1、2010年9月 第3期第 19 页浙江纺织服装职业技术学院学报doi：10.3969/j.issn.1674-2346.2010.03.005天然染料及其开发应用王雪梅摘要：阐述了天然染料开发应用的历史，并从天然染料的种类、染色方法、染色的影响因素、染色中存在的问题等方面着手具体分析了天然染料开发应用的现状，指出了目前天然染料开发应用的局限性和发展前景。关键词：天然染料；植物染料；开发应用；历史；现状；前景中图分类号：TS190.2 文献标识码：A 文章编号：1674-2346 (2010) 03-0019-06收稿日期：20100518作者简介：王雪梅，女，兰州理工大学机电学院纺织工程系，讲
2、师（甘肃兰州730000）天然染料是指从植物、动物或矿产资源中获得的，很少或没有经过化学加工的染料。天然染料根据来源可分为植物染料、动物染料、矿物染料和来源于细菌、真菌、霉菌等微生物产生的天然色素。按天然染料化学组成可分为胡萝卜素类、蒽醌类、萘醌类、类黄酮类、姜黄素类、靛蓝类、叶绿素类共7种。它们多数对纺织纤维没有亲和力或直接性，需要和媒染剂一起使用才能固定在纤维上。在染料索引（C.I.）中天然染料是按照化学结构和用途来分类的。已统计的天然染料中以黄色和红色品种最多，蓝色、绿色和黑色最少。天然染料中的大部分是天然有机染料或颜料，其化学结构分别属甲炔、甲酮、亚胺、苯醌、蒽酮、奈醌、黄酮、黄酮醇、
3、二氢黄酮、靛类以及叶绿素类等。1 天然染料开发应用历史 1-2自古老的年代起，人们就知道可从大自然万物中得到颜色。从野草或枝叶中挤出液汁，将昆虫或矿石磨成粉末，所得到的色彩皆可用来化妆、绘图、染色等。因地域的差异与土质的不同，加上气候的影响，即使是同类植物，也会因季节的不同、染色方法的差异，使得到的色彩也不相同，这是大自然给予的天然染料不可思议的趣味性，而不是化学合成染料所能给予的。人类使用天然染料的历史可以追溯到距今5万年到10万年的旧石器时代。北京山顶洞人文化遗址中发现的石制项链，已用矿物质颜料染成了红色。早在六七千年前的新石器时代，我们的祖先就能够用赤铁矿粉末将麻布染成红色。居住在青海柴
4、达木盆地诺木洪地区的原始部落，能把毛线染成黄、红、褐、蓝等色，织出带有色彩条纹的毛布。我国是最早使用天然染料染色的国家。早在4500多年前的黄帝时期，人们就能够利用植物的汁液染色。多种古籍文献中记录了色彩的名称，东汉说文解字中有39种色彩名称，明代天工开物、天水冰山录则记载有57种色彩名称，到了清代的雪宦绣谱已出现各类色彩名称共计704种。明清时期，我国天然染料的制备和染色技术都已达到很高的水平，染料除自用外，还大量出口。中国应用天然染料的经验跟随丝绸一同传播到海外各国，产生了久远的影响。西周时代，已经设置了专门负责印染纺织品的专职官吏，称为“染人”，中国最早的诗歌总集诗PDF 文件使用 “p
5、dfFactory Pro“ 试用版本创建 2010年9月第3期第 20 页经中记录的纺织品与服装的颜色有暗绿、红、黄、白、碧绿、绯红及玄黄等，春秋战国时，已经出现了许多专门染色的染坊，发现了多种植物染料，其中以蓝草最为常用。秦汉时期，人们在染色实践中发现了染色与空白的对比关系，认识了有意地控制染色面积和染色形状可以形成空白的花纹，于是防染技术开始出现。这一时期，西南一些少数民族地区首先出现了用蜡做防染剂的染花方法。先把蜡溶化成液体，用蜡刀沾取蜡液在白色底料上描绘纹样，然后浸入染料中染色。当时多用靛蓝，又有少量紫色、红色。上染之后，去掉蜡纹即呈现白色花纹，得到了蓝底白花或色底白花的花布。古代称
