天然染料的应用及发展趋势

本文简单阐述了开发天然染料的必要性，并从天然染料的分类、提取方法、染色方法及染色性能等方面详细介绍了天然染料的应用现状，展望了未来天然染料开发应用的前景。

This paper expounded the necessity of developing natural dyes. The application of natural dyes was introduced by the view of classification, extraction methods, dyeing methods and performance. The prospect of natural dyes was also forecasted.

随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始崇尚自然和健康的生活方式，人们对自身健康和保健等方面的关注意识越来越强烈；另一方面，出于对环境保护的需要，开发天然资源更加迫切。随着人们生态环保意识的提高，在日益注重环保、生态染整加工的发展趋势下，天然染料的开发与应用必然取得不断发展。

天然色素来源广泛，使其日益成为新型染料开发和来源的重点。天然染料的研究主要包括提取工艺、染色性能及上染机理等方面。国际上对天然染料的研究主要集中在亚洲，特别是韩国、日本等。关于天然染料的研究已经成为作为发展中国家技术合作计划的一部分，即联合国发展方案（UNDP）。虽然我国应用天然植物染色的历史源远流长，但是在合成染料代替天然染料以后，除一些少数民族仍然采用植物染料生产手工艺品外，对天然染料进行系统开发和利用的研究很少。直到21世纪初，随着天然染料在国际上的兴起，国内对天然染料染色的研究报道才日益增多。

1 天然染料的结构特点与分类

天然染料大体分为 3 类：植物染料、矿物染料和动物染料。矿物染料一般难溶于水，主要成分为金属氧化物及金属盐，通常作为颜料来使用，只有少部分可作为染料使用。而植物及动物色素，大部分具有亲水性因此大部分可作为染料使用，动物染料的种类较少，主要有虫胶、胭脂虫红等几种由昆虫产生的色素，植物色素是构成天然染料的主体，种类众多，在《染料植物谱》中记载有三百余种之多。天然植物色素主要从植物的根、茎、叶、花、果中提取，植物色素色泽柔和且兼具一定的杀虫杀菌及药理保健功能，在染色过程中，其药物功能性成分与色素一起被织物吸收，可以实现染色和整理一浴进行，缩短了染整加工流程，经功能性植物染料着色的织物附加价值大大提高，而且安全环保，具有良好的环境相容性和生物可降解性，对节能减排、实现清洁染整和生态纺织品的加工具有重要意义。

天然植物色素根据其溶解性、化学结构的差别大体可分为如下几类。

1.1 按溶解度划分

植物染料根据其溶解度的差异，一般可分为 3 类，即水溶型、醇溶型和油溶型。水溶型染料是指在水中及乙醇水溶液中有较大溶解度，在无水乙醇中溶解度较低，在石油醚中不溶的色素。油溶型色素是指在石油醚、二氯甲烷等有机溶剂溶解度较大，不溶于水且难溶于乙醇、丙酮等极性溶剂的色素。醇溶型色素的溶解性能则介于上述两种色素之间，即指在石油醚中难溶，无水乙醇中易溶的色素。

1.2 按化学结构划分

天然植物染料的化学结构与其化学性质紧密相关，而化学性质决定了色素的染色性能。根据化学结构，天然染料主要可分为以下几类：类胡萝卜素型、黄酮型、蒽醌型、萘醌型、苯并吡喃型、单宁型、生物碱型、靛型。

2 天然染料的提取方法

2.1 超声波提取法

该方法是利用超声波来提高色素萃取率的一种新技术。植物的有效成分在超声波的空化作用下加速溶出，这种提取方法的优点是温度较低，提取时间较短，收率较高。孙向阳等研究表明采用超声波法提取五倍子天然染料最佳工艺条件为：料液比1∶40，时间120 min，pH值 5，温度90 ℃。

2.2 离子沉淀法

离子沉淀法是利用天然染料在中性或碱性条件下可以跟Al3+、Zn2+、Ag+、Ca2+、Hg2+等离子产生络合沉淀，从而与其它成分分离，然后经酸溶，再用有机溶剂萃取。其中，复合沉淀剂的使用较受欢迎。贺志鹏等研究发现经热水浸提后，采用离子沉淀法提取茶色素的最佳工艺条件：料液比1∶40，时间35 min，温度95 ℃。

此外还有超临界CO2萃取法、有机溶剂提取法等。

3 天然染料的染色方法

大部分植物染料在水中的溶解度较低，对天然纤维如棉、毛、丝等的亲和力较低。在实际应用的过程中，一般借助天然色素中的配位络合基团进行媒染染色，以提高上染率及染色牢度。古代采用的媒染剂包括灰汁、石灰、泥等，当今人们主要使用明矾、醋酸铁、清石灰、氯化亚锡、氯化锡、锡酸钠、硫酸铜、重铬酸钾、氯化铬等化学合成试剂。某些植物染料使用不同的金属盐媒染时，其颜色亦会发生变化。有的天然色素，如黄柏、黄连等类似碱性染料，水溶性很好，色素在染液中能够直接吸附在纤维上，则无需媒染。

天然色素传统的染色方法包括有直接染色法、预媒染色法、同媒染色法、后媒染色法、交替媒染法以及预媒染色与后媒染色复合法等。直接染色法就是利用染料直接上染织物；预媒染色法则是先经媒染剂处理后再进行染色；后媒染色法是先染色后再以媒染剂处理；同媒法是将色素及媒染剂同时加入染浴进行染色；交替媒染法是用混合型媒染剂制备的媒染浴进行染色；预媒染色与后媒染色复合法是被染物先用一种媒染剂预处理，染色后再用另一种媒染剂进行处理的方法。

