五彩缤纷话染料

大自然处处充满了色彩:从雨后彩虹的绚丽多姿, 到旭日初升的梦幻朦胧, 从神州各地的青山绿水, 到大江南北的奇花异草, 无不展现了大自然的绚丽多彩。

人类在自然界的熏陶下, 爱好色彩由来已久;在大自然的启示下, 学会了用天然的颜料来妆扮自己, 创造了种类繁多的人工合成染料, 为日常生活增添了更多赏心悦目的美学元素。

从古老染料谈起

人类对色彩的向往自古有之, 古时候人工制造的颜色主要是用天然染料染色而成。其中, 矿物颜料使用最早, 例如用赤铁矿的粉末把兽骨染成红色, 再穿成项链佩戴在身上;植物染料种类最多, 应用范围也最广。矿物颜料着色是通过黏和剂使之黏附于织物的表面, 遇水及日晒容易脱落。植物染料则不然, 在染制时, 色素分子经化学吸附作用与织物纤维亲合, 改变纤维的色彩, 虽经日晒水洗, 均不脱落或很少脱落。故称之“染料”, 而不叫“颜料”。因此利用植物染料, 成了我国古代印染工艺的主流。

我们的祖先最初也许是在无意中发现, 原野上的各色野花以及它们的绿叶, 搓揉成浆后可以用来描绘, 以后逐渐知道草木之根、茎、叶、皮经温水浸渍后, 都可提取染液。在漫长的实践过程中, 先人逐步掌握了植物染料的提取、运用技术。于是, 人们的纺织品也由此开始五彩缤纷起来。

在《诗经·小雅·采绿》中有“终朝采绿”“终朝采蓝”等诗句, 描写的是对染色原料的采集。据《天工开物》和《本草纲目》记载, 到明代可用于染色的植物已扩大到几十种, 如槐米 (未开的花蕾) 可以染黄色。

蓝色染料用天然的靛蓝或菘蓝。先榨取它们的汁液, 加石灰和蜂窟拌匀放在瓮里发酵, 再把织物浸在其中染成蓝色。

绿色一般用木犀科植物如咖啡果等在明矾帮助下染成。

红色要借助茜草或胭脂虫染成。用茜草是先压出汁, 再跟明矾作用, 染到织物上;胭脂虫是寄生的小虫, 压碎后也用明矾助染。

黑色用五倍子浸泡其汁, 再加上铁盐。一般是先将织物泡在五倍子汁中, 再加绿矾, 就成为黑色了。

古代染料中的紫色, 极难得到, 所以有名贵的“帝王紫”之称, 以致英语中“紫色”跟“帝王”是同一个词。原来, 古罗马人和腓尼基人使用的“帝王紫”, 是从地中海底的一种叫“恶鬼贝”的海螺中提取。在恶鬼贝的外套腔内壁有一条紫色的腺, 内含高黏度的蛋白质和橙黄色物质。这一种黄色物质见到阳光后, 会逐渐变成美丽的紫红色。由于8000个海螺才可以得到1公斤的紫色染料, 所以“帝王紫”十分名贵。

那时, 帝王贵族们为了得到帝王紫染料, 强迫腓尼基渔民冒着生命危险, 出海采集恶鬼贝。为此, 每年都有许多捕贝人葬身海底。帝王紫来得如此不易, 难怪价值连城呢!

我国在春秋战国时期, 人们就开始用紫草给衣服染色了。紫草为多年生草本植物, 外表暗紫色, 断面紫红色, 是一种名贵的中草药和染料。

由于紫草的提取率不高, 加工几百千克紫草才能得到几克紫色染料, 所以这种紫色染料也十分昂贵, 用它做成的衣服只有王公贵族才能穿戴。那时的齐国, 5匹素绸子只能换1匹紫绸子, 有时甚至还不易换到, 难怪会有“满朝朱紫贵”的说法。

天然染料出奇妙

事实上, 用植物染料给纺织品着色这种方法, 在我国古代传承了几千年。

南宋洪迈的《夷坚志》中讲述了一个故事, 用现代语言把它译出来是这样说的:

在京城的大街上有一染匠, 推一辆装有一个染缸的车在沿街吆喝:“染色哦, 各种衣料、各种颜色一律不拒。”

市井之上有人指着他那“诸般染色”的幌子问:“各种颜色都可染吗?”

染匠回答:“当然啦!诸般颜色皆可染着。”

有人问道:“可是你只有一个染缸啊?”