6、其为“阑干斑布”，现代称之“蜡染花布”。而在汉代，观赏性的蜡染已开始出现了。西南地区蜡染艺术一直沿续下来，至今，贵州、云南、广西等地的仍然流行蜡染。南北朝时期印染艺术较为突出的是纹缬的出现，纹缬也叫“撮缬”、“撮花”、“撮晕缬”，现代称为“扎染”。唐代的印染技术全面发展而且成就斐然，这时的纹缬、夹缬、蜡缬都出现了惊人之作。宋、明时期的印染艺术已相当全面，色谱也愈加完备。明代官方设有颜料局，掌管颜料。而用于制作染料的植物已达几十种。清代少数民族地区的各种印染艺术逐渐形成独特风格，做工精细，蜡纹纹密。诗经中有用蓝草、茜草染色的诗歌，可见中国在东周时期在民间已普遍应用植物染料。中国古代的一些农业书和
7、工艺书上，都有关于染料和染色法的记载。先秦古籍考工记（作者不详）是中国第一部关于工艺规范和工作标准的汇编。书中“设时之工”记录了中国古代练丝、纺绸、手绘、刺绣等工艺，对织物色彩和纹样都作了详细而完整的叙述；北魏贾思勰齐民要术中有关于种植染料植物、萃取染料加工过程等内容，如“杀双花法”和“造靛法”所制成的染料可以长期使用。明末宋应星编撰的天工开物中有关于各种染料的制造、练制的化学工艺，以及运用各种染料在织物上染色的描写。在“乃服”一章中，总结丝、麻、毛、棉等织物纺纱织布的技术，并在“彰施”一章，记录了有关染色技术的应用情况。3000年前古埃及和美索不达米亚人已掌握了织布染色的技术。古埃及的尼罗河
8、畔的金字塔的墓壁上红色和红色的织物就说明了这一点。约在2500年前，印度已有从茜草中提取茜红、在蓝草中提取靛蓝染棉织品的记录。茜草的浸渍液，经处理后，可染成红色；蓝草的浸渍液经氧化后，可将织物染成靛蓝。印度人还用一种寄生在不同植物上的胭脂虫体中所含的红色素染色。公元前 550年希腊已出现羊毛手工纺织和染色的工作坊。古希腊罗马人还用一种贝壳类动物的液体作染料，这种贝壳类动物，分泌一种液体，暴露在空气中后由黄色经绿色和蓝色，最后变成紫色，是一种名贵的紫色染料。远古时候纽克里特人制造了昂贵、著名的泰尔紫（TyriamPurple），这是一种海螺分秘物经氧化后得到的染料，后来小亚细亚的腓尼基人掌握了制
9、造技术，利用泰尔紫在毛织品上染鲜艳紫蓝色，日后罗马帝国的贵族更以这种颜色染制袍服，作为贵族阶级的象征。在19世纪以前，染色和印花所用的染料大多是天然的动、植、矿物染料，染色工艺还是采用天然染色。19世纪中叶后，合成染料问世，由于它色彩缤纷、色谱齐全、耐洗耐晒，特别是价格便宜，因而逐步取代了天然染料，成为纺织品最主要的着色剂。随着人类健康、生态意识的增强，一种重新评估和开发应用天然染料的思潮已经掀起，开发应用天然染料已成为国际上的热点话题。在纺织染整领域，已有应用天然染料的成熟的纺织服装产品问世。由于大多数天然染料无毒无害, 对皮肤无过敏性、无致癌性，且具有较好的生物可降解性和环境相容性，因此，
10、在高档真丝制品、内衣、家纺产品、装饰用品等领域中，天然染料拥有广阔的发展前景。2 天然染料的开发应用现状目前，应用天然染料染色的环保织物在国内外市场上颇受欢迎。如用植物染料制成的高支天素丽“绿色”环保型高档面料，既符合国内外精纺毛料高支轻薄化、功能多样化的要求，又符合目前国际上倡导的环保型天然面料的要求。天然染料不仅可染丝、毛等蛋白质纤维织物，也可对棉、麻等纤维素纤维织物染色，还能染腈纶、涤纶、锦纶等合成纤维织物。王雪梅：天然染料及其开发应用PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2010年9月 第3期第 21 页浙江纺织服装职业技术学院学报我国已经建立了植物染料数据