4 国内外研究进展

4.1 印度对天然染料的研究情况

在应用领域中，印度的科研人员曾尝试以天然染料上染化学纤维，研究了其对涤纶、腈纶以及丙纶的染色性能及其上染机理。

在染色技术方面，研究了用植物染料以微波和超声波技术上染棉织物，结果表明微波方法和超声波方法均能明显提高染色牢度。在染色方法方面，研究了混合天然染料对真丝织物的上染，使用不同混合比的 3 种植物染料对织物上染后发现，在不影响染色织物的汗渍及耐晒牢度时，织物的耐洗色牢度有较大提高，其余各项牢度亦达到较好水平。

在动物染料方面，印度的科研人员对虫胶的染色性能进行了大量研究，不仅研究了虫胶色素对真丝及羊毛织物的染色性能，也研究了虫胶上染棉织物的性能。试验中研究人员以脱乙酰基的甲壳质对棉纤维进行阳离子化预处理，提高虫胶色素的上染率，染色后织物具有较好耐晒牢度，良好的摩擦及汗渍牢度，但其耐洗牢度较差，而通过使用DMDHEU交联，或使用媒染剂处理可明显改善耐洗牢度。

在媒染剂的研究方面，印度的科研人员研究开发出了代替金属盐媒染剂的天然媒染剂，比如樱桃李、石榴皮、单宁酸、酒石酸、番石榴等，且最近有人发现，香蕉花瓣水的萃取物也可以在染色中起到媒染作用。

在媒染工艺的研究方面，印度的科研人员曾尝试用混合型天然媒染剂对织物进行媒染，实验发现在使用混合型媒染剂时各媒染剂间可产生协同效应，与无媒染剂或单一媒染剂媒染的织物相比，混合型媒染剂媒染织物的得色量及色牢度有显著提高，此后科研人员又对由明矾及天然媒染剂组成的混合型媒染剂进行了研究，结果表明同其它金属盐相比，铝盐的毒性较低，更适合于用于天然染料的媒染染色，而明矾与天然混合型媒染剂相似，媒染过程中与其他天然媒染剂亦可产生协同作用，提高染色织物的性能。

在新型天然染料的研发方面，科研人员开发出了很多新型的植物染料，如红桑是一种灌木古铜色的叶子，可上染真丝及棉纤维，各项牢度较好，紫檀木可以上染锦纶和羊毛，而从印度楝树皮中萃取出的色素可以对羊毛织物着色，具有柔和光泽的红棕色，且不会对纱线造成损伤。黄木巴戟是一种落叶灌木，根中含有黄色的天然色素，其萃取物可用于棉及真丝织物的染色，牢度性能良好。

4.2 日本对天然染料的研究情况

日本设立了研究植物染料的专门机构，对植物染料的基础性能及应用进行研究，开发了一系列天然染料染色的纺织品。在不断开发新型植物染料及其染色方法的过程中，科研人员发现了能产生青紫素的微生物并将其用于染色，这种色素不仅可以用于棉、麻、丝、毛等天然纤维的染色，也可以染涤纶等化学纤维。日本的科研人员还运用生物技术开发出了大戟属型植物染料。这种染料染色时，需要在常温下pH值为 2 的水溶液萃取色素，以制备一定浓度的染浴。

此外，日本的矢野真弘还发现木棉花的萃取物可对真丝纤维着色，染色后的织物具有粉红浅茶色，若金属盐溶液处理后可呈现出各种深沉而雅致的色泽：硫酸亚铁处理呈玫瑰金色，重铬酸钾处理呈玉米黄色，其他多种金属盐处理后呈叶色浅茶色。日本的晃立公司还开发出了能产业化生产的棕、绿、蓝色系的植物染料，如柏树的棕素，艾篙的绿素和由多种植物色素组成的蓝色，而这三种色素组合可以拼染成多种颜色。此外，大和染工公司推出的草衣染色，形染公司推出的靛蓝印花等都是日本天然色素的代表产品。日本的天然色素染色纺织品种类繁多已形成一定的市场规模，这一系列天然色素染色的纺织品被用于衬衫和睡衣面料，及床单、被罩等家纺产品。

目前在日本很多科研人员对比研究了天然染料与合成染料的联系和差别，证实了这些天然色素可提供与合成染料同样严格的生产标准，极大地推动了天然染料的发展。

4.3 国内研究进展

国内对天然染料的研究主要集中在 3 个方面：天然植物染料对真丝织物的染色；天然染料的萃取工艺和媒染工艺；微生物染料的研发。其中对真丝织物的染色大多采用的是天然植物染料如苏木、槐米、紫草等，并且主要对萃取工艺、染色工艺、媒染剂等对染色牢度的影响进行研究。

北京纺科院已研制出用于染棉和丝绸的黄色及绿色系天然染料，在秋季北京针织品展销会上推出纯天然染料染色的铜牛牌系列童装。江苏三毛集团以植物染料染成的高支天素丽绿色环保型高档面料也已于2000年11月通过省级鉴定。在染料提取方面，有人研究以超声波法提高色素的萃取率，如用超声波法萃取的儿茶素所染的羊毛织物，其得色量及各项牢度有较大改善。在媒染剂的研究中，也有人以稀土-柠檬酸的络合物为媒染剂进行染色研究，结果表明这种新型媒染剂可提高所染织物的染色深度及色牢度，且对pH值有较高的稳定性。

在新型天然染料的开发方面，有人进行了红曲米上染真丝织物的研究，此种色素可将丝绸染成亮丽的深红色。国内对天然色素染色性能的研究主要集中在天然纤维上，而用于合成纤维染色的报道较少，这主要是由于天然染料的亲水性对合成纤维的亲和力较小、上染率较低，而一些疏水性天然色素的色泽暗淡，且染色牢度较差。

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