CN101291857B - 一种使用热变色和光致变色指示件的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于监控利用太阳能对水消毒(SODIS)处理的装置和方法，该装置包括容器和指示器构件，可将指示器构件粘附、或施加、或嵌入容器或容器的盖上。指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件。
Description
技术领域
一般而言，本发明涉及评估水纯度的装置和方法，更具体地说，涉及通过监控在紫外线(UV)照射和热吸收率方面的变化评估水纯度的装置和方法。
背景技术
数量充足和质高量的水是生活的必需品。但是，自2000年开始，10亿以上的人不能得到质量提高的供给水，甚至更多的人得不到安全的饮用水。劣质的饮用水可能导致如痢疾、霍乱、伤寒症、肝炎A型、阿米巴和杆菌性痢疾以及其他痢疾性疾病之类的水传染性疾病的高发病率，而且很多疾病可能导致死亡。
太阳能对水的消毒(SODIS，Solar water disinfection)是一种简单的水处理方法，其利用太阳辐射(UV-A光和温度)来消灭存于水中的致病细菌和病毒。其消灭这些有机体的能力依赖于阳光照射期间所达到的水温和气候条件。目前，用细菌和其他化学试验来确定经过SODIS处理的水是否可饮用。但是，这种试验既昂贵又费时间，而且可能不是必需的，因为在SODIS处理过程中已进行了大量的现场试验。这些现场试验的结果显示出通过SODIS进行纯净处理的水只在某些紫外线(UV)强度水平和在处理过程中达到一定温度的情况下才可饮用。通常用温度计确定水温，但是温度计很脆并且昂贵，且将温度计插入到容器中的过程可能导致更多的污染。通常用电子设备检测UV辐射，但是购买和维护他们的费用高昂，特别是在世界上经济不发达地区则更依赖于SODIS处理。
热变色染料(thermochromatic dyes)是具有暴露在一定温度水平下时能可逆地改变颜色的特征的物质。美国专利申请序列号20020097777中公开了一种印制在陶瓷杯的外壁上的热变色显示部分(thermochromaticdisplay)，以提示饮用者饮料具有一定温度。美国专利6,929,136号也公开了一种饮料存放杯，这种杯嵌入了当杯的温度变化时颜色发生变化的热变色材料，借此消费者能从视觉上觉察出饮料温度。光致变色化合物是具有被暴露在一定类型的电磁辐射和太阳光下时具有可逆的改变颜色和/或光透射度的特征的物质，当最初的光源被移开时，其可返回到原来的颜色和透明状态。近年来，光致变色物品，尤其是用于光学应用的光致变色塑料材料倍受重视。由于光致变色眼科塑料镜片与玻璃镜片相比具有重量轻的优势(见美国专利6,786,598号)，尤其着重调查了光致变色眼科塑料镜片。而且，用于如汽车、船舶以及飞机之类的交通工具的光致变色透明体引起了更广泛的兴趣，因为这些透明体具有潜在的安全特性(参看美国专利6,536,828号)。然而，虽然热变色和光致变色材料均已被发现了很多年，直到现在，没有任何设备结合二者之一或两者来监控SODIS处理过程。
众所周知，在SODIS处理过程中使用塑料容器存在的问题是反复暴露于阳光下其质量下降。而且，这种容器还可因长时间积累的机械刮痕而质量下降。这种质量下降危及容器传递UV辐射的能力，因此影响SODIS处理过程。目前，采用视觉检查来了解容器的完整性。但是，由于这种估计包含主观因素，因此需要提供一种更客观的和可定量表示的方法。
在本说明书中所使用的术语“热变色材料(thermochromic materials)”是指在不同温度下具有或呈现出不同颜色或颜色的深浅不同的材料。而在本说明书中使用的短语“响应热变色”是指在不同温度下具有或呈现出不同的颜色或深浅不同的颜色。在本说明书中使用的术语“光致变色材料”是指在不同UV强度下具有或呈现出的不同颜色或颜色深浅不同的材料。而在这里使用的短语“响应光致变色”是指在不同的UV强度下具有或呈现不同的颜色或深浅不同的颜色。
在本说明书中，术语“热变色/光致变色油墨、染料和颜料”使用时可互换。在本说明书中使用的术语“可饮用性”是指水的可饮用质量。
根据前述，需要提供一种装置，在利用SODIS进行处理的过程中，用这种装置人们可确定经过处理的水是否能饮用，并可确定容器整体是否完好无损。另外，需要提供一种在SODIS处理过程中使用的廉价、易维修、且使用方便的装置。
发明内容
本发明通过披露一种成本低廉、便于携带且可方便地用于监控SODIS水净化处理的装置和方法，以克服上述缺点。
