纳米生色技术的原理与优势

刘琼溪，张 欣，余荣沾

（广东欣丰科技有限公司，广东开平 529300）

1 天然着色的历史回顾

温饱是人类生存最基本的需求，在解决了穿得暖的问题之后，人们就开始有了对美的期盼，印染由此而生。中国民间传统手工印染有着悠久的文化历史和独特的民族魅力，长期以来深受人们喜爱，在世界上享有盛誉。

传统的印染使用的都是天然染料。天然染料在先秦时期的《考工记》、北魏贾思勰所著的《齐民要术》和明代宋应星所著的《天工开物》中都有记述。传统的天然染料一般可分为矿物染料、植物染料和动物染料。天然染料大多无毒无害，并具有较好的生物可降解性和环境相容性。[1]中国传统印染多为手工操作，最具代表性的工艺种类有绞缬、蜡缬、夹缬、蓝印花布等，均被列为国家级非物质文化遗产名录。传统印染初步实现了人们由穿得暖到穿得美的愿望，有人将其称之为印染行业的第一次革命。

传统印染的染料无毒无害，产品淳朴，具有民族特色，但存在着一些难题。首先，天然染料多来源于动物、植物，难以进行标准化、大批量生产，要想获得足够染料，就会造成对生态环境的破坏；其次，传统的天然染料染色方法存在色量低、染色时间过长、容易褪色、不耐水洗和日晒等问题。再者，传统印染色系单调，难于满足人们对多彩世界的审美需求。

2 化工染色的兴起与面临的难题

2.1 化工染色的兴起

20世纪30～40年代，随着石油化工的快速发展，合成纤维开创了纺织纤维的新纪元，相继有多种合成纤维问世。染料的发展历来与纤维的开发紧密联系，例如，1941年开发了聚酯纤维，1953年就研制出了适合聚酯纤维的分散染料。伴随着合成纤维和化工染料的高速发展，化工染色得以快速崛起，开启了印染产业第二次革命的大门。

这一时期印染产业最显著的特点是：第一，基布材料种类增多，除了传统的亚麻、棉布材料，纤维、黏胶、细纺布、尼龙等都可作为印染的基材，以满足人们不同用途的需要；第二，化工染料大量涌现，满足不同纤维的染色需求，据统计，自20世纪40年代以来，新研发的化工染料有3 000余种，经常生产的也有800余种；第三，印染图样个性化，在现代工艺的支持下，印染图案更加丰富多彩，只要人们喜欢都可以印上具有个人特色的图案，不再局限于传统的图案；第四，印染企业飞速扩张，规模以上企业接近2 000家，机械化大规模生产，产能已出现过剩；第五，当代印染产业耗水、耗能、排污严重，易导致严重的环境污染，已成为国家环保重点监控的对象。

2.2 化工染色面临的难题

化工染色生产能力快速提高，印染花色品种丰富，满足了人们对美的需求，但化工染色耗水、耗能、排污难的问题始终没有得到解决。

化工染色的废水来源于两个源头。首先是化工染料生产废水[2]，染料生产工艺复杂，在磺化、硝化、重氮化、还原、氧化以及酸（盐）析等各个工序中都会产生大量的废气、废水和废渣；其次是印染过程产生的废水，主要来自纤维织物漂炼和染色的环节。化工染色的废水不仅水量大，还具有色度高、有机物浓度高、成分复杂、含盐量高、水质水量变化大、毒性大等特点，排入天然水体不仅会消耗水中的溶解氧，使水生生物大量死亡，一些苯胺、偶氮类的染料还具有强致癌性，排放到环境中对人类和其他生物的健康构成极大威胁，因此，染料废水的治理被列为环境保护的重要工作。

为了破解化工染色污染环境这一难题，国内外科技工作者进行了不懈的努力，也取得了一定的效果。一是开发新染料以减轻对环境的污染，重点是分散染料、活性染料和酸性染料等[3]，但这些染料都没有改变化工染色的本质，只是污染危害有所减轻；二是运用新技术、新工艺减轻污染，例如数码印花技术[4]，不仅使印花图案更丰富，可满足人们个性化的需求，同时，印花过程中产生的废水大大降低，但还无法根除废水。近期，有科学家提出超临界CO2萃取技术，可以实现非水和节水染色[5]，但这一技术主要应用在分散染料对涤纶等疏水性合成纤维的染色中，对于其他纤维面料的染色还处在探索阶段。

