天然染料在纺织面料中的应用与研究

武松梅，陈秀芳，张勇

（安徽职业技术学院 现代服装学院，安徽 合肥230011）

0 前言

合成染料具有色彩鲜艳、耐洗耐磨、制作方便、成本低廉等优点，大大促进了纺织行业的发展。近年来，随着人们生活水平的日渐提高，人们对绿色、环保、健康的生活方式愈加重视，而部分合成染料因其在生产过程中造成环境污染，含有致癌物质等因素，引起了人们的普遍担忧[1]。天然染料具有合成染料难以相比的生物降解性和环保性，且有的天然染料具有一定的药用功能[2]。因此，开发天然染料对保障人类身心健康，满足环保需求具有十分重要的意义。天然染料因其具有无毒、无污染、绿色环保、原料来源较丰富等优势，是未来纺织品发展的趋势[3]。本文从天然染料的分类进行展开，分析天然染料的提取方法，针对天然染料染色存在的问题，探讨解决方法，为纺织面料使用天然染料染色具有一定指导意义。

1 天然染料的分类

人类使用天然染料的历史非常悠久，古人很早开始使用蓝草进行染色织物[4]；后来，把彩色的矿石研磨成粉末状进行染色。天然染料的分类方法很多。

1.1 常见天然纤维的来源

天然染料从获取的来源有植物染料、动物染料、矿物染料[5]，如表1所示。

表1 常见天然纤维的来源

1.1.1 植物染料

植物染料种类最多，应用普遍。植物染料是指取自花、草、树木、茎、叶、果实、种子、皮等不同部位获取的色素[6]。植物染料颜色柔和，常有红色系、黄色系、蓝色系和其他色系等。同时，很多植物染料具有一定的功效，如抗菌、防紫外线等[7]。

1.1.2 动物染料动物染料比较少，如胭脂虫红、紫胶虫、贝紫等。

胭脂虫红是来源于雌胭脂虫体内的一种色素。该色素易溶于水，染色织物时酸性时呈现橘红色，中性呈现猩红色，碱性呈现紫红色。具有稳定性能高，安全性好，对人体健康无危害等优点。

紫胶虫色素是紫胶雌虫分泌的，酸碱的酸碱性不同，会出现红色或是紫色。该虫在我国很多省份都有分布。

1.1.3 矿物染料

矿物染料是将朱砂、赭石等有色矿磨成极细微的粉末。该染料在水中不溶，可以作为印花色浆，或化学纤维制造过程中加入该色素，使纤维获取颜色[8]。

1.2 按化学分子结构分

化学分子结构决定着染料的各方面性质，决定着染色的效果及方法。根据分子结构的不同，天然染料分为以下几类，具体见图1。

图1 各类天然染料的化学结构

2 天然染料的提取方法

2.1 水浸法

提取天然染料的传统方法是水浸法，此法适用亲水的色素，Bechtold等[9]将葡萄渣利用此法获取色素，染色羊毛面料。水浸法对设备需求低，但提取的染料粒子较大，染色牢度较差，但提取时间长，不经济。

2.2 溶剂法

利用一些溶剂可增加色素的提取效果。Baaka[10]等用NaOH提取杏仁壳的色素，对各类面料进行染色，效果较好。溶剂法工艺过程简单，设备成本低，应用广泛。

2.3 超声波法

超声波通过超声振动，加速改变染料的结构、功能、状态，有利于染料分子渗出[11]。超声波能有效地促进色素分子在溶剂中溶解，可以实现加工时间减少，生产效率高。超声波染色所需的水量、热量和盐浓度均有明显的节约，由此产生的废水中溶解固体含量显著减少，降低了污水处理难度

裴家凤等[12]使用超声波水提取黄连，效果明显好于常规处理。超声波法虽然设备有特殊要求，但是因时间、温度要求较低，可大幅节约时间和资源。

2.4 微波法

微波提取天然染料分子的色素，通过微波加热使染料细胞温度升高，细胞的胞壁和内部缺少水分出现裂纹，溶剂容易进入细胞内，溶解细胞内的色素[13]。微波法设备简单，提取效率高、时间短，能耗低，污染较低，目前更多在实验室研究阶段。

