拓展閱讀：功能染料概述

功能性染料是一類具有特殊功能或應用性能的染料。這種特殊功能指的是染料用于著色用途以外的性能，通常都與近代高、新技術領域關聯(lián)的光、電、熱、化學、生化等性質相關。目前，功能染料已被廣泛地應用于液晶顯示、熱敏壓敏記錄、光盤記錄、光化學催化、光化學治療等高新技術領域。在光電子學領域，功能性染料的一個重要應用是作為電荷生成材料，通過光誘導電荷分離和電場誘導載流子遷移，形成靜電潛影，進而用于激光打印或靜電復印。

功能染料主要有兩種開發(fā)途徑：一是篩選原有染料，利用傳統(tǒng)的染料和顏料的某些潛在性能；二是改變傳統(tǒng)染料的發(fā)色體系，使其具有新的功能。所以，功能性染料的開發(fā)應用是功能性高分子和染料化學的一個新領域。

一、功能染料及其主要用途

功能性染料按照功能分類主要有：

1.激光染料（Laser dyes） 在高技術中的最早應用是激光染料。染料激光器是一種以染料為工作物質，將染料受激光輻射所產(chǎn)生的光輻射沿某一特定方向反復傳播、放大，使之形成一束強度大、方向集中的光束的光電發(fā)生裝置。由于染料在可見光區(qū)域均有較強的吸收，因此可實現(xiàn)激光輸出波長的連續(xù)可調。可用于同位素分離、光化學、疾病診斷、環(huán)境污染檢測及彩色全息照相等方面。按化學結構可分為四類：菁類染料（激光范圍為540～1 200nm）；香豆素類染料（激光范圍為425～565nm）；嗪類染料（激光范圍為650～700nm）；閃爍材料，主要是些含嗪、二唑、苯并唑環(huán)的芳香族化合物，是紫到紫外區(qū)域中的激光染料。

2.液晶染料（Dichroic dyes） 液晶染料主要指可在液晶中摻雜的具有二色性的染料。二色性染料沿著不同的軸具有不同的光吸收，因而具有不同的顏色。存在于液晶中的二色性染料分子的排列往往取決于主液晶（Host liquid crystal）的取向。在不加電場的情況下，主體液晶及客體染料分子均隨機取向，透過液晶顯示器的顏色將是不同色軸顏色的混合色；在施加電場的情況下，主液晶的矢量將沿場排列，此時染料主分子軸也將沿場排列，透過液晶顯示器的將是主分子軸方向的顏色，從而實現(xiàn)彩色液晶顯示。

3.光致變色色素（Photochromic colorants） 這類色素受到光照射后，通過共軛鏈變化、順-反式結構變化、分子內質子轉移、開環(huán)-閉環(huán)反應、加氧-脫氧反應和光氧化-還原反應等光化學反應，使色素的最大吸收波長（或反射光的波長）發(fā)生變化。這類色素有可能在顯示材料、傳感器以及裝潢等方面得到應用。

4.熱致變色色素（Thermochromic colorants） 這類色素在受熱時，通過結構和金屬絡合物幾何構型的變化、熱分解以及酸堿反應、電荷轉移、質子傳遞和螯合等反應使色素發(fā)生顏色變化。熱致變色可以是可逆的，也可以是不可逆的。熱致變色材料可以是單一的化合物，也可以是由多種成分復合而成的混合物。根據(jù)工藝配方的不同，可得到不同變色溫度和不同顏色變化的熱致變色材料（或色素）。熱致變色材料可制成示溫材料、絲網(wǎng)印刷和凹版印刷用油墨，用于各種薄膜、標簽、包裝物、日用品、玩具等需要隨溫度變色制品的印刷。通常先要將熱致變色材料制成微膠囊或其他劑型。

5.電致變色色素（Electrochromic colorants） 這類色素能在外接電壓或者電流的驅動下，發(fā)生電化學氧化還原反應而引起顏色變化。即在外加電場作用下，物質的光學性能（透射率、反射率等）在可見光范圍內產(chǎn)生穩(wěn)定的可逆變化。電致變色色素分為無機電致變色色素和有機電致變色色素（如紫精類、稀土酞菁、吡嗪類、吩噻嗪類等）。無機電致變色材料主要集中在過渡金屬氧化物、絡合物、普魯士藍、雜多酸等。有機電致變色材料分為有機小分子電致變色材料和高分子電致變色材料。電致變色材料具有：顏色變化的可逆性、方便性、靈敏性、多色性，顏色深度的可控性，顏色的記憶性，電致變色材料的驅動電壓低，顏色環(huán)境適應性強等優(yōu)異的特性。近年來已研制開發(fā)出了多種電致變色器件，主要有電致變色顯示器（Electrochromic display，簡稱ECD）、電致變色智能窗、無眩反光鏡、電色儲存器件等。此外還包括變色太陽鏡、高分辨率光電攝像器材、光電化學能轉換和儲存器、電子束金屬版印刷技術等高新技術產(chǎn)品，前景十分廣闊。

