CN110274856A - 用于探测微尘颗粒的传感器标签和防尘面具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测微尘颗粒（30）的传感器标签（10）。所述传感器标签具有凝胶基质（11），所述凝胶基质包含至少一种有色的氧化剂（20）。所述氧化剂（20）能够相对于碳起到电子受体的作用。所述传感器标签可以布置在防尘面罩的内部空间中。

Description

用于探测微尘颗粒的传感器标签和防尘面具

技术领域

本发明涉及一种用于探测微尘颗粒的传感器标签。本发明此外还涉及一种防尘面具，该防尘面具具有至少一个传感器标签。

背景技术

为了监测空气中的微尘颗粒负载，使用在技术上复杂的方法。通常使用电阻式碳烟传感器来检测例如在内燃机中产生的、基于碳的颗粒。光学测量方法虽然没有那么复杂而且允许不取决于微尘颗粒化学成分地探测微尘颗粒，但是光学测量方法依赖电流供应和分析软件，所述光学测量方法例如是：光谱分析地确定碳烟或者利用传感器进行基于漫射光的测量。

在空气大量地负载了微尘颗粒的环境中，可以通过佩戴防尘面具进行劳动保护。但是这样的防尘面具的不密封性不能以简单的方式被识别。特别地不可能的是，在持续使用防尘面具期间在防尘面具的内部空间中布置用于微尘颗粒的探测器，因为所有这样的探测器对此都太大了。

发明内容

用于探测微尘颗粒的传感器标签具有凝胶基质来作为功能单元。所述凝胶基质包含至少一种有色的氧化剂，这样地选择该氧化剂的氧化还原电势：使得氧化剂能够相对于碳起到电子受体的作用。凝胶基质保护氧化剂免受外界影响，例如免受机械磨损。该凝胶基质此外还能够使得氧化剂和被分析物之间的接触成为可能。当微尘颗粒作为被分析物积聚到凝胶基质上时，微尘颗粒可以通过扩散与氧化剂处于接触。为了使得借助于传感器标签来探测微尘颗粒成为可能，微尘颗粒必须包含能够通过氧化剂来氧化的组分。氧化剂可以氧化碳，所述碳例如可以在碳烟颗粒中被发现。但是，一种氧化剂例如也可以相对于多环芳香族碳氢化合物起到氧化剂的作用，所述氧化剂的氧化还原电势足够用来氧化碳。

传感器标签可以是传感器设备。传感器标签例如可以是传感器标贴或者传感器胶贴。

有色的氧化剂在以下情况下改变氧化剂的颜色：该氧化剂起到电子受体的作用并且在这种情况下自身被还原。通过在凝胶基质中的氧化剂的颜色变化可以探测微尘颗粒的存在。

所述传感器标签被动地工作，并且因此不依赖电流供给、运行软件或分析软件。传感器标签的颜色转换可以直接由人读取。但是为了使得能够持续监测微尘颗粒的存在，在传感器标签的一种实施方式中同样可以设置的是，将摄像机这样地布置在传感器标签处，使得该摄像机能够检测凝胶基质的颜色变化并且在检测到颜色变化时自动触发警报。

特别好地适合于传感器标签的氧化剂特别是无机氧化物，所述无机氧化物可以具有高的氧化还原电势。

优选的是，氧化剂是电荷转移配合物（Charge-Transfer-Komplex），因为电荷转移配合物在氧化态（Oxidationsstufe）变化时显示出特别强烈的颜色变化。

氧化剂尤其优选地涉及高锰酸盐、例如高锰酸钾。其中存在+7氧化态的锰。高锰酸盐-阴离子是电荷转移配合物，所述电荷转移配合物被染成鲜艳的紫色。在高锰酸盐-阴离子与碳反应时，锰被还原到+2氧化态上。锰（Ⅱ）阳离子仅仅赋予了凝胶基质浅粉色的颜色。在使用高锰酸盐作为传感器标签的氧化剂时，在凝胶基质中的少量的高锰酸盐已经足以将凝胶基质染成紫色。相应地，少量的微尘颗粒也足以将凝胶基质中全部的高锰酸盐还原并且因此引起凝胶基质的颜色转换。在使用高锰酸盐作为氧化剂的情况下，因此可以获得特别灵敏的传感器标签。

原则上可以实现：具有无水的凝胶基质的传感器标签。但是在这种情况下，以下情况是不够的：微尘颗粒从空气中扩散进入凝胶基质中并且与氧化剂接触。凝胶基质此外还必须从空气湿度吸收足够的水，以使得微尘颗粒与氧化剂之间的氧化还原反应成为可能。因此优选的是，使用从一开始就包含水的凝胶基质。

此外，凝胶基质优选地包含用于氧化还原反应的至少一种催化剂。所述至少一种催化剂降低了用于在微尘颗粒与氧化剂之间的氧化还原反应的活化能。这使氧化还原反应加速。例如可以使用铂粉作为催化剂。

此外优选的是，凝胶基质包含至少一种酸。酸的存在降低了凝胶基质的pH值，并且因此提高了氧化剂的氧化势。由此也可以在热力学上使得能够通过这样的氧化剂将微尘颗粒进行氧化：所述氧化剂在更高的pH值时相对于碳不能起到电子受体的作用。所述酸可以涉及游离酸或者涉及凝胶基质的固定化的酸功能。固定化的酸功能、例如磺酸基在此是优选的，因为其与游离酸相反，不会通过扩散而从凝胶基质中排出。

