专利名称：分析水性流体的方法
发明的领域本发明涉及水性流体组合物(aqueous fluid composition)组分浓度的测量方法。本发明具体是涉及用颜色变化固态测试件来测量水性流体中组分浓度的方法。
发明的背景水性流体组合物使用于各种用途和环境中，其中了解流体中各种组分和杂质的浓度对于确保流体适当和有效的功能和用途是十分重要的。例如，这些水性流体组合物使用于冷却水塔系统、洗涤操作、机械加工过程、游泳池、液压用流体和电镀操作。因此，简单直接测定组分(包括杂质)浓度的方法和设备在工业领域中是十分重要的。通过简单直接的方法检测和测定水性流体中特定物质的浓度在医学领域中也是很重要的，例如尿样化验。
在工业领域中，使用机械加工用水性流体(aqueous based machining fluids)会明显提高加工物体的质量、加工操作或加工过程的生产率，并延长在制造加工物体中所用工具的寿命。为了得到机械加工用水性流体最大的效率和利用率，测定和监测流体中各种组分的浓度是十分重要的。本文所用的术语“机械加工用水性流体”是指一种复杂的水性流体，在通过物理方法对工件加工成形期间，它使用在工具和工件之间的界面上。上述物理方法主要是机械加工方法，例如研磨、切削、车削、辊压、冲孔、挤压、旋压、拉丝和压平、压制和钻孔操作。
机械加工用水性流体一般在循环体系中使用，这时储存器中的流体供给到工具和工件之间接触面的附近，然后回到储存器中。随着金属加工用流体一次又一次的使用，会发生化学和/或物理分解和/或流体中一种或多种组分的含量减少。在贮存和使用机械加工用水性流体时，会发生不利于流体有效性的变化例如，由热所引起的组分分解；由于与空气接触所导致的氧化；与金属碎屑的反应沾污了流体；由微生物和杀菌剂所引起的变化；水的蒸发；以及一些组分各自和集体地电解分离。机械加工用水性流体(即液体)中起作用的组分若有损失，会降低流体发挥其一种或多种特定作用的有效性，这些特定作用如润滑作用、乳化作用、控制腐蚀作用，以及控制微生物生长作用。因此，为了控制和保持机械加工用水性流体的有效性，需要监测其中组分的浓度。
为了克服金属加工用水性流体在贮存和使用期间所发生的组成变化之不利影响，需要时常监测流体的物理和/或化学状态。这些监测不仅能指示组成的变化，而且能指出恢复流体有效性以及延长其使用寿命的正确措施。在流体的这种监测中，一般测量的化学和物理参数有pH、溶解氧、温度、电导率、微生物活性、表面活性剂活性或乳化剂活性、油污染量、金属碎屑污染量以及总碱度。在本领域中应用仪器分析和湿分析技术来测量机械加工用水性流体的这些参数和其它参数(如浓度变化)。这些技术可用于从机械加工操作所用流体的储存器中取出的样品，尤其是用于从向许多个成形工件(如金属)所用机床提供流体的储存器(它们通常被称为“中央系统”)中取出的样品。通常将这些样品拿到实验室和其它方便的场所进行分析和测量。经常在金属加工用流体的储存器旁边或附近进行测量，尤其是在向机床供给流体的中央系统储存器的出口处进行测量。有一些测量(如温度、传导率、pH和溶解氧)是用在供给金属加工用机床的金属加工用水性流体的流路中放置的传感器进行测量的。在这种情况下，测量是连续或间歇进行的。
对于许多机械加工操作而言，已有技术的用于测量机械加工用水性流体中组分浓度的手工或自动系统并不适用。在各个机床分别使用机械加工用水性流体储存器的机械操作中，在加工操作中使用好几种配方的少量的机械加工用水性流体(如不同的机械加工操作使用不同配方的机械加工用水性流体)，情况尤其如此。因此，若有一种简单易用、比较方便、成本低的测试方法用来在机械加工用水性流体应用的现场快速测量其中组分浓度，就很有必要，也是有利的。
在流体测试领域中已经使用了固态测试件(solid state test devices)，它是根据分析化学原理制成的固态测试件，使用起来特别方便。近年来，这种方法在提供的不仅仅是水性流体的组分(即被分析物)存在及其浓度的粗略指示方面已经取得了显著的进展。这些测试件是基于将颜色变化程度作为被分析物浓度的一种衡量。这些固态测试件具有许多形式，其中一种称为测试条。这种测试条通常是在一条底物上面覆有贴片(pad)，其中贴片的纸基质用能与被分析物反应的试剂浸渍过。在已有技术的方法中，将该贴片与含有待测其存在及浓度的被分析物的水性流体接触或是浸入其中。在贴片上产生了颜色变化，通常将贴片上的颜色变化程度与颜色对照表进行比照，或者可以用仪器(如反射度光度计)读出，来测定被分析物的浓度。很适用于流体现场测定的是那些不用装设仪器就能测出的测试条。
在本领域中，使用了各种试剂来制备固态测试件(如测试条)，这些固态测试件用于水性流体的各种组分存在及其浓度的测定方法中。一般来说，特定的试剂用于测定水性流体中特定组分的存在以及浓度。这些试剂和测试的例子包括用于测定氯化物的重铬酸钠、用于测定氰尿酸的蜜胺、用于测定尿中酮的硝普盐、用于抗体检定的免疫球蛋白、用于测定体液中葡萄糖的葡糖氧化酶/过氧化物酶/可氧化的指示剂混合物，以及用于测定尿中胆红素的2-甲基-5-硝基-苯胺、亚硝酸钠、2,4-二氯苯胺(2,4-dichloroabniline)和2,6-二氯苯。由此可见，单一的化合物、化合物的混合物、无机化合物、有机化合物和生物试剂均已用作固态测试件(如测试条)中的试剂。
在固态测试件的领域中，已知提供并使用校正贴片来校正pH、待测流体中的着色剂、待测流体中的干扰杂质或干扰组分，以及用于将试剂保存在贴片中的纸基质的干扰性能。在本领域中已知具有许多贴片的测试条固态装置及其使用方法，这些贴片能同时测定同一水性流体中的不同组分。然而除了这些特点之外，在本领域中通常提供了具有贴片的非仪器的测试条固态测试件，它与待测流体接触产生的贴片颜色变化程度是测定产生这种颜色变化的流体组分浓度的基础。因此在已有技术中，使用这些测试条的非仪器测试方法包括以下步骤将该测试条与待测水性流体接触，在测试贴片上产生颜色变化，其颜色变化程度与待测流体中产生该颜色变化的组分的浓度成正比，然后将贴片上的颜色变化同颜色定标标度相比较，指示出产生颜色变化组分的浓度。一般通过与颜色表或标度的比较进行颜色变化的评定，需要辨别颜色的程度、浓淡或亮度。这种方法固有的缺点是当用眼睛辨别颜色程度、浓淡或亮度的较小变化时，该方法十分主观。
