溫度對(duì)光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量染料濃度的影響

劉國(guó)熠，李衛(wèi)斌，趙家琪，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

?

溫度對(duì)光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量染料濃度的影響

劉國(guó)熠，李衛(wèi)斌，趙家琪，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

本文通過實(shí)驗(yàn)分析了溫度對(duì)光纖傳感系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(duì)染料濃度測(cè)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(cè)量，但對(duì)于三組分混合染液，當(dāng)其中兩個(gè)染料的最大吸收波長(zhǎng)距離較近時(shí)，溫度對(duì)濃度測(cè)定影響較大，其測(cè)試誤差增大，需要采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行修正。

溫度染料濃度

0　前言

進(jìn)入20世紀(jì)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(hù)要求和劇烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，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(jìn)入到了工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)[1-3]。20世紀(jì)90年代以來，在光纖、計(jì)算機(jī)、化學(xué)計(jì)量學(xué)和儀器制造等技術(shù)不斷發(fā)展的帶動(dòng)下，出現(xiàn)了許多新型的在線光譜分析技術(shù)，使只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行物質(zhì)成分分析的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的分析儀器也能用在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)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(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱[8-11]，它可在困難條件或危險(xiǎn)環(huán)境以及復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行分析，從而使光譜儀遠(yuǎn)離測(cè)試樣點(diǎn)。光纖還使光譜儀器的設(shè)計(jì)、制造和安裝變得極為方便。目前，最常用的測(cè)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(cè)設(shè)備，需將染液導(dǎo)出后測(cè)試，不能實(shí)現(xiàn)原位在線檢測(cè)。光纖傳感系統(tǒng)解決了分光光度計(jì)的劣勢(shì)，它將測(cè)試探頭直接插入染浴中進(jìn)行測(cè)試，所以能方便快捷地測(cè)定染浴中的各組分染料濃度，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(cè)設(shè)備，但不能實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)[12-14]。本課題采用的是南京達(dá)元智能科技有限公司生產(chǎn)的光纖液體原位實(shí)時(shí)分析儀，此設(shè)備實(shí)現(xiàn)了原位實(shí)時(shí)在線檢測(cè)染料濃度，首先將測(cè)試探頭裝入傳感器中，并將其浸入需檢測(cè)的染浴中，其次分析儀中的光源發(fā)出光信號(hào)，經(jīng)過光纖傳導(dǎo)至傳感器發(fā)出，再由探頭將光信號(hào)反射回傳感器中，并通過光纖將光信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)檢測(cè)器里，利用主機(jī)檢測(cè)器中的CCD模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，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(shí)時(shí)讀取染液的吸光度值，計(jì)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(duì)象，利用光纖傳感系統(tǒng)對(duì)多組分染液濃度進(jìn)行測(cè)定。為了加快染料上染至纖維，并固著在其上的速率，往往會(huì)提高溫度[14-20]。溫度升高后，染料分子的反應(yīng)速率加劇[21-28]。本文分析了溫度對(duì)染料濃度檢測(cè)的影響。

1　材料和儀器

表1　實(shí)驗(yàn)材料和儀器

2　實(shí)驗(yàn)方法

選取活性紅BES和活性藍(lán)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(cè)每種染液中染料的濃度，分析溫度對(duì)不同濃度染液測(cè)量的影響。

選取活性紅2G和活性藍(lán)3G染料，設(shè)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(lán)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(cè)每種染液中染料的濃度，分析溫度對(duì)不同濃度染液測(cè)量的影響。

選取活性紅2G、活性紅BES和活性藍(lán)3G染料，設(shè)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(lán)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(cè)每種染液中染料的濃度，分析溫度對(duì)不同濃度染液測(cè)量的影響。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1溫度對(duì)單組分染液的影響

