專利名稱：分析水性流體的方法
發明的領域本發明涉及水性流體組合物(aqueous fluid composition)組分濃度的測量方法。本發明具體是涉及用顏色變化固態測試件來測量水性流體中組分濃度的方法。
發明的背景水性流體組合物使用于各種用途和環境中，其中了解流體中各種組分和雜質的濃度對于確保流體適當和有效的功能和用途是十分重要的。例如，這些水性流體組合物使用于冷卻水塔系統、洗滌操作、機械加工過程、游泳池、液壓用流體和電鍍操作。因此，簡單直接測定組分(包括雜質)濃度的方法和設備在工業領域中是十分重要的。通過簡單直接的方法檢測和測定水性流體中特定物質的濃度在醫學領域中也是很重要的，例如尿樣化驗。
在工業領域中，使用機械加工用水性流體(aqueous based machining fluids)會明顯提高加工物體的質量、加工操作或加工過程的生產率，并延長在制造加工物體中所用工具的壽命。為了得到機械加工用水性流體最大的效率和利用率，測定和監測流體中各種組分的濃度是十分重要的。本文所用的術語“機械加工用水性流體”是指一種復雜的水性流體，在通過物理方法對工件加工成形期間，它使用在工具和工件之間的界面上。上述物理方法主要是機械加工方法，例如研磨、切削、車削、輥壓、沖孔、擠壓、旋壓、拉絲和壓平、壓制和鉆孔操作。
機械加工用水性流體一般在循環體系中使用，這時儲存器中的流體供給到工具和工件之間接觸面的附近，然后回到儲存器中。隨著金屬加工用流體一次又一次的使用，會發生化學和/或物理分解和/或流體中一種或多種組分的含量減少。在貯存和使用機械加工用水性流體時，會發生不利于流體有效性的變化例如，由熱所引起的組分分解；由于與空氣接觸所導致的氧化；與金屬碎屑的反應沾污了流體；由微生物和殺菌劑所引起的變化；水的蒸發；以及一些組分各自和集體地電解分離。機械加工用水性流體(即液體)中起作用的組分若有損失，會降低流體發揮其一種或多種特定作用的有效性，這些特定作用如潤滑作用、乳化作用、控制腐蝕作用，以及控制微生物生長作用。因此，為了控制和保持機械加工用水性流體的有效性，需要監測其中組分的濃度。
為了克服金屬加工用水性流體在貯存和使用期間所發生的組成變化之不利影響，需要時常監測流體的物理和/或化學狀態。這些監測不僅能指示組成的變化，而且能指出恢復流體有效性以及延長其使用壽命的正確措施。在流體的這種監測中，一般測量的化學和物理參數有pH、溶解氧、溫度、電導率、微生物活性、表面活性劑活性或乳化劑活性、油污染量、金屬碎屑污染量以及總堿度。在本領域中應用儀器分析和濕分析技術來測量機械加工用水性流體的這些參數和其它參數(如濃度變化)。這些技術可用于從機械加工操作所用流體的儲存器中取出的樣品，尤其是用于從向許多個成形工件(如金屬)所用機床提供流體的儲存器(它們通常被稱為“中央系統”)中取出的樣品。通常將這些樣品拿到實驗室和其它方便的場所進行分析和測量。經常在金屬加工用流體的儲存器旁邊或附近進行測量，尤其是在向機床供給流體的中央系統儲存器的出口處進行測量。有一些測量(如溫度、傳導率、pH和溶解氧)是用在供給金屬加工用機床的金屬加工用水性流體的流路中放置的傳感器進行測量的。在這種情況下，測量是連續或間歇進行的。
對于許多機械加工操作而言，已有技術的用于測量機械加工用水性流體中組分濃度的手工或自動系統并不適用。在各個機床分別使用機械加工用水性流體儲存器的機械操作中，在加工操作中使用好幾種配方的少量的機械加工用水性流體(如不同的機械加工操作使用不同配方的機械加工用水性流體)，情況尤其如此。因此，若有一種簡單易用、比較方便、成本低的測試方法用來在機械加工用水性流體應用的現場快速測量其中組分濃度，就很有必要，也是有利的。
在流體測試領域中已經使用了固態測試件(solid state test devices)，它是根據分析化學原理制成的固態測試件，使用起來特別方便。近年來，這種方法在提供的不僅僅是水性流體的組分(即被分析物)存在及其濃度的粗略指示方面已經取得了顯著的進展。這些測試件是基于將顏色變化程度作為被分析物濃度的一種衡量。這些固態測試件具有許多形式，其中一種稱為測試條。這種測試條通常是在一條底物上面覆有貼片(pad)，其中貼片的紙基質用能與被分析物反應的試劑浸漬過。在已有技術的方法中，將該貼片與含有待測其存在及濃度的被分析物的水性流體接觸或是浸入其中。在貼片上產生了顏色變化，通常將貼片上的顏色變化程度與顏色對照表進行比照，或者可以用儀器(如反射度光度計)讀出，來測定被分析物的濃度。很適用于流體現場測定的是那些不用裝設儀器就能測出的測試條。
在本領域中，使用了各種試劑來制備固態測試件(如測試條)，這些固態測試件用于水性流體的各種組分存在及其濃度的測定方法中。一般來說，特定的試劑用于測定水性流體中特定組分的存在以及濃度。這些試劑和測試的例子包括用于測定氯化物的重鉻酸鈉、用于測定氰尿酸的蜜胺、用于測定尿中酮的硝普鹽、用于抗體檢定的免疫球蛋白、用于測定體液中葡萄糖的葡糖氧化酶/過氧化物酶/可氧化的指示劑混合物，以及用于測定尿中膽紅素的2-甲基-5-硝基-苯胺、亞硝酸鈉、2,4-二氯苯胺(2,4-dichloroabniline)和2,6-二氯苯。由此可見，單一的化合物、化合物的混合物、無機化合物、有機化合物和生物試劑均已用作固態測試件(如測試條)中的試劑。