11、库，拥有 306 种色卡，且有能染毛、丝、棉、麻制品的天然黄、红、绿等色系的植物染料。天然染料染色的环保织物已经在高档纯毛、真丝制品，内衣、童装产品，家纺、装饰用品等领域获得应用。例如：在高档纺织品中，已经开发生产了纯毛开司米、纯毛精纺呢绒、纯毛针织T 恤三大类生态毛纺织品；用红曲米色素来染丝绸，能获得美丽的深红色，可制作高档丝绸服装及真丝被面、围巾等；用植物姜黄可染苎麻纤维，织造高支轻薄织物，用此类织物制成的服装既凉爽又环保；用天然茶染料染色的毛巾、棉布等系列棉制品，被用作衬衫和睡衣的面料, 或用于床单、被罩等家纺布艺产品；还有用纯天然植物染料染色的童装系列产品。除此之外，许多天然色素还因其
12、特殊的成分及结构，而被应用于新型功能性纺织品的开发。例如：大黄防紫外线织物；可医治皮炎的艾蒿色织物；以及用茜草、靛蓝、郁金香和红花染成的具有防虫、杀菌、护肤及防过敏的新型环保织物等等。此外，天然染料在其他领域，如食品、饮料、造纸、塑料、建材、工艺品、日化产品、制药等诸多领域都有广泛的应用前景，完全可以替代化学色素，造福人类。许多天然色素还因其特殊的成分及结构而应用于新型功能性纺织品的开发。尤其是有些天然染料本身就有药用价值，因而它们在卫生及医药领域都有着广泛的应用。天然染料还被用于化妆品制造，例如唇膏中的色泽增强剂，美肤、美发品中的各种染料等。2.1 天然染料的种类2.1.1 植物染料植物染料
13、是指自植物中提炼的、耐久不褪色的有色物质。色素普遍存在于植物体内，例如：胡萝卜素、叶绿素等。在花和果实中，鲜艳的色彩使人很容易察觉到这些色素的存在。也有一些重要的植物染料，并不是那么显著的，如存在于树皮中一些构造复杂的化学物质，甚至必须借助媒染剂的作用才能显色。大部分的植物色素都很容易分解、消失，因此不能作为染料；只有一些能耐久不被氧化的，才能作为染料。2.1.2 动物染料动物染料数目较少，主要有虫 (紫) 胶、胭脂红虫等。2.1.3 矿物染料矿物染料是各种无机金属盐和金属氧化物，主要有棕红色、淡绿色、黄色、白色，经过粉碎混拼后可得20多个色谱，如朱砂等。但矿物染料由于有些含重金属或有害成分过
14、多，固色不理想等原因，现在已经极少使用了。2.1.4 微生物产生的天然色素染料 3细菌、真菌、霉菌等微生物产生的色素也可作为天然染料。英国研究人员指出: 掌状革菌、粗毛纤孔菌等大型真菌都可以作为天然染料用于染色。日本蚕丝昆虫农业技术研究所与蚕丝商社合作研究，发现了能产生青紫色色素的微生物并使之用于染色。这种微生物是从蚕丝废料中培育出来的细菌, 为詹森杆菌蓝紫霉色素。产生色素的主要菌种是紫色杆菌素和脱氧紫色杆菌素。詹森杆菌蓝紫霉色素是非病原菌。因此这种色素是安全的。它的染色方法可分为菌体染色法和萃取液染色法。这种色素不仅可染棉、麻、丝、毛等天然纤维, 也可以染锦纶等合成纤维。除纺织品染色外, 这
15、一技术也可用于化妆品和食品的着色。霉菌中的色素红曲, 又称红米, 是将红曲霉接种在稻米上培养成的。供制造红酒和红腐乳用, 也用作食品色素, 入药可作活血剂。红曲米色素不溶于水, 其色素的主要成分是红斑素及红曲红素, 橙红色,有荧光。我国的研究人员在尝试用红曲米色素来染丝绸, 将放有红曲米及醋酸、平平加等助剂的染液加热到60, 将丝绸放入染液中, 恒温1h后,取出水洗,干燥即可。用红曲米可将丝绸染成美丽的深红色。2.2 天然染料染色方法由于天然染料分子结构各不相同，染色方法也有较大差异，对蛋白质纤维和纤维素纤维而言，染色方法主要有无媒染色法、先染后媒法以及先媒后染法；对合成纤维而言，主要分为常压
