温度对光纤传感系统测量染料浓度的影响

刘国熠，李卫斌，赵家琪，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)



温度对光纤传感系统测量染料浓度的影响

刘国熠，李卫斌，赵家琪，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

本文通过实验分析了温度对光纤传感系统测量染料浓度的影响。在不同温度条件下，利用光纤传感系统测量单组分、双组分和三组分混合染液中各组分浓度，分析各因素对染料浓度测定的影响。结果表明，温度不影响单组分、双组分混合染液染料浓度测量，但对于三组分混合染液，当其中两个染料的最大吸收波长距离较近时，温度对浓度测定影响较大，其测试误差增大，需要采用数学方法进行修正。

温度染料浓度

0　前言

进入20世纪80年代后，工业生产技术的发展十分迅速，然而更高的环境保护要求和剧烈的国际市场竞争，要求工业生产既有稳定高质量的产品，又最大限度地降低成本，因此在线分析技术越来越广泛地进入到了工业生产的各个环节[1-3]。20世纪90年代以来，在光纤、计算机、化学计量学和仪器制造等技术不断发展的带动下，出现了许多新型的在线光谱分析技术，使只能在实验室中进行物质成分分析的结构复杂、体积庞大的分析仪器也能用在工业生产的实时在线分析[4-7]。光谱在线仪器大都采用光纤来传输光，光纤是光导纤维的简称[8-11]，它可在困难条件或危险环境以及复杂的工业生产现场中进行分析，从而使光谱仪远离测试样点。光纤还使光谱仪器的设计、制造和安装变得极为方便。目前，最常用的测定染料浓度方法是分光光度法，基于此法的染色过程在线检测设备，需将染液导出后测试，不能实现原位在线检测。光纤传感系统解决了分光光度计的劣势，它将测试探头直接插入染浴中进行测试，所以能方便快捷地测定染浴中的各组分染料浓度，可实现实时原位监控染色过程中染液浓度。目前有一些基于分光光度法的在线检测设备，但不能实现原位检测[12-14]。本课题采用的是南京达元智能科技有限公司生产的光纤液体原位实时分析仪，此设备实现了原位实时在线检测染料浓度，首先将测试探头装入传感器中，并将其浸入需检测的染浴中，其次分析仪中的光源发出光信号，经过光纤传导至传感器发出，再由探头将光信号反射回传感器中，并通过光纤将光信号传输到主机检测器里，利用主机检测器中的CCD模块，将光信号转变成电信号，并通过与电脑的连接线传输到电脑中，这样电脑显示器上可实时读取染液的吸光度值，计算出混合染液各组分染料浓度。本课题以活性染料为研究对象，利用光纤传感系统对多组分染液浓度进行测定。为了加快染料上染至纤维，并固着在其上的速率，往往会提高温度[14-20]。温度升高后，染料分子的反应速率加剧[21-28]。本文分析了温度对染料浓度检测的影响。

1　材料和仪器

表1　实验材料和仪器

2　实验方法

选取活性红BES和活性蓝3G染料，分别配制0.0300g/L、0.0400g/L单组分染液，将配制的染液放在超声波清洗器中，在其最大功率下从室温升温至75℃。利用光纤传感系统检测每种染液中染料的浓度，分析温度对不同浓度染液测量的影响。

选取活性红2G和活性蓝3G染料，设定两种染料浓度为0.0100g/L、0.0200g/L。分别从各自染料浓度中选取一种浓度，按照1∶2和2∶1两种比例，配制成活性红2G和活性蓝3G混合染液。将配制的染液放在超声波清洗器中，在其最大功率下从室温升温至75℃。利用光纤传感系统检测每种染液中染料的浓度，分析温度对不同浓度染液测量的影响。

选取活性红2G、活性红BES和活性蓝3G染料，设定三种染料浓度为0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L。分别从各自染料浓度中选取一种浓度，按照2∶3∶1和3∶1∶2两种比例，配制成活性红2G、活性红BES和活性蓝3G混合染液。将配制的染液放在超声波清洗器中，在其最大功率下从室温升温至75℃。利用光纤传感系统检测每种染液中染料的浓度，分析温度对不同浓度染液测量的影响。

