2017 何振隆等:天然植物染料

充分利用天然植物染料開發高附加價值多功能的紡織品,如:藥用保健功能等,具廣闊發展前景。

天然植物染料的化學

文 | 何振隆 、徐健國、徐光平、邱祈榮

前 言

大自然為一傑出的魔術師,植物中的花、葉、果實及樹皮等部位,會依四季的不同,而呈現出各種各樣的顏色,此與植物本身內部的天然色素有關。植物體內的天然色素在陽光的照射下,吸收了一定頻率的有色光後,發生分子內電子激發躍遷現象。然而,因為植物各部位色素電子排列與分布不同,因此電子激發躍遷時所需的能量亦不同,造成不同部位的色素表現出不同的顏色,使大自然呈現出萬紫千紅的美麗景色。

於中國天然植物染料遠在夏代《夏小正》中就已經有了關於藍草的記載「五月,啟灌蓼藍」,因此,當時人們就有使用藍草染色,且掌握了藍草的生長規律而有人工種植和收穫。周朝設有管理染色的官職「染草之官」,又稱「染人」。在秦朝設有「染色司」、唐宋設有「染院」以及明清設有「藍靛所」等機構。十九世紀前於紡織印染的大部份原料為來自於植物,自從1856年英國人威廉‧珀金(William Henry Perkin) 發明了第一種合成有機色素苯胺紫(Mauveine),其後共有上千種染料被發明出來,又因化學合成染料價格較天然植物染料低,故使天然植物染料逐漸淡出歷史的舞臺。

然而,化學合成染料價廉物美,不過卻具有毒性與污染的問題。現今人們生活水準提高,天然植物染料正引起越來越多人關注,此乃因天然植物染料可從天然植物原料中經過較少化學加工取得,具有自然、健康、柔和及典雅的獨特色彩,並帶有植物芬芳且具有綠色環保的特點,這是合成染料所無法辦到的,因此天然植物染料已成為現今新型色素染料開發的重點。利用自然界之花、草、樹木、莖、葉、果實以及種子等進行植物染色相關的研究與創作,在今日事事講求環保,回歸自然的聲浪中,有逐漸受到重視之趨勢。因此本篇文章即為闡述天然植物染料的化學結構分類、萃取方法、染色方法、現今面臨問題及解決方法等,以供大眾瞭解天然植物染料的化學。

天然植物染料的化學結構分類

植物中天然色素的種類按化學結構的不同,可以分為四大類:

…… (此處有省略) ……

天然植物染料的製備

天然植物染料常用的萃取方法可分為水煮法、乙醇浸漬法及超音波法。水煮法僅適用於水溶性色素,利用植物的葉、花、枝幹、樹皮和根莖等作為原料,進行水煮,所得液體,即為所需染液。水煮法是為傳統萃取方法,簡單易行,對設備要求較低,為適用範圍較廣之方法。乙醇浸漬法適用於脂溶性色素,將植物原料先行碎裂,再放入乙醇中浸漬,將浸漬液進行過濾,所得濾液即為染液。超音波法先將粉碎後的植物原料與水混合,利用超音波器處理,冷卻後,再行過濾,將濾液進行濃縮乾燥,製備所需染液。利用超音波法所製備之植物染液純度比普通方法高,且染液滲透力強,染色後對紡織物之堅牢度高,缺點在於設備昂貴。

天然植物染料的染色法

水溶性植物染料使用『直接染色法』,依據不同的植物染料,設計不同的製程及條件,將布或紙纖維直接浸泡至染液中,使製備的染液成分直接吸附到布或紙纖維上。某些植物染料對水溶解度佳,纖維雖可直接吸附染液,但染色後染色織物色堅牢度較差,因此,為了提高染色之堅牢度,可用『媒染法』進行。媒染法之原理是使用媒染劑和色素結合的藥物溶液去處理,形成能在纖維上吸附的金屬離子配鍵而固著在纖維上,因而造成色素沉澱從而提高染色織物的堅牢度。媒染劑的使用可以三種方式處理,即同媒染(將媒染劑混合在色素液來染色)、前媒染(先以媒染劑進行染色前處理,然後用色素液染色)及後媒染(為先將色素液染色,後用媒染劑)。

植物染料的染色法還有一種稱為『還原法』,植物中存在多種天然色素化合物,而在染色過程中最終成為不溶於水的還原型染料,從而使染料更好的固著在織物上。天然植物染料現今面臨問題及解決方法天然植物染料是生物性材料,因此會有許多無法避免的個體間差異存在,根據許多文獻顯示,同一種植物,由於植栽地、氣候條件及採集時間等條件的不同,而會影響植物染料色素的組成、純度及色澤穩定度,使得染料的染色重複性及再現性差,造成品質無法維持。因此,建立人工規模化種植染色植物,使料原供應充足,進而掌控品質。
另外因植物染料色素不易保存,大多植物染料必須萃取後立即使用,再者,由於植物染料之化學成分非常複雜,若萃取條件稍有不同,天然植物染料的有效化合物成分就會有所差異,呈現之色澤特性,就無法一致,因此,於現今不可再採取傳統的馬上萃取馬上使用方式,應要將植物染料萃取方式專一化,若可將其加工為成品染料,可直接染色使用。多數植物天然染料普遍存在染色堅牢度差的問題,尤其是經過日曬及水洗後之色堅牢度。於染色步驟中,如:染色溫度、染色時間、染色pH值、媒染劑的種類和用量、媒染方式等均與色堅牢度有關。然而,現今天然植物染料大多加入媒染劑以改善染色堅牢度,但因媒染劑多含重金屬離子,其中有許多已被列入禁用名單,因此在解決染色堅牢度差的問題,需進行染料的工業化生產、簡化染色步驟、精選媒染劑,提高染料與纖維的接合,以促使色堅牢度提升。

根據上述所言,現今天然植物染料因需很多原料種植、收購較難、不易儲存及染色工序繁雜,故使生產成本居高不下,使得天然植物染料價格較合成染料貴多倍以上。再者,植物染料於國內方面,如:產品製程、染色技術以及媒染劑等相關研究均少,且於料原種植、收購及市場開發等均未到位。因此,建立完整的產業鏈是目前刻不容緩的議題。

結 語

天然植物染料是生物性材料,因為對生態環境相容性好,所以極具重要意義,但傳統植物染色效率較低、染色效果不及合成染料且成本相對較高,故要商業化並代替合成染料,尚需運用現代科學技術研究以提升傳統植物染料色澤穩定性、染色堅牢度及其染色效果,改進其染色工序,以降低生產成本,建立完整產業鏈,實現產業化生產。並且應用現今生物科技技術,充分利用天然植物染料開發高附加價值多功能的紡織品,如:藥用保健功能等,具廣闊發展前景。

Source 來源:
林業研究專訊 Vol.24 No.6 2017
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