已知的用于测定待测水性流体中组分浓度的非仪器方法虽然方便、简单易用，但是伴随着该方法的主观性会存在不准确性，尤其是以下三方面a)对于该方法很重要的颜色的可再现性，b)对于很暗或很亮的颜色，辨认该种颜色很小变化的不准确性，c)颜色定标图中的不准确性或空缺，尤其是在颜色变化程度不是组分浓度的线性函数的情况下。因此，十分需要一种用于测定水性流体组分浓度的测试条方法，该测定方法既要准确、主观性最小，又要不使用仪器，易用而简便。
发明的概述本发明通过减少或消除已有技术方法目视鉴别的主观性，来克服已有技术的用于测定水性流体组合物组分浓度的固态装置目视辨别法的许多缺点，所述水性流体组合物即含有至少一种除水以外的化学组成物或组分的水性流体组合物。
本发明的一个目的是提供一种简单方便易用的方法，通过固态测试件来测定水性流体组合物的化学组分浓度，该方法能提供目视明显的浓度指示。
本发明还有一个目的是提供一种采用固态测试件的方法，用于测定机械加工用水性流体组合物的化学组分浓度，该方法能提供目视明显的浓度指示。
已经发现，以上目的和其它目的在以下说明、实施例和权利要求中可见，是可以通过本发明方法得以实现的。该方法是测定水性流体组合物组分浓度的方法，它包括以下步骤a)将水性流体组合物与固态测试件接触，所述固态测试件包括1)惰性底物，2)许多个在底物上排列的单独测试区，每个测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质(matrix)，所述试剂选择性地与水性流体的组分相互作用，所述颜色指示剂则响应于测试区中由于试剂和水性流体组分间相互作用而导致的变化，在各个测试区中浸渍的试剂量与邻近测试区中的试剂量不同，相差预定的量，b)将与水性流体组合物接触过的固态测试件同组分浓度颜色定标标度(color calibration scale)进行比较。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种用于测定机械加工用水性流体组合物组分浓度的方法，该方法包括以下步骤a)将机械加工用水性流体组合物与固态测试件接触，所述固态测试件包括惰性底物和许多个在所述底物上彼此隔开的单独测试区，测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂能与组分相互作用，所述颜色指示剂显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于试剂和组分间相互作用而导致的变化，各个测试区中的试剂量与邻近测试区中的试剂量不同，相差预定的量，b)将与机械加工用水性流体接触后的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行比较。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种用于测定金属加工用水性流体组合物的组分浓度的方法，该方法包括以下步骤a)将金属加工用流体与固态测试件接触，所述固态测试件包括惰性底物和许多个在所述底物上彼此隔开的单独测试区，测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂能与组分相互作用，所述颜色指示剂能显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于试剂和组分间相互作用而导致的变化，每个测试区中的试剂量与邻近测试区中的试剂量不同，相差预定的量，水性流体中组分浓度是这样的，响应于固态测试件与金属加工用水性流体直接接触时，在固态测试件的至少一个测试区(但不是所有的测试区)中产生颜色变化，b)将与金属加工用水性流体接触后的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行比较。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种用于测定机械加工用水性流体组合物中碱组分总浓度的方法，该方法包括以下步骤a)将机械加工用水性流体与测试条固态测试件接触，所述测试条固态测试件包括惰性底物条和许多个在所述底物条上彼此隔开的单独测试贴片，测试贴片含有用有机酸和pH颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述有机酸能与碱组分相互作用，在各个测试贴片中有机酸的量与邻近测试贴片中有机酸的量不同，相差预定的量，b)将与机械加工用水性流体接触后的测试条同碱组分浓度颜色定标标度进行比较。
可以设想本发明的其它实施方案，其中水性流体组合物是清洁用水性流体组合物、电镀浴水性组合物、冷却用水性流体组合物、液压用水性流体、过程用水性流体、腐蚀用水性流体、淬火用水性流体、农用水性流体和研磨用水性流体。
由于本发明方法不需要装设仪器来测定浓度，因此本发明方法特别适合于测定和监测水性流体的状态的现场和在线测定。本发明的这个应用在以下方面很适用1)需要监测和调节过程用水性流体，以及对过程用水性流体和水性产物流体进行质量控制的工业领域，2)控制用于冷却系统、游泳池和机械加工过程中的水性流体组合物，3)评定水系，例如湖、河、水流，工业和商业水性流出物或排放物的状态。
