染液染料濃度檢測數據與分析

陳永恒，羅維平，馬雙寶

染液染料濃度檢測數據與分析

陳永恒，羅維平*，馬雙寶

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

基于單組分染液染料濃度檢測和分析的方法，提出雙組分染液中單組分染料濃度的檢測和分析方法。利用分光光度計測量染液染料的濃度以及EXCEL的多元線性回歸法建立濃度和吸光度的回歸方程，再F檢驗和T檢驗其顯著性。計算各單組分染液染料實測濃度和實配濃度的相對誤差，驗證雙組分染液中各單組分染料濃度與吸光度線性回歸方程的準確性。結果表明濃度相對誤差控制在1.5%以內，符合實際的濃度檢測要求。

單組分；雙組分；回歸方程；吸光度；濃度

在紡織品染色的過程中，染廠面臨著經濟和環境的壓力，因此從染廠的角度出發，最優的染色工藝成為了迫切的需要，為了進一步優化染色工藝，那么對染液染料濃度的檢測就提出了更高的要求。我國現有的染液染料濃度檢測的設備都是離線式，實時在線的檢測設備應用不廣[1]。所以對實時在線檢測設備研究的空間很大，如果研發成功并能廣泛應用于染色工藝，將會推動染色行業革命性的進步。

檢測染料濃度的方法主要有液相色譜法、熒光分光光度法、分光光度法等[2]。液相色譜法在測量混合染液染料各組分濃度時，不能直接用色譜給出結果，同時也要把樣品分開才能檢測，測定的時間相對較長，因此主要應用于離線式染料濃度檢測。熒光分光光度法根據發射的光譜或者激發的光譜對染料的濃度進行分析，雖然無需預先分開各組分，但是我國的設備一般只用于單組分低濃度染料的檢測。分光光度法連續從染液中采樣，通過分光光度計的吸光量變化，能快捷的測量染液中染料的濃度，做到了染料濃度的實時檢測，因此分光光度法是染料濃度檢測的常用方法。

1 實驗原理及材料儀器

分光光度法的運用基礎是建立在被測染液濃度的吸光度值在一定的范圍內滿足朗伯-比爾定律：

由式（3）可知，當染液的吸光系數和染液的光程不變時，染液的吸光度和染液染料的濃度成一定的比例關系，分光光度計的工作原理就是根據這個關系設計的。本文主要闡述的是利用分光光度計去測量染液染料的吸光度，基于朗伯—比爾定律實時的反應染液染料濃度的變化。

表1 實驗材料和儀器

多元線性回歸法是數學統計學中比較重要的方法，其被廣泛應用到各個領域[3]。為了保證回歸方程的獨立性，多元線性回歸的自變量的個數要大于方程的個數，因此N-1種染液染料濃度的計算過程應選取N個波長進行分析。

本實驗所選取的材料和儀器見表1。

2 實驗方法

2.1 單組分染液染料濃度測定

稱取0.02g活性紫染料，加入100ml溶劑，然后對半稀釋，依次配制出濃度為0.2mg/ml，0.1mg/ml，0.05mg/ml，0.025mg/ml，0.0125mg/ml的活性紫染液。稱取0.01g活性黃染料，加入100ml溶劑，然后對半稀釋，依次配制出濃度為0.1mg/ml，0.05mg/ml，0.025mg/ml，0.0125mg/ml，0.00625mg/ml的活性黃染液。用分光光度計測量每種濃度染液在每個波長下的吸光度，繪制出波長和吸光度的光譜圖，分別確定活性紫、活性黃的最大吸收波長。取最大吸收波長下的吸光度，建立回歸方程并繪制吸光度和對應濃度的標準曲線，確定單組分染液染料濃度和吸光度是否呈線性關系，如果呈線性關系，即可進行雙組分染液染料濃度檢測的實驗。

