納米生色技術的原理與優(yōu)勢

劉瓊溪，張 欣，余榮沾

（廣東欣豐科技有限公司，廣東開平 529300）

1 天然著色的歷史回顧

溫飽是人類生存最基本的需求，在解決了穿得暖的問題之后，人們就開始有了對美的期盼，印染由此而生。中國民間傳統(tǒng)手工印染有著悠久的文化歷史和獨特的民族魅力，長期以來深受人們喜愛，在世界上享有盛譽。

傳統(tǒng)的印染使用的都是天然染料。天然染料在先秦時期的《考工記》、北魏賈思勰所著的《齊民要術》和明代宋應星所著的《天工開物》中都有記述。傳統(tǒng)的天然染料一般可分為礦物染料、植物染料和動物染料。天然染料大多無毒無害，并具有較好的生物可降解性和環(huán)境相容性。[1]中國傳統(tǒng)印染多為手工操作，最具代表性的工藝種類有絞纈、蠟纈、夾纈、藍印花布等，均被列為國家級非物質文化遺產名錄。傳統(tǒng)印染初步實現(xiàn)了人們由穿得暖到穿得美的愿望，有人將其稱之為印染行業(yè)的第一次革命。

傳統(tǒng)印染的染料無毒無害，產品淳樸，具有民族特色，但存在著一些難題。首先，天然染料多來源于動物、植物，難以進行標準化、大批量生產，要想獲得足夠染料，就會造成對生態(tài)環(huán)境的破壞；其次，傳統(tǒng)的天然染料染色方法存在色量低、染色時間過長、容易褪色、不耐水洗和日曬等問題。再者，傳統(tǒng)印染色系單調，難于滿足人們對多彩世界的審美需求。

2 化工染色的興起與面臨的難題

2.1 化工染色的興起

20世紀30～40年代，隨著石油化工的快速發(fā)展，合成纖維開創(chuàng)了紡織纖維的新紀元，相繼有多種合成纖維問世。染料的發(fā)展歷來與纖維的開發(fā)緊密聯(lián)系，例如，1941年開發(fā)了聚酯纖維，1953年就研制出了適合聚酯纖維的分散染料。伴隨著合成纖維和化工染料的高速發(fā)展，化工染色得以快速崛起，開啟了印染產業(yè)第二次革命的大門。

這一時期印染產業(yè)最顯著的特點是：第一，基布材料種類增多，除了傳統(tǒng)的亞麻、棉布材料，纖維、黏膠、細紡布、尼龍等都可作為印染的基材，以滿足人們不同用途的需要；第二，化工染料大量涌現(xiàn)，滿足不同纖維的染色需求，據統(tǒng)計，自20世紀40年代以來，新研發(fā)的化工染料有3 000余種，經常生產的也有800余種；第三，印染圖樣個性化，在現(xiàn)代工藝的支持下，印染圖案更加豐富多彩，只要人們喜歡都可以印上具有個人特色的圖案，不再局限于傳統(tǒng)的圖案；第四，印染企業(yè)飛速擴張，規(guī)模以上企業(yè)接近2 000家，機械化大規(guī)模生產，產能已出現(xiàn)過剩；第五，當代印染產業(yè)耗水、耗能、排污嚴重，易導致嚴重的環(huán)境污染，已成為國家環(huán)保重點監(jiān)控的對象。

2.2 化工染色面臨的難題

化工染色生產能力快速提高，印染花色品種豐富，滿足了人們對美的需求，但化工染色耗水、耗能、排污難的問題始終沒有得到解決。

化工染色的廢水來源于兩個源頭。首先是化工染料生產廢水[2]，染料生產工藝復雜，在磺化、硝化、重氮化、還原、氧化以及酸（鹽）析等各個工序中都會產生大量的廢氣、廢水和廢渣；其次是印染過程產生的廢水，主要來自纖維織物漂煉和染色的環(huán)節(jié)?；と旧膹U水不僅水量大，還具有色度高、有機物濃度高、成分復雜、含鹽量高、水質水量變化大、毒性大等特點，排入天然水體不僅會消耗水中的溶解氧，使水生生物大量死亡，一些苯胺、偶氮類的染料還具有強致癌性，排放到環(huán)境中對人類和其他生物的健康構成極大威脅，因此，染料廢水的治理被列為環(huán)境保護的重要工作。

為了破解化工染色污染環(huán)境這一難題，國內外科技工作者進行了不懈的努力，也取得了一定的效果。一是開發(fā)新染料以減輕對環(huán)境的污染，重點是分散染料、活性染料和酸性染料等[3]，但這些染料都沒有改變化工染色的本質，只是污染危害有所減輕；二是運用新技術、新工藝減輕污染，例如數(shù)碼印花技術[4]，不僅使印花圖案更豐富，可滿足人們個性化的需求，同時，印花過程中產生的廢水大大降低，但還無法根除廢水。近期，有科學家提出超臨界CO2萃取技術，可以實現(xiàn)非水和節(jié)水染色[5]，但這一技術主要應用在分散染料對滌綸等疏水性合成纖維的染色中，對于其他纖維面料的染色還處在探索階段。