附图的简要说明在附图中，
图1是本发明方法的固态测试件的测试条实施方案的俯视图，表示底物及其上面的许多个测试贴片。
图2是图1所示测试条的侧视图，表示测试贴片是互相隔开的。
图3是经作用的测试条固态测试件的俯视图。
图4a是一个组分浓度颜色定标标度。
图4b是一个测试条的俯视图，该测试条上具有根据图4a的组分浓度颜色定标标度列出的浓度说明。
发明的详细描述已经发现，可以通过本发明方法使得在测定水性流体组合物的组分浓度的已有技术方法中，对测试条固态测试件的测试贴片中所产生的颜色变化程度进行评定(即评定颜色变化程度)的主观性缺点达到最小或加以克服。本发明方法对水性流体组合物组分浓度的测定包括以下步骤a)将水性流体组合物与固态测试件接触，所述固态测试件包括1)惰性底物，2)许多个在底物上排列的单独测试区，每个测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂选择性地与水性流体的组分相互作用，各个测试区中的试剂量与邻近测试区中的试剂量不同，相差预定的量，以致在测试区中因组分和试剂间相互作用而产生目视明显的颜色图案，b)将与水性流体组合物接触过的固态测试件同组分浓度定标标度进行比较，这些组分浓度定标标度是按所述试剂、颜色指示剂和水性流体组分所制备的。
本说明书、实施例和所附权利要求书中所用的术语“底物”是指连续的用于支承测试区的固体件，最好是无孔的固体件；术语“惰性”是指与水性流体组合物及其组分、试剂和颜色指示剂接触时具有抗化学和物理变质的性能；术语“试剂”是指能与浓度待测的组分相互作用的物质。
本发明克服了目视主观辨别颜色变化的许多缺点(如果不是全部的话)，从而克服了使用颜色变化来测定水性流体组分浓度的缺点。与已有技术的方法相比，本发明方法使用了图1所示的固态测试件，它具有许多个测试区(贴片)3、4、5和6，这些测试区沿着装置1的惰性底物2是互相隔开地排列(如图2所示)。这些每一个测试区3、4、5和6(例如测试条上的贴片)都含有用颜色指示剂和试剂浸渍过的惰性基质，所述试剂能选择性地与其浓度待测的组分相互作用。应选择颜色指示剂使其响应于水性流体组分和试剂间相互作用产生目视明显的颜色变化。根据本发明，在每一测试区3、4、5和6中的试剂量与其它测试区中的试剂量不同，相差预定的量，在各测试区中有无颜色变化以及预先决定的每个测试区中试剂量的差别提供了水性流体组分浓度的直观指示。
在本发明方法中，将固态测试件1与水性流体接触(例如通过浸渍)。这种接触会产生例如图3所示的情况在测试贴片3、4和5上产生蓝色(图3中用测试区的线条表示)，但在测试贴片6上却没有产生。将经作用的该测试条2与图4a所示的组分浓度颜色定标标度12相比较，对比测试条的颜色图案(color pattern)和浓度定标标度的颜色图案，可以确定组分的浓度。从图4a的浓度标度可知，如图3所示的测试条反映的组分浓度为3％，即测试贴片8、9和10(对应于图1的测试贴片3、4和5)有颜色变化，产生了颜色定标标度12中纵行15所示的颜色变化图案。因此，根据本发明，消除了确定颜色变化程度的主观性，从而消除了对颜色变化程度确定主观性的缺点。
固态测试件用于本发明实践的固态测试件可以有许多种形式和结构。一种形式是测试条固态测试件，该测试件具有惰性的无孔塑料薄条形底物，在该底物上排列着许多个互相隔开的测试区。塑料薄条形底物可以是刚性的或柔性的。用于本发明的测试条固态测试件如图1和2所示，其中测试条1具有薄的矩形底物2，该底物是由无孔塑料如聚烯烃(如聚丙烯)制成的，在底物上沿测试条长度方向置有四个测试区，即区3至区6，每个测试区即贴片与邻近的测试区相隔开。测试区3至6中的每一个测试区均具有用试剂(如有机酸)和指示剂(如溴酚蓝)浸渍过的基质(如滤纸)，在有足够的浓度待测的组分(即碱组分)存在时，所述指示剂由于所述组分与贴片上试剂(例如酸)相互作用(如反应)的结果而发生颜色变化，在测试区内达到一种状态(如pH)，该状态引起颜色指示剂发生颜色变化。在测试贴片3至6中，各贴片间的试剂量互不相同，相差预定的量，从贴片3至贴片6递增。因此，贴片4的试剂量大于贴片3，贴片5的试剂量大于贴片4，贴片6的试剂量大于贴片5。而每个测试贴片3、4、5、6含有相同量的颜色指示剂。
在本发明方法中，在固态测试件的这许多个测试区中，需要已知测试区中的试剂量，并且每个测试区与下一个测试区中的试剂量不同，相差预定的量。例如在图1的固态测试件1中，测试区3、4、5和6中的试剂量从测试区3至测试区4、从测试区4至测试区5、从测试区5至测试区6都是各增加一倍。因此，测试贴片3中的试剂量可以为0.08克，测试贴片4中的试剂量为0.16克，测试贴片5中的试剂量为0.32克，第四个测试贴片6中的试剂量为0.64克。相反地，测试区3至6中的试剂量也可以从测试区3至测试区4、从测试区4至测试区5、从测试区5至测试区6都是各减少一半。如果需要以预定的分辨率在一定范围内测定组分的浓度，可以根据水性流体中已知或预期的最大和最小的组分浓度来决定每个测试区中的试剂量。这样一来就确保了能测的组分浓度不会小于和超过由该固态测试件测量到的浓度值范围。
本发明方法的固态测试件的根本特点是具有惰性底物、许多个在底物上排列的单独测试区，测试区之间互相隔开(如图2所示)，每个测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，各个测试区中的试剂量互不相同，相差预先决定的量。