染匠说:“这你就别问了, 染色之法在于技巧, 不在缸多缸少。”

有人将信将疑地拿来一段白绢, 让染匠先染蓝色。染匠接过来扔进那黑乎乎的染缸之中, 一会儿取出, 果然已经染成了蓝色。另一人拿来一块麻布说要染成黑色, 染匠还是在那个黑染缸中把这块布料染成了黑色!观望人目瞪口呆, 纷纷拿来各种棉麻丝绸, 结果都从那个黑染缸中染出了所需的五颜六色。

这个故事表达了古代工匠们对繁琐染色工艺革新的一种希望, 尽管有可能使用某几种植物染料针对不同的织物面料染出不同的颜色来, 但所得颜色也是非常有限的, 不可能想染什么颜色就染什么颜色, 把黑色染液当成了百宝箱。同一染缸可染不同色, 在现代染色工艺中称为“同浴异色”, 如20世纪80年代, 非常流行的红地金花、绿地金花、粉地白花、黄地白花等提花软缎被面, 以及后来流行很久的黑地红花的“黑牡丹”花软缎服装面料, 就是在同一染缸内、针对不同丝织原料一次性染出的两种颜色。此种工艺很可能古代就已有之, 宋人杜衍有诗为证:

芙蓉照水弄娇斜, 白白红红各一家, 近日新花出新巧, 一枝能著两般花。

当时没有化学合成染料, 只有植物染料和矿物颜料, 而植物染料的色牢度一般比矿物颜料要好, 且原料易得, 所以最常使用。大部分植物染料对棉麻 (纤维素纤维) 和蚕丝 (蛋白质纤维) 都有相似的染着亲合力, 也就是说, 将丝和棉麻放在同一染浴中只能得到同一种颜色。而某些染料如红花, 则可能因为染色条件 (促染介质, 如酸、碱、盐等) 的不同, 对纤维素和蛋白质有不同的亲合力, 从而染出不同的颜色来。

靛蓝发明的故事

靛蓝的英文名称是Indigoblue, 由此可见靛蓝的原产地应该是印度。天然植物靛蓝的历史非常遥远, 从印度4000多年前出土的麻布上面就分析出了靛蓝的成分。而我国应用靛蓝的历史也很长, 3000年前战国思想家荀子在《劝学篇》中就留下了一句醒世名言:“青, 取之于蓝, 而青于蓝”。他说的是从蓝草中提炼出来的靛青色比蓝草更深。青, 是指靛青, 即靛蓝;蓝是指蓝草, 是可以用于制做靛蓝染料的数种植物的统称, 如菘蓝、蓼蓝、木蓝等, 这句名言是指靛青染料从蓝草中提炼出来的, 但颜色比蓝草更深。后世一般把“青出于蓝胜于蓝”用来形容学生胜过老师, 与长江后浪推前浪的意思相似。

植物的颜色一般都是绿色的, 那是由于含有叶绿素的缘故, 而靛青的颜色却并不是叶绿素构成, 而是由两分子吲哚酚缩合成为的深蓝色的靛蓝分子。因此, “青 (靛青) ”的颜色自然要比“蓝 (蓝草) 的自然绿色要深得多。这就是青出于蓝胜于蓝的道理。

早在秦汉之前, 人们尚不知道靛蓝染料的还原染色机理, 只是在菘蓝收获的季节, 将蓝草割下后切碎浸泡出色液之后, 尽快将此染液用于染色, 以利游离出的色素在布面上缩合生成不溶于水的靛蓝染料, 形成蓝色。这个过程一般很短, 时间稍长后, 染液中的吲哚酚一旦全部缩合, 就会变成蓝色的沉淀而不再有利用价值。因此, 当时在蓝草收获季节, 染匠们是十分繁忙的, 要连天续夜地加紧染色, 否则染液就要报废。

有一次, 一个染坊的两位染匠忙累了一天, 还是没有把要染的布染完, 而池子里的染液却眼看要全部变成蓝色的泥浆了, 两人又气又累, 吃饭时多喝了几杯, 结果酩酊大醉, 其中一人竟然趴在染池边上呕吐起来, 吐完之后两人就在池边呼呼大睡。第二天, 本打算接受老板惩罚的两位师傅一看:染池上面浮着许多泡沫, 用染棒一搅, 昨天的蓝泥不见了!两人十分惊奇, 连忙用一块白布放进去浸泡, 结果拿出来一看, 不是原来的蓝色而是黄褐色, 正在失望之际, 那黄褐色的布却慢慢地变成了蓝色!