在固態測試件的領域中，已知提供并使用校正貼片來校正pH、待測流體中的著色劑、待測流體中的干擾雜質或干擾組分，以及用于將試劑保存在貼片中的紙基質的干擾性能。在本領域中已知具有許多貼片的測試條固態裝置及其使用方法，這些貼片能同時測定同一水性流體中的不同組分。然而除了這些特點之外，在本領域中通常提供了具有貼片的非儀器的測試條固態測試件，它與待測流體接觸產生的貼片顏色變化程度是測定產生這種顏色變化的流體組分濃度的基礎。因此在已有技術中，使用這些測試條的非儀器測試方法包括以下步驟將該測試條與待測水性流體接觸，在測試貼片上產生顏色變化，其顏色變化程度與待測流體中產生該顏色變化的組分的濃度成正比，然后將貼片上的顏色變化同顏色定標標度相比較，指示出產生顏色變化組分的濃度。一般通過與顏色表或標度的比較進行顏色變化的評定，需要辨別顏色的程度、濃淡或亮度。這種方法固有的缺點是當用眼睛辨別顏色程度、濃淡或亮度的較小變化時，該方法十分主觀。
已知的用于測定待測水性流體中組分濃度的非儀器方法雖然方便、簡單易用，但是伴隨著該方法的主觀性會存在不準確性，尤其是以下三方面a)對于該方法很重要的顏色的可再現性，b)對于很暗或很亮的顏色，辨認該種顏色很小變化的不準確性，c)顏色定標圖中的不準確性或空缺，尤其是在顏色變化程度不是組分濃度的線性函數的情況下。因此，十分需要一種用于測定水性流體組分濃度的測試條方法，該測定方法既要準確、主觀性最小，又要不使用儀器，易用而簡便。
發明的概述本發明通過減少或消除已有技術方法目視鑒別的主觀性，來克服已有技術的用于測定水性流體組合物組分濃度的固態裝置目視辨別法的許多缺點，所述水性流體組合物即含有至少一種除水以外的化學組成物或組分的水性流體組合物。
本發明的一個目的是提供一種簡單方便易用的方法，通過固態測試件來測定水性流體組合物的化學組分濃度，該方法能提供目視明顯的濃度指示。
本發明還有一個目的是提供一種采用固態測試件的方法，用于測定機械加工用水性流體組合物的化學組分濃度，該方法能提供目視明顯的濃度指示。
已經發現，以上目的和其它目的在以下說明、實施例和權利要求中可見，是可以通過本發明方法得以實現的。該方法是測定水性流體組合物組分濃度的方法，它包括以下步驟a)將水性流體組合物與固態測試件接觸，所述固態測試件包括1)惰性底物，2)許多個在底物上排列的單獨測試區，每個測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質(matrix)，所述試劑選擇性地與水性流體的組分相互作用，所述顏色指示劑則響應于測試區中由于試劑和水性流體組分間相互作用而導致的變化，在各個測試區中浸漬的試劑量與鄰近測試區中的試劑量不同，相差預定的量，b)將與水性流體組合物接觸過的固態測試件同組分濃度顏色定標標度(color calibration scale)進行比較。
根據本發明的一個實施方案，提供了一種用于測定機械加工用水性流體組合物組分濃度的方法，該方法包括以下步驟a)將機械加工用水性流體組合物與固態測試件接觸，所述固態測試件包括惰性底物和許多個在所述底物上彼此隔開的單獨測試區，測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑能與組分相互作用，所述顏色指示劑顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于試劑和組分間相互作用而導致的變化，各個測試區中的試劑量與鄰近測試區中的試劑量不同，相差預定的量，b)將與機械加工用水性流體接觸后的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行比較。
在本發明的另一個實施方案中，提供了一種用于測定金屬加工用水性流體組合物的組分濃度的方法，該方法包括以下步驟a)將金屬加工用流體與固態測試件接觸，所述固態測試件包括惰性底物和許多個在所述底物上彼此隔開的單獨測試區，測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑能與組分相互作用，所述顏色指示劑能顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于試劑和組分間相互作用而導致的變化，每個測試區中的試劑量與鄰近測試區中的試劑量不同，相差預定的量，水性流體中組分濃度是這樣的，響應于固態測試件與金屬加工用水性流體直接接觸時，在固態測試件的至少一個測試區(但不是所有的測試區)中產生顏色變化，b)將與金屬加工用水性流體接觸后的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行比較。
在本發明的另一個實施方案中，提供了一種用于測定機械加工用水性流體組合物中堿組分總濃度的方法，該方法包括以下步驟a)將機械加工用水性流體與測試條固態測試件接觸，所述測試條固態測試件包括惰性底物條和許多個在所述底物條上彼此隔開的單獨測試貼片，測試貼片含有用有機酸和pH顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述有機酸能與堿組分相互作用，在各個測試貼片中有機酸的量與鄰近測試貼片中有機酸的量不同，相差預定的量，b)將與機械加工用水性流體接觸后的測試條同堿組分濃度顏色定標標度進行比較。
可以設想本發明的其它實施方案，其中水性流體組合物是清潔用水性流體組合物、電鍍浴水性組合物、冷卻用水性流體組合物、液壓用水性流體、過程用水性流體、腐蝕用水性流體、淬火用水性流體、農用水性流體和研磨用水性流體。
由于本發明方法不需要裝設儀器來測定濃度，因此本發明方法特別適合于測定和監測水性流體的狀態的現場和在線測定。本發明的這個應用在以下方面很適用1)需要監測和調節過程用水性流體，以及對過程用水性流體和水性產物流體進行質量控制的工業領域，2)控制用于冷卻系統、游泳池和機械加工過程中的水性流體組合物，3)評定水系，例如湖、河、水流，工業和商業水性流出物或排放物的狀態。
附圖的簡要說明在附圖中，