6.電致發(fā)光色素（Electroluminescent colorants） 這類色素能在外界電場的作用下，將電能直接轉換成光能。發(fā)光二極管（LED）是由無機半導體材料制成的。20世紀60年代初發(fā)現(xiàn)有機電致發(fā)光現(xiàn)象。1987年美國柯達公司的C. W. Tang（鄧青云）博士制備了以8-羥基喹啉鋁為發(fā)光材料的高亮度的多層器件，使有機電致發(fā)光研究取得了突破性進展。電致發(fā)光器件的發(fā)光機理是：將從陰極和陽極產(chǎn)生的電子和空穴分別注入夾在電極之間的有機功能薄膜層，并分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移。電子和空穴結合產(chǎn)生激子；由電能產(chǎn)生的激子屬于高能態(tài)物質，其能量可以將發(fā)光色素分子中的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)。最后發(fā)生電致發(fā)光，激發(fā)態(tài)能量通過輻射失活，產(chǎn)生光子，釋放能量。有機電致發(fā)光器件（Organic Light Emitting Diode，OLED）具有響應速度快、亮度高、視角廣、功耗低、易彎曲、易加工的特點，可制成薄型的、平面的、甚至是柔性的發(fā)光器件。正是這些潛在的優(yōu)勢，有機電致發(fā)光技術的研究引起了國內外許多科研工作者以及許多企業(yè)的極大興趣。

7.光盤用色素 這類色素主要用于可刻錄式光盤（CD-R）的制作。CD-R是在一定強度激光的照射下，使記錄層發(fā)生不可逆的物理或化學變化，從而改變光的反射和透射強度來進行信息記錄的。有機材料具有：熔化或軟化溫度低，記錄靈敏度高；熱導系數(shù)小，記錄點小，從而可獲得高的信噪比；可通過旋轉涂布法成膜，成本低、效率高；光學和熱變形性質可通過改變有機分子的結構來調整；來源廣，毒性小等特點。因而，光盤記錄介質的開發(fā)已轉向功能染料。目前CD-R光盤主要用菁染料、酞菁染料和偶氮染料。在市售的CD-R光盤中，綠盤使用的是菁染料，金盤使用的是酞菁染料，而藍盤使用的是偶氮染料。

8.太陽能存儲用色素 這類色素能通過光化學的方法將太陽能轉換為化學能，從而加以存儲，用于這一用途的色素又稱為太陽能光敏化劑。在太陽能光敏化劑、光催化劑存在下，利用太陽光把H₂O分解為H₂和O₂，再在需要時把氫和氧燃燒，從而放出熱能，或者是單獨使用氫氣。這類色素主要是吡啶釕絡合物、喹啉菁染料、苝類化合物和卟啉類化合物等。

9.生物醫(yī)用色素 隨著染料化學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)可以通過物理作用或者化學反應將染料分子引入生物大分子的主鏈或側鏈上，染料和底物在分子水平上的結合只要極少量染料便可獲得所需的顏色深度，或者發(fā)出較強的熒光，從而衍生出生物醫(yī)學用色素。這類色素的種類很多，主要是熒光探針、DNA測序用熒光染料和光動力學治療用色素。

