表明皂洗后织物色光发生明显变化，而纤维素纤维经过阳离子改性后在染色、织物亮度、色差、饱和度无明显变化，染色性能有显著的改善[29]。早川胜光等人应用冷冻-真空法制备粉状天然染料，与传统萃取方法制备的染液进行对比发现，粉状天然染料具有更好的染色效果[30]。国外有研究用天然染料对丝织物进行批量染色，经过实用化试验得到染色牢度较好的印花织物，达到了预定目标[31]。王潮霞研究了指甲花天然染料在酸性条件下对聚酰胺纤维染色效果和皂洗色牢度较好，说明指甲花天然染料与织物之间有很高的亲和力[32]。据报道，用木槿花色素可对真丝绸染色,呈浅黄粉红色，若用不同的金属盐处理,可呈现多种色相，如用硫酸亚铁铵处理呈现玫瑰金色，经重铬酸钾处理,呈玉米黄，而经多种金属盐处理,其色相呈茶色至浅茶色[33]。

7天然染料的发展前景

在当今社会崇尚绿色环保的趋势下,天然染料凭借其无毒无害、自然有特色、色泽柔和，具有较好的环境相容性和生物降解性等特性，拥有较大的发展前景。但由于天然染料的种种限制使其完全商品化比较困难,要完全取代化学合成染料是不现实的。绝大多数天然染料都需要经过反复媒染来完成染色,残留在染浴中的媒染剂会造成严重的污染问题,同时天然染料染色时间长，给色量低也制约了其发展,因此在天然染料未来的发展中其传统染色方法需进行改进。

天然染料独特的色泽和保健功能等优势,可重点应用于高档纺织品、保健内衣及儿童服饰、家纺产品、装饰用品、新型纺织品等方面。天然染料对丝、毛有较高的亲和力,可对真丝等直接染色,颜色鲜艳丰富，可以满足丝、毛等高档面料的高支轻薄化、功能多样化的要求,因此可用于高档纺织品；部分天然染料具有药理作用,可抗菌消炎,可防紫外线,对人体无害，因此天然染料染色的内衣及儿童服饰很受欢迎。随着家纺产品将由经济实用型向绿色环保型转化，由天然染料染色的床上用品、浴巾等家纺产品逐渐受到人们的采用。

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中图分类号：TS193

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0158-06