圖1是本發明方法的固態測試件的測試條實施方案的俯視圖，表示底物及其上面的許多個測試貼片。
圖2是圖1所示測試條的側視圖，表示測試貼片是互相隔開的。
圖3是經作用的測試條固態測試件的俯視圖。
圖4a是一個組分濃度顏色定標標度。
圖4b是一個測試條的俯視圖，該測試條上具有根據圖4a的組分濃度顏色定標標度列出的濃度說明。
發明的詳細描述已經發現，可以通過本發明方法使得在測定水性流體組合物的組分濃度的已有技術方法中，對測試條固態測試件的測試貼片中所產生的顏色變化程度進行評定(即評定顏色變化程度)的主觀性缺點達到最小或加以克服。本發明方法對水性流體組合物組分濃度的測定包括以下步驟a)將水性流體組合物與固態測試件接觸，所述固態測試件包括1)惰性底物，2)許多個在底物上排列的單獨測試區，每個測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑選擇性地與水性流體的組分相互作用，各個測試區中的試劑量與鄰近測試區中的試劑量不同，相差預定的量，以致在測試區中因組分和試劑間相互作用而產生目視明顯的顏色圖案，b)將與水性流體組合物接觸過的固態測試件同組分濃度定標標度進行比較，這些組分濃度定標標度是按所述試劑、顏色指示劑和水性流體組分所制備的。
本說明書、實施例和所附權利要求書中所用的術語“底物”是指連續的用于支承測試區的固體件，最好是無孔的固體件；術語“惰性”是指與水性流體組合物及其組分、試劑和顏色指示劑接觸時具有抗化學和物理變質的性能；術語“試劑”是指能與濃度待測的組分相互作用的物質。
本發明克服了目視主觀辨別顏色變化的許多缺點(如果不是全部的話)，從而克服了使用顏色變化來測定水性流體組分濃度的缺點。與已有技術的方法相比，本發明方法使用了圖1所示的固態測試件，它具有許多個測試區(貼片)3、4、5和6，這些測試區沿著裝置1的惰性底物2是互相隔開地排列(如圖2所示)。這些每一個測試區3、4、5和6(例如測試條上的貼片)都含有用顏色指示劑和試劑浸漬過的惰性基質，所述試劑能選擇性地與其濃度待測的組分相互作用。應選擇顏色指示劑使其響應于水性流體組分和試劑間相互作用產生目視明顯的顏色變化。根據本發明，在每一測試區3、4、5和6中的試劑量與其它測試區中的試劑量不同，相差預定的量，在各測試區中有無顏色變化以及預先決定的每個測試區中試劑量的差別提供了水性流體組分濃度的直觀指示。
在本發明方法中，將固態測試件1與水性流體接觸(例如通過浸漬)。這種接觸會產生例如圖3所示的情況在測試貼片3、4和5上產生藍色(圖3中用測試區的線條表示)，但在測試貼片6上卻沒有產生。將經作用的該測試條2與圖4a所示的組分濃度顏色定標標度12相比較，對比測試條的顏色圖案(color pattern)和濃度定標標度的顏色圖案，可以確定組分的濃度。從圖4a的濃度標度可知，如圖3所示的測試條反映的組分濃度為3％，即測試貼片8、9和10(對應于圖1的測試貼片3、4和5)有顏色變化，產生了顏色定標標度12中縱行15所示的顏色變化圖案。因此，根據本發明，消除了確定顏色變化程度的主觀性，從而消除了對顏色變化程度確定主觀性的缺點。
固態測試件用于本發明實踐的固態測試件可以有許多種形式和結構。一種形式是測試條固態測試件，該測試件具有惰性的無孔塑料薄條形底物，在該底物上排列著許多個互相隔開的測試區。塑料薄條形底物可以是剛性的或柔性的。用于本發明的測試條固態測試件如圖1和2所示，其中測試條1具有薄的矩形底物2，該底物是由無孔塑料如聚烯烴(如聚丙烯)制成的，在底物上沿測試條長度方向置有四個測試區，即區3至區6，每個測試區即貼片與鄰近的測試區相隔開。測試區3至6中的每一個測試區均具有用試劑(如有機酸)和指示劑(如溴酚藍)浸漬過的基質(如濾紙)，在有足夠的濃度待測的組分(即堿組分)存在時，所述指示劑由于所述組分與貼片上試劑(例如酸)相互作用(如反應)的結果而發生顏色變化，在測試區內達到一種狀態(如pH)，該狀態引起顏色指示劑發生顏色變化。在測試貼片3至6中，各貼片間的試劑量互不相同，相差預定的量，從貼片3至貼片6遞增。因此，貼片4的試劑量大于貼片3，貼片5的試劑量大于貼片4，貼片6的試劑量大于貼片5。而每個測試貼片3、4、5、6含有相同量的顏色指示劑。
在本發明方法中，在固態測試件的這許多個測試區中，需要已知測試區中的試劑量，并且每個測試區與下一個測試區中的試劑量不同，相差預定的量。例如在圖1的固態測試件1中，測試區3、4、5和6中的試劑量從測試區3至測試區4、從測試區4至測試區5、從測試區5至測試區6都是各增加一倍。因此，測試貼片3中的試劑量可以為0.08克，測試貼片4中的試劑量為0.16克，測試貼片5中的試劑量為0.32克，第四個測試貼片6中的試劑量為0.64克。相反地，測試區3至6中的試劑量也可以從測試區3至測試區4、從測試區4至測試區5、從測試區5至測試區6都是各減少一半。如果需要以預定的分辨率在一定范圍內測定組分的濃度，可以根據水性流體中已知或預期的最大和最小的組分濃度來決定每個測試區中的試劑量。這樣一來就確保了能測的組分濃度不會小于和超過由該固態測試件測量到的濃度值范圍。
本發明方法的固態測試件的根本特點是具有惰性底物、許多個在底物上排列的單獨測試區，測試區之間互相隔開(如圖2所示)，每個測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，各個測試區中的試劑量互不相同，相差預先決定的量。