16、染色和高温高压染色。最佳染色工艺应根据染料性质而定。PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2010年9月第3期第 22 页2.2.1 按染色性质分1）还原型：是指某些不溶于水，需要用还原剂使其溶解后上染纤维，然后再氧化复变为不溶性而固着在织物上的天然染料。如靛蓝的染色是先将不溶于水的靛蓝在碱性溶液中还原成可溶性的隐色体靛白，使之上染纤维，然后将织物透风氧化，再复变为不溶性的靛蓝而固着在织物上。2）直染型：某些天然染料的天然色素对水的溶解度好，染液能直接吸附到纤维上，可以采用直接染色法染色，这类染料有红花、冻绿等。3）媒染型：某些植物染料天然色素对水的溶解度颇好，染液
17、成分虽然能直接吸附到纤维上，但染色牢度较差，需要采用助剂或媒染剂进行染色。4）直染、媒染型：既可直接进行染色，也可利用媒染剂进行染色的一类植物染料。如黄柏、姜黄、栀子等。5）其他类型：利用植物染料中天然色素对酸碱性的溶解度不同，使之在纤维上固着染色，如红花、郁金等。2.2.2 按染色工艺分1）散纤维染色：如棉花染色、原毛染色等。2）纱线染色：手工染色、绞纱立缸染色、喷缸染色、段染等。3）布匹染色：溢流染色、喷射染色等。4）成衣染色：各类成品均可在水洗机里做成品染色。5）其他染色：绞染、夹染、型板印染、扎染、蜡染、吊染、拔染、泼染等。2.3 天然染料染色的影响因素 42.3.1 温度天然色素受温
18、度的影响很大，例如，甜菜红在60以上不稳定，所以染色不宜在高温下进行。2.3.2 染浴pH值控制染浴在适当的pH条件下染色，才能获得较高的平衡吸附量。例如，甜菜红素在碱性条件下不稳定，所以染色应在酸性条件下进行，色素分子中的-COO-，可与羊毛上的-H3N+成盐式键结合。染浴 pH越低，羊毛所带的正电荷数越多，上染速率越快，染料吸尽率越高。2.3.3 媒染剂的影响天然染料除少数外，对纤维亲和力或直接性低，必须与媒染剂一起或采用特殊方法才能固着在纤维上，天然染料大多数是属于媒染染料，也有部分属还原染料、直接染料和酸性染料。有的则属颜料，特别是一些矿物色素。1）色彩：不同媒染剂处理的织物颜色也有所
19、不同。例如，丝绸织物用硫酸铜与洋葱皮提取的色素染色时生成铜棕色；使用亚锡酸氯生成橘色；硫酸铝钾、重铬酸钾和亚硫酸铁一起使用会生成金色、橘棕色；亚锡酸氯与硫酸铝钾的混合使用生成橘棕色；亚硫酸铁和亚锡酸氯一起使用时，与洋葱皮提取的色素生成饱满的金色。2）环保性：媒染剂的应用，尤其是金属离子对环境和有机生物体造成不良影响甚至带来严重危害，因此人们在关注天然染料的同时，也在不断开发天然环保的媒染剂。有人曾用蛋类中的蛋白质、牛血、尿素、腐杉的泥土、牛粪等物质来作为媒染剂。天然媒染剂有mgroba-lon, 石榴皮、单宁、单宁酸、酒石酸、番石榴和香蕉叶灰等。3）稀土作用：我国的染色工作者用稀土柠檬酸络合物
20、作为天然染料的媒染剂，对苎麻纤维染色，使天然染料一稀土一织物三者形成稳定的络合物。稀土离子可作为中心离子与染料配位体络合，提高染色牢度和色光的稳定性。此外，它还具有类似电解质的促染作用。2.3.4 分散剂、稳定剂的作用有的天然色素不稳定容易变色，需要加入稳定剂。大部分天然染料相对分子质量都比较大，易团聚，阻碍上染。但可以用阴离子或非离子表面活性剂使染液中的染料颗粒分散，形成较稳定的分散体系，使织物和染料接触的机会增多，上染速度加快。染料的水溶性越小，加分散剂染色的效果就越明显。王雪梅：天然染料及其开发应用PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2010年9月 第3期第