本发明方法的固态测试件使用惰性底物来支承许多个测试区。该惰性底物是连续的固体件，它可以是各种形式或形状，包括例如带状或条状、圆形以及其它各种几何形状。可以用各种材料来制备底物，底物的重要特点应是连续的固体，是惰性的，最好是无孔的。本发明不能用颗粒底物。用于制备底物的材料的例子包括玻璃、金属、陶瓷和塑料，但不限于此。塑料可包括聚烯烃(如聚乙烯和聚丙烯)、聚苯乙烯、聚酯(如商品名称为Mylar的材料)、聚丙烯酸酯、聚酰胺(如尼龙)、聚氯乙烯和聚碳酸酯，但不限于此。底物由惰性的无孔塑料制备为宜，因为易于处理、易于制成各种形状的底物、各种塑料容易得到，并且耐久性好，成本低。在本发明方法中，固态测试件通常使用不透明或半透明的底物。
根据本发明方法，需用的固态测试件具有许多个在惰性底物上彼此隔开的单独测试区。这些测试区在本性上是多孔的，可具有各种形状或形式。一种形式可以是具有正方形、矩形、圆形或其它合适的几何形状的贴片。测试区的几何形状在本发明方法中不是限制因素。根据本发明方法，测试区可以安置在固态测试件的底物上面或里面。若测试区安置在惰性底物上面，测试区可以通过粘合剂、或以机械的或其它合适的方法连接在底物上面。
本发明的测试区含有用颜色指示剂和试剂浸渍过的惰性基质，所述试剂能与浓度待测的组分相互作用。在本发明的实践中，可使用各种基质材料，但要求基质是惰性的，并有吸收能力。这些基质可以是织造或非织造的材料，包括纸张(如滤纸)、玻璃棉、聚丙烯纤维织物、多孔陶瓷、多孔塑料、笼形化合物和沸石，但不限于此。惰性基质应是具有足够孔隙度的材料，使其能吸收和容纳试剂和颜色指示剂。在本发明的一些实践中，基质可以是片状(片结构)或膜状(膜结构)，而在本发明的其它一些实践中，基质可为颗粒状或颗粒结构。基质最好是几乎无色或无色。
可使用各种技术来制备本发明方法的固态测试件。例如，可以将数片惰性基质(如滤纸)用不同量的试剂浸渍，如用可水溶的固态有机酸和颜色指示剂配成的水溶液浸渍(不同水溶液中有机酸具有不同的浓度)，将数片经浸渍的惰性基质予以干燥使试剂保留在其中。然后，可将数片用试剂和颜色指示剂浸渍的且经干燥的基质切割成贴片(即测试区)，将这些贴片粘附在惰性底物(例如塑料膜的条)上，这些贴片沿塑料膜排列，其次序是所含试剂量从塑料膜的一端至另一端递减。
含有已知试剂量的测试区可以如下制备将已知尺寸和重量的一片基质条浸入试剂(即已知浓度的试剂)的溶液(如水溶液)中，保持一段固定的时间；让经浸渍的基质条上的水流干；干燥(即从基质中除去溶剂)，最好应干燥至最小的恒定重量。然后，对用试剂浸渍过的干燥基质条称重，将其切割成一些相同的已知尺寸的测试区。如此制备的测试区中的试剂量可以从测试区的已知尺寸和浸入基质条的试剂的已知重量的简单相除来确定。这一方法可用来制备其中试剂量有递次变化的各个测试区，从而产生本发明方法固态测试件的许多个测试区。
浸入测试区基质中的试剂应是能与水性流体组合物中浓度有待测定的组分相互作用的物质。在本发明方法的实践中，可利用试剂和组分间的各种相互作用。这些相互作用包括化学反应、形成配合物和交换相互作用，但不限于此。因此，有许多种试剂可用于本发明的实践中。这些试剂包括酸、碱、有机卤化物、硫化物、磺酸盐、硝酸盐等、笼形化合物、螯合剂和离子交换剂，但不限于此。酸可以是有机酸，如柠檬酸、琥珀酸、苯磺酸、草酸、马来酸、富马酸、油酸、苯二甲酸和乙酸。碱可以是无机碱(如氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钙)和碱性有机化合物如胺(如C6至C36的脂族单胺和二胺、聚氧化亚烷基单胺和多胺、脂肪族胺)以及酰胺。试剂又可以是有机醇或多元醇，例如C6-C36的脂族单醇、脂肪族醇、脂族多元醇(如二醇)、芳族醇(如酚)，以及聚氧化亚烷基多元醇(如二醇)。为了提供稳定和可靠的测试区，试剂在空气中化学稳定并且在正常的环境条件(如室温)下很少挥发或没有挥发性是十分重要的。因此，适用于本发明实践的试剂是那些在空气中化学稳定并且在室温条件下很少挥发或没有挥发性的试剂。适用于本发明的试剂是室温(如20℃至40℃)下为液态或固态的试剂。液态试剂必须是能够吸收进入基质的，并且不致从基质上解吸或流出。固态试剂可以溶液(如水溶液、醇溶液或水/醇溶液)形式使用，使其能浸渍进入基质中，较好的是用固态试剂。
特别有利的是，试剂和浓度待测的流体组分间的相互作用应使试剂和组分的相对比例上较小的变化会产生用颜色指示剂检测的状态上较大的变化。因此，例如若要检测水性流体的总碱度，需要水性流体的碱组分和有待浸渍进入测试区中的酸试剂之间反应的滴定曲线具有陡峭的倾斜度，也就是说，在碱组分和酸试剂的比例上较小的变化会产生测试区内pH值的较大变化。为了用于测定金属加工用流体的浓度，流体的总碱度最好使用低pKa的有机酸进行测定。
本发明固态测试件的测试区中要加入颜色指示剂。该颜色指示剂是产生颜色变化的物质，该颜色变化响应于测试区中试剂和浓度待测的水性流体组合物组分间的相互作用。颜色变化可以是从一种颜色变为另一种颜色(如从红色变为蓝色、从蓝色变为白色)，从一种颜色变为无色，或者从无色变成一种颜色。颜色指示剂较好的是其响应于由组分和试剂的相互作用而造成的变化所产生的颜色改变是目视明显的。在本发明的一个实施方案中，颜色指示剂是当测试区中的组分过量于与测试区中所有试剂相互作用所需的组分量时发生颜色变化。在本发明的另一个实施方案中，在试剂过量于与组分相互作用所需量的情况下，颜色指示剂显示一种特别的颜色，而在测试区中没有过量的试剂时，颜色指示剂则显示某种其它颜色或是无色。本发明颜色指示剂的颜色变化最好应是无需借助装设仪器就能够容易检测到。
在本发明的实践中可使用各种各样的颜色指示剂。选择颜色指示剂可取决于这些因素试剂的组成、组分的组成、水性流体组合物的组成和性能，以及试剂和组分间相互作用的类型。要选择针对试剂和浓度待测组分间相互作用的颜色指示剂。用于本发明实践中的颜色指示剂包括甲基橙、溴酚蓝、4,4′-双(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-3,6-二磺酸二钠盐、酚酞、硝嗪黄、溴甲酚绿、酚磺酞、百里酚磺酞和间苯二酚蓝，但不限于此。
