從汽車的百年發(fā)展歷史和趨勢預(yù)測紡織染料的綠色發(fā)展前景

李偉勇，高光東

1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041

2.杭州彩潤科技有限公司，浙江 杭州 311000

汽車的百年發(fā)展之路主要由技術(shù)驅(qū)動，從蒸汽機(jī)到煤氣機(jī)，再到燃油機(jī)、電氣化、人工智能，最終綠色環(huán)保和可持續(xù)成為一個(gè)舉足輕重的參數(shù)。化工合成染料也是隨著歷次工業(yè)革命快速發(fā)展起來的，其污染問題和不可持續(xù)的問題隨著時(shí)代的發(fā)展逐漸暴露出來。在此背景下，融入當(dāng)代新技術(shù)的天然染料，將成為綠色環(huán)保可持續(xù)紡織品的重要選擇。

1 汽車的百年發(fā)展歷史和趨勢

1766年英國發(fā)明家瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，拉開了工業(yè)革命的序幕。1769年法國陸軍工程師N.J.居紐（Cugnot）制造出第一輛蒸汽機(jī)驅(qū)動的自動力車，如圖1所示。這種車裝著三個(gè)木制車輪，車駕前端裝著一個(gè)大鍋爐，是世界上最早的汽車，因?yàn)槭褂谜羝麢C(jī)驅(qū)動，所以叫汽車。雖然蒸汽驅(qū)動被后來的燃油、燃?xì)狻㈦姵氐闰?qū)動方式淘汰，但“汽車”稱謂沿用至今。18世紀(jì)末到19世紀(jì)初，歐美國家出現(xiàn)了制造蒸汽汽車的熱潮，各種用途的蒸汽汽車相繼問世，此時(shí)的蒸汽公共汽車是最早的公共汽車雛形，如圖2所示。

圖1 法國居紐蒸汽汽車

圖2 蒸汽公共汽車

德國工程師卡爾·本茨（Karl Benz）于1885年研制成一輛裝有0.85馬力的汽油機(jī)三輪車，該車已具備現(xiàn)代汽車的一些基本特點(diǎn)，如火花點(diǎn)火、水冷循環(huán)、鋼管車架、鋼板彈簧懸架、后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向和制動手把等，被世界公認(rèn)為第一輛現(xiàn)代汽車。另一位德國工程師哥德里普·戴姆勒同時(shí)研制出一輛用1.1馬力汽油發(fā)動機(jī)作為動力的四輪汽車。1920年代，哥德里普·戴姆勒的公司和卡爾·本茨的公司合并成戴姆勒-奔馳公司，梅賽德斯·奔馳品牌正式誕生，直到現(xiàn)在其仍然是最受歡迎的汽車品牌之一。

第一輛在生產(chǎn)線上生產(chǎn)的福特T型汽車于1908年在美國誕生，如圖3所示。其一改以往類似馬車的造型，加上功能配置上的創(chuàng)新和改進(jìn)，成為當(dāng)時(shí)城市的最佳個(gè)人交通工具，上市一年賣出近2萬輛，到12年后退役時(shí)共生產(chǎn)了1500萬輛。

圖3 最早的福特T型汽車

福特T型汽車的銷售紀(jì)錄保持了十多年，直到1938年大眾甲殼蟲車型問世，才打破了福特T型汽車的產(chǎn)量紀(jì)錄，汽車由箱型改變?yōu)榱骶€型，如圖4所示。

圖4 大眾甲殼蟲汽車

1959年，寶馬Mini轎車問世，再次引發(fā)了汽車技術(shù)的一場革命，至今60多年仍在流行，而且后來幾乎所有公司都或多或少地模仿了“Mini”的設(shè)計(jì)，使“Mini”成為最家庭化的轎車。

進(jìn)入21世紀(jì)，汽車工業(yè)快速發(fā)展，特別是中國汽車的產(chǎn)銷量連續(xù)多年蟬聯(lián)世界第一。隨著汽車保有量的快速增長，人們發(fā)現(xiàn)賴以生存的環(huán)境日益變得惡劣。研究發(fā)現(xiàn)，燃油汽車排放的尾氣是造成環(huán)境污染的元兇之一，因此很多國家和地區(qū)規(guī)定了禁售燃油汽車的時(shí)間，如表1所示，并頒布了相應(yīng)的法規(guī)。無人駕駛的電動汽車經(jīng)過充分測試，相信不久將會大量上路，汽車將進(jìn)入AI時(shí)代，無人駕駛汽車如圖5所示。