2.2 雙組分染液染料濃度測定

稱取0.02g活性紫染料和0.01g活性黃染料，混合后加入100ml溶劑，然后對半稀釋，依次配制出五種不同濃度的染液。用分光光度計測量五種染液每個波長下的吸光度，依據多元線性回歸法建立雙組分混合染液單組分染料濃度與吸光度回歸方程時，需采用可見光波長范圍內三個整數波長的吸光度值作為自變量，根據朗伯比爾定律可知，染料在其最大吸收波長下濃度與吸光度線性關系最好，因此選擇其中兩個波長為兩種染料的最大吸收波長下的吸光度值與測得的雙組分混合染液可見光范圍內每個整數波長下的吸光度值組合。使用多元線性回歸法建立回歸方程，計算回歸方程的相關系數和標準誤差，當回歸方程的相關系數達到最大、標準誤差達到最小時，找到最佳的第三波長，確定波長組合，選取最佳第三波長、活性紫最大吸收波長、活性黃最大吸收波長下的雙組分染液吸光度值，建立雙組分染液中各單組分染料濃度與吸光度的回歸方程。

2.3 F檢驗

原定假設和備擇假設：

F檢驗的方程為：

2.4 T檢驗

原定假設和備擇假設：

T檢驗的方程為：

3 結果和討論

3.1 單組分染液的分析

利用分光光度計獲取活性紫、活性黃染液各個波長下的吸光度，用MATLAB繪制波長和吸光度的關系圖，如圖1所示。

圖1 波長和吸光度圖

表2 活性紫染料濃度和吸光度

表3 活性黃染料濃度和吸光度

因為活性染料的最大吸收波長在可見光范圍內才符合要求，通過分析圖1可知活性紫的最大吸收波長為558nm，活性黃的最大吸收波長為426nm。

活性紫染料的濃度以及在最大吸收波長下的吸光度如表2所示。

活性黃染料的濃度以及在最大吸收波長下的吸光度如表3所示。

活性紫染料濃度-吸光度的標準曲線如圖2所示。

圖2 活性紫染料濃度與吸光度線性關系

圖3 活性黃染料濃度與吸光度線性關系

活性黃染料濃度-吸光度的標準曲線如圖3所示。

3.2 雙組分染液的分析

用分光光度計測量五種濃度雙組分混合染液每個可見光整數波長下的吸光度，根據多元線性回歸法用不同波長組合下的吸光度值建立的回歸方程，計算得到回歸方程的相關系數和標準誤差，繪制出不同波長組合下的第三波長和回歸方程的相關系數、標準誤差關系圖。

不同波長組合下第三波長和回歸方程相關系數的關系如圖4所示。

圖4 不同波長組合下混合染液染料濃度與吸光度的相關系數

圖5 不同波長組合下混合染液濃度與吸光度標準誤差

不同波長組合下第三波長和標準誤差的關系如圖5所示。

由圖4、圖5可知，當第三個波長為464nm時，活性紫濃度與吸光度線性關系的相關系數為0.999999，標準誤差為0.000001，活性黃濃度與吸光度線性關系的相關系數為0.999999，標準誤差為0.0000004，此時活性紫和活性黃回歸方程線性關系的相關系數達到最大，標準誤差達到最小，表明其濃度和吸光度的線性關系最好，因此選擇波長組合為558nm、426nm、464nm。

第三波長為464nm時，雙組分混合染液中每種濃度對應的吸光度依次為0.066、0.139、0.297、0.641、1.363?；钚宰嫌?.025mg/ml的濃度作為測試集，其他四種濃度為訓練集，活性黃用0.0125mg/ml的濃度作為測試集，其他四種濃度為訓練集，由此得到雙組分混合染液中各單組分染料濃度與吸光度回歸方程。