特别有利的是，颜色指示剂在测试区状态值的狭窄范围内进行颜色变化，颜色指示剂对于该范围的状态值很敏感，而且试剂和水性流体组分间相互作用产生的状态变化对试剂和组分相对比例的变化的比值很高。如此选择的颜色指示剂和组分/试剂相互作用结合起来就能够产生易于肉眼识别的表示流体状态的颜色。例如，选择一种试剂与组分相互作用，用以改变水性流体的pH值，改变方式是试剂和组分比例的较小变化就产生pH值的较大变化，而选择pH颜色指示剂，则是该指示剂在pH值的很窄范围内(例如1-1.5)进行其整个颜色范围的转变。将这种试剂与这种颜色指示剂结合，就可使得试剂和组分比例上较小的变化产生与pH颜色指示剂的颜色转变范围一样大或比之更大的pH值的变化。有了许多个用不同量的这种试剂和这种颜色指示剂浸渍过的测试区，这些测试区就能确定组分浓度的一些分立的阶梯，这些阶梯能有效地产生pH颜色指示剂的颜色端值。也就是说，选择各测试区之间试剂量的差别，就能以预定的浓度分辨率确定由一个测试区至另一个测试区的浓度的分立阶梯(progression)。在这许多个测试区中的pH颜色指示剂产生的相继颜色构成的图案就以这些分立阶梯的分辨率表征了组分浓度。
根据本发明，测试区中的颜色变化是测试区和水性流体接触的直接结果。在本发明的一种实践中，颜色变化是由颜色指示剂和组分的相互作用产生的，若测试区中的组分含量超过通过反应或相互作用结合(tie up)、配合或其它方式消耗测试区中所有试剂所需的组分量，就会发生颜色变化。以下两个反应式表示了与水性流体的组分相互作用或反应后测试区中可能的情况，其中C表示测试区中的组分量，R表示测试区中的试剂量，X表示测试区中的颜色指示剂1)C+R+X(无色)--CR+CX(有色)2)C+R+X(无色)--CR+R+X(无色)在反应式1中，测试区中的组分量C超过与测试区中存在的所有试剂R相互作用并形成CR所需的组分量。过量的组分与颜色指示剂X相互作用形成CX，使指示剂X发生颜色变化。在反应式2中，测试区中的组分量C不足以与测试区中的所有试剂R相互作用，故剩下过量的试剂R和没有与组分C相互作用的指示剂X，因此没有发生颜色变化。所发生的颜色变化可以主要是从无色到有色、从一种颜色到基本无色，或者从一种颜色到另一种颜色，包括从白色变为其它颜色(如黑色、蓝色或红色)。这种颜色变化取决于所用的颜色指示剂。当然要设想到将一定量的颜色指示剂用于测试区中以产生可见的颜色变化。还要设想到试剂和颜色指示剂能够相互作用产生颜色，并且测试区的颜色变化是由测试区中所有试剂和组分间相互作用所产生的。
浓度的测定本发明提供了一种水性流体组合物中组分浓度的测定方法。虽然本发明方法是针对水性流体组合物的，然而此方法并不受其中组分之限制，只是要求浓度待测的组分能与固态测试件的测试区的试剂相互作用，并且组分和试剂间相互作用能导致测试区中颜色指示剂的颜色变化。因此，本发明方法的实施方案中可使用各种水性流体组合物。这些水性流体组合物除了含水以外还含有至少一种组分，许多水性流体除含水之外含有好几种组分。因此水性流体组合物可以是许多组分的复杂混合物。这些水性流体通常是因它们的功能、用途或来源为人们所知或识别的，从而能向本领域熟练技术人员表明其中组分之类型。例如，用于冷水空调系统或冷却塔的冷却水含有腐蚀抑制剂、生物杀伤剂、杀菌剂和杀藻剂。可用于本发明实施方案中的水性流体组合物，包括工业用水性流体，例如金属电镀浴、液压用水性流体、冷却塔用水、洗涤用水性流体和机械加工用水性流体，但不限于此。
根据本发明方法，需要将固态测试件(本文中所述和所定义的)和水性流体组合物相接触的步骤。这一接触步骤可以通过各种方法来完成，例如包括将测试件浸入水性流体中、将水性流体的液滴滴在测试件上、让水性流体吸入(wicking)测试件内、将水性流体倾倒在测试件上，以及在测试件上涂覆水性流体，但不限于此。与固态测试件接触的步骤应该确保固态测试件的所有测试区与水性流体均匀并完全地接触。为了适当地进行本发明方法并得到可靠的测试结果，这种均匀并完全的接触是需要的。在不偏离本发明精神、目的和范围的情况下，本领域熟练技术人员会想出其它种种方法来进行本发明方法的接触步骤。
根据本发明方法，需要将组分浓度颜色定标标度与接触水性流体后的固态测试件进行比较。组分浓度颜色定标标度可由对试剂、组分和颜色指示剂特定的标度(也就是说，该标度是由与用于固态测试件的测试区中的相同基质、相同用量的相同试剂和相同颜色指示剂制成的)制作或间接得到。组分浓度颜色定标标度可由一系列需要定标的固态测试件制作或间接得到。例如，可使一系列这些固态测试件接受一系列含有已知浓度的待测组分的水性流体的作用。将这些受到作用的固态测试件并排排列在一起，根据该系列水性流体中的已知组分浓度给它们标上浓度。
为了清楚起见，用于与固态测试件接触以测定其组分浓度的水性流体组合物在本文中称为待测水性流体组合物，用于制定组分浓度颜色定标标度的水性流体组合物称为定标用水性流体组合物。待测水性流体组合物和定标用水性流体组合物的区别仅仅在于定标用水性流体组合物中测试组分的浓度是已知的，而在待测水性流体组合物中该浓度是未知的。应该认识到a)定标用水性流体组合物可含有水和已知浓度的水性流体组分(其浓度要被测量)；b)使用含有水和已知浓度的水性流体组分(其浓度要被测量)的定标用水性流体组合物来制作组分浓度颜色定标标度。
在组分浓度颜色定标标度的制作过程中，用定标用水性流体组合物接触一系列固态测试件中的每一个，所述定标用水性流体组合物含有不同但已知浓度的测试组分。这就产生了一系列固态测试件，其中各测试区的颜色指示剂根据定标水性流体的浓度而显示颜色变化。各测试区中试剂量的差别最好沿测试件的长度方向是均匀的，使得发生颜色变化的所有测试区是相邻的，即这些测试区不会被不发生颜色变化的测试区所隔开。在这些情况下，就获得了一个颜色变化的图案，这个图案可以用沿测试条长度方向从一个测试区到另一个测试区逐渐变化的指标来注明。
