溫度對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響

劉國熠，李衛(wèi)斌，趙家琪，趙曉明

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387)

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溫度對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響

劉國熠，李衛(wèi)斌，趙家琪，趙曉明

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387)

本文通過實驗分析了溫度對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響。在不同溫度條件下，利用光纖傳感系統(tǒng)測量單組分、雙組分和三組分混合染液中各組分濃度，分析各因素對染料濃度測定的影響。結(jié)果表明，溫度不影響單組分、雙組分混合染液染料濃度測量，但對于三組分混合染液，當其中兩個染料的最大吸收波長距離較近時，溫度對濃度測定影響較大，其測試誤差增大，需要采用數(shù)學方法進行修正。

溫度染料濃度

0　前言

進入20世紀80年代后，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，然而更高的環(huán)境保護要求和劇烈的國際市場競爭，要求工業(yè)生產(chǎn)既有穩(wěn)定高質(zhì)量的產(chǎn)品，又最大限度地降低成本，因此在線分析技術(shù)越來越廣泛地進入到了工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)[1-3]。20世紀90年代以來，在光纖、計算機、化學計量學和儀器制造等技術(shù)不斷發(fā)展的帶動下，出現(xiàn)了許多新型的在線光譜分析技術(shù)，使只能在實驗室中進行物質(zhì)成分分析的結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大的分析儀器也能用在工業(yè)生產(chǎn)的實時在線分析[4-7]。光譜在線儀器大都采用光纖來傳輸光，光纖是光導纖維的簡稱[8-11]，它可在困難條件或危險環(huán)境以及復雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中進行分析，從而使光譜儀遠離測試樣點。光纖還使光譜儀器的設計、制造和安裝變得極為方便。目前，最常用的測定染料濃度方法是分光光度法，基于此法的染色過程在線檢測設備，需將染液導出后測試，不能實現(xiàn)原位在線檢測。光纖傳感系統(tǒng)解決了分光光度計的劣勢，它將測試探頭直接插入染浴中進行測試，所以能方便快捷地測定染浴中的各組分染料濃度，可實現(xiàn)實時原位監(jiān)控染色過程中染液濃度。目前有一些基于分光光度法的在線檢測設備，但不能實現(xiàn)原位檢測[12-14]。本課題采用的是南京達元智能科技有限公司生產(chǎn)的光纖液體原位實時分析儀，此設備實現(xiàn)了原位實時在線檢測染料濃度，首先將測試探頭裝入傳感器中，并將其浸入需檢測的染浴中，其次分析儀中的光源發(fā)出光信號，經(jīng)過光纖傳導至傳感器發(fā)出，再由探頭將光信號反射回傳感器中，并通過光纖將光信號傳輸?shù)街鳈C檢測器里，利用主機檢測器中的CCD模塊，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并通過與電腦的連接線傳輸?shù)诫娔X中，這樣電腦顯示器上可實時讀取染液的吸光度值，計算出混合染液各組分染料濃度。本課題以活性染料為研究對象，利用光纖傳感系統(tǒng)對多組分染液濃度進行測定。為了加快染料上染至纖維，并固著在其上的速率，往往會提高溫度[14-20]。溫度升高后，染料分子的反應速率加劇[21-28]。本文分析了溫度對染料濃度檢測的影響。

1　材料和儀器

表1　實驗材料和儀器

2　實驗方法

選取活性紅BES和活性藍3G染料，分別配制0.0300g/L、0.0400g/L單組分染液，將配制的染液放在超聲波清洗器中，在其最大功率下從室溫升溫至75℃。利用光纖傳感系統(tǒng)檢測每種染液中染料的濃度，分析溫度對不同濃度染液測量的影響。

選取活性紅2G和活性藍3G染料，設定兩種染料濃度為0.0100g/L、0.0200g/L。分別從各自染料濃度中選取一種濃度，按照1∶2和2∶1兩種比例，配制成活性紅2G和活性藍3G混合染液。將配制的染液放在超聲波清洗器中，在其最大功率下從室溫升溫至75℃。利用光纖傳感系統(tǒng)檢測每種染液中染料的濃度，分析溫度對不同濃度染液測量的影響。

選取活性紅2G、活性紅BES和活性藍3G染料，設定三種染料濃度為0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L。分別從各自染料濃度中選取一種濃度，按照2∶3∶1和3∶1∶2兩種比例，配制成活性紅2G、活性紅BES和活性藍3G混合染液。將配制的染液放在超聲波清洗器中，在其最大功率下從室溫升溫至75℃。利用光纖傳感系統(tǒng)檢測每種染液中染料的濃度，分析溫度對不同濃度染液測量的影響。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1溫度對單組分染液的影響

圖1　不同溫度下活性紅BES染料實測濃度

由圖1、圖2可知，隨著溫度從25℃不斷提高到75℃，活性紅BES、活性藍3G染料實測濃度保持不變，表明在此溫度范圍內(nèi)，溫度不影響活性紅BES、活性藍3G染料濃度的變化。雖然隨著溫度升高，溶液體積不斷增大，染料分子熱運動加劇，分子間距也在增加，但染料的活性基并沒有發(fā)生水解，因為染液吸光光譜圖中沒有水解染料的吸收峰，所以活性紅BES、活性藍3G染料濃度不受溫度影響。當活性紅BES實配濃度分別為0.042g/L時，染料實測濃度為0.039g/L，其與實配濃度相對誤差為7.14%；當活性紅BES實配濃度分別為0.06g/L時，染料實測濃度為0.058g/L，其與實配濃度相對誤差為3.33%。當活性藍3G實配濃度分別為0.03g/L時，染料實測濃度為0.031g/L，其與實配濃度相對誤差為3.33%；當活性紅BES實配濃度分別為0.056g/L時，染料實測濃度為0.06g/L，其與實配濃度相對誤差為7.14%。在不同溫度下，不同溶液中染料實測濃度與實配濃度的相對誤差均小于8%，表明溫度不影響染料濃度與吸光度線性關(guān)系[53-55]。