圖1　不同溫度下活性紅BES染料實(shí)測(cè)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(lán)3G染料實(shí)測(cè)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(lán)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(yùn)動(dòng)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?yàn)槿疽何夤庾V圖中沒有水解染料的吸收峰，所以活性紅BES、活性藍(lán)3G染料濃度不受溫度影響。當(dāng)活性紅BES實(shí)配濃度分別為0.042g/L時(shí)，染料實(shí)測(cè)濃度為0.039g/L，其與實(shí)配濃度相對(duì)誤差為7.14%；當(dāng)活性紅BES實(shí)配濃度分別為0.06g/L時(shí)，染料實(shí)測(cè)濃度為0.058g/L，其與實(shí)配濃度相對(duì)誤差為3.33%。當(dāng)活性藍(lán)3G實(shí)配濃度分別為0.03g/L時(shí)，染料實(shí)測(cè)濃度為0.031g/L，其與實(shí)配濃度相對(duì)誤差為3.33%；當(dāng)活性紅BES實(shí)配濃度分別為0.056g/L時(shí)，染料實(shí)測(cè)濃度為0.06g/L，其與實(shí)配濃度相對(duì)誤差為7.14%。在不同溫度下，不同溶液中染料實(shí)測(cè)濃度與實(shí)配濃度的相對(duì)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(duì)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(shí)測(cè)濃度

圖4　不同溫度下2:1濃度比例染液中染料實(shí)測(cè)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(lán)3G在不同溫度下測(cè)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(tuán)，同時(shí)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(cè)定。

表2　混合染液染料實(shí)測(cè)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(lán)3G實(shí)配濃度與實(shí)測(cè)濃度的相對(duì)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(zhǔn)確度稍好于活性藍(lán)3G。

3.3溫度對(duì)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(shí)測(cè)濃度

圖6　不同溫度下3∶1∶2濃度比例染液中染料實(shí)測(cè)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(lán)3G染料實(shí)測(cè)濃度均保持一致，表明溫度對(duì)活性藍(lán)3G濃度沒有影響，因?yàn)樯邷囟葲]有使得活性藍(lán)3G的活性基團(tuán)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(lán)3G濃度的測(cè)定。但是溫度對(duì)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(shí)測(cè)濃度不斷增加，活性紅2G染料實(shí)測(cè)濃度不斷減少，這是因?yàn)槭紫然钚约tBES和活性紅2G的最大吸收峰比較接近，兩個(gè)吸收峰互相重疊，因此測(cè)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(yùn)動(dòng)加劇，溶液極性增強(qiáng)，混合染液在紅色染料最大吸收波長(zhǎng)處的吸收峰發(fā)生了紅移，波長(zhǎng)510nm、542nm處的吸光度值不斷減少，波長(zhǎng)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(fù)性強(qiáng)并有一個(gè)未成對(duì)的孤對(duì)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(qiáng)，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(cè)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(cè)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(shí)配濃度與實(shí)測(cè)濃度之差，ΔC紅2G表示為活性紅2G實(shí)配濃度與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)濃度，并與實(shí)配濃度進(jìn)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(shí)測(cè)濃度經(jīng)過修正方程修正后，其實(shí)測(cè)濃度與實(shí)配濃度的相對(duì)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(shí)測(cè)濃度與實(shí)配濃度的相對(duì)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(cè)定。

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

[1]雷波.分光光度法對(duì)混合染料濃度的同時(shí)測(cè)定[J].染整技術(shù)，2003，25(3)：35-37.

[2]齊宗韶.導(dǎo)數(shù)分光光度法測(cè)定純藍(lán)墨水中染料和防腐劑[J].理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè))，2008(11)：1112-1113.

[3]李健，粟暉，等.可見光譜結(jié)合偏最小二乘法對(duì)混合染料濃度的同時(shí)測(cè)定[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30(5)：38-41.

[4]王惠文，孟潔.多元線性回歸的預(yù)測(cè)建模方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,33(4)：500-504.

[5]褚小立，袁洪福，等.在線近紅外光譜過程分析技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2004(2)：3-21.