3　实验结果与讨论

3.1温度对单组分染液的影响

图1　不同温度下活性红BES染料实测浓度

由图1、图2可知，随着温度从25℃不断提高到75℃，活性红BES、活性蓝3G染料实测浓度保持不变，表明在此温度范围内，温度不影响活性红BES、活性蓝3G染料浓度的变化。虽然随着温度升高，溶液体积不断增大，染料分子热运动加剧，分子间距也在增加，但染料的活性基并没有发生水解，因为染液吸光光谱图中没有水解染料的吸收峰，所以活性红BES、活性蓝3G染料浓度不受温度影响。当活性红BES实配浓度分别为0.042g/L时，染料实测浓度为0.039g/L，其与实配浓度相对误差为7.14%；当活性红BES实配浓度分别为0.06g/L时，染料实测浓度为0.058g/L，其与实配浓度相对误差为3.33%。当活性蓝3G实配浓度分别为0.03g/L时，染料实测浓度为0.031g/L，其与实配浓度相对误差为3.33%；当活性红BES实配浓度分别为0.056g/L时，染料实测浓度为0.06g/L，其与实配浓度相对误差为7.14%。在不同温度下，不同溶液中染料实测浓度与实配浓度的相对误差均小于8%，表明温度不影响染料浓度与吸光度线性关系[53-55]。

3.2温度对双组分染液的影响

图3　不同温度下1:2浓度比例染液中染料实测浓度

图4　不同温度下2:1浓度比例染液中染料实测浓度

由图3、图4可知，不同染料浓度比例的混合染液中，活性红2G和活性蓝3G在不同温度下测得的染料浓度保持一致，表明提高温度没有水解活性染料的活性基团，同时也没有破坏染料母体结构，因此温度不影响活双组分混合染液各组分浓度测定。

表2　混合染液染料实测浓度

由表2可知，不同温度下，混合溶液中活性红2G和活性蓝3G实配浓度与实测浓度的相对误差分别为9.56%和9.78%。表明在不同温度下，活性红2G的线性关系准确度稍好于活性蓝3G。

3.3温度对三组分染液的影响

图5　不同温度下2∶3∶1浓度比例染液中染料实测浓度

图6　不同温度下3∶1∶2浓度比例染液中染料实测浓度

由图5、图6可知，随着升高温度，两种混合溶液中活性蓝3G染料实测浓度均保持一致，表明温度对活性蓝3G浓度没有影响，因为升高温度没有使得活性蓝3G的活性基团溴代丙烯酰胺水解，且其母体结构没有破坏，所以温度不影响活性蓝3G浓度的测定。但是温度对于活性红BES和活性红2G的浓度就存在一定影响。随着温度的不断增加，两种比例下的活性红BES染料实测浓度不断增加，活性红2G染料实测浓度不断减少，这是因为首先活性红BES和活性红2G的最大吸收峰比较接近，两个吸收峰互相重叠，因此测量过程中存在了一定干扰。其次温度升高，溶液中水分子热运动加剧，溶液极性增强，混合染液在红色染料最大吸收波长处的吸收峰发生了红移，波长510nm、542nm处的吸光度值不断减少，波长562nm处的吸光度值不断增加，则活性红BES染料浓度与吸光度线性关系中染料实测浓度不断增加，活性红2G染料浓度与吸光度线性关系中染料实测浓度不断减少。这可能是由于活性红BES和活性红2G染料母体中存在不含金属的单偶氮结构，所以染料母体结构含有-N=N-双键，其中N电负性强并有一个未成对的孤对电子，则两种活性染料母体结构中易形成分子间氢键，因此随着溶液极性不断增强，使得-N=N-双键的电子处于激发态的能量越来越低，电子越易被激发，从而发生了电子π-π*跃迁，产生红移，影响染料浓度的测定。

由于温度不影响单组分、双组分混合染液各组分染料浓度的测定，三组分混合染液可见光吸收光谱图中并未发现水解染料的吸收峰，且电子跃迁并未改变染料母体结构，因此可以判定随着温度升高，混合染液中各组分染料浓度并没有发生改变，从而得到染料浓度修正方程：

活性红BES染料浓度修正方程：

ΔC红BES=e(-3.948-55.045/T)

(1)

活性红2G染料浓度修正方程：

ΔC红2G=e(-0.896-262.169/T)

(2)

式(6-1)-(6-2)中，ΔC红BES表示为活性红BES实配浓度与实测浓度之差，ΔC红2G表示为活性红2G实配浓度与实测浓度之差，T表示温度。

根据活性染料的修正方程，修正其实测浓度，并与实配浓度进行比较，结果如表3。

表3　活性红BES和活性红2G染料浓度修正结果

由表3可知，活性染料实测浓度经过修正方程修正后，其实测浓度与实配浓度的相对误差一部分在5%以内，另一部分在5%以上，表明其浓度修正效果一般。

4　结论

(1)不同温度下，不同溶液中染料实测浓度与实配浓度的相对误差均小于8%，表明温度不影响染料浓度与吸光度线性关系。温度不影响活双组分混合染液各组分浓度测定。

(2)活性染料实测浓度经过修正方程修正后，其实测浓度与实配浓度的相对误差一部分在5%以内，另一部分在5%以上。

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1008-5580(2016)03-0018-05

2016-03-02

国家自然科学基金项目(51206122)。

刘国熠(1988-)，男，博士研究生，研究方向：温度对光纤传感系统测量染料浓度的影响。

赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

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