天然染料的应用及其局限性

1 天然染料的分类

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、动物染料和矿物染料。植物染料有茜草、紫草、苏木、靛蓝、红花、石榴、黄栀子、茶等；动物染料有虫(紫)胶、胭脂红虫等；矿物染料有各种无机金属盐和金属氧化物。据统计天然染料中以黄色和红色品种最多，蓝色、绿色和黑色最少。植物和动物中的色素能溶于水，在性能上与合成染料最接近，在一定的条件下可以上染天然纤维。各种植物中所含有的天然染料成分不是单一的，通常是多种化合物。其中有一些色素是基本结构相同而取代基不同的一类化合物，如红花中除含有红色素外，还含有黄色素，其他植物也有类似情况。按天然染料化学组成不同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、叶绿素类共7种。

2 天然染料的染色机理

天然染料的上染机理因染料和所染纤维类型而异，由于天然染料品种繁多，结构复杂，现在对各类纤维的染色热力学和动力学方面的研究还不太充分。印度的Dr．DeeptiGupta研究了5种天然染料对合成纤维的上染机理，研究结果表明，奈醌类染料Juglone、Alkannin和Bixin染尼龙、涤纶织物的吸附等温线属于朗缪尔(Iamagmuir)型，而Berberine与腈纶织物之间可形成离子键。天然小檗类染料上染丙烯腈纤维标准亲合力相当高，70℃和90℃时分别为33．9KJ／mol和43．3KJ／mol，其牢度性能与碱性染料类似，水洗牢度良好，但耐光牢度只有I级。这5种染料与合成纤维的染色焓是正值，说明染色是吸热过程。随染色温度升高。染料上染率会继续增加。此外，染料在水中是部分溶解的，可能是染料发生聚集，因此容易在高浓度时染得深色。莽草宁、苏枋等媒染型天然染料，是通过媒染剂与纤维分子形成络合物上染，但媒染前后色调有些变化。靛蓝等还原型天然染料，是通过染料分子的聚集吸附在纤维上，因而摩擦牢度较低。胭脂红酸等亲水型天然染料，水溶性好，具有阳离子性的化学结构，可以上染蚕丝。李清蓉等研究了天然染料等同体茜素的染色热力学，并对茜素上染丝绸、羊毛、涤纶和尼龙等4种织物进行了染色吸附平衡实验，结果表明，这4种织物对茜素的吸附属于能斯特(Nemst)吸附，符合分配机理，具有分散染料的特性。李辉芹等认为利用紫草、胡桃等萘醌型天然染料对聚酯纤维进行染色时，其吸附机理非常符合分散染料染聚酯时的Nernst吸附；而用胭脂树籽染色时，因其色素为线型离子型分子，可有多种上染机理，但Langmuir机理占优势翻。对小檗碱上染丙烯腈纤维的热力学研究结果表明，其染色机理符合Langmuir吸附等温线。这表明带正电荷的染料可以和带负电荷的纤维形成离子键，使染料吸附在纤维上。

3 天然染料在纺织领域的应用

天然染料具有无毒、无害、无污染和可再生等优越特点。纺织品用天然染料染色。不仅提高了产品的附加值，同时实现了对环境的生态保护，符合新世纪人们对服装的要求，是开发“生态服装”、“全绿服装”纺织品的一个很好的途径。

例如天然染料黄檗中所含的小檗碱是目前所知的天然染料中唯一的阳离子染料，它也可以用来染丙烯腈纤维。聚酰胺纤维中含有氨基和羧基，可用离子型染料如酸性和金属络合染料，也可用分散染料染色。天然染料中的紫草、胡桃、胭脂树等适合上染聚酰胺纤维。虫胶、姜黄、洋葱、茜草、紫草和大黄等天然染料都可用于涤纶染色。它们的分子量很小，并具有疏水性，这些天然染料上染聚酯的机理与分散染料类似。

目前印度、意大利和德国等国家的一些染料公司都在开发生产天然染料。近年来，我国对天然染料的应用也在积极的探索之中：中科院已制得用于棉和丝绸染色的天然黄(TR—Y)和天然绿(TR—G)；“铜牛牌”系列童装选用纯天然植物染料系列染色；江苏二毛集团已将植物染料用于制备高支天素丽环保型高档面料，效果较好同。除此之外，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。例如大黄防紫外线织物，日本青森试验

厂生产的可医治皮炎的艾篙色织物以及印、韩、日等国用茜草、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织物等等。

4 应用天然染料存在的问题

天然染料虽然具有广阔的应用前景，但若让其替代合成染料而成为主要的应用染料，目前是不现实的。因为其在应用中存在许多问题。

4．1 天然染料的供应问题

常用的天然染料绝大多数是植物染料，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和色泽，而这必然会导致染料的染色重复性差。况且从种植、收集、提取到应用都需要很长的时间，收率又低。有资料统计平均收集率约为2％，即98％的收集物为废料，因而带来天然染料纯度低、提取困难、性能不稳定、成本高、难以支持现代化纺织工业生产使用等诸多问题。另外，许多天然植物染料都是中草药资源，具有很高的药用价值和经济价值，如果将它们大量用于染料的提取，相比之下也是不经济的。4．2 染色中染料的色牢度问题

染色纺织品的生态标准和染料的染色牢度有紧密关系。尽管在天然染料染色中，使用媒染和某些后处理可提高染色牢度，但因为天然染料发色基团的固有的不稳定性，导致天然染料耐洗和耐光牢度不理想。另外，传统的媒染剂大多含有重金属离子，其中的许多被列人生态纺织品禁用名单。有时染色中使用的媒染剂还会影响到染料的褪色。例如：用洋葱染黄色时，使用明矾和锡媒染剂比使用铬、铁、铜媒染剂褪色更严重。

4、3 天然色素的稳定性问题

天然色素较人工合成色素的稳定性差，主要是天然色素受外界因素影响大。pH值使天然色素的结构或组成发生变化，从而使其颜色产生变化；光线(特别是紫外光线)会诱使带有生物活性的有机生物产生天然色素分解或氧化而脱色；天然色素在低温或干燥状态时，性质一般较稳定，但加热或高温可加快变色反应。尤其在加热至沸点时易氧化褪色。

5 结语

尽管目前要使天然染料商品化，完全代替合成染料还是不现实的，但天然染料无毒无害，对皮肤无过敏性和致癌性，具有较好的生物可降解性和环境相容性，其色泽柔和、自然有特色，随着人们环保意识的加强以及对自身健康的日益重视，天然染料将拥有广阔的发展前景。参考文献

[1]李清蓉，陈宁娟，于伯龄．天然染料等同体茜素的染色热力学研究[J]．北京服装学院学报，1999，(2)．

[2]李辉芹，巩继贤．天然染料的应用现状与研究新进展[J]染料与染色，20o3，(1)