图4a中表示的是一块组分浓度颜色定标标度12，它具有四纵行13、14、15和16。每一纵行由与图1所示相似的固态测试件制作或间接得到，但都多一个附加的测试区。因此，纵行13、14、15和16对于试剂、组分和颜色指示剂是特定的，即这些纵行含有与固态测试件1相同的试剂和相同的颜色指示剂，或由这些试剂和颜色指示剂所间接得到；这些纵行具有相同的预先决定的从测试区3至测试区6的试剂量的变化，不同的是有一个附加测试区，其试剂含量不同于(如大于)测试区6；这些纵行由含已知浓度的所测组分的定标水性流体制得。用于建立浓度颜色定标标度的基质和底物材料对于在试剂和水性流体组分存在条件下颜色指示剂所产生的颜色的影响，在浓度颜色定标标度中必须与在测试件中一样。
为了建立一个浓度颜色定标标度，用含有浓度待测量的相同组分(这些组分的浓度是已知且不同的)的水性流体组合物接触一系列固态测试件中的每一个，从而对于一定浓度范围内的已知组分浓度，建立了其中颜色指示剂显示颜色变化的测试区图案。可以认为，对于一些已知浓度一旦建立了测试区内的颜色图案，此浓度颜色定标标度就可以复制或表示为图。可以使用彩色和单色的图，可以建立简单的数字标度用来指示与测试区有关的浓度，构成与此处所述得到的颜色定标标度起相同作用的标度。等同于颜色定标标度的数字标度上可列出一系列浓度值(如1％、2％、3％等)，或者列出一系列相当于所述浓度值的数字。这种数字标度可以作为说明表示在本发明方法的每个固态测试件上(如图4b所示)，或者可以提供在单独的图上。
在本发明方法中，将与待测水性流体组合物接触过的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行目视比较。例如，将图3的固态测试件7与图4a的相应组分浓度颜色定标标度12相比较，可见测试区的颜色变化图案(即测试区8、9和10的颜色不同于测试区11的颜色)对应于颜色定标标度12的纵行15的颜色变化图案。由于颜色定标标度12的纵行15对应于组分浓度3％，因此由图3的测试条7可知，该测试流体的组分浓度为3％。
机械加工用水性流体的浓度在本发明方法的较佳实践中，将机械加工用水性流体组合物用作水性流体组合物。机械加工用水性流体组合物用于将固体工件(如金属工件)成形为有用的制品。在此成形过程或操作中，对工件施加切割或非切割的工具来将其机械成形为制品。该工具和/或工件可能互相转动，通常是高速转动。这种高速度通常可见于使金属和其它固体材料成形的车削和研磨操作。在其它情况下，会令工具和工件进行互相间的滑动接触，如在冲孔操作中。还有其它的成形操作是用很大的力将工具施加在工件上，但无切割作用，例如在金属的辊压、拉丝和压平操作中。在这些和其它的成形过程中会产生很大的热量和摩擦，结果会导致以下问题，如工具磨损、最终制品变形、表面光洁度差，制品尺寸超出容限等等。由于这些问题会使得废品率高、工具磨损和成本提高。为了克服这些那些问题，在本领域中可以在工具和工件之间的界面上施加机械加工用水性流体。
机械加工用水性流体是水、润滑剂和一些添加剂(如表面活性剂、耐特压剂、腐蚀抑制剂、杀菌剂和杀真菌剂)的复杂混合物。机械加工用水性流体的化学状态通过这些组分的浓度来反映，这些每一个组分均起着流体的一个或多个特定的功用。润滑剂以及机械加工用水性流体的许多其它组分是合成或天然的有机化合物或化合物的混合物。适用于机械加工用水性流体的润滑剂，包括例如酯、酰胺、聚醚、胺和磺化油。润滑剂组分能降低工具和工件间的摩擦，而水有助于散失金属加工操作中所产生的热量。腐蚀抑制剂是用来减少或防止工件和最终制品的腐蚀，同时减少或防止对工具的化学侵蚀。抗菌剂和抗真菌剂是用来减少或防止对液体组分起微生物或真菌反应，而表面活性剂是用来形成水不溶解组分在液体水相中的稳定的悬浮液。因此，每种组分均各有其功用，对机械加工用流体的综合用途和有效性作出贡献。用于测定水性流体的组分浓度的本发明方法十分适用于监测金属加工用流体的组分浓度，它能及时地现场指出组分的浓度。
可以如下制备用于本发明方法实践中测定机械加工用水性流体总碱度的组分浓度颜色定标标度将标称尺寸为1/4英寸×2英寸的一些粗滤纸条分别浸入5种不同的具有以下组成的含乙醇溶液中，保持一段固定的时间(如5秒钟)，再让液体流干，放在玻璃板上于130°F的烘箱内干燥3分钟，制得5条具有不同马来酸含量的经浸渍的纸条
在乙醇中的5％的马来酸**在乙醇中的0.3％的溴酚蓝将每根经浸渍和干燥的滤纸条切割成4毫米宽的一些带子，制得对应于5种浸渍溶液的编号为1至5的带子。这5根带子(即对应于编号为1至5的浸渍溶液的编号为1至5的带子)中的每一根中含有不同量的马来酸，将这些带子贴在一片聚氯乙烯(PVC)膜上，它们在整个长度上互相平行排列且彼此隔开，按马来酸含量递增的顺序进行排列。然后，将其上贴有5根经浸渍的滤纸带的PVC膜沿与带子长度的横向切割成一些4至5毫米宽的条，制得上面有5个测试贴片即测试区的定标条，这些定标条将与一个新鲜制备的定标用机械加工用水性流体的2％、4％、6％、8％和10％稀释液(dilutions)(其中流体/水的重量比分别为2％/98％、4％/96％、6％/94％、8％/92％和10％/90％)一起使用。这每个定标条的测试贴片即测试区为黄色。将定标条浸入定标用机械加工用水性流体中，每个定标用流体用一根定标条。待数秒钟令定标条上的液体流干，或者振动定标条除去过量流体。在经过如此处理的定标条中，对应于经稀释的定标用机械加工用水性流体中碱组分的浓度，有不同数目的测试贴片即测试区显示从黄色到蓝色的颜色变化。按每根测试条均浸入过其中的定标用机械加工用水性流体在稀释液中浓度递增(increasing dilution)的顺序，将这5根浸入过流体的定标条并排排列在一起，由此给出机械加工用水性流体碱组分的以下组分浓度颜色定标标度。<
