具有检测阵列的吸附剂的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月11日提交的题为”具有检测阵列的吸附剂”的美国非临时专利申请第16/216,605号的权益，出于所有目的将其以引用方式并入本文，如同在此全文阐述一样。

联邦资助研究或开发的声明

无。

背景技术：

本公开总体上涉及吸附剂产品，更具体地涉及包含传感器以提供与被吸收或吸附的流体有关的信息的吸附剂产品。

吸附剂产品，例如垫、擦拭物、袜子和帆桁(boom)，用于清理不需要的化学品溢出。它们经常用于液体泄漏和溢出很常见的工业设施，并且可以预防性地放置在预计会发生泄漏或溢出的地板上，或者隔离和控制已有的溢出。例如，吸附剂产品可以放置在设备周围或连接到设备或管道上。由于吸附剂产品(尤其是帆桁)可以制成亲油和疏水的，并且可以漂浮在水面上而不吸收任何水分，也可用于清洁漏洒在开放水域上的油或溶剂。除了工业或环境用途外，吸附剂产品还适用于清理杂货店、医院和学校等设施中更常见的溢出物。

在使用过程中，吸附剂产品会达到饱和点，导致吸附剂材料失效。因此，吸附剂产品的使用者通常必须从应用场所或使用场所移除吸附剂产品，以确定吸附剂产品是否已达到其饱和容量。这个过程对使用者来说很不方便，一旦吸附剂产品已经过了饱和点，有时甚至会导致吸附剂产品的更换延迟。此外，该过程增加了与吸附剂产品相关的成本，包括用于移除、检查和更换未完全饱和的吸附剂产品的劳动力成本。然而，如果吸附剂产品在达到完全饱和之前被丢弃，则过早放置新的吸附剂产品会产生额外的成本。

技术实现要素：

为了解决这些问题，已将一些先前的吸附剂系统引入饱和指示系统，例如特定区域饱和时的颜色指示。然而，这些系统具有明显的缺点。在许多情况下，这些系统缺乏空间信息，只能提供单一位置的信息。通过仅检测一部分吸附剂产品的饱和状态，如果该部分吸附剂局部饱和，则提供错误的饱和指示。除了无法向使用者提供空间信息之外，先前的系统通常无法在吸附物溢出通过吸附剂产品时提供时间信息。此外，许多传统技术方案不提供任何关于混合物组成的信息，并且经常使用复杂、昂贵的传感器。

因此，需要通过向使用者提供额外的空间、时间和/或组成信息来改进先前的单一指示器或传感器饱和系统的吸附剂产品，以允许改进对吸附物溢出的进展和吸附剂产品状态的监测。这种吸附剂产品是紧凑的、低成本的并且能够有效地提供有用的实时信息。

本文描述了改进的吸附剂产品，用于使用感测元件阵列向使用者指示空间、时间和/或组成信息。多个感测元件的使用为使用者提供有价值的信息，从而允许适当的吸附剂产品废弃并提供更准确或更详细的吸附物警报通知。

在一个方面，本申请提供了具有用于检测吸附物的传感器阵列的吸附剂产品。所述吸附剂产品包括配置为吸收所述吸附物的吸附剂主体和与所述吸附剂主体集成的传感器阵列。传感器阵列包括多个感测元件、与多个感测元件电连通的电源和控制器。控制器被配置为检测多个感测元件中的至少一个的电性能的变化并且提供包含基于检测到变化的信息的信号。

在另一方面，本申请提供了一种用于在吸附剂主体中已经达到吸附物的预定饱和阈值时向用户发出信号的方法。该方法包括以下步骤：提供上述和/或本文所述类型的吸附剂产品，将吸附剂产品施加到预计会发生吸附物泄漏的位置，观察指示器，以及如果指示器表明吸附剂主体中已达到吸附物的预定饱和阈值时替换该吸附剂产品。

在另一个方面，本申请提供了一种制造具有用于检测吸附物的传感器阵列的吸附剂产品的方法。该方法包括提供构造成吸收吸附物的吸附剂主体和将传感器阵列与吸附剂主体集成的步骤。所述传感器阵列包括多个感测元件、与多个感测元件电连通的电源、以及控制器，所述控制器被配置为检测多个感测元件中的至少一个的电性能变化并提供包含基于检测到变化的信息的信号。

在另一方面，本申请提供了一种用于在上述和/或本文所述类型的吸附剂产品的吸附剂主体中达到吸附物的预定饱和阈值时向用户发出信号的方法。该方法包括监测多个感测元件中的至少一个感测元件的电性能，当满足吸附剂主体中的吸附物的饱和条件时提供指示。