表1 全球各國家和地區(qū)燃油車禁售計(jì)劃時(shí)間表

圖5 測試中的華為無人駕駛汽車

2 化工合成染料的百年發(fā)展歷史和前景

化工合成染料的百年發(fā)展歷史與汽車的百年發(fā)展之路有很多相近的地方。從遠(yuǎn)古時(shí)代一直到近代，人類應(yīng)用的染料都來自天然的植物、動物和礦物，人類使用天然染料的歷史可以向前追溯幾千年。

英國人Perkin于1857年將第一個(gè)合成染料苯胺紫投入工業(yè)化生產(chǎn)，合成染料逐漸進(jìn)入人類發(fā)展的歷史舞臺。之后十幾年間，堿性品紅、甲基紫、甲基綠、甲基藍(lán)等合成染料相繼投入商品生產(chǎn)。1873年，法國Groissant和Bretonniere合成出第一個(gè)棕色的硫化染料，1893年發(fā)明了硫化黑，之后硫化染料的品種逐漸增加。1878年，Biebrich Scarlet發(fā)明了紅色的酸性染料，其純度和亮度優(yōu)于天然染料胭脂紅。1880年，英國的Thomas和Holiday合成了第一個(gè)不溶性偶氮染料，其染色牢度很高。同年，德國化學(xué)家Bayer合成了第一個(gè)還原染料靛藍(lán)，并于之后的1901年發(fā)明了第一個(gè)蒽醌型還原染料，從此各種還原染料不斷問世，成為染棉的優(yōu)質(zhì)染料。1884年，Bottiger合成出第一個(gè)直接染料剛果紅，此后各種直接染料大量出現(xiàn)，由于它們?nèi)痉ê啽悖荛L一段時(shí)期成為染棉的主要染料。1915年，汽巴公司推出1∶2型金屬絡(luò)合染料（中性染料），用于羊毛等蛋白質(zhì)纖維的染色。1921年，Bader和Sunder發(fā)明了可溶性還原染料即Indigosol（印地科素），可直接用于棉織物染色。1934年，英國開發(fā)出第一個(gè)銅酞菁染料，由于它能染得鮮艷的藍(lán)、綠色而受到重視。第一次世界大戰(zhàn)后，為適應(yīng)醋酯纖維染色，生產(chǎn)出了分散染料，隨著1947年滌綸纖維的大規(guī)模投產(chǎn)，分散染料迅猛發(fā)展，目前仍是合成染料最大的品種之一。1956年，英國ICI公司推出第一類活性染料，這類染料能與纖維素纖維等產(chǎn)生共價(jià)鍵的化學(xué)結(jié)合，被稱作“反應(yīng)型”染料，一經(jīng)問世就引起了印染界的廣泛重視，被視為染料發(fā)展史上的第二個(gè)里程碑。

與天然染料相比，合成染料具有品種多、色譜齊全、使用方便、染色牢度較高、價(jià)格較低，且具備染料的分子結(jié)構(gòu)便于人為設(shè)計(jì)、染料的產(chǎn)品質(zhì)量便于統(tǒng)一控制管理等優(yōu)點(diǎn)。合成染料只用100多年的時(shí)間，基本上取代了天然染料，成為印染行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的主要著色產(chǎn)品。

3 合成染料對人體的毒害

有關(guān)合成染料的致癌毒性很早就有發(fā)現(xiàn)。德國在1860年前后開始建立煤焦油化工，并大量使用芳香胺生產(chǎn)合成染料，1895年開始發(fā)現(xiàn)芳香胺的致癌毒性。1905年德國衛(wèi)生部從染料品紅、金胺和萘胺中真正確認(rèn)芳香胺的致癌作用，以后各國在發(fā)展煤焦油染料化工中都先后發(fā)現(xiàn)芳香胺致癌的病例，時(shí)間大多在開始染料生產(chǎn)后的15～20年，并隨著染料化工的進(jìn)一步發(fā)展，致癌病例逐年增加，特別是膀胱癌。到20世紀(jì)60年代中期，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，各國發(fā)現(xiàn)的職業(yè)性芳香胺膀胱腫瘤已超過3000例，而且發(fā)生職業(yè)性膀胱癌的職業(yè)也從染料行業(yè)擴(kuò)大到橡膠、電纜和所有使用這些致癌芳香胺的人員中[1]。