活性紫和活性黃混合染液中活性紫回歸方程為：

活性紫和活性黃混合染液中活性黃回歸方程為：

3.3 F檢驗

選取活性紫和活性黃雙組分混合染液中個單組分染料濃度與吸光度回歸方程，F檢驗其顯著性。

表4 活性紫回歸方程F檢驗

表5 活性紫回歸方程F檢驗

3.4 T檢驗

選取活性紫和活性黃雙組分混合染液中單個組分染料濃度與吸光度回歸方程，T檢驗其回歸系數顯著性。

表6 活性紫回歸系數T檢驗

選取活性紫和活性黃雙組分混合染液中單個組分染料濃度與吸光度回歸方程，T檢驗其回歸系數顯著性。

表7 活性黃回歸系數T檢驗

3.5 檢驗濃度測量的準確性

利用測試集對單組分染液中染料的濃度真實值和測量值比較，結果如表8所示。

表8 染液染料濃度測量值與真實值比較

由表8可知，單組分染液中活性紫、活性黃實測濃度與實配濃度的相對誤差分別為0.12%、1.2%，由此可知單組分染液染料濃度的檢測方法可行。

利用測試集對雙組分混合染液中各單組分染料的濃度真實值和測量值比較，結果如表9所示。

表9 混合染液各單組分濃度測量值與真實值比較

由表9可知，雙組分混合染液中活性紫、活性黃實測濃度與實配濃度的相對誤差分別為0.04%、0.008%，由此可知對于雙組分混合染液中各單組分染料濃度與吸光度的回歸相關系數越大、標準誤差越小，則活性染料實測濃度和實配濃度的相對誤差越小。

4 結論

活性紫最大吸收波長為558nm，活性黃最大吸收波長為426nm。驗證了朗伯-比爾定律，單組分染液活性染料在最大吸收波長下的吸光度和濃度線性關系強。在單組分染液染料濃度檢測方法的基礎上，找到了一種雙組分混合染液中各單組分染料濃度的檢測方法，由此可以推廣到多組分混合染液中各單組分染料濃度的檢測。利用多元線性回歸法建立的多元線性回歸方程經過檢驗具有較高的準確性，單組分染液中染料濃度相對誤差在1.5%以內，雙組分混合染液中各單組分染料的濃度相對誤差在1%以內，準確度很高。

[1] 韓旭, 李衛斌, 李錦芳, 等. 活性染料單組分濃度的原位在線檢測[J]. 成都紡織高等?？茖W校學報，2016, (3): 28-31.

[2] 屠天民, 駱欽, 施睿, 等. 在線監測染色過程的染料濃度[J]. 印染, 2009, (9): 19-22.

[3] 嚴利偉, 王昌南, 唐高林, 等. 多元線性回歸計算礦石體重方法的優化[J]. 四川地質學報, 2017, (2): 331-334.

[4] 房文杰, 屠天民, 張騫, 等. 染液濃度的在線監測初探[J]. 印染, 2011, (7): 12-15.

[5] 靳曉松, 屠天民, 張明明. 染料濃度在線監測技術[J]. 印染, 2012, (14): 50-53.

[6] 宋光軍, 粟暉, 姚志湘, 等. 染液中活性染料組分的濃度測定[J]. 光譜實驗室, 2013, (1): 154-157.

[7] 雷波. 分光光度法對混合溶液染料濃度的同時測定[J]. 染整技術, 2003, (6): 35-37.

[8] 王薇, 田俊瑩, 趙曉明, 等. 光纖傳感系統在單組分活性染料溶液濃度檢測中的研究[J]. 黑龍江紡織，2013, (2): 11-15.

[9] 葉早萍. 染浴在線監控的染色工藝[J]. 印染，2008, (9): 47-49．

[10] 范以輝, 惠煥強. 淺談分光光度法和分光光度計的原理及其應用[J]. 計量與測試技術，2006，(12): 11-12．

Data and Analysis of Dye Dyes Concentration Detection

CHEN Yong-heng, LUO Wei-ping, MA Shuang-bao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

Based on the method of single-group dyeing liquid dye concentration detection and analysis, the detection and analysis method of single-part dye concentration in double-group dyeing solution was proposed. The regression equations of concentration and absorbance were established by spectrophotometer to measure the concentration of dyeing liquid dyes and using multivariate linear regression method of EXCEL, and the significance of F test and T test was obtained. The relative error of the measured concentration and the actual concentration of each single-group dyeing liquid dye was calculated, and the accuracy of the single-part dye concentration and the absorbance linear regression equation in the two-group dyeing solution was verified. The results show that the concentration error is controlled within 1.5%, which conforms to the actual concentration detection requirements.

single group; double-part; regression equation; absorbance; concentration

羅維平（1967-），女，教授，研究方向：嵌入式系統，數字化紡織設備設計.

湖北省數字紡織裝備重點實驗室公開項目（DTL2018023）.

TQ610.17

A

2095－414X(2020)04－0019－06