（1）熒光探針色素：借助熒光探針色素分子的光物理和光化學性質對微環(huán)境變化的敏感性，可以在分子水平上研究生物體內結構的變化。根據(jù)熒光染料分子與生物大分子作用方式的不同，可以分為嵌入式熒光探針和鍵合式熒光探針。一般來說，嵌入式熒光探針染料本身不帶有活性基團，熒光探針與蛋白質、DNA、核酸等生物大分子只是通過靜電吸引或疏水作用相結合并嵌入生物分子中，因此這類染料探針被稱為嵌入式熒光探針。鍵合式熒光探針利用本身帶有的活性反應基團與蛋白質、核酸等生物分子中的氨基或巰基等基團反應形成化學鍵，與生物分子牢固地結合。熒光探針技術方法多樣、直觀性強、靈敏度高、檢測快速、設備依賴性小，因而這種技術已成為人們研究與分子間和分子內弱相互作用密切相關的超分子物理與化學問題的有力手段，廣泛應用于蛋白質結構及其微環(huán)境的研究、組織化學染色、抗原抗體反應的監(jiān)測及定位、疾病診斷等方面。隨著儀器水平的逐漸提高，利用熒光探針技術，人們不僅可以研究穩(wěn)態(tài)超分子物理與化學問題，而且可以研究與超分子結構形成與破壞相關的動態(tài)物理與化學問題。

在生物醫(yī)學檢測方面，熒光探針法與傳統(tǒng)的同位素檢測方法相比具有響應快、重復性好、用樣量少、無輻射等優(yōu)點，因而在DNA自動測序、抗體免疫分析、疾病診斷、抗癌藥物分析等方面得到了廣泛的應用，也可用于電子學、聚合物化學、醫(yī)學、法醫(yī)學和其他領域。

（2）DNA測序熒光染料：熒光染料特別適合于生物應用，可以形成高靈敏度的試劑，用能與樣品中的特定生物組分優(yōu)先結合的染料，測定特定組分的存在及其數(shù)量，能監(jiān)測特定細胞在不同環(huán)境中的分布，進而測定細胞的離子、電荷及新陳代謝性能。對所用的熒光染料的要求是：最大吸收波長應在可見光區(qū)，最大發(fā)射波長盡量靠近紅光區(qū)，以避免DNA自身的藍色熒光干擾；能發(fā)射足夠強度的熒光；不影響DNA片段在電場中的泳動；染料本身無毒害。DNA測序用的熒光染料主要是菁類、熒光素和若丹明、菲啶類染料、1，8-萘酰亞胺類染料和二吡咯烷硼二氟類等化合物，熒光多為黃、綠、紅色，熒光量子產(chǎn)率較高。

（3）光動力治療用色素：光動力療法（Photodynamic therapy，簡稱PDT）的基本原理是：用對光有特殊敏感作用的色素（即光敏化劑）標識腫瘤細胞，然后再用強光或激光照射，在氧氣參與下，使癌細胞或癌組織上的標記物發(fā)生光化學反應，從而殺滅癌細胞。光動力療法的最大優(yōu)勢在于它的選擇性殺傷作用。由于光敏化劑作為有特殊性能的光標識材料，在正常細胞中很容易代謝、排除，而在腫瘤細胞上卻能停留相當長的時間。因此，在一定時間之后正常細胞組織上的標記物減少了，甚至消失，但在癌細胞組織上尚保留著這些標記物，這樣標記物富集在腫瘤組織內，用適當?shù)墓饧ぐl(fā)可以檢測出癌癥發(fā)病位置，病癥的傷害程度等信息，再用特定波長的激光激發(fā)，產(chǎn)生能破壞腫瘤組織的自由基物質或引發(fā)氧分子轉變?yōu)槟軞绨┘毎膯尉€態(tài)氧，達到治療的目的。所以光動力療法只造成腫瘤的壞死，而不傷害周圍的正常細胞組織，從而實現(xiàn)了它的選擇性殺傷作用目標。光動力治療為腫瘤等疑難疾病的診治開辟一個新的領域。

10.化學發(fā)光用色素 化學發(fā)光 （Chemiluminscence） 指由化學反應釋放的能量引發(fā)它周圍的物質使其達到激發(fā)態(tài)，被激發(fā)的物質再通過光輻射衰減能量回到基態(tài)的過程。簡言之，化學發(fā)光是一個將化學反應產(chǎn)生的能量轉變成光能的過程。用作照明的化學發(fā)光器件是在20世紀60年代實現(xiàn)商業(yè)化的，美國氰胺公司于1971年推出人工熒光燈——化學光棒。

化學發(fā)光大多伴隨著氧化反應的發(fā)生，化學發(fā)光材料首先被氧化劑（如過氧化氫）氧化，生成高能過氧化物，它降解產(chǎn)生的化學能轉移給體系內的某種熒光劑，后者因獲得能量而被激發(fā)，最后處于激發(fā)態(tài)的熒光劑回到基態(tài)，同時以光的形式衰減能量。常見的化學發(fā)光試劑有3-氨基鄰苯二甲酰肼、光澤精、吖啶酯、三苯基咪唑、1，10-鄰菲啰啉、草酸酯類等。

