紡織品染色用天然染料的抗紫外性能研究進(jìn)展

韓 軍,付宇鑫,孫 旸,楊 萌

(北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 國(guó)家紡織及皮革產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,北京100025)

現(xiàn)代染料根據(jù)來(lái)源,可分為天然染料和合成染料。天然染料主要來(lái)源于植物和動(dòng)物,幾乎未經(jīng)過(guò)化學(xué)加工。天然染料在中國(guó)的發(fā)展已有幾千年的歷史,早在夏朝時(shí),就有使用藍(lán)草進(jìn)行染色的實(shí)踐,并且人工種植藍(lán)草,掌握了藍(lán)草的生長(zhǎng)規(guī)律[1]。春秋時(shí)期,齊桓公破除傳統(tǒng)禮制對(duì)于著裝色彩的限定,創(chuàng)造性地把紫色運(yùn)用到齊國(guó)服裝中,一般認(rèn)為“齊紫”的獲得就是借助了動(dòng)物染料[2]。隨著科技的發(fā)展及生活水平的提高,人們追求健康的生活理念,天然染料以其良好的環(huán)境兼容性以及藥物保健功能又引起人們的關(guān)注[3]。過(guò)度紫外線輻射會(huì)使服用紡織品發(fā)生老化,導(dǎo)致其強(qiáng)力下降,耐磨性變差,縮短服用壽命,而且會(huì)引發(fā)一系列的皮膚病,還會(huì)影響人體免疫系統(tǒng)及視覺(jué)系統(tǒng)等,威脅人類健康[4]。因此,人們?cè)陉P(guān)注天然染料著色作用的同時(shí),也開始研究其他功能,如防紫外性和抗菌性等[5]。對(duì)天然染料的分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,并對(duì)其抗紫外性能和在紡織品染色中的研究與應(yīng)用做了綜述。

1 天然染料的分類

1.1 按顏色分類

主要有藍(lán)色、黃色、紅色、紫色、茶色、棕色、灰色和黑色等。藍(lán)色天然染料主要有靛藍(lán)、馬藍(lán)、蓼藍(lán)(又名大青)、菘藍(lán)(又名大藍(lán))、木藍(lán)(又名槐藍(lán))等；自然界中,可以獲取的黃色天然染料很多,主要有梔子、黃連、姜黃、林檎、黃櫨、大黃、地黃、黃檗、柘黃、銀杏、蘇木、槐花、藎草、青茅草、黃柏、橡樹、石榴、澀柿、郁金、核桃、桑樹、菊花、洋蔥、柚柑、牡丹花等；紅色天然染料主要有花生衣、茜草、紅花(又名紅藍(lán)草)、番紅花、蘇枋(又稱蘇木)、牡丹花、栗木、鐵杉、栲樹、蘋果花、櫻花、洋蔥、介殼蟲、紫膠蟲等,其中介殼蟲和紫膠蟲是動(dòng)物源的天然染料；紫草、紫檀(青龍木)、落葵、野莧、梅和紫螺是紫色系的天然染料；茶色和棕色的天然染料主要包括桑木、楊梅櫟木、茶葉、蕎麥、柳、艾、樟、薯莨、櫟木、橡木、樺木、紫蘇、紫衫、石榴、益母草、板栗殼、胡桃、冬瓜、烏梅、杜松、云杉、落葉松、紅根、橡椀、黑荊樹、虎杖等；灰色和黑色的天然染料主要有五倍子、菱、烏桕、鹽膚木、柯樹、槲木(槲若)、漆大姑、鉤吻、菰、化香樹等。

1.2 按應(yīng)用分類[6]

用于紡織品染色的天然染料主要來(lái)源于植物和動(dòng)物。植物和動(dòng)物染料能溶于水或在適當(dāng)?shù)臈l件下溶于水,在性能上與合成染料最接近,在一定的條件下可以上染天然纖維。

