玻璃管中羥基含量的測定

梁海霞

(連云港市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，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。羥基含量的高低會對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定按照GB/T12442－90《石英玻璃中羥基含量檢驗方法》采用的是光柵式紅外分光光度計測定波長在2.00～3.30μm范圍內(nèi)的光譜透過曲線，采用人工法在圖譜上作出基線，測定出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)中羥基含量的計算公式計算出石英玻璃管中的羥基含量［2］。這種測量方法精度低、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)進行定性鑒別，還可以根據(jù)譜圖，直接測量吸收峰到基線的距離，代入經(jīng)驗公式對羥基含量進行定量分析。

2 測量儀器

傅里葉變換紅外光譜儀:nicolet6700美國熱電公司;

羥基測試附件:羥基測試支架;

千分尺:0.01mm;

無水乙醇:分析純(AR);

測試條件

分辨率:4cm－1;

掃描次數(shù):32次;

測試波數(shù)范圍:400～4000cm－1。

3 測試原理及測試方法

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)一束強光為I0的光射入樣品后，測出其出射光強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和出射光強之比就能根據(jù)郎伯—比爾定律計算出該組分的濃度。

傅里葉變化紅外光譜儀測量玻璃管中羥基含量的步驟是:首先依次打開光學(xué)臺、打印機及電腦。光學(xué)臺開啟后3min即可穩(wěn)定。打開OMINIC軟件，對測量儀器進行背景掃描，然后把安裝好石英玻璃管切片的羥基測試支架至于樣品室，測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。運用開OMINIC軟件自帶的工具，測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例分析

4.1 測試譜圖

圖1 石英玻璃羥基測試譜圖

4.2 測試數(shù)據(jù)

采用GB/T 12442－90石英玻璃中羥基含量檢驗方法中羥基含量公式進行數(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，測出校正峰高，代入公式計算出羥基含量。由于基線是人為定出的，因而所作出的基線不準(zhǔn)時會對計算值產(chǎn)生一些影響。

要想滿足玻璃管羥基含量＜1ppm測量精度要求，儀器必須滿足的信噪比見表2:

表2 信噪比測定結(jié)果

根據(jù)玻璃管中的羥基含量計算公式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，儀器就無法檢測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光通量小，信噪比遠遠不及傅立葉變換紅外光譜儀，就限制了其在羥基檢測方面的應(yīng)用，而本實驗室采用的nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀信噪比為2000:1。由表2可知:本實驗室采用的傅立葉變換紅外光譜儀理論上可以測量到的羥基含量可以達到1ppm，此時的最小玻璃管的厚度可以達到0.05cm。而對羥基含量(＜1ppm)的玻璃管，我們應(yīng)該采用精度更高，穩(wěn)定性更好的儀器進行檢測，從而降低檢測誤差。

5 結(jié)論

傅里葉變換紅外光譜儀具有光通量大、信噪比高、測量速度快、分辨率高、可以進行全波段掃描等優(yōu)點，正在取代傳統(tǒng)的紅外分光光度計成為紅外光譜分析領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品。根據(jù)國標(biāo)GB/T12442－90中的羥基含量計算公式，使用nicolet6700傅里葉變換紅外光譜儀可以快速、準(zhǔn)確地對石英玻璃管中羥基含量進行測定，方便電光源等行業(yè)對其石英玻璃管產(chǎn)品進行質(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［J］.200230(6):357－361.

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

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