在一实施例中，本发明的装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过所述开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；和带式的指示器构件，其中该带与容器外侧壁的外侧表面的轮廓相符，该指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件。
在另一实施例中，本发明的装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过所述开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；和以带的形式被固定到盖的外部表面上的指示器构件，其中所述带与盖的外侧表面轮廓相符，其中该指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件。
在本发明的另一方面中，所述装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过所述开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；和施加到容器表面上的指示器构件，其中所述指示器构件包括至少一种热变色染料和至少一种光致变色染料。
在本发明的再一方面中，装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过该开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；和施加到盖的表面上的指示器构件，其中该指示器构件包括至少一种热变色染料和至少一种光致变色染料。
在另一种结构中，装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过该开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖，和嵌入容器的表面内的指示器构件，其中该指示器构件包括至少一种热变色染料和至少一种光致变色染料。
在本发明的再一种结构中，装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过该开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；以及嵌入到盖的表面内的指示器构件，其中该指示器构件包括至少一种热变色染料和至少一种光致变色染料。
在本发明的一实施例中，装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过该开口从容器中分发；适于可拆卸固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；被插入容器内的细长构件；以及应用到细长构件上的指示器构件，其中该指示器构件包括至少一种热变色染料和至少一种光致变色染料。
在本发明的另一实施例中，装置包括具有开口的容器，容器中的液体可通过该开口从容器中分发；适于可拆卸地固定到所述容器上以覆盖所述开口的盖；被插入容器内的细长构件；以及嵌入到细长构件内的指示器构件，其中该指示器构件包括至少一种热变色染料和至少一种光致变色染料。
在本发明的一种用所述装置确定水的可饮用性的方法(construction)中，包括将液体灌注到包括指示器的容器内，其中该指示器包括至少一种热变色材料和至少一种光致变色材料；关闭所述容器上的所述盖；将所述容器暴露于UV源中；以及从视觉上分辨所述指示器内颜色的变化。
在本发明的再一种用所述装置确定暴露于UV辐射中的容器的完整性的方法包括将液体灌注到容器内，其中该容器包括指示器构件，其中该指示器包括至少一种热变色材料以及至少一种光致变色材料；关闭所述容器上的盖；将该容器暴露于UV和热源中；以及从视觉上分辨所述指示器内颜色的变化。
在本发明的再一种用所述装置确定暴露于UV辐射中的容器的完整性的方法，包括将液体灌注到容器内；将细长构件放置到该容器内，其中该元件包括指示器，其中该指示器包括至少一种热变色材料和至少一种光致变色材料；关闭所述容器上的所述盖；将所述容器暴露于UV源中；从视觉上分辨所述指示器内颜色的变化；以及将所述颜色变化与通过使用控制容器获得的颜色变化进行比较。
本发明的优点是成本低，便于携带，以及使用方便。
通过下面对本发明的一些优选实施例、附图和权利要求进行更具体的描述，本发明的所述和其他特征及优点将更加清楚。
附图说明
图1为本发明的指示带的第一实施例的前视图，图中示出了将该带直接固定到容器的外侧壁的外侧表面上的情况；
图2为该指示器的第一实施例的热变色和光致变色阵列的平面图；
图3为被直接固定到容器的盖上的第一实施例的指示器显示部分的透视图；
