溫度對光纖傳感系統測量染料濃度的影響

劉國熠，李衛斌，趙家琪，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

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溫度對光纖傳感系統測量染料濃度的影響

劉國熠，李衛斌，趙家琪，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，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，工業生產技術的發展十分迅速，然而更高的環境保護要求和劇烈的國際市場競爭，要求工業生產既有穩定高質量的產品，又最大限度地降低成本，因此在線分析技術越來越廣泛地進入到了工業生產的各個環節[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不斷發展的帶動下，出現了許多新型的在線光譜分析技術，使只能在實驗室中進行物質成分分析的結構復雜、體積龐大的分析儀器也能用在工業生產的實時在線分析[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境以及復雜的工業生產現場中進行分析，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，不能實現原位在線檢測。光纖傳感系統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，可實現實時原位監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的光纖液體原位實時分析儀，此設備實現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出光信號，經過光纖傳導至傳感器發出，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到主機檢測器里，利用主機檢測器中的CCD模塊，將光信號轉變成電信號，并通過與電腦的連接線傳輸到電腦中，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，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構，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，且其母體結構沒有破壞，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構，所以染料母體結構含有-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構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態的能量越來越低，電子越易被激發，從而發生了電子π-π*躍遷，產生紅移，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現水解染料的吸收峰，且電子躍遷并未改變染料母體結構，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，結果如表3。

表3　活性紅BES和活性紅2G染料濃度修正結果

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

4　結論

(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，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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