3 纳米生色技术的原理及特有的优势

印染产业的废水不仅在印染环节产生，染料自身的生产也要产生大量废水，因此，只要使用化工染料，印染产业的污染难题就很难破解。当前，我国正在大力倡导绿色环保，美丽中国的理念深入人心，国家对排污企业的管控越来越严，印染企业的生存空间越来越窄。纳米生色技术不用染料、不用水，为彻底根除印染产业的污染难题开辟了一条新的道路。纳米生色是指运用真空沉积技术在织物表面溅射生成纳米量级的膜层，通过对膜层结构、尺度和材料的调整，利用自然光在薄膜上的干涉衍射和散射产生变化万千的色彩。

3.1 关键核心技术

在纳米生色过程中，采用超临界萃取技术、真空沉积技术、自组装膜技术对织物表面进行处理，在织物表面的网格状、凹凸不平的结构上沉积多层纳米级的钛、锌、铁、银、镁、硅、氧、氮等对人体无害的金属或非金属元素，直接在织物或其他基材表面生成纳米薄膜。根据薄膜光学理论，光线经过薄膜的反射、折射后产生相干光，由于光的干涉叠加而改变光的强度，使光谱中某些特定波长的光强增强，另一些则减弱，最终使布料呈现出不同的颜色。另外，干涉叠加的结果与入射光、反射光的倾角直接相关，当观看的角度不同时，颜色也不同，会显示出特有的金属光泽或者虹彩效果，也就是我们常说的变角度色。

采用特殊技术对表面进行保护，不需要使用水、蒸汽和染化料，颠覆性地解决了传统染化料对人体的毒副作用，从根本上解决了传统印染行业污染严重，水耗、能耗大等一系列难题。

3.2 突破性创新

本技术在不改变织物和其他基材的原有质感及属性的基础上，产生流光溢彩的色泽，为时尚界提供了新的选择，其独特的着色方法使传统印染无法上色的织物，例如香云纱、芳纶、玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维等，实现了色彩的突破。

本技术通过调整纳米膜层的组分和厚度，实现了仿生色在布料上的上染，就像蝴蝶翅膀一样，从不同角度观察会呈现不同的颜色，为时尚和功能织物的使用翻开新的篇章。还能通过控制不同位置纳米膜层厚度的方式产生花纹图案，开辟了无染化料印花的新领域。

本技术具备稳定的抗紫外线、抗静电、屏蔽、防水、抑菌、自清洁等功能，可广泛使用于箱包袋、室内高级墙纸墙布、家居面料、工业用料、特种功能防护用品、医疗和军工产品上，可满足特殊用途的功能生态纺织品需求。可在储能纺织品、自蓄能智能纺织品、纤维传感器、纳米传感器、柔性智能电子设备等方面实现突破。

2.1 病情观察 密切观察患者的生命体征变化以及其他的临床表现，尤其是地塞米松抗过敏治疗期间观察药物的疗效以及不良反应。由于服用地塞米松可能引起水钠潴留导致血压控制不佳等情况，结合患者既往有高血压等心血管疾病史，注意其血压及心律的变化，发现异常及时通知医师，做好相应的处理。

3.3 纳米生色的优势

纳米生色不使用染化料，绿色健康。纳米生色所用膜层材料选用人体必须的微量元素，对人体无害，贴身侧的膜层选用的钛达到了可植入体内的安全级别。因为完全不用染料，困扰染料生产的诸多难题也就不存在了。纳米生色技术不用水，不会产生废水，破解了化工染色污染环境的难题，实现了绿色环保。

纳米生色织物不掉色，防水防污。纳米生色利用特殊工艺在织物表面生成膜层，与基布之间是强化学键结合，耐水洗、抗揉搓、不掉色，色牢度比普通漂染更好，可谓历久弥新。此外，特殊的纳米结构还赋予了纳米生色布料防水防污特性，滴水不入，污渍尘埃用湿布一擦即可去除。