在又一个方面，本申请提供了一种具有用于检测吸附物的传感器阵列的吸附剂产品。所述吸附剂产品包括配置为吸收所述吸附物的吸附剂主体和与所述吸附剂主体集成的传感器阵列。传感器阵列包括多个感测元件、与多个感测元件电连通的应答器。应答器被配置为提供包含关于多个感测元件是否已经与吸附物接触的信息的信号。在某些形式中，所提供的信息是定量的，提供已被吸附物接触的感测元件的数量、与元件接触的时间等。

通过以下详述和附图能够清楚地了解本发明的上述以及其他优点。下述内容只是关于本发明的一些优选实施方式的描述。为了评定本发明的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非旨在于是权利要求书范围内的仅有的实施方式。

附图说明

图1是垫或擦拭物形式的吸附剂产品的示意图。传感器阵列串联连接并用虚线示出以表示其在垫或擦拭物内的内部位置。

图2是垫或擦拭物形式的吸附剂产品的示意图。传感器阵列独立连接并用虚线示出以表示其在垫或擦拭物内的内部位置。

图3是袜或帆桁形式的吸附剂产品的示意图。吸附剂产品围绕着溢出的吸附物。

图4是袜或帆桁形式的吸附剂产品的示意图。传感器阵列串联连接并用虚线示出以表示其在袜或帆桁内的内部位置。

图5是吸附剂产品的主单元的示意图。在该示意图中，主单元包括电源、控制器和指示器。

具体实施方式

在本文中，“吸附剂主体”可表示能够吸附或吸收流体的任何吸收剂或吸附剂材料。

在本文中，“吸附物”可表示能够被吸附或吸收的流体，例如气体或液体。

在本文中，“饱和度”或“预定饱和阈值”可表示预定的相对饱和度，其小于或等于吸附物被吸附剂产品吸收的绝对饱和度。例如，饱和阈值可以是吸附剂主体饱和容量的约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。优选地，饱和阈值是吸附剂主体饱和容量的至少80％，或更优选地至少90％。

现参考图1，吸附剂产品100的示意图以吸收片材的形式示出。吸附剂产品100包括位于吸附剂主体102内的传感器阵列101。如将进一步描述的，传感器阵列可用于检测吸附物。如图1所示，吸附剂主体102为平面擦拭物或垫的形式。传感器阵列101包括与四个感测元件106电连通的主单元104，所述四个感测元件106以串联形式电连通。在该示意图中，主单元104和感测元件106分别由方框和圆圈表示。主单元104可容纳与感测元件106电连通的传感器阵列物。例如，主单元104可容纳与多个感测元件106电连通的一个或多个电源。主单元104还可容纳一个或多个控制器，所述控制器被配置为检测多个感测元件106中的至少一个的电性能的变化并且提供包含基于检测到变化的信息的信号。更一般地，应答器可存在于主单元104中，其可以是有源或无源rfid应答器。预期吸附剂产品100的各种物理表现并且将在下文更详细地描述。

虽然感测元件106在图1中以串联形式电排布，感测元件106可以以替代配置形式电排布，以允许改进对吸附物的检测。例如，感测元件可以各种串联或并联配置形式布置。更进一步地，主单元104可以沿电配置形式位于各个位置。

吸附剂主体102可以采用各种形式和组成。例如，吸附剂主体102可选自下组：垫、擦拭物、袜、帆桁及其混合物。吸附剂主体102可包括能够吸收或吸附存在于吸附物中的有害分析物以使分析物呈惰性的特定材料或物质。吸附剂主体可以是由无纺聚丙烯纤维制成的熔喷聚丙烯(mbpp)垫，其旨在作为基于油或水的液体溢出物的吸附剂。吸附剂主体可用于清洁或容纳地板上的溢出物，例如水泥地板上的溢出物。预期吸附剂产品也可用于从水中清洁油。根据特定的应用，吸附剂产品可以被改进以具有特定的吸收特性。

图2示出呈吸收片材形式的另一种吸附剂产品200的示意图。以与吸附剂产品100类似的方式，吸附剂产品200具有位于吸附剂主体202内的传感器阵列201，传感器阵列201包括与九个感测元件206(在该情况下)电连通的主单元204。感测元件206又与主单元204电连通。在该排布中，并且与吸附剂产品100中的连接布置相反，感测元件206单独连接至主单元204并且彼此不直接电连通。