因此观察者可以容易地识别凝胶基质的颜色变化，凝胶基质优选地作为层涂覆在无色的基体材料上。基体材料例如可以涉及聚合物膜。

为了能够将传感器标签持久地安装在目标基底上，此外优选的是，基体材料在该基体材料的、与凝胶基质背离的侧面上具有粘接层。

防尘面罩在该防尘面罩的内部空间中具有至少一个根据前述说明的传感器标签。防尘面具的空间在此被理解成内部空间，该空间在佩戴防尘面具时朝向使用者的鼻子和嘴。如果防尘面具不密封并且微尘颗粒因此侵入到内部空间中，那么传感器标签就会发生颜色变化。在取下防尘面具时，防尘面具的佩戴者可以基于颜色变化识别出不密封性并且替换防尘面具。如果伴随特别关键的微尘进行工作，那么在防尘面罩的一种实施方式中也可以设置的是，所述防尘面罩具有视窗，该视窗这样布置：使得从外部可以看到传感器标签的凝胶基质。当出现传感器标签的颜色变化时，防尘面具佩戴者的工友可以向防尘面具佩戴者指明，他的防尘面具是不密封的，该防尘面具佩戴者因此立刻离开危险区域并且设法得到新的防尘面具。借助镜子和自拍，防尘面具佩戴者也可以自己识别变色。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在接下来的说明中被详细阐述。

图1示意性地示出了，借助于根据本发明的一种实施例的传感器标签对微尘颗粒进行探测。

图2示出了根据本发明的一种实施例的防尘面具的等轴测示意图。

具体实施方式

图1中示出了根据本发明的一种实施例的传感器标签10。该传感器标签由三层组成。上层涉及凝胶基质11。该凝胶基质当前由氧化稳定的有机聚合物组成，该有机聚合物具有磺酸基并且包含作为催化剂的铂颗粒。此外，凝胶基质11包含作为氧化剂20的高锰酸钾。凝胶基质11布置在作为基体材料12的无色的聚合物膜上。在基体材料12的、与凝胶基质11背离的侧面上涂覆有粘接层13。

在状态Ⅰ中，传感器标签10还没有与微尘颗粒接触。状态Ⅱ示出了：来自环境空气中的微尘颗粒30积聚在凝胶基质11的表面上。在状态Ⅲ中，微尘颗粒30通过持续的扩散运动扩散进入凝胶基质11中并且在那里与氧化剂20达到接触。在此进行以下氧化还原反应：

该氧化还原反应由将高锰酸盐-阴离子中的锰（Ⅶ）还原成锰（Ⅱ）阳离子中的锰（Ⅱ）以及将微尘颗粒30的碳成分氧化成二氧化碳组成。在此，碳由氧化态0被氧化到氧化态+4：

还原:

氧化：

所形成的二氧化碳通过扩散再次到达凝胶基质11的表面上并且逸出到环境空气中。

如果凝胶基质11中的高锰酸盐通过氧化还原反应被完全消耗，那么就达到状态Ⅳ，在该状态中，凝胶基质除了扩散进入的微尘颗粒30就还只包含锰（Ⅱ）阳离子21。在状态Ⅰ至Ⅲ中的凝胶基质由于高锰酸盐-阴离子的存在而被染成鲜艳的紫色，而锰（Ⅱ）阳离子仅仅还能赋予状态Ⅳ中的凝胶基质11淡的浅粉色的颜色。在基体材料12的白色背景下，这被观察者看成凝胶基质11几乎完全退色。由该退色可以推断出微尘颗粒的存在。

在图2中示出了根据本发明的防尘面罩40的一种实施例。防尘面罩40具有内部空间41，该内部空间在佩戴时将其佩戴者的鼻子和嘴完全包围。根据本发明的传感器标签10利用传感器标签的粘接层13粘贴在该内部空间41中。如果防尘面罩40是不密封的，那么在微尘负载的环境中使用防尘面罩时，微尘颗粒到达内部空间41中，并且在那里积聚到传感器标签10的凝胶基质11上。这导致凝胶基质11的颜色变化。在取下防尘面罩40时，防尘面罩的佩戴者可以识别颜色变化并且从该颜色变化推断出：防尘面具是不密封的。该佩戴者那么就不会再次使用该不密封的防尘面罩。

Claims (10)

1.用于探测微尘颗粒（30）的传感器标签（10），所述传感器标签具有凝胶基质（11），所述凝胶基质包含至少一种有色的氧化剂（20），所述氧化剂能够相对于碳起到电子受体的作用。

2.根据权利要求1所述的传感器标签（10），其特征在于，所述氧化剂（20）是无机氧化物。

3.根据权利要求1或2所述的传感器标签（10），其特征在于，所述氧化剂（20）是电荷转移配合物。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器标签（10），其特征在于，所述氧化剂（20）是高锰酸盐。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器标签（10），其特征在于，所述凝胶基质包含水。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器标签（10），其特征在于，所述凝胶基质（11）包含用于氧化还原反应的至少一种催化剂。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器标签（10），其特征在于，所述凝胶基质（11）包含至少一种酸。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器标签（10），其特征在于，所述凝胶基质（11）被涂覆在无色的基体材料（12）上。

9.根据权利要求8所述的传感器标签（10），其特征在于，所述基体材料（12）在该基体材料的、与所述凝胶基质（11）背离的侧面上具有粘接层（13）。

10.防尘面罩（40），其特征在于，在所述防尘面罩的内部空间（41）中布置了至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的传感器标签（10）。