由上述组分浓度颜色定标标度可得到其颜色图案的图形表示。因此，此图形表示可用作所述组分浓度颜色定标标度，这种表示法表示了各测试区的颜色变化图案，如图4a所示，这些颜色变化图案上适当地标明了浓度百分数，这些浓度百分数与经作用的定标条的颜色图案相符合；或者如图4b所示，在沿一根测试条长度的各个测试区，按照由定标条决定的随浓度的颜色变化阶梯将浓度百分数标上。
根据本发明方法，组分浓度颜色定标标度的使用如下用制备上述定标条相同方式制备固态测试件(即测试条)，将其浸入待测机械加工用水性流体中，该流体含有与定标用机械加工用水性流体相同的组分，浸入时间应恰好能湿润测试条，一般短于1秒钟。将测试件从待测流体中取出，振动除去过量待测流体，然后与组分浓度颜色定标标度进行比较。找出与测试条的测试区中的颜色图案相吻合的浓度颜色定标标度，由此定出碱组分的浓度。据知，如果测试条的所有测试区均为蓝色，则知道碱组分的浓度至少等于9％。
根据本发明方法，测定了用过的(即待测)机械加工用水性流体的总碱度(即碱总量)，该流体含有水、单链烷醇胺和三链烷醇胺、短链的单羧酸和二羧酸、胺硼酸盐、三唑和三嗪。用制备上述马来酸溴酚蓝测试条相同的方式制备固态测试件，将其浸入待测机械加工用水性流体中数秒钟，从流体中取出测试件，振动该测试件除去过量待测流体，将浸入过流体的测试件与总碱度浓度颜色定标标度进行比较。该总碱度浓度颜色定标标度用本文所述方法制备，所用的定标用水性流体是由新鲜制备的机械加工用水性流体制得的上述机械加工用水性流体的不同稀释液。
根据本发明方法，测定了用过的(即待测)机械加工用水性流体的总碱度(即碱总量)，该流体含有水、单链烷醇胺和三链烷醇胺、短链的单羧酸和二羧酸、水溶性润滑剂、三唑和三嗪。用制备上述马来酸溴酚蓝测试条相同的方式制备固态测试件(即测试条)，将其浸入待测机械加工用水性流体中数秒钟，从待测流体中取出测试件，振动该测试件除去过量待测流体，将浸入过流体的测试件与总碱度浓度颜色定标标度进行比较。该总碱度浓度颜色定标标度用本文所述方法制备，所用的定标用水性流体是由新鲜制备的机械加工用水性流体制得的上述机械加工用水性流体的不同稀释液。
根据本发明方法，测定用过的机械加工用水性流体的总碱度(即碱总量)，该流体含有水、矿物油、阴离子表面活性剂、链烷醇胺、长链的脂肪族酰胺、三唑和三嗪。用制备上述马来酸溴酚蓝测试条相同的方式制备固态测试件(即测试条)，将其浸入待测机械加工用水性流体中数秒钟，从待测流体中取出测试件，振动该测试件从其上除去过量待测流体，将浸入过流体的测试件与总碱度浓度颜色定标标度进行比较。该总碱度浓度颜色定标标度用本文所述方法制备，所用的定标用水性流体是由新鲜制备的机械加工用水性流体制得的上述机械加工用水性流体的不同稀释液。
本发明揭示了用于测定水性流体组合物的组分浓度的固态测试件，该装置包括惰性底物和许多个在底物上排列的彼此隔开的单独测试区，这些测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂选择性地与其浓度待测的组分相互作用，所述颜色指示剂显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于测试区与水性流体的直接接触以及试剂和浓度待测的组分间相互作用而引起的变化，每个测试区中的试剂量不同于邻近测试区中的试剂量，相差预定的量。
另外，本发明还揭示了用于测定水性流体组合物的组分浓度的配套测试器件。该配套测试器件包括a)固态测试件，它包括惰性底物和许多个在底物上排列的彼此隔开的单独测试区，这些测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂选择性地与组分相互作用，所述颜色指示剂显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于测试区与水性流体组合物的直接接触以及试剂和组分间相互作用而引起的变化，每个测试区中的试剂量不同于邻近测试区中的试剂量，相差预定的量，b)组分浓度颜色定标标度，它用固态测试件和许多个含有已知浓度组分(其未知浓度是要测定的)的水性流体组合物制备，这个组分浓度颜色定标标度含有许多个固态测试件或从这些装置间接得到，这些固态测试件经过含有已知浓度组分(其未知浓度是要测定的)的水性流体组合物的作用。
虽然本发明及其实践是结合各种实施方案进行描述的，但是应该认识到，在不偏离本发明所列和所要求的精神和范围的情况下，本领域熟练技术人员是能够实施本发明其它实施方案的。
权利要求
1．一种测定水性流体组合物中组分浓度的方法，它包括以下步骤a)将固态测试件与水性流体组合物接触，所述固态测试件包括惰性底物和许多个在底物上彼此隔开的单独测试区，其中每个测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂选择性地与组分相互作用，所述颜色指示剂显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于试剂和组分间相互作用而导致的变化，每个测试区中的试剂量不同于邻近测试区中的试剂量，相差预定的量，b)将与水性流体接触后的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行比较。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述组分颜色定标标度对于试剂、颜色指示剂和组分是特定的。