图4为包括插入容器内的指示器的细长构件的前视图；
图5示出了一示例性计算矩阵；
图6为用于监控水的可饮用性的本发明一实施例的示意图。
本发明的其他目的、特征和优点将通过下面参考示出了本发明优选实施例的附图的详细说明而更加清楚。
具体实施方式
在下面对本发明的一些实施例的详细描述中，所列举出的很多具体细节是为了提供对本发明的一或多个实施例的各方面的全面理解，当然，本发明的一或多个实施例可以在不具有这些具体细节的情况下实施。另一方面，对公知的方法、过程、和/或部件未作详细描述，以免不必要地混淆本发明的所述实施例的很多方面。
如所披露的那样，可将本发明用于监控利用太阳能对水的消毒(SODIS)处理进行净化的水的质量。在此过程中，将被污染的水灌注到透明塑料瓶内并暴露于全日照的条件下。此时，阳光通过两种协同机理：UV-A光谱中的辐射(波长为320nm-400nm)以及提高水温来消灭存在于被污染的水中的病源微生物。如果水温高于50℃，消毒过程可快三倍。
现在转到示出了本发明已有的一优选实施例的附图，图1为被直接固定到容器11上的指示带10的透视图。该容器包括开口12，容器内的液体可从容器内通过该开口分发出来。同时，该图还示出了盖13，该盖适用于可拆卸地固定到容器开口上。指示带包括两个分开的阵列-热变色阵列14和光致变色阵列15。图3示出了还可将指示带固定到容器盖的表面上的情况。在该实施例中，可分开制造和销售指示器标签，以便使用者将标签粘贴到他或她的现有的瓶子上。当然，可以想到的是可将指示带预先固定到瓶子上并与瓶子一起销售。
在这里作为示例的图1中的容器11是饮料水的容器。当然，可以想到的是，这种容器可以是任何能存留液体的合适的容器。该容器由能够透过UV光线和太阳光谱的可见光范围的透明材料制成。优选由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PolyEthylene Terephtale)制成，因为它们包含比聚氯乙烯(PVC，PolyVinyl Chloride)容器少的UV稳定剂。或者容器可由玻璃制成。优选将容器成型为能暴露每次水容量的较大的区域的形状，例如，类似那些被用于培育微生物和细胞的容器。这样的容器可使水更有效地由SODIS过程处理。盖13可由PET、PVC或本领域公知的用于制造瓶盖的其他材料制成。
现在参考图2，图中示出了指示带。在该实施例中，热变色指示件带阵列14被定位在光致变色指示带阵列15的上方。当然，可以想到的是，也可将光致变色指示带阵列定位在热变色指示阵列上方；或者，将两个阵列首尾相连。
转向热变色阵列，容器达到一定温度时激活单独的段。每一温度标记是不同的热变色颜料。当温度升高到超过标记时，每个段的颜色将褪色到更浅的颜色或成为透明的，温度下降时再次反向回到较深的颜色。在本优选实施例中，热变色阵列14被分成六段：29℃、35℃、40℃、45℃、50℃和55℃，因为这些温度支持SODIS过程。当然，可以理解的是，根据具体的热变色颜料的可利用性，也可采用其他温度段。热变色颜料可从例如H.W.Sands Corp(Jupiter，Florida)等公司购得。热变色颜色包括，但不限于坚牢黄、金橙色、朱红色、烈火玫瑰色(Brilliant rose)、粉红色、洋红色、固蓝色、美术蓝(Artic Blue)、亮绿、坚牢黑、绿色、棕色等。也可以是多种颜料的混合物和多种颜色的混合物。
在本优选实施例中，指示器的下部部分是光致变色颜色计量器15，其中示出了五段：＞30％、＞40％、＞50％、＞60％、100％以及空白段(参看图2)。五段的颜色是渐变的。空白方块含有光致变色颜料。当最后一个方块被暴露到UV辐射时，颜色将从白色变化到不同的颜色色度。UV强度越高则颜色色度越深。然后将最后一段上的颜色色度与五段中的每段的颜色色度进行比较。优选的范围是在30％到100％的UV强度之间，因为此范围支持SODIS过程。可以理解的是，不用＞30％和100％，例如，但不限于，可采用词语“不纯的”和“现成的”。上面所描述的光致变色指示带可从如Chromatic Technologies inc.，Colorado Springs，Colorado之类的公司购得。
在本发明的第二实施例中，可将光致变色和热变色颜料喷射、涂敷或印制到容器的表面上。术语热变色油墨、染料和颜料在这里可互换。优选的热变色染料，例如，在作为参考全部内容包含在本说明书中的美国专利6,929,136号；美国专利5,221,288号和美国专利4,957,949中所描述的装入微胶囊的酸性显影物质、酸性物质和溶剂的三组分混合物。或者可将合适的热变色染料分散于合适的树脂中，例如，未改性的环氧PVC、ABS、或可通过将染料分散到清漆和涂料中形成的涂料，例如，作为参考全部内容包含在本说明书中的美国专利6,773,637号中所描述的聚亚安酯透明涂料(polyurethane clear coatings)。在作为参考全部内容包含在本说明书中的美国专利6,733,887号中描述了光致变色聚合物涂层材料和被用于涂敷塑料的方法。