本發明方法的固態測試件使用惰性底物來支承許多個測試區。該惰性底物是連續的固體件，它可以是各種形式或形狀，包括例如帶狀或條狀、圓形以及其它各種幾何形狀。可以用各種材料來制備底物，底物的重要特點應是連續的固體，是惰性的，最好是無孔的。本發明不能用顆粒底物。用于制備底物的材料的例子包括玻璃、金屬、陶瓷和塑料，但不限于此。塑料可包括聚烯烴(如聚乙烯和聚丙烯)、聚苯乙烯、聚酯(如商品名稱為Mylar的材料)、聚丙烯酸酯、聚酰胺(如尼龍)、聚氯乙烯和聚碳酸酯，但不限于此。底物由惰性的無孔塑料制備為宜，因為易于處理、易于制成各種形狀的底物、各種塑料容易得到，并且耐久性好，成本低。在本發明方法中，固態測試件通常使用不透明或半透明的底物。
根據本發明方法，需用的固態測試件具有許多個在惰性底物上彼此隔開的單獨測試區。這些測試區在本性上是多孔的，可具有各種形狀或形式。一種形式可以是具有正方形、矩形、圓形或其它合適的幾何形狀的貼片。測試區的幾何形狀在本發明方法中不是限制因素。根據本發明方法，測試區可以安置在固態測試件的底物上面或里面。若測試區安置在惰性底物上面，測試區可以通過粘合劑、或以機械的或其它合適的方法連接在底物上面。
本發明的測試區含有用顏色指示劑和試劑浸漬過的惰性基質，所述試劑能與濃度待測的組分相互作用。在本發明的實踐中，可使用各種基質材料，但要求基質是惰性的，并有吸收能力。這些基質可以是織造或非織造的材料，包括紙張(如濾紙)、玻璃棉、聚丙烯纖維織物、多孔陶瓷、多孔塑料、籠形化合物和沸石，但不限于此。惰性基質應是具有足夠孔隙度的材料，使其能吸收和容納試劑和顏色指示劑。在本發明的一些實踐中，基質可以是片狀(片結構)或膜狀(膜結構)，而在本發明的其它一些實踐中，基質可為顆粒狀或顆粒結構。基質最好是幾乎無色或無色。
可使用各種技術來制備本發明方法的固態測試件。例如，可以將數片惰性基質(如濾紙)用不同量的試劑浸漬，如用可水溶的固態有機酸和顏色指示劑配成的水溶液浸漬(不同水溶液中有機酸具有不同的濃度)，將數片經浸漬的惰性基質予以干燥使試劑保留在其中。然后，可將數片用試劑和顏色指示劑浸漬的且經干燥的基質切割成貼片(即測試區)，將這些貼片粘附在惰性底物(例如塑料膜的條)上，這些貼片沿塑料膜排列，其次序是所含試劑量從塑料膜的一端至另一端遞減。
含有已知試劑量的測試區可以如下制備將已知尺寸和重量的一片基質條浸入試劑(即已知濃度的試劑)的溶液(如水溶液)中，保持一段固定的時間；讓經浸漬的基質條上的水流干；干燥(即從基質中除去溶劑)，最好應干燥至最小的恒定重量。然后，對用試劑浸漬過的干燥基質條稱重，將其切割成一些相同的已知尺寸的測試區。如此制備的測試區中的試劑量可以從測試區的已知尺寸和浸入基質條的試劑的已知重量的簡單相除來確定。這一方法可用來制備其中試劑量有遞次變化的各個測試區，從而產生本發明方法固態測試件的許多個測試區。
浸入測試區基質中的試劑應是能與水性流體組合物中濃度有待測定的組分相互作用的物質。在本發明方法的實踐中，可利用試劑和組分間的各種相互作用。這些相互作用包括化學反應、形成配合物和交換相互作用，但不限于此。因此，有許多種試劑可用于本發明的實踐中。這些試劑包括酸、堿、有機鹵化物、硫化物、磺酸鹽、硝酸鹽等、籠形化合物、螯合劑和離子交換劑，但不限于此。酸可以是有機酸，如檸檬酸、琥珀酸、苯磺酸、草酸、馬來酸、富馬酸、油酸、苯二甲酸和乙酸。堿可以是無機堿(如氫氧化鈉、碳酸鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣)和堿性有機化合物如胺(如C6至C36的脂族單胺和二胺、聚氧化亞烷基單胺和多胺、脂肪族胺)以及酰胺。試劑又可以是有機醇或多元醇，例如C6-C36的脂族單醇、脂肪族醇、脂族多元醇(如二醇)、芳族醇(如酚)，以及聚氧化亞烷基多元醇(如二醇)。為了提供穩定和可靠的測試區，試劑在空氣中化學穩定并且在正常的環境條件(如室溫)下很少揮發或沒有揮發性是十分重要的。因此，適用于本發明實踐的試劑是那些在空氣中化學穩定并且在室溫條件下很少揮發或沒有揮發性的試劑。適用于本發明的試劑是室溫(如20℃至40℃)下為液態或固態的試劑。液態試劑必須是能夠吸收進入基質的，并且不致從基質上解吸或流出。固態試劑可以溶液(如水溶液、醇溶液或水/醇溶液)形式使用，使其能浸漬進入基質中，較好的是用固態試劑。
特別有利的是，試劑和濃度待測的流體組分間的相互作用應使試劑和組分的相對比例上較小的變化會產生用顏色指示劑檢測的狀態上較大的變化。因此，例如若要檢測水性流體的總堿度，需要水性流體的堿組分和有待浸漬進入測試區中的酸試劑之間反應的滴定曲線具有陡峭的傾斜度，也就是說，在堿組分和酸試劑的比例上較小的變化會產生測試區內pH值的較大變化。為了用于測定金屬加工用流體的濃度，流體的總堿度最好使用低pKa的有機酸進行測定。
本發明固態測試件的測試區中要加入顏色指示劑。該顏色指示劑是產生顏色變化的物質，該顏色變化響應于測試區中試劑和濃度待測的水性流體組合物組分間的相互作用。顏色變化可以是從一種顏色變為另一種顏色(如從紅色變為藍色、從藍色變為白色)，從一種顏色變為無色，或者從無色變成一種顏色。顏色指示劑較好的是其響應于由組分和試劑的相互作用而造成的變化所產生的顏色改變是目視明顯的。在本發明的一個實施方案中，顏色指示劑是當測試區中的組分過量于與測試區中所有試劑相互作用所需的組分量時發生顏色變化。在本發明的另一個實施方案中，在試劑過量于與組分相互作用所需量的情況下，顏色指示劑顯示一種特別的顏色，而在測試區中沒有過量的試劑時，顏色指示劑則顯示某種其它顏色或是無色。本發明顏色指示劑的顏色變化最好應是無需借助裝設儀器就能夠容易檢測到。
在本發明的實踐中可使用各種各樣的顏色指示劑。選擇顏色指示劑可取決于這些因素試劑的組成、組分的組成、水性流體組合物的組成和性能，以及試劑和組分間相互作用的類型。要選擇針對試劑和濃度待測組分間相互作用的顏色指示劑。用于本發明實踐中的顏色指示劑包括甲基橙、溴酚藍、4,4′-雙(2-氨基-1-萘偶氮-2,2′-茋二磺酸(4,4′-bis(2amino-1-naphthylazo-2,2′-stilbenzdisulfonic acid)、2-(2,4-二硝基苯偶氮基)-1-萘酚-3,6-二磺酸二鈉鹽、酚酞、硝嗪黃、溴甲酚綠、酚磺酞、百里酚磺酞和間苯二酚藍，但不限于此。
