从汽车的百年发展历史和趋势预测纺织染料的绿色发展前景

李伟勇，高光东

1.广东职业技术学院，广东 佛山 528041

2.杭州彩润科技有限公司，浙江 杭州 311000

汽车的百年发展之路主要由技术驱动，从蒸汽机到煤气机，再到燃油机、电气化、人工智能，最终绿色环保和可持续成为一个举足轻重的参数。化工合成染料也是随着历次工业革命快速发展起来的，其污染问题和不可持续的问题随着时代的发展逐渐暴露出来。在此背景下，融入当代新技术的天然染料，将成为绿色环保可持续纺织品的重要选择。

1 汽车的百年发展历史和趋势

1766年英国发明家瓦特发明了蒸汽机，拉开了工业革命的序幕。1769年法国陆军工程师N.J.居纽（Cugnot）制造出第一辆蒸汽机驱动的自动力车，如图1所示。这种车装着三个木制车轮，车驾前端装着一个大锅炉，是世界上最早的汽车，因为使用蒸汽机驱动，所以叫汽车。虽然蒸汽驱动被后来的燃油、燃气、电池等驱动方式淘汰，但“汽车”称谓沿用至今。18世纪末到19世纪初，欧美国家出现了制造蒸汽汽车的热潮，各种用途的蒸汽汽车相继问世，此时的蒸汽公共汽车是最早的公共汽车雏形，如图2所示。

图1 法国居纽蒸汽汽车

图2 蒸汽公共汽车

德国工程师卡尔·本茨（Karl Benz）于1885年研制成一辆装有0.85马力的汽油机三轮车，该车已具备现代汽车的一些基本特点，如火花点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬架、后轮驱动前轮转向和制动手把等，被世界公认为第一辆现代汽车。另一位德国工程师哥德里普·戴姆勒同时研制出一辆用1.1马力汽油发动机作为动力的四轮汽车。1920年代，哥德里普·戴姆勒的公司和卡尔·本茨的公司合并成戴姆勒-奔驰公司，梅赛德斯·奔驰品牌正式诞生，直到现在其仍然是最受欢迎的汽车品牌之一。

第一辆在生产线上生产的福特T型汽车于1908年在美国诞生，如图3所示。其一改以往类似马车的造型，加上功能配置上的创新和改进，成为当时城市的最佳个人交通工具，上市一年卖出近2万辆，到12年后退役时共生产了1500万辆。

图3 最早的福特T型汽车

福特T型汽车的销售纪录保持了十多年，直到1938年大众甲壳虫车型问世，才打破了福特T型汽车的产量纪录，汽车由箱型改变为流线型，如图4所示。

图4 大众甲壳虫汽车

1959年，宝马Mini轿车问世，再次引发了汽车技术的一场革命，至今60多年仍在流行，而且后来几乎所有公司都或多或少地模仿了“Mini”的设计，使“Mini”成为最家庭化的轿车。

进入21世纪，汽车工业快速发展，特别是中国汽车的产销量连续多年蝉联世界第一。随着汽车保有量的快速增长，人们发现赖以生存的环境日益变得恶劣。研究发现，燃油汽车排放的尾气是造成环境污染的元凶之一，因此很多国家和地区规定了禁售燃油汽车的时间，如表1所示，并颁布了相应的法规。无人驾驶的电动汽车经过充分测试，相信不久将会大量上路，汽车将进入AI时代，无人驾驶汽车如图5所示。

表1 全球各国家和地区燃油车禁售计划时间表

图5 测试中的华为无人驾驶汽车

2 化工合成染料的百年发展历史和前景

化工合成染料的百年发展历史与汽车的百年发展之路有很多相近的地方。从远古时代一直到近代，人类应用的染料都来自天然的植物、动物和矿物，人类使用天然染料的历史可以向前追溯几千年。

