用近紅外光譜法測(cè)量二氧化硅顆粒的含水量
近紅外光譜的廣泛應(yīng)用
近紅外(NIR)光譜技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量不同物質(zhì)的含水量，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制藥、食品、化學(xué)、農(nóng)業(yè)和建筑等多個(gè)行業(yè)中。
制藥工業(yè)：在制藥工業(yè)中，通過(guò)分析樣品的近紅外吸收光譜，可以確定樣品的含水量，這對(duì)于確保藥品的安全和生產(chǎn)一致性來(lái)說(shuō)非常重要。
食品工業(yè)：在食品工業(yè)中，近紅外光譜常用于顆粒狀食品，如谷物和粉末狀配料的含水量分析，這有助于質(zhì)量控制和生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化。
化學(xué)工業(yè)：在化學(xué)工業(yè)中，近紅外光譜也用于監(jiān)測(cè)和控制顆粒物質(zhì)的含水量。在制造過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量產(chǎn)品濕度水平，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。
農(nóng)業(yè)應(yīng)用：近紅外光譜在農(nóng)業(yè)中常用于監(jiān)測(cè)顆粒材料(如肥料，土壤樣品和動(dòng)物飼料)的含水量以評(píng)估它們的質(zhì)量和有效性。另外，還可以通過(guò)測(cè)定農(nóng)作物的含水量和其他參數(shù)來(lái)檢測(cè)農(nóng)作物的質(zhì)量。
建筑行業(yè)：近紅外光譜在建筑行業(yè)中常用于測(cè)量顆粒材料(如沙子，礫石和混凝土)，墻壁，油漆和木材的含水量。有了這些信息可以判斷建筑材料的預(yù)期強(qiáng)度、耐久性，確保它們符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
PART01 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介
橡膠工業(yè)用二氧化硅顆粒
的近紅外光譜測(cè)量
經(jīng)過(guò)硅烷化反應(yīng)的二氧化硅常被用作橡膠化合物中的補(bǔ)強(qiáng)材料。添加二氧化硅到橡膠化合物中，可以提高橡膠化合物的各種機(jī)械性能，如抗拉強(qiáng)度、抗撕裂性、耐磨性和剛度。它還改善了橡膠化合物的動(dòng)態(tài)性能，如回彈彈性和遲滯性。
同時(shí)，二氧化硅也是一種吸濕性材料，這意味著它具有很強(qiáng)的吸水性。但是，二氧化硅顆粒的含水量會(huì)影響其硅烷化反應(yīng)，從而影響它作為橡膠復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)材料的性能。
因此，本實(shí)驗(yàn)將取3種二氧化硅顆粒樣品，使用Avantes近紅外光譜儀檢測(cè)它們的吸收光譜，以此辨別這些二氧化硅顆粒樣品中是否含有水及它們的含水量。
PART02 實(shí)驗(yàn)儀器
本實(shí)驗(yàn)使用了2款不同型號(hào)的光譜儀，實(shí)驗(yàn)詳細(xì)配置如下：
光譜儀1
描述 | |
光譜儀 | AvaSpec-NIR256-1.7-EVO |
光譜范圍 | 900-1700nm |
光譜儀2：
配置 | 描述 |
光譜儀型號(hào) | AvaSpec-NIR256-2.5-HSC-EVO |
光譜范圍 | 1000-2500nm |
光源：
型號(hào) | |
鹵素?zé)?/p> | AvaLight-HAL-S-Mini |
軟件：
軟件類(lèi)型 | 型號(hào) |
AvaSoft | 8.16.1 |
光纖類(lèi)型：
光纖類(lèi)型 | 光纖芯徑（μm） | 長(zhǎng)度（m） | 光纖套管 |
FCR-7UVIR | 400 | 2 | BX（不銹鋼） |
參考：
白參考類(lèi)型 | 型號(hào) |
白色參考瓦 | WS-2 |
樣品：
BET比表面積（m2/g） | 加熱損失（2h@105℃）（%） | |
1 | 165-185 | 4-7 |
2 | 150-170 | 6-8 |
3 | 150-170 | 4.5-7.0 |
PART03 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
水在近紅外光譜中存在兩個(gè)不同的吸收峰，這兩個(gè)峰分別在1400 nm左右和1900 nm左右。因此，我們選擇使用兩種不同光譜范圍的近紅外光譜儀：NIR1.7（光譜范圍900-1700nm）和NIR 2.5（光譜范圍1000-2500nm）。
圖1:使用NIR1.7 (圖A)和NIR2.5 (圖B)測(cè)量二氧化硅顆粒(樣品1、2、3)的光譜圖
如圖所示，NIR1.7和NIR2.5都檢測(cè)到了1400nm附近的水吸收峰。圖A所呈現(xiàn)的吸收峰曲線變化幅度相較于圖B更明顯，這是因?yàn)镹IR1.7的分辨率更高。
圖2：使用NIR1.7 (圖A)和NIR2.5 (圖B)測(cè)量經(jīng)微分處理后的二氧化硅顆粒(樣品1、2、3)的光譜圖
通過(guò)計(jì)算光譜的一階導(dǎo)數(shù)(圖2)來(lái)消除基線漂移和其他影響(如粒徑和溫度)，可以看到不同類(lèi)型的二氧化硅顆粒之間有著細(xì)微的區(qū)別。
結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖顯示，在大約1400 nm和1900 nm處存在明顯的水吸收峰，表明3種二氧化硅顆粒樣品中都含有水。其中，樣品1的水吸收峰曲線強(qiáng)度較高，表明它的含水量高于其他樣品。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖A和B可以發(fā)現(xiàn)，NIR1.7的分辨率更高，能夠更精確地識(shí)別水吸收峰的變化，更細(xì)微地區(qū)分不同類(lèi)型的二氧化硅顆粒。NIR2.5測(cè)量的光譜范圍更大，可以同時(shí)識(shí)別1400nm和1900nm處的水吸收峰。
應(yīng)用Avantes近紅外光譜儀與化學(xué)計(jì)量模塊可以快速，非破壞性，準(zhǔn)確的檢測(cè)水分含量。