可用本发明的一和二个(以及下面的四个)实施例确定水在经过SODIS过程的处理后的可饮用性。为了进行这种确定，将具有指示带/涂层的容器面向上放置，借此使指示器直接暴露于太阳辐射下。然后使用者注意热变色指示带和光致变色指示带上的读数。而两个指示器上的某些读数向使用者表明水足以适合饮用。
图6也示出了本发明的一和两个实施例是如何被用于确定用于SODIS过程的容器的完整性的。将带有指示带/涂层10的容器11面向下放置并将容器暴露到太阳17的辐射18下。然后使用者19注意光致变色阵列上的读数，并将其与通过使用“控制”容器(即，新容器)所获得的读数进行比较。与从那些控制容器所获得的读数的差异表示容器的完整性受损。当容器不能有效透射UV时，净化所需的时间可从使用未受损的容器所花费的几个小时延长到使用已受损的容器所需花费的两天。图5示出了暴露到阳光下的时间、UV照射强度的百分比及SODIS过程中的温度之间的关系。对容器完整性的这种客观评价可显著节约成本，因为其避免了过早地更换仍对SODIS处理有效的容器。
在本发明的第三实施例中，在塑料形成为瓶或盖结构之前将光致变色和热变色颜料嵌入容器或盖的塑料中。优选的方法包括注塑成型、挤压成型和模压成型中的一或多种。优选在挤压机中可将颜料作为原批(masterbatch)直接加入，或预先与容器/盖材料人工混合(例如，如果是颗粒材料)，这种方法的细节在作为参考全部内容包含在本说明书中的美国专利6,929,136号中已描述。或者，可使用例如在作为参考全部内容包含在本说明书中的美国专利6,702,218号中所描述的聚噻吩类(polythiophenes)热变色染料。关于将光致变色染料用于结合到塑料内的染料类型和方法在作为参考全部内容包含在本说明书中的美国专利6,555,028号中已描述。
在本发明的第四实施例中(参看图4)，将光致变色和热变色颜料粘附、喷射或嵌入到如细长圆形杆或细长的类似尺那样的扁平物体的细长构件16内，当然并不限于此。用于这种细长构件的材料可以是、但不限于木材、塑料、金属和玻璃。用于本实施例的染料和方法与上面讨论过的染料和方法类似。
应理解的是，本发明的应用范围不限于所述实施例而可应用于远远超过如本说明书中所描述的示例性实施例的范围。另外，本发明并不限于具体的物理结构，而可适当地更换。本发明可涵盖没有超出本发明构思和范围的所有改变、改型、变换及其他使用和应用。
Claims (23)
1.一种用于存留液体的容器，其具有主体、开口和用于所述开口的封闭件，该容器还包括：指示器构件，其与容器的所述主体或用于所述开口的所述封闭件连接；其中，所述指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件。
2.如权利要求1所述的容器，其中，所述液体是水。
3.如权利要求2所述的容器，其中，所述容器由塑料制成。
4.如权利要求3所述的容器，其中，所述塑料从由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PolyEthylene Terephtale)和聚氯乙烯(PVC，PolyVinylChloride)组成的组中选择。
5.如权利要求4所述的容器，其中，所述热变色指示件具有20-100℃的范围。
6.如权利要求5所述的容器，其中，所述热变色指示件具有29-55℃的范围。
7.如权利要求6所述的容器，其中，所述光致变色指示件具有30％-100％UV强度的范围。
8.如权利要求7所述的容器，其中，所述指示器构件被印制在带上，其中所述带被粘附到所述容器或用于所述开口的所述封闭件的外侧壁的外侧表面上并与该容器或用于所述开口的所述封闭件的外侧壁的外侧表面轮廓相符。
9.如权利要求7所述的容器，其中，所述指示器构件被施加到所述容器或用于所述开口的所述封闭件的外部表面上。
10.如权利要求7所述的容器，其中，所述指示器构件被嵌入所述容器或用于所述开口的所述封闭件的外部表面内。
11.如权利要求7所述的容器，其中，所述指示器构件被印制在带上，其中所述带被粘附到细长元件上，该细长元件被插入所述容器内。
12.如权利要求7所述的容器，其中，所述指示器构件或者被喷射到细长元件上或被嵌入细长元件内，该细长元件被插入所述容器内。
13.如权利要求8所述的物品，其中，所述热变色指示件被定位在所述带的一部分上，所述光致变色指示件被定位在所述带的其他部分上。
