玻璃管中羟基含量的测定

梁海霞

(连云港市产品质量监督检验中心，江苏 连云港 222000)

1 引言

石英玻璃的主要成分是 SiO2，其含量大于99.99%，除了杂质外，石英玻璃中还存在一种结构缺陷，即羟基。羟基含量的高低会对其在电光源以及光纤的领域的应用产生重要的影响。质量等级高的石英玻璃要求石英玻璃中的羟基含量小于5ppm［1］。传统的高压汞灯管羟基含量要求不大于10ppm，金属卤化物灯管的羟基含量要求不大于3ppm。传统石英玻璃管中羟基含量的测定按照GB/T12442－90《石英玻璃中羟基含量检验方法》采用的是光栅式红外分光光度计测定波长在2.00～3.30μm范围内的光谱透过曲线，采用人工法在图谱上作出基线，测定出2.73μm处基线到零线和吸收峰到零线的距离。根据标准中羟基含量的计算公式计算出石英玻璃管中的羟基含量［2］。这种测量方法精度低、效率低，限制了其在石英玻璃生产中的质量控制。而采用傅立叶变换红外光谱仪不仅可以快速对石英玻璃管中羟基在红外光谱区的特征吸收(3663cm－1附近)进行定性鉴别，还可以根据谱图，直接测量吸收峰到基线的距离，代入经验公式对羟基含量进行定量分析。

2 测量仪器

傅里叶变换红外光谱仪:nicolet6700美国热电公司;

羟基测试附件:羟基测试支架;

千分尺:0.01mm;

无水乙醇:分析纯(AR);

测试条件

分辨率:4cm－1;

扫描次数:32次;

测试波数范围:400～4000cm－1。

3 测试原理及测试方法

石英玻璃管在 2.73μm(3663cm－1)，有红外吸收峰，羟基含量越大，吸收值越大，峰型越典型。这种测试方法的理论基础是郎伯—比尔定律，基本原理:当一束强光为I0的光射入样品后，测出其出射光强I，则满足下列公式:

式中:A为吸光度;ε为吸光系数;b为样品厚度;c为成分浓度。

因此只要知道某组分吸收峰处的初始光强和出射光强之比就能根据郎伯—比尔定律计算出该组分的浓度。

傅里叶变化红外光谱仪测量玻璃管中羟基含量的步骤是:首先依次打开光学台、打印机及电脑。光学台开启后3min即可稳定。打开OMINIC软件，对测量仪器进行背景扫描，然后把安装好石英玻璃管切片的羟基测试支架至于样品室，测试石英玻璃管的吸收光谱，得到石英玻璃管的吸收光谱曲线。运用开OMINIC软件自带的工具，测量出羟基吸收峰的位置2.73μm(3663cm－1)处吸收峰到基线的距离(即校正峰高)。

根据郎伯—比尔定律，推导出玻璃管中的羟基含量计算公式［3］为:

式中:C——试样的羟基含量ppm;

d——试样厚度 cm;

logI0/I——3663cm－1处吸收峰到基线的距离 mm。

4 玻璃管中羟基含量实例分析

4.1 测试谱图

图1 石英玻璃羟基测试谱图

4.2 测试数据

采用GB/T 12442－90石英玻璃中羟基含量检验方法中羟基含量公式进行数据处理得出结果如下表:

表1 不同厚度的玻璃管羟基含量测定结果

由于不同的玻璃管，可能在2.73μm(3663cm－1)处吸收峰的位置略有偏离，我们可以进行微调寻找最佳吸收位置，即寻求3663cm－1附近的吸收峰，然后定基线，测出校正峰高，代入公式计算出羟基含量。由于基线是人为定出的，因而所作出的基线不准时会对计算值产生一些影响。

要想满足玻璃管羟基含量＜1ppm测量精度要求，仪器必须满足的信噪比见表2:

表2 信噪比测定结果

根据玻璃管中的羟基含量计算公式C=96.5×1/d×logI0/I，我们可以看出，在石英玻璃管厚度不变的情况下，石英玻璃管的羟基含量越低，logI0/I值就越小，当I0与I的差值小于仪器的噪声时，仪器就无法检测出石英玻璃管中的羟基含量，因此要想提高仪器的精度就必须降低仪器的噪声，提高仪器的信噪比，传统的光栅式红外分光光度计光通量小，信噪比远远不及傅立叶变换红外光谱仪，就限制了其在羟基检测方面的应用，而本实验室采用的nicolet6700傅里叶变换红外光谱仪信噪比为2000:1。由表2可知:本实验室采用的傅立叶变换红外光谱仪理论上可以测量到的羟基含量可以达到1ppm，此时的最小玻璃管的厚度可以达到0.05cm。而对羟基含量(＜1ppm)的玻璃管，我们应该采用精度更高，稳定性更好的仪器进行检测，从而降低检测误差。

5 结论

傅里叶变换红外光谱仪具有光通量大、信噪比高、测量速度快、分辨率高、可以进行全波段扫描等优点，正在取代传统的红外分光光度计成为红外光谱分析领域的主导产品。根据国标GB/T12442－90中的羟基含量计算公式，使用nicolet6700傅里叶变换红外光谱仪可以快速、准确地对石英玻璃管中羟基含量进行测定，方便电光源等行业对其石英玻璃管产品进行质量控制。

［1］周永恒，顾真安.石英玻璃及其水晶原料中羟基的研究.硅酸盐学报［J］.200230(6):357－361.

［2］高学军.傅立叶变换红外光谱仪测量石英玻璃管羟基含量.光谱仪器与分析.

［3］中国建筑材料科学研究院石英玻璃所.GB/T12442－90《石英玻璃中羟基含量检验方法》.