特別有利的是，顏色指示劑在測試區狀態值的狹窄范圍內進行顏色變化，顏色指示劑對于該范圍的狀態值很敏感，而且試劑和水性流體組分間相互作用產生的狀態變化對試劑和組分相對比例的變化的比值很高。如此選擇的顏色指示劑和組分/試劑相互作用結合起來就能夠產生易于肉眼識別的表示流體狀態的顏色。例如，選擇一種試劑與組分相互作用，用以改變水性流體的pH值，改變方式是試劑和組分比例的較小變化就產生pH值的較大變化，而選擇pH顏色指示劑，則是該指示劑在pH值的很窄范圍內(例如1-1.5)進行其整個顏色范圍的轉變。將這種試劑與這種顏色指示劑結合，就可使得試劑和組分比例上較小的變化產生與pH顏色指示劑的顏色轉變范圍一樣大或比之更大的pH值的變化。有了許多個用不同量的這種試劑和這種顏色指示劑浸漬過的測試區，這些測試區就能確定組分濃度的一些分立的階梯，這些階梯能有效地產生pH顏色指示劑的顏色端值。也就是說，選擇各測試區之間試劑量的差別，就能以預定的濃度分辨率確定由一個測試區至另一個測試區的濃度的分立階梯(progression)。在這許多個測試區中的pH顏色指示劑產生的相繼顏色構成的圖案就以這些分立階梯的分辨率表征了組分濃度。
根據本發明，測試區中的顏色變化是測試區和水性流體接觸的直接結果。在本發明的一種實踐中，顏色變化是由顏色指示劑和組分的相互作用產生的，若測試區中的組分含量超過通過反應或相互作用結合(tie up)、配合或其它方式消耗測試區中所有試劑所需的組分量，就會發生顏色變化。以下兩個反應式表示了與水性流體的組分相互作用或反應后測試區中可能的情況，其中C表示測試區中的組分量，R表示測試區中的試劑量，X表示測試區中的顏色指示劑1)C+R+X(無色)--CR+CX(有色)2)C+R+X(無色)--CR+R+X(無色)在反應式1中，測試區中的組分量C超過與測試區中存在的所有試劑R相互作用并形成CR所需的組分量。過量的組分與顏色指示劑X相互作用形成CX，使指示劑X發生顏色變化。在反應式2中，測試區中的組分量C不足以與測試區中的所有試劑R相互作用，故剩下過量的試劑R和沒有與組分C相互作用的指示劑X，因此沒有發生顏色變化。所發生的顏色變化可以主要是從無色到有色、從一種顏色到基本無色，或者從一種顏色到另一種顏色，包括從白色變為其它顏色(如黑色、藍色或紅色)。這種顏色變化取決于所用的顏色指示劑。當然要設想到將一定量的顏色指示劑用于測試區中以產生可見的顏色變化。還要設想到試劑和顏色指示劑能夠相互作用產生顏色，并且測試區的顏色變化是由測試區中所有試劑和組分間相互作用所產生的。
濃度的測定本發明提供了一種水性流體組合物中組分濃度的測定方法。雖然本發明方法是針對水性流體組合物的，然而此方法并不受其中組分之限制，只是要求濃度待測的組分能與固態測試件的測試區的試劑相互作用，并且組分和試劑間相互作用能導致測試區中顏色指示劑的顏色變化。因此，本發明方法的實施方案中可使用各種水性流體組合物。這些水性流體組合物除了含水以外還含有至少一種組分，許多水性流體除含水之外含有好幾種組分。因此水性流體組合物可以是許多組分的復雜混合物。這些水性流體通常是因它們的功能、用途或來源為人們所知或識別的，從而能向本領域熟練技術人員表明其中組分之類型。例如，用于冷水空調系統或冷卻塔的冷卻水含有腐蝕抑制劑、生物殺傷劑、殺菌劑和殺藻劑。可用于本發明實施方案中的水性流體組合物，包括工業用水性流體，例如金屬電鍍浴、液壓用水性流體、冷卻塔用水、洗滌用水性流體和機械加工用水性流體，但不限于此。
根據本發明方法，需要將固態測試件(本文中所述和所定義的)和水性流體組合物相接觸的步驟。這一接觸步驟可以通過各種方法來完成，例如包括將測試件浸入水性流體中、將水性流體的液滴滴在測試件上、讓水性流體吸入(wicking)測試件內、將水性流體傾倒在測試件上，以及在測試件上涂覆水性流體，但不限于此。與固態測試件接觸的步驟應該確保固態測試件的所有測試區與水性流體均勻并完全地接觸。為了適當地進行本發明方法并得到可靠的測試結果，這種均勻并完全的接觸是需要的。在不偏離本發明精神、目的和范圍的情況下，本領域熟練技術人員會想出其它種種方法來進行本發明方法的接觸步驟。
根據本發明方法，需要將組分濃度顏色定標標度與接觸水性流體后的固態測試件進行比較。組分濃度顏色定標標度可由對試劑、組分和顏色指示劑特定的標度(也就是說，該標度是由與用于固態測試件的測試區中的相同基質、相同用量的相同試劑和相同顏色指示劑制成的)制作或間接得到。組分濃度顏色定標標度可由一系列需要定標的固態測試件制作或間接得到。例如，可使一系列這些固態測試件接受一系列含有已知濃度的待測組分的水性流體的作用。將這些受到作用的固態測試件并排排列在一起，根據該系列水性流體中的已知組分濃度給它們標上濃度。
為了清楚起見，用于與固態測試件接觸以測定其組分濃度的水性流體組合物在本文中稱為待測水性流體組合物，用于制定組分濃度顏色定標標度的水性流體組合物稱為定標用水性流體組合物。待測水性流體組合物和定標用水性流體組合物的區別僅僅在于定標用水性流體組合物中測試組分的濃度是已知的，而在待測水性流體組合物中該濃度是未知的。應該認識到a)定標用水性流體組合物可含有水和已知濃度的水性流體組分(其濃度要被測量)；b)使用含有水和已知濃度的水性流體組分(其濃度要被測量)的定標用水性流體組合物來制作組分濃度顏色定標標度。