嘿!这可是没有料到的好事。有了这种办法, 再也用不着担心蓝草染液沉淀了, 而且正可以利用它生成沉淀的原理来长期保存这种染料。由于是蓝色染料生成的沉淀, 因此这种染料被称为“蓝淀”。后来专门造了一个形声字供它使用:靛。意思青色 (蓝) 的沉淀。

当然, 后来的染匠师傅们不可能总是往染池中呕吐, 那样的话恐怕染出的布就不大好卖了。而是根据这个原理, 在这种蓝色沉淀中加入酒糟 (其中含有多种还原作用的酵素) , 使不溶于水的靛蓝泥还原成可溶性的靛白隐色酸, 染在布上之后, 经空气氧化后再变回不溶性的蓝色染料。现代染料化学工业中把这种类型的染料称为氧化还原染料, 简称还原染料, 把上述染料的制作和还原染色过程用进程图可表示为:

蓝草→浸泡→菘蓝→水解→吲哚酚→吲哚酮→缩合→蓝淀→酒糟→氢化酵素→还原→吲哚酚→石灰 (提供碱性) →靛白隐色盐→靛蓝。

时至今日, 印染厂中仍然还在大量使用靛蓝染料, 当然, 今天的靛蓝并非植物靛蓝而是化学合成靛蓝。人工合成靛蓝的历史要追溯至1878年, 德国化学家拜耳利用植物靛蓝进行氧化, 生成了靛红, 然后又利用靛红氧化再转化为靛蓝。虽然这种通过自己来合成自己的方法肯定没有实用价值, 但是它却揭示了天然靛蓝的化学结构, 为进一步人工合成靛蓝打下了理论基础。

1882年, 拜耳设计出了第二条合成靛蓝的线路, 采用邻硝基苯甲醛为基本原料, 通过取代、还原、氧化合成出了真正意义上的合成靛蓝。1890年, 德国巴斯夫公司在世界上首家正式投产合成靛蓝, 但工艺线路不够成熟, 生产状况不够理想。1890年, 瑞士化学家胡曼教授发明了新的合成靛蓝方法, 他采用的是邻硝基苯甲酸为基本原料, 在氯代乙酸的作用下发生取代反应, 再经处理, 最后经氧化生成靛蓝。1897年巴斯夫放弃了拜耳法, 改用胡曼的新法生产靛蓝。1901年, 德国的皮斐格将胡曼的另一种合成线路进行改进, 采用苯胺为基本原料生产靛蓝, 此法被称为胡曼-皮斐格法, 简称HP法。此后虽然巴斯夫公司和瑞士的嘉基公司分别在1907和1914年研究出了新的合成线路, 但是最终都因安全问题而告失败。至今整整100多年过去了, HP法仍为全世界广泛采用的合成靛蓝主要方法。

合成染料“苯胺紫”

“苯胺紫”是人类历史上第一种人工合成的染料, 在有机合成史上具有极其重要的意义。

19世纪40年代, 非洲英属殖民地疟疾肆虐, 每天都有很多人死去。为了战胜这种可怕的疾病, 许多科学家都致力于寻找治疗疟疾的良药。

终于, 科学家们发现从金鸡纳树中提取的“奎宁”是治疗疟疾的特效药物, 然而由于金鸡纳树主要分布在南美洲, 所以能提取的奎宁非常有限, 远远满足不了治疗疟疾的需要。

在这种情况下, 时任英国皇家化学院院长的霍夫曼果断地说:“难道就不能用煤焦油中的化学物质来制造奎宁吗?”说干就干, 1856年, 霍夫曼招了一个18岁的研究生珀琴当助手。珀琴对从煤焦油中提取奎宁的实验充满了信心, 并夜以继日地进行实验。

珀琴在霍夫曼指导下, 细心地做了许多实验, 可是, 合成奎宁的实验总是一次又一次地失败。

一天, 霍夫曼又安排珀琴用苯胺和重铬酸钾在硫酸帮助下, 加热一试。实验进行到最后一步时, 反应瓶里竟然出现了一种奇妙的紫色粉状物质。珀琴既懊丧又感到十分奇怪, 为了探究这种物质的性质, 他随手向容器中加了一点酒精, 谁知这种紫色粉状物质竟然变成了鲜艳的紫红色。

珀琴心想, 这种东西能有什么用呢?他信手从瓶子里取出了一丁点紫色物质放在了手上, 不巧洒落到他穿的白色衣服上, 纯净洁白的衣服一下多了几块紫色的斑。珀琴无暇顾及弄脏的衣服, 却敏锐地意识到, 这种紫色物质或许可以用作染料。他把自己的一方白丝绢放进去, 手绢立刻变成紫色, 用水再也洗不掉。

此刻珀琴真是又惊又喜, 心想合成奎宁不成功, 却意外地合成了世界上第一种紫色染料, 从而敲开了色彩世界的大门。他把这种染料命名为苯胺紫, 并在英国申请了生产苯胺紫的专利。后来, 珀琴辞去了大学工作, 专门从事染料生产。

自珀琴制成苯胺紫后, 人工合成染料就进入到一个快速发展的新时期。从此, 化学合成的染料碱性品红、碱性品绿、碱性品紫等碱性染料相继出现, 这些都是以苯胺及其衍生物为原料进行生产的, 所以被称为苯胺染料。