按照天然染料與纖維間的親和力可分為:直接染色(不需要媒染)的天然染料,如:靛藍(lán)、姜黃、海石蕊等；間接染色(需媒染)的天然染料,如茜草、蘇木、胭脂紅、胭脂蟲粉、黃顏木等。

按照天然染料的應(yīng)用性能可分為:媒染染料型(絕大多數(shù)天然染料),如茜草、蘇木、胭脂紅等；直接染料型(多數(shù)天然染料),如姜黃、紅花、石榴等；酸性染料型,如藏紅花等；堿性染料型,如小檗堿等；還原染料型,如靛藍(lán)、菘藍(lán)、泰爾紅紫等；分散染料型,如指甲花等。

1.3 按化學(xué)組成分類

按照化學(xué)組成的不同,可以分為類胡蘿卜素類、黃酮類、萘醌類、蒽醌類、苯并吡喃類、單寧類和生物堿類等。

2 天然染料的抗紫外性能

2.1 抗紫外性能

紫外線是波長(zhǎng)范圍在100～400 n m 之間的電磁波,其輻射能量約占太陽(yáng)總輻射能量的1%,占太陽(yáng)到地面總輻射能量的6%。按照波長(zhǎng)的不同分為長(zhǎng)波紫外線(UVA:320～400 n m)、中波紫外線(UVB:280～320 n m)和短波紫外線(UVC:200～280 n m)。UVA占紫外線總量的95%～98%,能量較小,能穿透玻璃、某些衣物和人的表皮,照射過(guò)度會(huì)損傷皮膚及皮下組織,使皮膚變黑,誘發(fā)皮膚病,引起免疫限制等；UVB占紫外線總量的2%～5%,能量大,能穿過(guò)人的表皮,引起曬傷、皮膚腫瘤及皮炎等；UVC的能量最大,作用最強(qiáng),可引起曬傷、基因突變及腫瘤,但其在未到達(dá)地面之前,幾乎被臭氧層吸收,對(duì)人類不會(huì)造成任何傷害[7]。因此,需要防護(hù)的主要是UVA 和UVB。

抗紫外性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF),是皮膚無(wú)防護(hù)時(shí)計(jì)算出的紫外線輻射平均效應(yīng)與皮膚有織物防護(hù)時(shí)計(jì)算出的紫外線輻射平均效應(yīng)的比值[8]。在國(guó)內(nèi),測(cè)試紡織品的抗紫外性能依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18830-2009《紡織品 防紫外線性能的評(píng)定》。用單色或多色的UV 射線輻射試樣,收集總的光譜透射射線,測(cè)定出總的光譜透射比,并計(jì)算試樣的紫外線防護(hù)系數(shù)UPF 值。當(dāng)產(chǎn)品的UPF＞40,且T(UVA)AV＜5%時(shí),可稱為“防紫外線產(chǎn)品”；當(dāng)40＜UPF≤50時(shí),標(biāo)為“UPF 40+”；當(dāng)UPF＞50時(shí),標(biāo)為“UPF 50+”。

2.2 具有抗紫外性能的天然染料

紡織品對(duì)紫外線的防護(hù)機(jī)理主要是反射或吸收紫外線?？棺贤饩€織物主要是用屏蔽劑對(duì)紡織纖維或織物進(jìn)行處理來(lái)增強(qiáng)紡織品吸收或反射紫外線的能力,常用的紫外線屏蔽劑有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類[9]。天然染料是從自然界獲取的天然有機(jī)物,其中的一些對(duì)紫外線有吸收作用,因此可以作為有機(jī)紫外線屏蔽劑使用。

天然植物染料化學(xué)結(jié)構(gòu)種類繁多而且復(fù)雜,能吸收紫外線的化學(xué)物質(zhì)主要有以下幾類:(1)蒽醌類:這類天然染料主要有大黃、紫草、茜草、蘆薈、蒲黃、胭脂蟲紅等。(2)黃酮類:這類染料廣泛存在于植物中,其結(jié)構(gòu)含有共扼雙鍵,對(duì)紫外線有較強(qiáng)吸收；主要包括槐米、黃芩、姜黃、指甲花、桑葚、艾蒿、黑豆、荊芥等。(3)多酚類:主要包括姜黃、茶多酚(兒茶)、五倍子、石榴皮、檳榔子、栗等。茶多酚主要來(lái)源于茶葉,兒茶素約占茶多酚的70%。(4)生物堿類:這類染料主要有黃連、黃柏、桑葉等。