纳米生色技术应用广泛。随着石油化工的飞速发展，一些纺织用的新材料还在不断涌现，以往印染的传统是出现了新纤维就要研究新染料，有些纤维的染色至今还是难题，例如碳纤维等。而纳米生色独特的生色机理使它几乎可以在各种纤维布料上成膜生色，从根本上破解了这一难题，大大拓宽了应用范围。

纳米生色织物表面光滑，防静电，穿着舒适。普通织物表面在微观尺度上有许多毛刺，织物间或织物与人体摩擦时，容易产生静电。纳米生色技术在织物表面生成了一层纳米级的膜层，覆盖住了毛刺，手感好，不易产生静电，同时，膜层改善了面料的导电性能，产生的静电易释放，使人穿着更加舒适。

纳米生色技术能赋予织物特殊功能，提高附加值。在医学方面，可以用纳米级的氧化钛、银或氧化银制作内衣裤，能够起到抗菌、消炎、预防皮肤病的作用；通过穿用含有纳米级钙、氧化钙、氧化铁、硒、锌等织物补充人体需要的微量元素。在军事方面，纳米生色具有阻燃、防磨和防刺伤的作用，适合用作军服面料；纳米生色的结构色、角度色特质适合制作迷彩服；金属膜层具有屏蔽、红外吸波、防辐射等功能，在军事伪装和防护方面也有用武之地。

纳米生色技术可实现智能生产，低能耗，性价比高。经过几年的实验、生产，目前，纳米生色技术已经实现了智能化、自动化生产，既可大规模、集约化生产，也可进行小微规模生产，满足个性化定制的要求。相比传统的化工印染，纳米生色技术能耗更低，产品的性价比更高。

4 纳米生色技术的应用

4.1 纳米生色的功能拓展

加快完善色系，提供完备的着色方案。经过数年的努力，我们已经建立了几十种配色方案，并成功实现工业化生产，但与历史悠久的化工染色相比，纳米生色的色系还未完备，尚需我们进一步探索，提供更多样的、色彩更靓丽的生色方案。

运用数码科技，喷镀多彩的花纹图案。目前的纳米生色技术以单色或渐变色为主，为了满足人们对多彩生活的需求，需要将数码科技与纳米生色技术相互融合，喷镀出丰富多彩的花纹图案，使纳米生色产品系列更加多姿多彩。

选配膜层材料，赋予膜层特殊的功能。纳米生色不仅可以赋予基布色彩，还可以通过调整膜层材料赋予膜层某些特殊的功能。例如防静电功能，金属膜层可降低布料的表面电阻率，有利于静电的消散；另一方面，光滑的膜层表面使布料不易带电，提供了一个防静电的新途径。通过对膜层结构和材料的调整，纳米生色技术还可赋予膜层红外吸波、电磁屏蔽等功能，目前已经有了突破性的进展，我们将会在下一篇文章中专题讨论。

4.2 纳米生色的发展前景

纳米生色是对我国印染科技实现弯道超车的生动演绎。纳米生色技术是全世界首创，在织物着色原理上实现了根本性突破，推动我国印染行业再度走在世界前列。公司已经申报了60余项发明专利，必将引起印染界的高度关注。

纳米生色技术为传统印染产业的高污染、高耗能提供了解决方案。纳米生色技术具有绿色、环保、无污染、低能耗的特质，与国家大力倡导的绿色发展、美丽中国的理念高度契合。

纳米生色是纳米科技在印染行业的成功应用。1990年7月，第一届国际纳米科技大会在美国巴尔的摩召开，标志着纳米科技的正式诞生。20 多年来，纳米科技已经在诸多领域取得了成就，而纳米生色技术则是纳米科技在印染行业成功应用的典范。

2018年6月15日，中国纺织工业联合会组织对纳米生色技术进行了科技鉴定，织物染整、纳米科技、应用光学和工业技术领域的知名专家对这一原创性、颠覆性的成果给予了高度评价，认为整体技术水平达到国际领先，建议尽快开拓市场，推广应用。2018年7月，在由军委科技委发起、中国科学院举办的第一届“率先杯”未来技术创新大赛上，纳米生色技术获得决赛优胜奖，这预示着该项技术将会迎来更广阔的应用空间，有望引领印染产业跨入绿色环保、健康时尚的新时代，开启印染技术革命的大门。