英国人Perkin于1857年将第一个合成染料苯胺紫投入工业化生产，合成染料逐渐进入人类发展的历史舞台。之后十几年间，碱性品红、甲基紫、甲基绿、甲基蓝等合成染料相继投入商品生产。1873年，法国Groissant和Bretonniere合成出第一个棕色的硫化染料，1893年发明了硫化黑，之后硫化染料的品种逐渐增加。1878年，Biebrich Scarlet发明了红色的酸性染料，其纯度和亮度优于天然染料胭脂红。1880年，英国的Thomas和Holiday合成了第一个不溶性偶氮染料，其染色牢度很高。同年，德国化学家Bayer合成了第一个还原染料靛蓝，并于之后的1901年发明了第一个蒽醌型还原染料，从此各种还原染料不断问世，成为染棉的优质染料。1884年，Bottiger合成出第一个直接染料刚果红，此后各种直接染料大量出现，由于它们染法简便，很长一段时期成为染棉的主要染料。1915年，汽巴公司推出1∶2型金属络合染料（中性染料），用于羊毛等蛋白质纤维的染色。1921年，Bader和Sunder发明了可溶性还原染料即Indigosol（印地科素），可直接用于棉织物染色。1934年，英国开发出第一个铜酞菁染料，由于它能染得鲜艳的蓝、绿色而受到重视。第一次世界大战后，为适应醋酯纤维染色，生产出了分散染料，随着1947年涤纶纤维的大规模投产，分散染料迅猛发展，目前仍是合成染料最大的品种之一。1956年，英国ICI公司推出第一类活性染料，这类染料能与纤维素纤维等产生共价键的化学结合，被称作“反应型”染料，一经问世就引起了印染界的广泛重视，被视为染料发展史上的第二个里程碑。

与天然染料相比，合成染料具有品种多、色谱齐全、使用方便、染色牢度较高、价格较低，且具备染料的分子结构便于人为设计、染料的产品质量便于统一控制管理等优点。合成染料只用100多年的时间，基本上取代了天然染料，成为印染行业实际应用的主要着色产品。

3 合成染料对人体的毒害

有关合成染料的致癌毒性很早就有发现。德国在1860年前后开始建立煤焦油化工，并大量使用芳香胺生产合成染料，1895年开始发现芳香胺的致癌毒性。1905年德国卫生部从染料品红、金胺和萘胺中真正确认芳香胺的致癌作用，以后各国在发展煤焦油染料化工中都先后发现芳香胺致癌的病例，时间大多在开始染料生产后的15～20年，并随着染料化工的进一步发展，致癌病例逐年增加，特别是膀胱癌。到20世纪60年代中期，据不完全统计，各国发现的职业性芳香胺膀胱肿瘤已超过3000例，而且发生职业性膀胱癌的职业也从染料行业扩大到橡胶、电缆和所有使用这些致癌芳香胺的人员中[1]。

1994年7月15日，德国政府颁布了一项环保新法规，提出禁止生产和使用20种致癌芳香胺和在一定条件下能分解释放出此类芳香胺的偶氮染料和其他致癌染料，禁止这些染料以及使用这些染料的纺织品、皮革制品等长期与人们皮肤接触的消费品进入德国境内。此后，法国、印度、荷兰等一些国家纷纷仿效，欧洲共同体宣布补充另两种芳香胺中间体为致癌中间体。首批禁用染料为118种，其中直接染料为77种、酸性染料为26种、分散染料6种、冰染染料5种、碱性染料3种、硫化染料1种。数量约占整个有机染料的一半左右的偶氮染料，在一定条件下往往能被还原或分解而释放出具有致癌作用的芳香胺。其中，联苯胺是一种典型的致癌芳香胺。

有毒有害合成染料的发现和鉴定是一个循序渐进的过程，停产和禁用也需要一个过程。Oeko-Tex Standard 100每年发布新版，每版都增加新发现的禁用化工合成染料和其他化工合成物质。

4 合成染料生产和使用过程中对环境的危害

燃油汽车对环境的污染因素主要是尾气，还有炼油过程中的化工污染。合成染料对环境的污染，主要包括合成染料生产时的污染、纺织品印染加工过程的污染、纺织品上的染料和助剂对环境的污染，以及贴身穿着对人体的危害。

染料及染料中间体生产原料多，工艺复杂，主要以苯、萘、蒽醌等原料为母体，经过一系列有机合成单元操作合成各种染料中间体，进而合成染料[2]。高浓有机物废水、酸性废水、高盐废水、危险固废及大量废气会在多个工艺环节产生。在中国染料行业，这些污染物通过简单处理后排放甚至直排的情况大量存在，严重威胁着生态环境，如图6所示。染料行业历次污染事件都伴随强烈的视觉冲击，造成了较为恶劣的影响。