1994年7月15日，德國政府頒布了一項(xiàng)環(huán)保新法規(guī)，提出禁止生產(chǎn)和使用20種致癌芳香胺和在一定條件下能分解釋放出此類芳香胺的偶氮染料和其他致癌染料，禁止這些染料以及使用這些染料的紡織品、皮革制品等長期與人們皮膚接觸的消費(fèi)品進(jìn)入德國境內(nèi)。此后，法國、印度、荷蘭等一些國家紛紛仿效，歐洲共同體宣布補(bǔ)充另兩種芳香胺中間體為致癌中間體。首批禁用染料為118種，其中直接染料為77種、酸性染料為26種、分散染料6種、冰染染料5種、堿性染料3種、硫化染料1種。數(shù)量約占整個(gè)有機(jī)染料的一半左右的偶氮染料，在一定條件下往往能被還原或分解而釋放出具有致癌作用的芳香胺。其中，聯(lián)苯胺是一種典型的致癌芳香胺。

有毒有害合成染料的發(fā)現(xiàn)和鑒定是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，停產(chǎn)和禁用也需要一個(gè)過程。Oeko-Tex Standard 100每年發(fā)布新版，每版都增加新發(fā)現(xiàn)的禁用化工合成染料和其他化工合成物質(zhì)。

4 合成染料生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境的危害

燃油汽車對環(huán)境的污染因素主要是尾氣，還有煉油過程中的化工污染。合成染料對環(huán)境的污染，主要包括合成染料生產(chǎn)時(shí)的污染、紡織品印染加工過程的污染、紡織品上的染料和助劑對環(huán)境的污染，以及貼身穿著對人體的危害。

染料及染料中間體生產(chǎn)原料多，工藝復(fù)雜，主要以苯、萘、蒽醌等原料為母體，經(jīng)過一系列有機(jī)合成單元操作合成各種染料中間體，進(jìn)而合成染料[2]。高濃有機(jī)物廢水、酸性廢水、高鹽廢水、危險(xiǎn)固廢及大量廢氣會在多個(gè)工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生。在中國染料行業(yè)，這些污染物通過簡單處理后排放甚至直排的情況大量存在，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境，如圖6所示。染料行業(yè)歷次污染事件都伴隨強(qiáng)烈的視覺沖擊，造成了較為惡劣的影響。

圖6 2014年8月29日騰格里沙漠染料污水滲坑

紡織印染行業(yè)是工業(yè)污水排放大戶，以其染料廢水色度大、有機(jī)污染物含量高、組分復(fù)雜、生物毒性大，成為國內(nèi)外難處理的工業(yè)廢水源之一。在全國各工業(yè)行業(yè)中，廢水排放量居前5位的行業(yè)為造紙業(yè)、化工制造業(yè)（含染料制造）、電力業(yè)、黑色金屬冶煉業(yè)和紡織印染業(yè)，其中紡織印染業(yè)廢水排放量占全國工業(yè)廢水統(tǒng)計(jì)排放量的7.5%，其廢水排放總量居全國工業(yè)行業(yè)第五位，總量為14.13億t/年，其中印染廢水約為11.3億t（占紡織印染業(yè)廢水的80%），約占全國工業(yè)廢水排放量的6%，每天排放量在300萬～400萬t。

目前，我國染料年產(chǎn)能約為130萬t，占全球產(chǎn)能的60%以上，占全球40%以上的市場份額，常規(guī)生產(chǎn)品種約800個(gè)，染料中間體年產(chǎn)量約45萬t，是名副其實(shí)的染料生產(chǎn)和使用大國。當(dāng)代化工合成染料除了少部分染料因未上染而排放到污水中，其余大部分染料上染到紡織品上。這些上染到紡織品上的染料大部分都是難以自然降解的有機(jī)高分子合成物質(zhì)，最終大部分隨著紡織品的廢棄而進(jìn)入環(huán)境中長期存在和積累；小部分隨著每次洗滌而進(jìn)入生活污水，這部分大多數(shù)會被城市污水處理系統(tǒng)降解；極小的一部分透過皮膚被人體吸收，其中小部分被代謝分解，大部分累積在人體內(nèi)，如果碰上致癌品種，將大幅度提高患癌的風(fēng)險(xiǎn)。