预期感测元件(不管涉及的具体吸附剂产品如何)可以多种不同配置形式与吸附剂主体集成。例如，感测元件可以位于吸附剂主体的外部或内部。感测元件可以使用图案定位或定位在相对于吸附剂主体的特定位置。一些感测元件可以策略性地定位在沿吸附剂通常首先或最后接触吸附物的位置处。例如，在很看重吸附物组成信息的情况下，至少一部分感测元件可位于能立即接触吸附物的吸附剂主体的外表面上。或者，在很看重测定吸附剂主体的总饱和度的情况下，至少一部分感测元件可位于吸附剂主体中通常最后变得饱和的位置处。将感测元件定位在吸附剂主体内和吸附剂主体上的不同位置可以使得使用者仅使用单一配置形式接收关于吸附物和吸附剂主体的各种信息。

图3示出具有外部传感器的吸收袜形式的另一种吸附剂产品300的示意图。吸附剂产品300具有与吸附剂主体302集成的传感器阵列301，传感器阵列301包括与九个感测元件306电连通的主单元304。感测元件306与主单元304电连通。在该排布形式中，感测元件306串联电连接并且位于吸附剂主体302的外部。吸附剂主体302呈圆形袜或帆桁的形式，其可被放置以包围吸附物溢出物310。

图4示出具有内部传感器的吸收袜形式的另一种吸附剂产品400的示意图。与前述构造类似，吸附剂产品400具有位于吸附剂主体402内的传感器阵列401，传感器阵列401包括与九个感测元件406电连通的主单元404。感测元件406与主单元404电连通。在该排布形式中，感测元件406在两个单独的串联电路中电连接。感测元件406位于传感器容器420内。传感器容器420可以由对其进行选择以具有与吸附剂主体不同的材料特性的材料形成。同样，吸附剂主体402呈袜或帆桁的形式，其可被放置以包围吸附物溢出物410。

在一个方面，本申请提供了一种用于在吸附剂主体中已达到吸附物的预定饱和阈值时向用户发出信号的方法。该方法包括以下步骤：提供所述吸附剂产品，将所述吸附剂产品施加到预计会发生吸附物泄漏的位置，观察指示器，以及如果指示器表明吸附剂主体中已达到吸附物的预定饱和阈值时替换该吸附剂产品。在另一种形式中，指示器可提供吸附剂产品的替代状态的指示，而非饱和指示。例如，如果指示器表明有害分析物已接触吸附剂产品，则该方法可能涉及更换吸附剂产品。

如图3和4所示，所述吸附剂产品可定位成围绕并容纳吸附物溢出物。在某些情况下，吸附物溢出物可能是封闭的(contained)缓慢泄漏、持续蒸发的溢出物。这些缓慢的泄漏溢出物通常是由机械泄漏引起的，不被认为是紧迫的问题。对于此类溢出物，吸附剂产品通常可用于包围溢出物并在溢出物扩大超过典型尺寸时提供即时信息，从而提供机器状态变化的即时警报。与单个传感器相反，具有多个感测元件允许平均更快地识别缓慢泄漏溢出物的这种变化类似地，吸附剂产品可放置在预计会发生泄漏或溢出的位置，以在确实发生泄漏时快速提供警报。

图5示出示例性主单元504的示意图，其包括电源512、控制器514以及指示器516，该控制器514被构造为检测多个感测元件中的至少一个的电性能的变化并提供包含基于检测到的信息变化的信号，该指示器516被构造为接收信号并向使用者提供信息。主单元504、电源512、控制器514和指示器516已由方框表示。本领域技术人员将容易地认识到，主单元504的组件可以采用许多不同的形式和构造来实现它们的预期功能。

然而，如前所述，可以设想这些元件中的一些元件可以不同形式组合或不存在于主单元中。例如，设想主单元可以是应答器，例如rfid应答器，其中可以完全消除电池或控制器，以利于仅在接收到轮询请求(pollingrequest)时响应的无源电路。

所述吸附剂产品的感测元件可以被构造为当存在吸附物时经历电性能的变化。例如，感测元件的活性成分的电阻率和电导率可基于吸附物的存在而改变。电性能的变化可以打开、关闭或以其他方式改变与感测元件集成的电路的性能。例如吸附剂主体的温度、大气压力以及吸附物的相、量和/或组成等因素可能影响电性能的变化。感测元件可以专门定制和功能化以吸附特定的分析物。因此，感测元件可用于检测温度变化、液体检测、特定分析物的存在以及其他刺激。