图6 2014年8月29日腾格里沙漠染料污水渗坑

纺织印染行业是工业污水排放大户，以其染料废水色度大、有机污染物含量高、组分复杂、生物毒性大，成为国内外难处理的工业废水源之一。在全国各工业行业中，废水排放量居前5位的行业为造纸业、化工制造业（含染料制造）、电力业、黑色金属冶炼业和纺织印染业，其中纺织印染业废水排放量占全国工业废水统计排放量的7.5%，其废水排放总量居全国工业行业第五位，总量为14.13亿t/年，其中印染废水约为11.3亿t（占纺织印染业废水的80%），约占全国工业废水排放量的6%，每天排放量在300万～400万t。

目前，我国染料年产能约为130万t，占全球产能的60%以上，占全球40%以上的市场份额，常规生产品种约800个，染料中间体年产量约45万t，是名副其实的染料生产和使用大国。当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纺织品上。这些上染到纺织品上的染料大部分都是难以自然降解的有机高分子合成物质，最终大部分随着纺织品的废弃而进入环境中长期存在和积累；小部分随着每次洗涤而进入生活污水，这部分大多数会被城市污水处理系统降解；极小的一部分透过皮肤被人体吸收，其中小部分被代谢分解，大部分累积在人体内，如果碰上致癌品种，将大幅度提高患癌的风险。

5 天然染料的主要优势

已经被人类使用了几千年的天然染料，以其易于自然降解和再生的特性，如今已悄然成为绿色可持续纺织印染行业的重要选项[3]。与化工合成染料相比，天然染料的主要优势有以下方面。

（1）原料为天然植物，可永续再生，取之不尽、用之不竭，而煤化工和石油化工的原料迟早会枯竭。

（2）天然染料的提取以水等天然物质为主要载体，没有高分子材料的引入，相对简单，节能环保。

（3）天然染料对纺织品的染色加工过程中，大多以水和天然助剂等为载体进行上染、促染和固色，能耗低。染色后产生的污水和污泥，因其源自天然而易于实现自然降解等无害化处理，无污染环境的风险。

（4）天然染料与人类共生于地球之上，所染的纺织品色彩自然柔和，几千年以来尚未发现其致癌或致敏性，对人体不但无害，很多植物染料还具有一定的天然抑菌、抗炎、抗病毒等功效。

（5）天然染料纺织品上的染料不怕被人体皮肤吸收，即使少量吸收也容易被人体代谢分解和排出。

（6）天然染料纺织品具有一定抑菌、抗病毒功能，不易产生异味，可以减少日常水洗次数，从而减少自来水的消耗和洗涤剂的排放。

（7）天然染料纺织品废弃时，因其不含难降解的合成高分子材料而易于分类、易于降解，生态循环周期短，给环境造成的负担极小。

（8）天然染料主要用于加工可永续再生的天然纤维和天然再生纤维，从而促进纺织行业整体向着绿色可持续方向发展。

6 天然染料面临的问题

如前所述，汽车的百年发展之路主要是由技术驱动的，绿色环保和可持续成为一个举足轻重的参数。具有几千年历史的天然染料，需要当代新技术的驱动，从染料植物的种植、天然色素的提取、天然染料的染色加工工艺以及配套天然助剂等方面出发，解决以下问题。

（1）在染料的提取效率和残渣的处置上，采用一、二、三产业融合的方式，在现代化染料植物种植基地就近设置工业化色素提取工厂，就近完成纺织品的染色加工，就近处理废弃物并及时还田，让号称“高水耗、高能耗、高污染”的印染行业成为低水耗、低能耗、无污染的绿色、可观光示范产业。

（2）借鉴先进的半导体光刻经验，采用当代光波、微波、声波等技术，提高天然染料上染效率，提高色牢度，使天然染料染色产品的各项指标达到《国家纺织产品基本安全技术规范》（GB 18401—2010）要求。

（3）尽量减少和避免阳离子改性剂、固色剂等难降解的合成高分子材料的使用，减少无机盐媒染剂的使用，以避免土壤被金属元素污染的风险。

（4）降低天然染料及其染色加工的生产成本，让天然染料纺织品的价格与化工合成染料产品接近。

7 结束语

随着国内环保压力的不断增加，导致化工合成染料成本不断上涨，越来越多的消费者也逐渐认识到化工合成染料造成的污染以及对人体的潜在危害。石油和煤炭的不可再生注定了化工合成染料的诞生只能是为了完成短暂的历史使命，正如燃油汽车终将退出一样，融合了当代科技的天然染料必将取代化工合成染料。