14.如权利要求10所述的容器，其中，所述指示器构件使用从由喷射、涂敷和印制所组成的组中选择的方法被施加到所述容器或所述封闭件的外部表面上。
15.如权利要求12所述的容器，其中，所述指示器构件通过使用从由注塑成型、挤压成型和模压成型所组成的组中选择的方法被嵌入所述容器或所述封闭件的所述表面内。
16.如权利要求14或15所述的容器，其中，所述细长构件由从木材、塑料、金属和玻璃组成的组中选择的材料制成。
17.一种用于存留液体的容器，其具有主体、开口和用于所述开口的封闭件，该容器还包括：指示器构件，其中该指示器构件被印制在带上，其中所述带被粘附到所述容器或用于所述开口的所述封闭件的外侧壁的外侧表面上并与该容器或用于所述开口的所述封闭件的外侧壁的外侧表面轮廓相符；其中所述指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件，其中所述热变色指示件具有20-100℃的范围；其中所述热变色指示件被定位在所述带的一部分上，而所述光致变色指示件被定位在所述带的其他部分上；其中所述液体是水；其中所述容器由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。
18.一种用于存留液体的容器，其具有主体、开口和用于所述开口的封闭件，该容器还包括：指示器构件，其中所述指示器构件被施加到所述容器或所述封闭件的外部表面上，其中所述指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件，其中所述热变色指示件具有20-100℃的范围；其中所述液体是水；其中所述容器由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。
19.一种用于存留液体的容器，其具有主体、开口和用于所述开口的封闭件，该容器还包括：指示器构件，其中所述指示器构件被嵌入所述容器或所述封闭件的外部表面内，其中所述指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件，其中所述热变色指示件具有20-100℃的范围；其中所述液体是水；其中所述容器由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。
20.一种用于存留液体的容器，其具有主体、开口和用于所述开口的封闭件，该容器还包括：指示器构件，其中所述指示器构件被印制到带上，其中所述带被粘附到插入所述容器内的细长构件上，其中所述指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件，其中所述热变色指示件具有20-100℃的范围；
其中所述细长构件由从木材、塑料、金属和玻璃组成的组中选择的材料制成；其中所述液体是水；其中所述容器由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。
21.一种用于存留液体的容器，其具有主体、开口和用于所述开口的封闭件，该容器还包括：指示器构件，其中所述指示器构件或被喷射到插入所述容器内的细长构件上或被嵌进插入所述容器内的细长构件内，其中所述指示器构件包括至少一个热变色指示件和至少一个光致变色指示件，其中所述热变色指示件具有20-100℃的范围；其中所述细长构件由从木材、塑料、金属和玻璃所组成的组中选择的材料制成；其中所述液体是水；及其中所述容器由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。
22.一种确定使用如权利要求17、18、或19所述的任一容器的水的可饮用性的方法，包括：
(i)将液体灌注到容器内；(ii)关闭用于所述开口的所述封闭件；(iii)将所述容器放置成使所述指示器构件直接面向并暴露于紫外线(UV)和热源中；(iv)将所述容器暴露于所述紫外线(UV)和热源中；及(v)从视觉上分辨所述指示器内的颜色变化。
23.一种确定使用如权利要求17、18、或19所述的任一容器在紫外线(UV)辐射源下的完整性的方法，包括：
(i)将液体灌注到容器内；(ii)关闭用于所述开口的所述封闭件；(iii)将所述容器放置成使所述指示器构件面向下，使得所述辐射在达到指示器构件之前透过所述容器；(iv)将所述容器暴露在所述紫外线(UV)和热源中；(v)从视觉上分辨所述指示器内的颜色变化；及(vi)将所述颜色变化与使用控制容器所获得的颜色变化进行比较。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100526 Termination date: 20111123 |