3.2溫度對雙組分染液的影響

圖3　不同溫度下1:2濃度比例染液中染料實測濃度

圖4　不同溫度下2:1濃度比例染液中染料實測濃度

由圖3、圖4可知，不同染料濃度比例的混合染液中，活性紅2G和活性藍3G在不同溫度下測得的染料濃度保持一致，表明提高溫度沒有水解活性染料的活性基團，同時也沒有破壞染料母體結(jié)構(gòu)，因此溫度不影響活雙組分混合染液各組分濃度測定。

表2　混合染液染料實測濃度

由表2可知，不同溫度下，混合溶液中活性紅2G和活性藍3G實配濃度與實測濃度的相對誤差分別為9.56%和9.78%。表明在不同溫度下，活性紅2G的線性關(guān)系準確度稍好于活性藍3G。

3.3溫度對三組分染液的影響

圖5　不同溫度下2∶3∶1濃度比例染液中染料實測濃度

圖6　不同溫度下3∶1∶2濃度比例染液中染料實測濃度

由圖5、圖6可知，隨著升高溫度，兩種混合溶液中活性藍3G染料實測濃度均保持一致，表明溫度對活性藍3G濃度沒有影響，因為升高溫度沒有使得活性藍3G的活性基團溴代丙烯酰胺水解，且其母體結(jié)構(gòu)沒有破壞，所以溫度不影響活性藍3G濃度的測定。但是溫度對于活性紅BES和活性紅2G的濃度就存在一定影響。隨著溫度的不斷增加，兩種比例下的活性紅BES染料實測濃度不斷增加，活性紅2G染料實測濃度不斷減少，這是因為首先活性紅BES和活性紅2G的最大吸收峰比較接近，兩個吸收峰互相重疊，因此測量過程中存在了一定干擾。其次溫度升高，溶液中水分子熱運動加劇，溶液極性增強，混合染液在紅色染料最大吸收波長處的吸收峰發(fā)生了紅移，波長510nm、542nm處的吸光度值不斷減少，波長562nm處的吸光度值不斷增加，則活性紅BES染料濃度與吸光度線性關(guān)系中染料實測濃度不斷增加，活性紅2G染料濃度與吸光度線性關(guān)系中染料實測濃度不斷減少。這可能是由于活性紅BES和活性紅2G染料母體中存在不含金屬的單偶氮結(jié)構(gòu)，所以染料母體結(jié)構(gòu)含有-N=N-雙鍵，其中N電負性強并有一個未成對的孤對電子，則兩種活性染料母體結(jié)構(gòu)中易形成分子間氫鍵，因此隨著溶液極性不斷增強，使得-N=N-雙鍵的電子處于激發(fā)態(tài)的能量越來越低，電子越易被激發(fā)，從而發(fā)生了電子π-π*躍遷，產(chǎn)生紅移，影響染料濃度的測定。

由于溫度不影響單組分、雙組分混合染液各組分染料濃度的測定，三組分混合染液可見光吸收光譜圖中并未發(fā)現(xiàn)水解染料的吸收峰，且電子躍遷并未改變?nèi)玖夏阁w結(jié)構(gòu)，因此可以判定隨著溫度升高，混合染液中各組分染料濃度并沒有發(fā)生改變，從而得到染料濃度修正方程：

活性紅BES染料濃度修正方程：

ΔC紅BES=e(-3.948-55.045/T)

(1)

活性紅2G染料濃度修正方程：

ΔC紅2G=e(-0.896-262.169/T)

(2)

式(6-1)-(6-2)中，ΔC紅BES表示為活性紅BES實配濃度與實測濃度之差，ΔC紅2G表示為活性紅2G實配濃度與實測濃度之差，T表示溫度。

根據(jù)活性染料的修正方程，修正其實測濃度，并與實配濃度進行比較，結(jié)果如表3。

表3　活性紅BES和活性紅2G染料濃度修正結(jié)果

由表3可知，活性染料實測濃度經(jīng)過修正方程修正后，其實測濃度與實配濃度的相對誤差一部分在5%以內(nèi)，另一部分在5%以上，表明其濃度修正效果一般。

4　結(jié)論

(1)不同溫度下，不同溶液中染料實測濃度與實配濃度的相對誤差均小于8%，表明溫度不影響染料濃度與吸光度線性關(guān)系。溫度不影響活雙組分混合染液各組分濃度測定。

(2)活性染料實測濃度經(jīng)過修正方程修正后，其實測濃度與實配濃度的相對誤差一部分在5%以內(nèi)，另一部分在5%以上。

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1008-5580(2016)03-0018-05

2016-03-02

國家自然科學基金項目(51206122)。

劉國熠(1988-)，男，博士研究生，研究方向：溫度對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

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