21、 23 页浙江纺织服装职业技术学院学报2.4 天然染料染色中存在的问题2.4.1 染色重现性差以植物染料为例，即使是同一种植物由于产地不同、气候条件不同及采集时间不同都会影响色素的组成及色泽。在工艺上，对天然色素的染色工艺，还需进行规范的试验和设备选择，确定各种工艺参数，制定产品质量指标。2.4.2 染色牢度差天然染料普遍存在染色牢度差的问题，尤其是耐日晒牢度和耐皂洗牢度。如天然染料所染的黄色，耐日晒牢度仅为3级。传统的天然染料染色方法还存在着给色量低，染色时间过长等问题。2.4.3 其他天然色素植物的颜色品种有限，在性能上，很多天然色素的化学结构和毒理学尚未详细研究和测试；天然染料的提取需要
22、消耗大量植物，造成染料价格高；目前还缺乏天然色素与纤维或织物结合机理的研究；天然色素的染色工艺有待于进一步优化等。3 天然染料开发应用的局限性首先，到目前为止，我们对许多天然染料的化学结构还不十分清楚，提取的工艺也很落后。因此，研究和开发天然染料的提取和应用工艺很有必要，特别是综合利用植物的叶、花、果实及根茎，利用其它工业生产的废料来提取天然染料也很有现实意义。但随着生物技术的发展，利用基因工程可望得到性能好、产量高的天然染料，但作为合成染料的部分替代或补充是有价值的，尤其是用天然染料开发一些高附加值的纺织品更具有广阔的发展前景。其次，由于大多数天然染料染色时，需要用重金属盐进行媒染，同样会产
23、生大量的污水，并会使染色后的纺织品上含有重金属物质。所以，有人认为天然染料不是从根本上解决纺织品染色生态问题的途径，实现纺织品生态染色的最重要途径还是选择符合纺织生态学标准的染料进行染色。总之，要使天然染料商品化，完全替代合成染料还是不现实的。天然染料给色量低、染色时间长也制约了它的发展，因此，有必要改进传统的染色方法。由于天然染料长期未被重视，许多过去知名的天然染料资源已知之甚少，重新认识和开发新的天然染料已十分迫切。此外，还可开发微生物天然染料或合成与天然染料化学结构相同的合成染料。天然染料顺应回归自然的需求，将会在纺织品应用中占有一席之地，但目前天然染料的应用规模和总量还很小，因此产业化
24、的路还很长。4 天然染料开发应用的发展前景4.1 高附加值的绿色产品4.1.1 高档真丝制品因为丝绸穿着舒爽，所以除用作高档礼服外，绝大部分用于内衣、睡衣等贴身衣物，但这对染整加工的环保生态要求也就更高了。用于染丝绸的合成染料本来品种就少，现在又有许多因环保原因被禁用，这使得真丝染色成为问题。天然染料中的大部分品种都可用于丝绸染色，这已经经过了长期实践的检验。我国古代劳动人民就是用各种天然染料将丝织品染成绚丽的色彩。如长沙马王堆一号汉墓出土的深红绢和长寿绣袍的底色，即是用天然染料中的茜草染成的。尽管在地下埋藏了2000多年，但其色泽依然鲜艳。4.1.2 保健内衣制品如今，人体舒适和保健的绿色纺
25、织品将成为家庭健康消费的最基本内容。大部分内衣、睡衣等贴身衣物，对染整加工的环保生态要求也就更高了。天然染料大都有药物作用，有的可抗菌消炎，有的可活血化淤。所以用天然染料染制的纺织品将会成为保健内衣的生力军，多彩植物染色内衣便是其中的佼佼者。4.1.3 婴幼儿服装和用品婴幼儿是最容易受伤害的群体，在婴幼儿服装和用品上使用植物染料染色容易受到市场热捧，有很高的开发前景。婴儿装，童毯、童袜、被褥都具有极好的使用前景，市场接受度较快。4.1.4 家纺产品PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2010年9月第3期第 24 页随着人们生活水平的提高，家纺产品将由经济实用型向功