在組分濃度顏色定標標度的制作過程中，用定標用水性流體組合物接觸一系列固態測試件中的每一個，所述定標用水性流體組合物含有不同但已知濃度的測試組分。這就產生了一系列固態測試件，其中各測試區的顏色指示劑根據定標水性流體的濃度而顯示顏色變化。各測試區中試劑量的差別最好沿測試件的長度方向是均勻的，使得發生顏色變化的所有測試區是相鄰的，即這些測試區不會被不發生顏色變化的測試區所隔開。在這些情況下，就獲得了一個顏色變化的圖案，這個圖案可以用沿測試條長度方向從一個測試區到另一個測試區逐漸變化的指標來注明。
圖4a中表示的是一塊組分濃度顏色定標標度12，它具有四縱行13、14、15和16。每一縱行由與圖1所示相似的固態測試件制作或間接得到，但都多一個附加的測試區。因此，縱行13、14、15和16對于試劑、組分和顏色指示劑是特定的，即這些縱行含有與固態測試件1相同的試劑和相同的顏色指示劑，或由這些試劑和顏色指示劑所間接得到；這些縱行具有相同的預先決定的從測試區3至測試區6的試劑量的變化，不同的是有一個附加測試區，其試劑含量不同于(如大于)測試區6；這些縱行由含已知濃度的所測組分的定標水性流體制得。用于建立濃度顏色定標標度的基質和底物材料對于在試劑和水性流體組分存在條件下顏色指示劑所產生的顏色的影響，在濃度顏色定標標度中必須與在測試件中一樣。
為了建立一個濃度顏色定標標度，用含有濃度待測量的相同組分(這些組分的濃度是已知且不同的)的水性流體組合物接觸一系列固態測試件中的每一個，從而對于一定濃度范圍內的已知組分濃度，建立了其中顏色指示劑顯示顏色變化的測試區圖案。可以認為，對于一些已知濃度一旦建立了測試區內的顏色圖案，此濃度顏色定標標度就可以復制或表示為圖。可以使用彩色和單色的圖，可以建立簡單的數字標度用來指示與測試區有關的濃度，構成與此處所述得到的顏色定標標度起相同作用的標度。等同于顏色定標標度的數字標度上可列出一系列濃度值(如1％、2％、3％等)，或者列出一系列相當于所述濃度值的數字。這種數字標度可以作為說明表示在本發明方法的每個固態測試件上(如圖4b所示)，或者可以提供在單獨的圖上。
在本發明方法中，將與待測水性流體組合物接觸過的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行目視比較。例如，將圖3的固態測試件7與圖4a的相應組分濃度顏色定標標度12相比較，可見測試區的顏色變化圖案(即測試區8、9和10的顏色不同于測試區11的顏色)對應于顏色定標標度12的縱行15的顏色變化圖案。由于顏色定標標度12的縱行15對應于組分濃度3％，因此由圖3的測試條7可知，該測試流體的組分濃度為3％。
機械加工用水性流體的濃度在本發明方法的較佳實踐中，將機械加工用水性流體組合物用作水性流體組合物。機械加工用水性流體組合物用于將固體工件(如金屬工件)成形為有用的制品。在此成形過程或操作中，對工件施加切割或非切割的工具來將其機械成形為制品。該工具和/或工件可能互相轉動，通常是高速轉動。這種高速度通常可見于使金屬和其它固體材料成形的車削和研磨操作。在其它情況下，會令工具和工件進行互相間的滑動接觸，如在沖孔操作中。還有其它的成形操作是用很大的力將工具施加在工件上，但無切割作用，例如在金屬的輥壓、拉絲和壓平操作中。在這些和其它的成形過程中會產生很大的熱量和摩擦，結果會導致以下問題，如工具磨損、最終制品變形、表面光潔度差，制品尺寸超出容限等等。由于這些問題會使得廢品率高、工具磨損和成本提高。為了克服這些那些問題，在本領域中可以在工具和工件之間的界面上施加機械加工用水性流體。
機械加工用水性流體是水、潤滑劑和一些添加劑(如表面活性劑、耐特壓劑、腐蝕抑制劑、殺菌劑和殺真菌劑)的復雜混合物。機械加工用水性流體的化學狀態通過這些組分的濃度來反映，這些每一個組分均起著流體的一個或多個特定的功用。潤滑劑以及機械加工用水性流體的許多其它組分是合成或天然的有機化合物或化合物的混合物。適用于機械加工用水性流體的潤滑劑，包括例如酯、酰胺、聚醚、胺和磺化油。潤滑劑組分能降低工具和工件間的摩擦，而水有助于散失金屬加工操作中所產生的熱量。腐蝕抑制劑是用來減少或防止工件和最終制品的腐蝕，同時減少或防止對工具的化學侵蝕。抗菌劑和抗真菌劑是用來減少或防止對液體組分起微生物或真菌反應，而表面活性劑是用來形成水不溶解組分在液體水相中的穩定的懸浮液。因此，每種組分均各有其功用，對機械加工用流體的綜合用途和有效性作出貢獻。用于測定水性流體的組分濃度的本發明方法十分適用于監測金屬加工用流體的組分濃度，它能及時地現場指出組分的濃度。
可以如下制備用于本發明方法實踐中測定機械加工用水性流體總堿度的組分濃度顏色定標標度將標稱尺寸為1/4英寸×2英寸的一些粗濾紙條分別浸入5種不同的具有以下組成的含乙醇溶液中，保持一段固定的時間(如5秒鐘)，再讓液體流干，放在玻璃板上于130°F的烘箱內干燥3分鐘，制得5條具有不同馬來酸含量的經浸漬的紙條
在乙醇中的5％的馬來酸**在乙醇中的0.3％的溴酚藍將每根經浸漬和干燥的濾紙條切割成4毫米寬的一些帶子，制得對應于5種浸漬溶液的編號為1至5的帶子。這5根帶子(即對應于編號為1至5的浸漬溶液的編號為1至5的帶子)中的每一根中含有不同量的馬來酸，將這些帶子貼在一片聚氯乙烯(PVC)膜上，它們在整個長度上互相平行排列且彼此隔開，按馬來酸含量遞增的順序進行排列。然后，將其上貼有5根經浸漬的濾紙帶的PVC膜沿與帶子長度的橫向切割成一些4至5毫米寬的條，制得上面有5個測試貼片即測試區的定標條，這些定標條將與一個新鮮制備的定標用機械加工用水性流體的2％、4％、6％、8％和10％稀釋液(dilutions)(其中流體/水的重量比分別為2％/98％、4％/96％、6％/94％、8％/92％和10％/90％)一起使用。這每個定標條的測試貼片即測試區為黃色。將定標條浸入定標用機械加工用水性流體中，每個定標用流體用一根定標條。待數秒鐘令定標條上的液體流干，或者振動定標條除去過量流體。在經過如此處理的定標條中，對應于經稀釋的定標用機械加工用水性流體中堿組分的濃度，有不同數目的測試貼片即測試區顯示從黃色到藍色的顏色變化。按每根測試條均浸入過其中的定標用機械加工用水性流體在稀釋液中濃度遞增(increasing dilution)的順序，將這5根浸入過流體的定標條并排排列在一起，由此給出機械加工用水性流體堿組分的以下組分濃度顏色定標標度。<