2.3 采用天然染料抗紫外線照射的優(yōu)點(diǎn)

(1)天然染料無(wú)毒無(wú)害,對(duì)皮膚沒(méi)有刺激,不會(huì)引起過(guò)敏,更不會(huì)致癌；(2)天然染料的染色產(chǎn)品色彩獨(dú)特、別致,色澤優(yōu)雅、柔美,給人“回歸自然”之美,也迎合了人們追求個(gè)性化、多樣化的心理；(3)以天然染料作為紫外線屏蔽劑并對(duì)織物進(jìn)行染色,染色后的織物手感和部分服用性能好于人工合成紫外線屏蔽劑整理后的織物；(4)天然染料具有較好的生物降解性和環(huán)境兼容性,對(duì)環(huán)境友好,綠色環(huán)保,符合可持續(xù)發(fā)展的理念；(5)很多具有抗紫外線性能的天然染料兼有一定的醫(yī)療保健功能,用其染色或整理后的織物具有一定的抗菌、消炎功效。

3 天然染料染色織物的抗紫外性能研究

陳莉、趙順榮、劉華、王妍、柯貴珍、周宇陽(yáng)等[10-15]分別對(duì)天然染料中黃柏、大黃、姜黃、蒲黃、黃連等主要天然黃色染料染色織物的性能和染色工藝進(jìn)行了研究,并對(duì)其進(jìn)行了防紫外性能評(píng)價(jià)。周嵐[16-18]課題組選取梔子黃、胭脂樹橙、胭脂蟲紅和葉綠素銅鈉鹽對(duì)改性棉纖維進(jìn)行染色并測(cè)試,結(jié)果表明改性染色后織物具有良好的紫外防護(hù)效果。Yu-chan Chao等[19]選用柿子樹、薯莨、雞血藤、墨旱蓮和黑血藤對(duì)棉、絲織物進(jìn)行染色并測(cè)試防紫外性能。Pen wisa Pisitsak等[20]使用木果楝皮對(duì)棉織物進(jìn)行染色并測(cè)試防紫外性能,得到的染色織物UPF值大于50。任洪利[21]和劉玉森[22]分別對(duì)艾蒿染色織物的性能進(jìn)行研究,均發(fā)現(xiàn)艾蒿色素可以賦予棉、絲織物良好的抗外線性能。陳莉等[23-24]研究了黃芩、茜草、槐米和黃柏的防紫外線性能,結(jié)果表明上述天然染料中都含有能吸收紫外線的化學(xué)成分,可用于紫外線吸收劑。曹機(jī)良[25-27]課題組研究了艾絨、黃連素和山竹殼的染色、整理工藝和抗紫外性能,其中山竹殼提取液整理后的織物UPF值能達(dá)到100以上。紀(jì)俊玲[28-29]課題組對(duì)天然染料丁香和槐米在真絲織物上的染色進(jìn)行了研究,結(jié)果表明經(jīng)媒染后,織物的抗紫外性能得到提高。胡蝶[30-31]研究了萬(wàn)壽菊和綠茶染料對(duì)羊毛織物的染色性能,并對(duì)染色織物的抗紫外性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。何偉堅(jiān)[32]和吳靄弟[33]研究了被櫟樹、欖仁樹和兒茶色素對(duì)棉麻織物抗紫外性能的影響,結(jié)果表明同時(shí)使用明礬、硫酸鐵和硫酸銅3種媒染劑能增進(jìn)遮蔽紫外線的效應(yīng),可顯著改進(jìn)麻棉織物抗紫外線的性能。侯秀良[34-35]課題組研究了石榴皮染料染色毛織物和槐米染色棉織物的工藝,并對(duì)染色織物進(jìn)行了抗紫外性能評(píng)價(jià)。張栗源[36]開發(fā)了一種新型的黃色系植物染料,不僅實(shí)現(xiàn)了其對(duì)蛋白質(zhì)纖維和合成纖維的可染性、良好的色牢度,還賦予紡織品良好的抗紫外性能。