3 納米生色技術的原理及特有的優(yōu)勢

印染產業(yè)的廢水不僅在印染環(huán)節(jié)產生，染料自身的生產也要產生大量廢水，因此，只要使用化工染料，印染產業(yè)的污染難題就很難破解。當前，我國正在大力倡導綠色環(huán)保，美麗中國的理念深入人心，國家對排污企業(yè)的管控越來越嚴，印染企業(yè)的生存空間越來越窄。納米生色技術不用染料、不用水，為徹底根除印染產業(yè)的污染難題開辟了一條新的道路。納米生色是指運用真空沉積技術在織物表面濺射生成納米量級的膜層，通過對膜層結構、尺度和材料的調整，利用自然光在薄膜上的干涉衍射和散射產生變化萬千的色彩。

3.1 關鍵核心技術

在納米生色過程中，采用超臨界萃取技術、真空沉積技術、自組裝膜技術對織物表面進行處理，在織物表面的網格狀、凹凸不平的結構上沉積多層納米級的鈦、鋅、鐵、銀、鎂、硅、氧、氮等對人體無害的金屬或非金屬元素，直接在織物或其他基材表面生成納米薄膜。根據薄膜光學理論，光線經過薄膜的反射、折射后產生相干光，由于光的干涉疊加而改變光的強度，使光譜中某些特定波長的光強增強，另一些則減弱，最終使布料呈現(xiàn)出不同的顏色。另外，干涉疊加的結果與入射光、反射光的傾角直接相關，當觀看的角度不同時，顏色也不同，會顯示出特有的金屬光澤或者虹彩效果，也就是我們常說的變角度色。

采用特殊技術對表面進行保護，不需要使用水、蒸汽和染化料，顛覆性地解決了傳統(tǒng)染化料對人體的毒副作用，從根本上解決了傳統(tǒng)印染行業(yè)污染嚴重，水耗、能耗大等一系列難題。

3.2 突破性創(chuàng)新

本技術在不改變織物和其他基材的原有質感及屬性的基礎上，產生流光溢彩的色澤，為時尚界提供了新的選擇，其獨特的著色方法使傳統(tǒng)印染無法上色的織物，例如香云紗、芳綸、玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維等，實現(xiàn)了色彩的突破。

本技術通過調整納米膜層的組分和厚度，實現(xiàn)了仿生色在布料上的上染，就像蝴蝶翅膀一樣，從不同角度觀察會呈現(xiàn)不同的顏色，為時尚和功能織物的使用翻開新的篇章。還能通過控制不同位置納米膜層厚度的方式產生花紋圖案，開辟了無染化料印花的新領域。

本技術具備穩(wěn)定的抗紫外線、抗靜電、屏蔽、防水、抑菌、自清潔等功能，可廣泛使用于箱包袋、室內高級墻紙墻布、家居面料、工業(yè)用料、特種功能防護用品、醫(yī)療和軍工產品上，可滿足特殊用途的功能生態(tài)紡織品需求?？稍趦δ芗徔椘?、自蓄能智能紡織品、纖維傳感器、納米傳感器、柔性智能電子設備等方面實現(xiàn)突破。

2.1 病情觀察 密切觀察患者的生命體征變化以及其他的臨床表現(xiàn)，尤其是地塞米松抗過敏治療期間觀察藥物的療效以及不良反應。由于服用地塞米松可能引起水鈉潴留導致血壓控制不佳等情況，結合患者既往有高血壓等心血管疾病史，注意其血壓及心律的變化，發(fā)現(xiàn)異常及時通知醫(yī)師，做好相應的處理。

3.3 納米生色的優(yōu)勢

納米生色不使用染化料，綠色健康。納米生色所用膜層材料選用人體必須的微量元素，對人體無害，貼身側的膜層選用的鈦達到了可植入體內的安全級別。因為完全不用染料，困擾染料生產的諸多難題也就不存在了。納米生色技術不用水，不會產生廢水，破解了化工染色污染環(huán)境的難題，實現(xiàn)了綠色環(huán)保。

納米生色織物不掉色，防水防污。納米生色利用特殊工藝在織物表面生成膜層，與基布之間是強化學鍵結合，耐水洗、抗揉搓、不掉色，色牢度比普通漂染更好，可謂歷久彌新。此外，特殊的納米結構還賦予了納米生色布料防水防污特性，滴水不入，污漬塵埃用濕布一擦即可去除。