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于组分浓度是这样的，在与水性流体接触之后，在至少一个但不是所有的测试区中产生颜色变化。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于试剂是固体。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于固态测试件与水性流体组合物的接触是通过将固态测试件浸入水性流体组合物中来进行的。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于试剂也是颜色指示剂。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于试剂和组分间的相互作用改变了测试区内的pH，颜色指示剂是pH颜色指示剂。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于选择试剂，使得试剂和组分比例的较小变化引起pH的较大变化；选择pH颜色指示剂，使得指示剂显示颜色变化的pH范围较窄。
9．如权利要求1所述的方法，其特征在于将与水性流体组合物接触后的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行比较这一步骤，是将固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行目视比较的步骤。
10．一种测定机械加工用水性流体组合物的组分浓度的方法，它包括以下步骤a)将固态测试件与机械加工用水性流体组合物接触，所述固态测试件包括惰性底物和许多个在底物上彼此隔开的单独测试区，其中每个测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述试剂选择性地与组分相互作用，所述颜色指示剂显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于试剂和组分间相互作用而导致的变化，每个测试区中的试剂量不同于邻近测试区中的试剂量，相差预定的量，b)将与机械加工用水性流体接触后的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行比较。
11．如权利要求10所述的方法，其特征在于试剂和组分间的相互作用改变了测试区内的pH，颜色指示剂是pH颜色指示剂。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于选择试剂，使得试剂和组分比例的较小变化引起pH的较大变化；选择pH颜色指示剂，使得指示剂显示颜色变化的pH范围较窄。
13．如权利要求10所述的方法，其特征在于所述组分浓度颜色定标标度对于试剂、颜色指示剂和组分是特定的。
14．如权利要求10所述的方法，其特征在于组分浓度是这样的，在与机械加工用水性流体接触之后，在至少一个但不是所有的测试区中产生颜色变化。
15．如权利要求10所述的方法，其特征在于将与机械加工用水性流体组合物接触后的固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行比较这一步骤，是将固态测试件同组分浓度颜色定标标度进行目视比较的步骤。
16．一种测定机械加工用水性流体组合物的总碱度的方法，它包括以下步骤a)将固态测试件与机械加工用水性流体组合物接触，所述固态测试件包括惰性底物和许多个在底物上彼此隔开的单独测试区，其中每个测试区含有用酸性试剂和酸碱颜色指示剂浸渍过的惰性基质，所述酸性试剂选择性地与机械加工用水性流体的碱组分相互作用，所述酸碱颜色指示剂显示颜色变化，该颜色变化响应于测试区中由于酸性试剂和机械加工用水性流体的碱组分间相互作用而导致的变化，在每个测试区中的酸性试剂量不同于邻近测试区中的酸性试剂量，相差预定的量，b)将与机械加工用水性流体接触后的固态测试件同总碱度颜色定标标度进行比较。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于选择酸性试剂，使得酸性试剂和机械加工用水性流体的碱组分比例的较小变化引起pH的较大变化；选择酸碱颜色指示剂，使得其颜色在较窄的pH范围内变化。
18．如权利要求16所述的方法，其特征在于所述总碱度颜色定标标度对于酸性试剂、酸碱颜色指示剂和机械加工用水性流体组合物的总碱度是特定的。
19．如权利要求16所述的方法，其特征在于机械加工用水性流体组合物的总碱度是这样的，在接触之后，在至少一个但不是所有的测试区中显示颜色变化。
20．如权利要求16所述的方法，其特征在于将与机械加工用水性流体组合物接触后的固态测试件同总碱度组分浓度颜色定标标度进行比较这一步骤，是将固态测试件同总碱度组分浓度颜色定标标度进行目视比较的步骤。
全文摘要
本发明提供了用于测定水性流体组合物(如机械加工用水性流体组合物)中组分浓度的简单方便的方法,包括以下步骤:a)将固态测试件与水性流体接触,该固态测试件包括许多个在惰性底物上彼此隔开的单独测试区,每个测试区含有用试剂和颜色指示剂浸渍过的惰性基质,试剂选择性地与组分相互作用,颜色指示剂响应于测试区中由试剂和组分间相互作用而导致的变化而显示颜色变化,每个测试区中的试剂量不同于冷近侧试区中的试剂量,相差预定的量,b)将与水性流体接触后的固态测试件同用于相同试剂、颜色指示剂和组分的组分浓度颜色定标标度进行比较。
文档编号G01N31/22GK1211318SQ97192333
公开日1999年3月17日 申请日期1997年9月25日 优先权日1996年12月17日
发明者G·J·P·贝克特 申请人:辛辛那得米勒克朗公司