感测元件可包括活性组分，所述活性组分包括金属、有机材料、介电材料、半导体材料、聚合材料、生物材料、纳米线、半导体纳米颗粒、碳纳米管、纳米纤维、碳纤维、碳颗粒或其组合等材料。多个感测元件可包括活性组分，所述活性组分包括选自下组的材料：石墨烯、石墨烯衍生物和碳纳米管。

在一种形式中，所述感测元件包括由石墨烯形成的活性组分。石墨烯在其他化学物质存在的情况下可能具有反应性，并且石墨烯与这些化学物质的结合(即使是少量)会改变石墨烯片段的电阻率或其他特性。例如，美国专利10,002,317(其内容通过引用整体纳入本文)描述了石墨烯传感器，其可单独用作本公开的传感阵列中的单个感测元件。

所述电源可以是电化学电池，例如锂离子电池。或者，所述电源可以是ac/dc外部插入式电源。为了确定至少一个感测元件的电性能变化，可以向每个感测元件施加电流。所述电源可以被构造为连续施加这样的电流。或者，所述电源可在一段时间间隔后重复提供电流脉冲。时间间隔可选自下组：0.1小时至1小时、1小时至10小时、10小时至24小时以及24小时至168小时。

当存在控制器时，预期传感器阵列的控制器被构造为检测多个感测元件中的至少一个的电性能变化并且提供包含基于检测到变化的信息的信号。所述控制器可以分析感测元件的电路内的电压或电流变化。

该信号可包含关于吸附物的组成、吸附溢出物的进展、吸附剂主体的饱和、其组合的信息或额外信息。关于吸附物组成的信息可包括对吸附物中有害分析物的识别。所述控制器可以提供关于吸附剂主体状态的空间或时间信息，因此在某些情况下甚至可在独特的传感器条件下检测这些不同的值和状态。例如，所述控制器可以基于该区域内的感测元件观察到的变化来提供与吸附剂主体的特定区域中的饱和度随时间的进展相关的信息。

应当理解，可以对所述控制器进行编程以提供本文所述的功能。因此，本领域普通技术人员将理解，假设控制器与吸附剂产品的各组件连通，则可以通过对控制器进行编程来实现本文所列举的特定功能(例如，行动和/或响应)。因此，所列举的功能的任何描述都应被视为意味着所述控制器可以被编程为以所列举的方式操作以实现所述结果。

此外，控制器提供的信号可以发送至指示器。所述指示器可以被构造为从控制器接收信号并产生警报指示。所述指示器可以处理来自控制器的信号，以确定应该提供哪个警报信号，如果有的话。所述指示器可包括音频设备，并且警报信号可以声波的形式提供给使用者。例如，指示器可播放预先录制的消息，例如“replace”或“hazard”。或者，指示器可以包括被构造为产生视觉警报信号或警报语的显示器。这种显示器可以选自下组：变色墨水显示器、液晶显示器和电子纸显示器；当然，可以使用其他指示器，甚至包括非常基本的指示器，例如led照明灯。

所述指示器可以位于传感器阵列的主单元内。或者，指示器可位于吸附剂主体的外表面上。然而，在一些形式中，吸附剂主体和传感器阵列可以不包括指示器，而是包含构造成将信号传输到位于远处的指示器的发射器。在这些形式中，传感器阵列可以包括发射器，例如射频识别标签。所述发射器可以被构造为向远程指示器提供信号。同样，如上所述，预期与检测标准相关的某些逻辑性也可在吸附剂产品之外找到，因此预期应答器可耦合至电路并且单独的组件可包含在此情况下产生指示的逻辑条件。

本公开还提供了一种制造具有用于检测吸附物的传感器阵列的吸附剂产品的方法。该方法可包括提供被构造为吸收吸附物的吸附体，以及将传感器阵列与吸附剂主体集成，其中所述传感器阵列可包括多个感测元件、与多个感测元件电连通的电源、和控制器，所述控制器被构造为检测多个感测元件中的至少一个的电性能的变化并提供包含基于检测到变化的信息的信号。集成传感器阵列的步骤可包括插入传感器阵列并将传感器阵列连接到吸附剂主体。

通常，本领域技术人员将认识到，传感器阵列和主单元可包括任何数量的电子元件，例如电阻器、晶体管、电容器、电感器和二极管、处理器、导电线或电流可流过的迹线、和额外的电子元件，以实现所描述的功能。

如上所述，应当理解的是，可在本发明的精神和范围内对这些优选的实施方式进行各种其它修改和改变。所以，本发明不应局限于所述的实施方式。为了确定本发明全部范围，应当参考所附的权利要求。