納米生色技術應用廣泛。隨著石油化工的飛速發(fā)展，一些紡織用的新材料還在不斷涌現(xiàn)，以往印染的傳統(tǒng)是出現(xiàn)了新纖維就要研究新染料，有些纖維的染色至今還是難題，例如碳纖維等。而納米生色獨特的生色機理使它幾乎可以在各種纖維布料上成膜生色，從根本上破解了這一難題，大大拓寬了應用范圍。

納米生色織物表面光滑，防靜電，穿著舒適。普通織物表面在微觀尺度上有許多毛刺，織物間或織物與人體摩擦時，容易產生靜電。納米生色技術在織物表面生成了一層納米級的膜層，覆蓋住了毛刺，手感好，不易產生靜電，同時，膜層改善了面料的導電性能，產生的靜電易釋放，使人穿著更加舒適。

納米生色技術能賦予織物特殊功能，提高附加值。在醫(yī)學方面，可以用納米級的氧化鈦、銀或氧化銀制作內衣褲，能夠起到抗菌、消炎、預防皮膚病的作用；通過穿用含有納米級鈣、氧化鈣、氧化鐵、硒、鋅等織物補充人體需要的微量元素。在軍事方面，納米生色具有阻燃、防磨和防刺傷的作用，適合用作軍服面料；納米生色的結構色、角度色特質適合制作迷彩服；金屬膜層具有屏蔽、紅外吸波、防輻射等功能，在軍事偽裝和防護方面也有用武之地。

納米生色技術可實現(xiàn)智能生產，低能耗，性價比高。經過幾年的實驗、生產，目前，納米生色技術已經實現(xiàn)了智能化、自動化生產，既可大規(guī)模、集約化生產，也可進行小微規(guī)模生產，滿足個性化定制的要求。相比傳統(tǒng)的化工印染，納米生色技術能耗更低，產品的性價比更高。

4 納米生色技術的應用

4.1 納米生色的功能拓展

加快完善色系，提供完備的著色方案。經過數(shù)年的努力，我們已經建立了幾十種配色方案，并成功實現(xiàn)工業(yè)化生產，但與歷史悠久的化工染色相比，納米生色的色系還未完備，尚需我們進一步探索，提供更多樣的、色彩更靚麗的生色方案。

運用數(shù)碼科技，噴鍍多彩的花紋圖案。目前的納米生色技術以單色或漸變色為主，為了滿足人們對多彩生活的需求，需要將數(shù)碼科技與納米生色技術相互融合，噴鍍出豐富多彩的花紋圖案，使納米生色產品系列更加多姿多彩。

選配膜層材料，賦予膜層特殊的功能。納米生色不僅可以賦予基布色彩，還可以通過調整膜層材料賦予膜層某些特殊的功能。例如防靜電功能，金屬膜層可降低布料的表面電阻率，有利于靜電的消散；另一方面，光滑的膜層表面使布料不易帶電，提供了一個防靜電的新途徑。通過對膜層結構和材料的調整，納米生色技術還可賦予膜層紅外吸波、電磁屏蔽等功能，目前已經有了突破性的進展，我們將會在下一篇文章中專題討論。

4.2 納米生色的發(fā)展前景

納米生色是對我國印染科技實現(xiàn)彎道超車的生動演繹。納米生色技術是全世界首創(chuàng)，在織物著色原理上實現(xiàn)了根本性突破，推動我國印染行業(yè)再度走在世界前列。公司已經申報了60余項發(fā)明專利，必將引起印染界的高度關注。

納米生色技術為傳統(tǒng)印染產業(yè)的高污染、高耗能提供了解決方案。納米生色技術具有綠色、環(huán)保、無污染、低能耗的特質，與國家大力倡導的綠色發(fā)展、美麗中國的理念高度契合。

納米生色是納米科技在印染行業(yè)的成功應用。1990年7月，第一屆國際納米科技大會在美國巴爾的摩召開，標志著納米科技的正式誕生。20 多年來，納米科技已經在諸多領域取得了成就，而納米生色技術則是納米科技在印染行業(yè)成功應用的典范。

2018年6月15日，中國紡織工業(yè)聯(lián)合會組織對納米生色技術進行了科技鑒定，織物染整、納米科技、應用光學和工業(yè)技術領域的知名專家對這一原創(chuàng)性、顛覆性的成果給予了高度評價，認為整體技術水平達到國際領先，建議盡快開拓市場，推廣應用。2018年7月，在由軍委科技委發(fā)起、中國科學院舉辦的第一屆“率先杯”未來技術創(chuàng)新大賽上，納米生色技術獲得決賽優(yōu)勝獎，這預示著該項技術將會迎來更廣闊的應用空間，有望引領印染產業(yè)跨入綠色環(huán)保、健康時尚的新時代，開啟印染技術革命的大門。