[6]陳輝.近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品和食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].畜牧與飼料科學(xué)，2010(8)：88-90.

[7]尹宇.活性染料對(duì)染色工藝敏感性研究[J].染料與染色，2003(6)：3-5.

[8]齊宗韶.雙波長(zhǎng)分光光度法測(cè)定曙紅墨水中的染料[J].分析化學(xué)，1995，23(4)：490.

[9]羅慶堯.分光光度分析[M].北京:科學(xué)出版社，1998.

[10]范以輝，惠煥強(qiáng).淺談分光光度法和分光光度計(jì)的原理及其應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2006，33(12)：11-12.

[11]陳國(guó)珍.紫外-可見光分光光度法(上冊(cè))[M].北京:原子能出版社，1983.

[12]王艷芳，盛鋒，等.溴取代紫外分光光度法同時(shí)測(cè)定痕量色氨酸和酪氨酸[J].分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，29(3)：405-408.

[13]殷先雄,王 棟,等.測(cè)定雙組分染料濃度的兩種方法比較[J].遼寧化工，2008，37(2)：131-133.

[14]呂榮文，張紅兵，等.M型紅色活性染料染色溫度對(duì)固色率的影響[J].染料與染色，2005，42(1)：39-41.

[15]唐人成，常新亮，等.影響活性染料染色物皂洗效果因素的探討[J].印染助劑，2008，25(1)：16-19.

[16]劉元軍,王雪燕,張璟.WLS助劑改性的棉織物活性染料浸軋無鹽染色工藝研究[J].染整技術(shù)，2011,33(9):4-8.

[17]劉元軍,王雪燕,郭路星，等.WLS助劑改性的棉織物活性染料無鹽染色效果評(píng)價(jià)[J].染整技術(shù)，2012,34(2):25-27.

[18]王雪燕，崔陽.蛋白助劑改性滌綸織物對(duì)分散染料熱溶染色性能影響[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2015,32(4): 17-22.

[19]劉元軍,王雪燕,孫偉等.棉織物陽離子化改性/雙氧水漂白一浴工藝[J].印染，2011,37(13):5-8.

[20]劉元軍,趙曉明,拓曉，等.陽離子蛋白衍生物助劑在染色莫代爾織物皂洗中的應(yīng)用[J]. 絲綢,2015,52(11):6-12.

[21]HEISSLER H，SIEMENSMEYER K，et al.活性染料染色及印花后的洗滌[J].國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào)，2005(1)：58-61.

[22]劉元軍，王雪燕.WLS助劑改性棉織物活性染料的軋烘蒸和軋蒸短流程工藝[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,25(2):138-143.

[23]劉元軍，王雪燕.WLS和 WLS-20改性的棉織物染色效果評(píng)價(jià)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26(5):576-580.

[24]劉元軍，王雪燕，孫偉.WLS在棉織物活性染料浸軋染色中的應(yīng)用[J].印染助劑，2011,28(6):39-42.

[25]趙家琪，李衛(wèi)斌，趙曉明.助劑 ZB-10改性粘膠織物工藝條件優(yōu)選[J].成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報(bào), 2016, 33(1): 75-78.

[26]劉元軍，王雪燕，孫偉.改性棉織物活性染料無鹽染色效果評(píng)價(jià)[J].針織工業(yè)，2011(10):25-27.

[27]AKCAKOCA E P，OZGUNEY A T，et al.The efficiency of washingagents in the post- dyeing removal of hydrolyzed reactive dye[J].Dyesand Pigments，2007(72)：23-27.

[28]李俊，董志煒.活性染料生物酶皂洗工藝的應(yīng)用探討[J].染整科技，2004(1)：30-36.

1008-5580(2016)03-0018-05

2016-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)。

劉國(guó)熠(1988-)，男，博士研究生，研究方向：溫度對(duì)光纖傳感系統(tǒng)測(cè)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(dǎo)師。

TS193

A