26、能型和绿色环保型转化。由天然染料染制的床单、被罩、浴巾等家纺产品必然会因符合生态环保标准和具有医疗保健功能而受到人们的青睐。4.1.5 装饰用品天然染料染制的装饰用品在欧美地区尤其受到欢迎和喜爱。将天然染料染色与我国传统的扎染、蜡染艺术相结合，则会大大提高产品的档次。云南巍山彝族回族自治县的人们就是用天然染料制作扎染产品。他们将扎好的花样图案，用山上采来的植物染料浸染，染成的花纹图样清新别致，古朴自然，面料可缝制成桌幔、椅垫、窗帘等各种装饰用品。这些天然染料扎染的产品深受国内外客商的喜爱和欢迎，产品出口率达90%以上，进入日本市场成为免检产品。4.2 天然染料与有机棉的完美结合天然植物染色是使
27、用纯天然的植物染料，在染色过程中不添加任何化学材料，实现真正意义上的环保染色。有机棉+植物染色使有机棉产品成为天然环保的彩色有机棉。研究中发现，植物染色用于有机棉染色，效果比普通全棉效果还好，原有部分染料在全棉染色上的融合度及牢度上不尽人意，但在有机棉上效果不错，有突破性进展。此技术的研发成功为有机棉的发展插上了翅膀。4.3 生物天然染料的诞生日前，韩国一家企业和大学研究人员共同开发出了“生物天然染料”的生产技术，对牛仔裤等面料染色时，使用的蓝色染料并非经化学合成，而是通过生物工程制作，且种染料可以进行大批量生产。这项技术解决了化学染料生产成本虽低但环境问题严重，天然染料绿色环保但生产成本较高
28、的矛盾，为染色工业开辟了一条新的希望之路。4.4 天然植物染色纺织品标准亟待出台天然植物染色纺织品目前在国际上还没有一个标准，行业及国家标准也没有，实行的参照标准是生态纺织品标准 100（Oeko-TexStandardl00）标准。但这个标准是针对化学染料染色的纺织品而制定的，在很多方面滞后，不适合天然植物染色纺织品使用。为规范起见，亟待出台该产品的标准。此标准正式出台后，将成为天然染料染色纺织品行业首个标准。参考文献1杜燕孙.国产植物染料染色法M.上海：商务印书馆,1938.2陈维稷.中国纺织科学技术史(古代部分)M.北京：科学出版社,1984.3龚继贤,李辉芹.天然染料在染色应用中的新进
29、展J.针织工业,2003(1):96-97.4MLGulrajaniDeeptiGupiaSRMaulik.StudiesonDyeingwithNaturalDyesJ.IndianTournalofFibreTextile,1996(2):69.ExploitationandApplicationofNaturalDyeWANGXue-meiTheessaydescribesthehistoryofnaturaldyesexploitationandapplication,andanalyzescurrentsituationofnaturaldyesexploitationandapplicationthroughnaturaldyesvariety,dyeingmethods,dyeingeffects,dyeingproblems.Thenpointsoutlimitationsandprospectsofnaturaldyesexploitationandappli-cation.naturaldye；vegetabledye；exploitationandapplication；background;currentsituation;prospect（责任编辑：竺小恩）王雪梅：天然染料及其开发应用PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建