2.5 超临界法

超临界下流体的状态介于液体与气体之间，同时具有气体、液体的特征性[14]，在一定温度、压力条件下，流体能有效地渗入染料中，适合加工天然染料。该法环保，提取色素效果很好，但成本高，加工条件高。

3 染色方法

3.1 直接染

水溶性较好的染料，如姜黄、黄连染料等可直接上染面料[15]。该法染色面料色牢度较差。

3.2 媒染法

直接染的天然色素可以通过添加媒染剂提高上染率。媒染剂作为纤维-染料之间的桥梁，建立了三者天然染料-媒染剂-纤维之间牢固关系，可增加上染面料的色牢度。

染色时使用媒染剂，还能获得功能性。Ghoreishian等人[16]用铜离子媒染剂等处理蚕丝面料，织物获得了抗菌效果，色牢度也得到提高。

3.2.1 媒染剂

媒染剂分为天然媒染剂、金属媒染剂。常见种类如下表2。

表2 媒染剂的种类

金属媒染剂一般选择毒性较小的金属离子，如铁、铝、锌等，以金属离子为中心染色效果好。金属媒染剂，对人体健康、环境产生一定的危害。

天然媒染剂来自自然物质，这类物质含有具有媒染效果的金属成分，如矿泉水、稀土等。王慧等用苏木染麻织物，发现含铁离子的矿泉水做媒染剂，上染效果好。

复合媒染剂即使用两种或两种以上的媒染剂，能发挥各自的特点，染色性能优异。

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，将面料浸泡在媒染剂溶液中进行预处理，处理后的面料放入染料中进行染色。后媒法则相反。同媒法媒染剂和染料同时加入染液中对面料进行染色。其中，后媒染法色牢度以及颜色均匀性最好。

4 面料改性

为了改善纺织面料与天然染料的亲和性，研究者往往利用很多改性的方法对织物表面进行预处理，提高织物表面对天然染料的吸附[17]。

4.1 化学改性

化学改性利用化学物质（如液氨、阳离子剂、壳聚糖等）与面料纤维产生化学反应，使纤维的表面成功添加新的基团，改善面料的染色性能。化学改性方法简单，操作便捷。

4.2 物理改性

物理改性主要有等离子体处理、γ射线处理、超临界二氧化碳处理等方法。

4.2.1 等离子技术

等离子技术通过气体等离子体处理产生的离子等活性基团，改变纺织面料纤维的表面[18]，提高天然染料的上染率和色牢度。该法具有节能减排的优势。

4.2.2 超声波

超声波在纺织品染整加工过程中，染色速度可显著增加，上染率得到提高，加工时间短。减少纤维的损坏、生产效率高[19]。

天然染料上染纺织面料采用超声波具有很多优点，提高了上染效率，环保，既对温度要求不高，染色时间减短，又减少了印染废水中的化学物质排放，降低了处理废水的成本。

4.2.3 微波法

通过微波进行加热，能促进染料分子快速进入面料内部，提高面料吸收染料的能力。微波法也可实现面料内部与表面均匀受热[20]，缩短染色时间。

4.2.4 γ射线辐照辅助染色法

γ射线通过原子核跃迁，产生射线，对织物表面基团产生电离，激发织物表面形成自由基，从而使织物物理和化学性能产生变化，利于染料分子的渗透，提高上染效率[21]。

4.3 生物改性

生物改性主要使用酶对面料进行处理，能够改变面料表面纤维的结构、结晶度和聚合度，提高纤维面料对染料分子的吸附能力，污染小，但成本高。

5 总结

与合成染料相比，天然染料具有安全、环保的优点。但是天然染料颜色少，染料的提取难度大，纯度较低，上染纺织面料色牢度较差，染色不匀。因此，天然染料工业化大规模生产仍然面临很多问题。