五彩缤纷到来时

1884年, 随着联苯胺的出现, 德国化学家博蒂格尔合成了直接大红4B (又称刚果红) , 因其可以直接用来染棉纤维, 因此被称为直接染料。

20世纪20年代以后, 化学合成染料的生产规模进一步扩大, 并出现了许多使用方便的染料类型。到了50年代, 染料工业进入全新的发展阶段, 应用于涤纶和腈纶染色的新型染料先后产生。20世纪80年代, 合成染料工业达到高峰, 全世界染料年产量达到了80万吨。

现代合成纤维工业和染料化学工业的飞速发展, 使得在一个黑染缸内染出五颜六色的织物的幻想从理论上得以成立。

比如我们在一个染缸内放入适当比例的酸性红3B, 直接黄FR、分散蓝二BLN等三种染料, 红黄蓝三原色相混从外观上看就是一坛黑水!但是我们如果在这坛黑水中同时放入真丝绸、棉布, 涤纶布、锦纶布, 会得到什么结果呢?真丝绸可以被酸性红染着, 得到玫瑰红色 (虽然蚕丝纤维对大多数直接染料都有亲合力, 但是直接黄FR由于含有多个水溶性的磺酸基, 无法固着到蚕丝上去) ;棉纤维只对直接染料有亲合力, 得到的是黄色;涤纶是疏水性合成纤维, 除了分散染料之外, 其他染料对它不起作用, 所以得到的是蓝色;锦纶则对各类染料都有一定的亲合力, 当然得到的是黑色了!如果我们在考虑到多种纤维的交织和提花, 是可以得到比“五颜六色”还多的颜色。

当然, 这都是从理论上来说的, 是理想状态下的设想。事实上如果真的这么去染色的话, 由于或多或少的相互沾色, 织物上得到的颜色是很不纯正的, 也就是色彩不够鲜艳、而且由于不同染料所要求的工艺条件难以一一满足, 因此染色牢度也不大好。染色之所以不同于画家配色, 就在于同一种颜色可以有上百种不同的配方, 而同一个染料在不同的条件下对不同的纤维可以染出不同的色彩。一个优秀的染色工程师要对上千种染料、几十种纤维和几十种染色设备的个性有所了解, 并且从助剂和酸碱度等方面考虑合适的工艺条件, 才能染出预期的色彩。

历史的脚步前进着, 历经两千多年的发展, 现在的服装染色技术在原有基础之上得到了长足的发展。不但增加了天然染料的种类, 而且使用了化学染料;不仅有人工染色, 而且还有机器设备染色;使用新型的纺织服装材料。

现在我们日常生活中, 大街小巷, 随处都能看到五颜六色的服装, 而不像几十年前那“白衣飘飘“的年代, 到处都是白色衣服组成的世界。随着科学技术的迅猛发展, 使用了越来越多的服装染料和颜料, 也投入了更多的设备与技术。使得现代服装的颜色更加丰富, 满足了现代人各种各样不同的个性要求。

让染料走向环保

在全球环境都不容乐观的情况下, 生产环保服装是大势所趋。所谓绿色环保服装, 是指在原料、生产、加工、使用、资源回收利用等全过程中, 能起到消除污染或没有污染, 保护环境、维护生态平衡, 对人体无害, 有益于身体保健作用的服装。

在环保服装越来越引起人们的关注下, 环保“绿色染料”的概念已经深入民心, 甚至成为国际潮流。绿色染料必须在染色性能 (包括色光和鲜艳度、上染率、固色率、提升率、匀染性、重现性等) 、牢度性能、简化应用工艺、降低能源、水耗、减少印染污水和价格等超过被禁用的染料及现用的非禁用染料的水平。总之, 绿色染料的开发是染料发展历史上的一个里程碑, 不仅是应对“绿色壁垒”挑战的需要, 绿色染料的研究和开发将继续不断发展下去。

其中, 最为人们关注的是绿色活性染料。活性染料是染料中发明较晚的一种, 它好像一把强劲有力的“化学钳”, 遇上纤维的某些基团就狠狠咬住不放, 和纤维紧密结合成一个整体, 洗不掉, 拆不散, 是比较理想的染料。

绿色活性染料的研究和开发从以下三个方面作为重点。即:活性染料分子结构的发展、应用发展所需要的活性染料、更高牢度要求所需要的活性染料, 分子结构的发展是后两者发展的基础。

随着服装面料和染料走向环保, 越来越多的“绿色服装”不仅可以时刻提醒人们关注世界环境问题, 而且有助于人们松驰神经, 清除疲劳, 心情舒畅, 因此, 使用环保染料的“绿色服装”将成为当代世界时装发展的一种新趋势和潮流。