由上述組分濃度顏色定標標度可得到其顏色圖案的圖形表示。因此，此圖形表示可用作所述組分濃度顏色定標標度，這種表示法表示了各測試區的顏色變化圖案，如圖4a所示，這些顏色變化圖案上適當地標明了濃度百分數，這些濃度百分數與經作用的定標條的顏色圖案相符合；或者如圖4b所示，在沿一根測試條長度的各個測試區，按照由定標條決定的隨濃度的顏色變化階梯將濃度百分數標上。
根據本發明方法，組分濃度顏色定標標度的使用如下用制備上述定標條相同方式制備固態測試件(即測試條)，將其浸入待測機械加工用水性流體中，該流體含有與定標用機械加工用水性流體相同的組分，浸入時間應恰好能濕潤測試條，一般短于1秒鐘。將測試件從待測流體中取出，振動除去過量待測流體，然后與組分濃度顏色定標標度進行比較。找出與測試條的測試區中的顏色圖案相吻合的濃度顏色定標標度，由此定出堿組分的濃度。據知，如果測試條的所有測試區均為藍色，則知道堿組分的濃度至少等于9％。
根據本發明方法，測定了用過的(即待測)機械加工用水性流體的總堿度(即堿總量)，該流體含有水、單鏈烷醇胺和三鏈烷醇胺、短鏈的單羧酸和二羧酸、胺硼酸鹽、三唑和三嗪。用制備上述馬來酸溴酚藍測試條相同的方式制備固態測試件，將其浸入待測機械加工用水性流體中數秒鐘，從流體中取出測試件，振動該測試件除去過量待測流體，將浸入過流體的測試件與總堿度濃度顏色定標標度進行比較。該總堿度濃度顏色定標標度用本文所述方法制備，所用的定標用水性流體是由新鮮制備的機械加工用水性流體制得的上述機械加工用水性流體的不同稀釋液。
根據本發明方法，測定了用過的(即待測)機械加工用水性流體的總堿度(即堿總量)，該流體含有水、單鏈烷醇胺和三鏈烷醇胺、短鏈的單羧酸和二羧酸、水溶性潤滑劑、三唑和三嗪。用制備上述馬來酸溴酚藍測試條相同的方式制備固態測試件(即測試條)，將其浸入待測機械加工用水性流體中數秒鐘，從待測流體中取出測試件，振動該測試件除去過量待測流體，將浸入過流體的測試件與總堿度濃度顏色定標標度進行比較。該總堿度濃度顏色定標標度用本文所述方法制備，所用的定標用水性流體是由新鮮制備的機械加工用水性流體制得的上述機械加工用水性流體的不同稀釋液。
根據本發明方法，測定用過的機械加工用水性流體的總堿度(即堿總量)，該流體含有水、礦物油、陰離子表面活性劑、鏈烷醇胺、長鏈的脂肪族酰胺、三唑和三嗪。用制備上述馬來酸溴酚藍測試條相同的方式制備固態測試件(即測試條)，將其浸入待測機械加工用水性流體中數秒鐘，從待測流體中取出測試件，振動該測試件從其上除去過量待測流體，將浸入過流體的測試件與總堿度濃度顏色定標標度進行比較。該總堿度濃度顏色定標標度用本文所述方法制備，所用的定標用水性流體是由新鮮制備的機械加工用水性流體制得的上述機械加工用水性流體的不同稀釋液。
本發明揭示了用于測定水性流體組合物的組分濃度的固態測試件，該裝置包括惰性底物和許多個在底物上排列的彼此隔開的單獨測試區，這些測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑選擇性地與其濃度待測的組分相互作用，所述顏色指示劑顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于測試區與水性流體的直接接觸以及試劑和濃度待測的組分間相互作用而引起的變化，每個測試區中的試劑量不同于鄰近測試區中的試劑量，相差預定的量。
另外，本發明還揭示了用于測定水性流體組合物的組分濃度的配套測試器件。該配套測試器件包括a)固態測試件，它包括惰性底物和許多個在底物上排列的彼此隔開的單獨測試區，這些測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑選擇性地與組分相互作用，所述顏色指示劑顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于測試區與水性流體組合物的直接接觸以及試劑和組分間相互作用而引起的變化，每個測試區中的試劑量不同于鄰近測試區中的試劑量，相差預定的量，b)組分濃度顏色定標標度，它用固態測試件和許多個含有已知濃度組分(其未知濃度是要測定的)的水性流體組合物制備，這個組分濃度顏色定標標度含有許多個固態測試件或從這些裝置間接得到，這些固態測試件經過含有已知濃度組分(其未知濃度是要測定的)的水性流體組合物的作用。
雖然本發明及其實踐是結合各種實施方案進行描述的，但是應該認識到，在不偏離本發明所列和所要求的精神和范圍的情況下，本領域熟練技術人員是能夠實施本發明其它實施方案的。
權利要求
