梁海霞

(連云港市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 連云港 222000)

1 引言

石英玻璃的主要成分是 SiO2，其含量大于99.99%，除了雜質(zhì)外，石英玻璃中還存在一種結(jié)構(gòu)缺陷，即羥基。羥基含量的高低會(huì)對(duì)其在電光源以及光纖的領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。質(zhì)量等級(jí)高的石英玻璃要求石英玻璃中的羥基含量小于5ppm［1］。傳統(tǒng)的高壓汞燈管羥基含量要求不大于10ppm，金屬鹵化物燈管的羥基含量要求不大于3ppm。傳統(tǒng)石英玻璃管中羥基含量的測(cè)定按照GB/T12442－90《石英玻璃中羥基含量檢驗(yàn)方法》采用的是光柵式紅外分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)在2.00～3.30μm范圍內(nèi)的光譜透過(guò)曲線，采用人工法在圖譜上作出基線，測(cè)定出2.73μm處基線到零線和吸收峰到零線的距離。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中羥基含量的計(jì)算公式計(jì)算出石英玻璃管中的羥基含量［2］。這種測(cè)量方法精度低、效率低，限制了其在石英玻璃生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。而采用傅立葉變換紅外光譜儀不僅可以快速對(duì)石英玻璃管中羥基在紅外光譜區(qū)的特征吸收(3663cm－1附近)進(jìn)行定性鑒別，還可以根據(jù)譜圖，直接測(cè)量吸收峰到基線的距離，代入經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)羥基含量進(jìn)行定量分析。

2 測(cè)量?jī)x器

傅里葉變換紅外光譜儀:nicolet6700美國(guó)熱電公司;

羥基測(cè)試附件:羥基測(cè)試支架;

千分尺:0.01mm;

無(wú)水乙醇:分析純(AR);

測(cè)試條件

分辨率:4cm－1;

掃描次數(shù):32次;

測(cè)試波數(shù)范圍:400～4000cm－1。

3 測(cè)試原理及測(cè)試方法

石英玻璃管在 2.73μm(3663cm－1)，有紅外吸收峰，羥基含量越大，吸收值越大，峰型越典型。這種測(cè)試方法的理論基礎(chǔ)是郎伯—比爾定律，基本原理:當(dāng)一束強(qiáng)光為I0的光射入樣品后，測(cè)出其出射光強(qiáng)I，則滿足下列公式:

式中:A為吸光度;ε為吸光系數(shù);b為樣品厚度;c為成分濃度。

因此只要知道某組分吸收峰處的初始光強(qiáng)和出射光強(qiáng)之比就能根據(jù)郎伯—比爾定律計(jì)算出該組分的濃度。

傅里葉變化紅外光譜儀測(cè)量玻璃管中羥基含量的步驟是:首先依次打開(kāi)光學(xué)臺(tái)、打印機(jī)及電腦。光學(xué)臺(tái)開(kāi)啟后3min即可穩(wěn)定。打開(kāi)OMINIC軟件，對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行背景掃描，然后把安裝好石英玻璃管切片的羥基測(cè)試支架至于樣品室，測(cè)試石英玻璃管的吸收光譜，得到石英玻璃管的吸收光譜曲線。運(yùn)用開(kāi)OMINIC軟件自帶的工具，測(cè)量出羥基吸收峰的位置2.73μm(3663cm－1)處吸收峰到基線的距離(即校正峰高)。

根據(jù)郎伯—比爾定律，推導(dǎo)出玻璃管中的羥基含量計(jì)算公式［3］為:

式中:C——試樣的羥基含量ppm;

d——試樣厚度 cm;

logI0/I——3663cm－1處吸收峰到基線的距離 mm。

4 玻璃管中羥基含量實(shí)例分析

4.1 測(cè)試譜圖

圖1 石英玻璃羥基測(cè)試譜圖

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

采用GB/T 12442－90石英玻璃中羥基含量檢驗(yàn)方法中羥基含量公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出結(jié)果如下表:

表1 不同厚度的玻璃管羥基含量測(cè)定結(jié)果

由于不同的玻璃管，可能在2.73μm(3663cm－1)處吸收峰的位置略有偏離，我們可以進(jìn)行微調(diào)尋找最佳吸收位置，即尋求3663cm－1附近的吸收峰，然后定基線，測(cè)出校正峰高，代入公式計(jì)算出羥基含量。由于基線是人為定出的，因而所作出的基線不準(zhǔn)時(shí)會(huì)對(duì)計(jì)算值產(chǎn)生一些影響。

要想滿足玻璃管羥基含量＜1ppm測(cè)量精度要求，儀器必須滿足的信噪比見(jiàn)表2:

表2 信噪比測(cè)定結(jié)果

根據(jù)玻璃管中的羥基含量計(jì)算公式C=96.5×1/d×logI0/I，我們可以看出，在石英玻璃管厚度不變的情況下，石英玻璃管的羥基含量越低，logI0/I值就越小，當(dāng)I0與I的差值小于儀器的噪聲時(shí)，儀器就無(wú)法檢測(cè)出石英玻璃管中的羥基含量，因此要想提高儀器的精度就必須降低儀器的噪聲，提高儀器的信噪比，傳統(tǒng)的光柵式紅外分光光度計(jì)光通量小，信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及傅立葉變換紅外光譜儀，就限制了其在羥基檢測(cè)方面的應(yīng)用，而本實(shí)驗(yàn)室采用的nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀信噪比為2000:1。由表2可知:本實(shí)驗(yàn)室采用的傅立葉變換紅外光譜儀理論上可以測(cè)量到的羥基含量可以達(dá)到1ppm，此時(shí)的最小玻璃管的厚度可以達(dá)到0.05cm。而對(duì)羥基含量(＜1ppm)的玻璃管，我們應(yīng)該采用精度更高，穩(wěn)定性更好的儀器進(jìn)行檢測(cè)，從而降低檢測(cè)誤差。

5 結(jié)論

傅里葉變換紅外光譜儀具有光通量大、信噪比高、測(cè)量速度快、分辨率高、可以進(jìn)行全波段掃描等優(yōu)點(diǎn)，正在取代傳統(tǒng)的紅外分光光度計(jì)成為紅外光譜分析領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T12442－90中的羥基含量計(jì)算公式，使用nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)石英玻璃管中羥基含量進(jìn)行測(cè)定，方便電光源等行業(yè)對(duì)其石英玻璃管產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制。

［1］周永恒，顧真安.石英玻璃及其水晶原料中羥基的研究.硅酸鹽學(xué)報(bào)［J］.200230(6):357－361.

［2］高學(xué)軍.傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)量石英玻璃管羥基含量.光譜儀器與分析.

［3］中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院石英玻璃所.GB/T12442－90《石英玻璃中羥基含量檢驗(yàn)方法》.