11.有色聚合物（高分子染料） 具有發(fā)色體系的高分子聚合物。具有顏料著色和溶劑染料著色的優(yōu)點，可用于塑料或纖維的原液著色和紡織品的涂層和印花，甚至可以和被著色的高分子物質發(fā)生反應，通過共價鍵結合為一體。

有色聚合物具有非吸收性，由于對細胞膜幾乎沒有滲透性，也不易被細菌和酶分解，因此有色聚合物誤食后不會被體內吸收，仍原封不動排出體外，不對肌體產(chǎn)生毒害作用。偶氮苯是一類具有鮮明顏色的化合物，但是小分子偶氮苯是潛在的致癌物質，經(jīng)高分子化后可以阻止被人體吸收。許多在小分子狀態(tài)下有毒不能作為食用色素的偶氮類化合物，通過高分子化后毒性消失，廣泛用作食品和幼兒玩具色素；可用于粉、霜、發(fā)蠟、指甲油等化妝品的著色，提高化妝品的安全性。有色聚合物按色素分子結構可分為偶氮、蒽醌、雜環(huán)、酞菁、螺吡喃、芳甲烷型以及噻嗪類、苝四甲酸酐類、萘四甲酐類、卟啉類等；按連接的聚合物單體的性質可分為苯乙烯類、聚丙烯酸酯類、有機硅類等；按發(fā)色體和高分子鏈的相對位置分為骨架式有色聚合物和垂掛式有色聚合物兩大類，骨架式有色聚合物是通過聚合方法合成，而垂掛式有色聚合物通常由聚合物化學改性合成。

二、功能染料在紡織染整中的應用

功能染料已經(jīng)在紡織印染行業(yè)中進入實用階段或已顯示出其潛在的應用前景。目前主要應用和研究的有以下幾類：

1.光變色染料和顏料 具有光致變色（即顏色隨光照而變化）性的染料或顏料。

2.熒光染料和顏料 能在可見光范圍強烈吸收和輻射出熒光的染料。而熒光顏料實質上是顆粒很細的熒光染料的樹脂固溶體。

3.紅外線吸收染料和紅外線偽裝染料 紅外線吸收染料是指對紅外線有較強吸收的染料，被用于太陽能轉換和儲存；紅外線偽裝染料（或顏料）指的是紅外線吸收特性和自然環(huán)境相似的一些具有特定顏色的染料，可以偽裝所染物體，使物體不易被紅外線觀察所發(fā)現(xiàn)，主要用于軍事裝備和作戰(zhàn)人員的偽裝。

4.熱變色染料和顏料 具有熱敏變色性的染料和顏料已越來越多地用于紡織品的染色和印花。

5.濕敏涂料 由鈷鹽制成的無機涂料。

6.有色聚合物 可用于塑料或纖維的原液著色和紡織品的涂層和印花。由于功能高分子染料耐高溫性，耐溶劑性和耐遷移性，特別適用于纖維及其織物的著色，可提高被染物的耐摩擦性和耐洗滌性；由于有色聚合物的耐遷移性能優(yōu)異，安全性高，可用于食品包裝材料、玩具、醫(yī)療用品等的染色。此外，還應用于皮革染色、彩色膠片和光盤等染色。

7.遠紅外保溫涂料 由具有很強的發(fā)射紅外線特性的無機陶瓷粉末以及一些鎂鋁硅酸鹽加工而成。主要用于加工陽光蓄熱保溫織物。此外，通過涂料印花或涂層加工，還可賦予織物發(fā)射紅外線的功能，使織物具備良好的隔熱性或保溫性。

功能染料的研究與開發(fā)，扭轉了染料工業(yè)被認為是“夕陽工業(yè)”的局面，使古老的染料工業(yè)煥發(fā)出青春。功能高分子染料用量少，作用效果好，耐溶劑性和穩(wěn)定性較強，在酸堿指示劑、光電顯示材料、印染、彩色膠片、核酸親和色譜、光電化學電池的電極增敏膜以及激光光盤記錄材料、液晶顯示、國防科技等許多領域有廣泛的應用，但真正實用化、器件化的高分子染料種類較少，開發(fā)更多、穩(wěn)定性強、可器件化的功能染料將是以后發(fā)展的趨勢。