王寧寧等[37]就植物染料HH-CT 的抗紫外性能進(jìn)行了探討,染色后羊毛織物的UPF值大于30,且在UVA 波段的平均透射率小于5%,符合GB/T 18830-2002中定義的“防紫外線產(chǎn)品”。程志波[38]用紫外和紅外光譜對(duì)提取的薯莨色素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,探討了薯莨在棉織物軋染工藝中的可行性并測(cè)試了染色織物的抗紫外性能。李紅[39]發(fā)現(xiàn)以稀土為媒染劑,用紫甘薯天然染料對(duì)羊毛織物進(jìn)行后媒染色,可以獲得較好的染色效果,染色后織物的抗紫外線性能顯著提高。陳欣子[40]以葡萄籽、橘子皮和石榴皮為對(duì)象,研究了其對(duì)毛織物的染色性能及其抗紫外性能。曹紅梅[41]研究了棉織物的丁香色素染色及其抗紫外性能,結(jié)果表明經(jīng)媒染的染色棉織物的抗紫外性能有所提升。賈艷梅[42]采用紫薯色素對(duì)桑蠶絲織物進(jìn)行染色,研究了染液p H 值及媒染劑對(duì)蠶絲織物染色性能及抗紫外線性能的影響。羅亞雄[43]選取魚腥草染料,選擇預(yù)媒、同媒、后媒3種染色方法,分別以硫酸鐵、硫酸鋅、硫酸銅、明礬為媒染劑,對(duì)棉、莫代爾、黏膠、絲綢、羊毛織物進(jìn)行染色并測(cè)試染色織物的抗紫外性能。吳秀霞[44]選取黃連、紅花、蘇木、五倍子、石榴皮等5種中藥原材料對(duì)羊毛織物進(jìn)行染色,賦予超細(xì)羊毛織物獨(dú)特的天然色彩,并為其增加一定的藥理保健和抗紫外線功能。王華清[45]用黑豆皮色素媒染蠶絲織物,通過(guò)分析黑豆色素溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜,得知黑豆染色的產(chǎn)品具有較好的抗紫外線功能。陳壘等[46]采用荊芥色素提取液對(duì)蠶絲織物進(jìn)行染色,討論了染色工藝和荊芥提取液用量對(duì)蠶絲染色和抗紫外線性能的影響。漆晴[47]研究了茜草染色錦綸織物的工藝條件,并對(duì)染色織物的抗紫外性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。羅嘉威[48]研究了桑葉色素的綠色提取與生態(tài)染色工藝,最佳條件下所得染品不僅染色色牢度滿足生產(chǎn)要求,而且還具備了一定的抗紫外性能。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管在公元前2000多年,中國(guó)就有關(guān)于天然染料染色的記載,但是自合成染料出現(xiàn)后,除了一些少數(shù)民族地區(qū)仍沿用天然染料進(jìn)行手工藝品染色外,國(guó)內(nèi)很少有人致力于這方面的研究。隨著人們生活水平的提高,使用天然染料染色的用品逐漸成為一種時(shí)尚。中國(guó)豐富的天然染料資源,悠久的天然染料運(yùn)用歷史,為天然染料各種功能性的挖掘、研究和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和生活水平的提高,開發(fā)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展且具有抗紫外性能的天然染料,是紡織品染色和整理行業(yè)面臨的重要任務(wù)。隨著各項(xiàng)研究的深入和染整技術(shù)水平的提高,開發(fā)色牢度好、抗紫外性能級(jí)別高和抗紫外線持久的天然染料是未來(lái)的發(fā)展方向。