5 天然染料的主要優(yōu)勢

已經(jīng)被人類使用了幾千年的天然染料，以其易于自然降解和再生的特性，如今已悄然成為綠色可持續(xù)紡織印染行業(yè)的重要選項(xiàng)[3]。與化工合成染料相比，天然染料的主要優(yōu)勢有以下方面。

（1）原料為天然植物，可永續(xù)再生，取之不盡、用之不竭，而煤化工和石油化工的原料遲早會枯竭。

（2）天然染料的提取以水等天然物質(zhì)為主要載體，沒有高分子材料的引入，相對簡單，節(jié)能環(huán)保。

（3）天然染料對紡織品的染色加工過程中，大多以水和天然助劑等為載體進(jìn)行上染、促染和固色，能耗低。染色后產(chǎn)生的污水和污泥，因其源自天然而易于實(shí)現(xiàn)自然降解等無害化處理，無污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）天然染料與人類共生于地球之上，所染的紡織品色彩自然柔和，幾千年以來尚未發(fā)現(xiàn)其致癌或致敏性，對人體不但無害，很多植物染料還具有一定的天然抑菌、抗炎、抗病毒等功效。

（5）天然染料紡織品上的染料不怕被人體皮膚吸收，即使少量吸收也容易被人體代謝分解和排出。

（6）天然染料紡織品具有一定抑菌、抗病毒功能，不易產(chǎn)生異味，可以減少日常水洗次數(shù)，從而減少自來水的消耗和洗滌劑的排放。

（7）天然染料紡織品廢棄時(shí)，因其不含難降解的合成高分子材料而易于分類、易于降解，生態(tài)循環(huán)周期短，給環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)極小。

（8）天然染料主要用于加工可永續(xù)再生的天然纖維和天然再生纖維，從而促進(jìn)紡織行業(yè)整體向著綠色可持續(xù)方向發(fā)展。

6 天然染料面臨的問題

如前所述，汽車的百年發(fā)展之路主要是由技術(shù)驅(qū)動的，綠色環(huán)保和可持續(xù)成為一個(gè)舉足輕重的參數(shù)。具有幾千年歷史的天然染料，需要當(dāng)代新技術(shù)的驅(qū)動，從染料植物的種植、天然色素的提取、天然染料的染色加工工藝以及配套天然助劑等方面出發(fā)，解決以下問題。

（1）在染料的提取效率和殘?jiān)奶幹蒙希捎靡弧⒍⑷a(chǎn)業(yè)融合的方式，在現(xiàn)代化染料植物種植基地就近設(shè)置工業(yè)化色素提取工廠，就近完成紡織品的染色加工，就近處理廢棄物并及時(shí)還田，讓號稱“高水耗、高能耗、高污染”的印染行業(yè)成為低水耗、低能耗、無污染的綠色、可觀光示范產(chǎn)業(yè)。

（2）借鑒先進(jìn)的半導(dǎo)體光刻經(jīng)驗(yàn)，采用當(dāng)代光波、微波、聲波等技術(shù)，提高天然染料上染效率，提高色牢度，使天然染料染色產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》（GB 18401—2010）要求。

（3）盡量減少和避免陽離子改性劑、固色劑等難降解的合成高分子材料的使用，減少無機(jī)鹽媒染劑的使用，以避免土壤被金屬元素污染的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）降低天然染料及其染色加工的生產(chǎn)成本，讓天然染料紡織品的價(jià)格與化工合成染料產(chǎn)品接近。

7 結(jié)束語

隨著國內(nèi)環(huán)保壓力的不斷增加，導(dǎo)致化工合成染料成本不斷上漲，越來越多的消費(fèi)者也逐漸認(rèn)識到化工合成染料造成的污染以及對人體的潛在危害。石油和煤炭的不可再生注定了化工合成染料的誕生只能是為了完成短暫的歷史使命，正如燃油汽車終將退出一樣，融合了當(dāng)代科技的天然染料必將取代化工合成染料。