1．一種測定水性流體組合物中組分濃度的方法，它包括以下步驟a)將固態測試件與水性流體組合物接觸，所述固態測試件包括惰性底物和許多個在底物上彼此隔開的單獨測試區，其中每個測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑選擇性地與組分相互作用，所述顏色指示劑顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于試劑和組分間相互作用而導致的變化，每個測試區中的試劑量不同于鄰近測試區中的試劑量，相差預定的量，b)將與水性流體接觸后的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行比較。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述組分顏色定標標度對于試劑、顏色指示劑和組分是特定的。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于組分濃度是這樣的，在與水性流體接觸之后，在至少一個但不是所有的測試區中產生顏色變化。
4．如權利要求1所述的方法，其特征在于試劑是固體。
5．如權利要求1所述的方法，其特征在于固態測試件與水性流體組合物的接觸是通過將固態測試件浸入水性流體組合物中來進行的。
6．如權利要求1所述的方法，其特征在于試劑也是顏色指示劑。
7．如權利要求1所述的方法，其特征在于試劑和組分間的相互作用改變了測試區內的pH，顏色指示劑是pH顏色指示劑。
8．如權利要求7所述的方法，其特征在于選擇試劑，使得試劑和組分比例的較小變化引起pH的較大變化；選擇pH顏色指示劑，使得指示劑顯示顏色變化的pH范圍較窄。
9．如權利要求1所述的方法，其特征在于將與水性流體組合物接觸后的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行比較這一步驟，是將固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行目視比較的步驟。
10．一種測定機械加工用水性流體組合物的組分濃度的方法，它包括以下步驟a)將固態測試件與機械加工用水性流體組合物接觸，所述固態測試件包括惰性底物和許多個在底物上彼此隔開的單獨測試區，其中每個測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述試劑選擇性地與組分相互作用，所述顏色指示劑顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于試劑和組分間相互作用而導致的變化，每個測試區中的試劑量不同于鄰近測試區中的試劑量，相差預定的量，b)將與機械加工用水性流體接觸后的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行比較。
11．如權利要求10所述的方法，其特征在于試劑和組分間的相互作用改變了測試區內的pH，顏色指示劑是pH顏色指示劑。
12．如權利要求11所述的方法，其特征在于選擇試劑，使得試劑和組分比例的較小變化引起pH的較大變化；選擇pH顏色指示劑，使得指示劑顯示顏色變化的pH范圍較窄。
13．如權利要求10所述的方法，其特征在于所述組分濃度顏色定標標度對于試劑、顏色指示劑和組分是特定的。
14．如權利要求10所述的方法，其特征在于組分濃度是這樣的，在與機械加工用水性流體接觸之后，在至少一個但不是所有的測試區中產生顏色變化。
15．如權利要求10所述的方法，其特征在于將與機械加工用水性流體組合物接觸后的固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行比較這一步驟，是將固態測試件同組分濃度顏色定標標度進行目視比較的步驟。
16．一種測定機械加工用水性流體組合物的總堿度的方法，它包括以下步驟a)將固態測試件與機械加工用水性流體組合物接觸，所述固態測試件包括惰性底物和許多個在底物上彼此隔開的單獨測試區，其中每個測試區含有用酸性試劑和酸堿顏色指示劑浸漬過的惰性基質，所述酸性試劑選擇性地與機械加工用水性流體的堿組分相互作用，所述酸堿顏色指示劑顯示顏色變化，該顏色變化響應于測試區中由于酸性試劑和機械加工用水性流體的堿組分間相互作用而導致的變化，在每個測試區中的酸性試劑量不同于鄰近測試區中的酸性試劑量，相差預定的量，b)將與機械加工用水性流體接觸后的固態測試件同總堿度顏色定標標度進行比較。
17．如權利要求16所述的方法，其特征在于選擇酸性試劑，使得酸性試劑和機械加工用水性流體的堿組分比例的較小變化引起pH的較大變化；選擇酸堿顏色指示劑，使得其顏色在較窄的pH范圍內變化。
18．如權利要求16所述的方法，其特征在于所述總堿度顏色定標標度對于酸性試劑、酸堿顏色指示劑和機械加工用水性流體組合物的總堿度是特定的。
19．如權利要求16所述的方法，其特征在于機械加工用水性流體組合物的總堿度是這樣的，在接觸之后，在至少一個但不是所有的測試區中顯示顏色變化。
20．如權利要求16所述的方法，其特征在于將與機械加工用水性流體組合物接觸后的固態測試件同總堿度組分濃度顏色定標標度進行比較這一步驟，是將固態測試件同總堿度組分濃度顏色定標標度進行目視比較的步驟。
全文摘要
本發明提供了用于測定水性流體組合物(如機械加工用水性流體組合物)中組分濃度的簡單方便的方法,包括以下步驟:a)將固態測試件與水性流體接觸,該固態測試件包括許多個在惰性底物上彼此隔開的單獨測試區,每個測試區含有用試劑和顏色指示劑浸漬過的惰性基質,試劑選擇性地與組分相互作用,顏色指示劑響應于測試區中由試劑和組分間相互作用而導致的變化而顯示顏色變化,每個測試區中的試劑量不同于冷近側試區中的試劑量,相差預定的量,b)將與水性流體接觸后的固態測試件同用于相同試劑、顏色指示劑和組分的組分濃度顏色定標標度進行比較。
文檔編號G01N31/22GK1211318SQ97192333
公開日1999年3月17日 申請日期1997年9月25日 優先權日1996年12月17日
發明者G·J·P·貝克特 申請人:辛辛那得米勒克朗公司