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傅立叶变换红外光谱仪在轧制油中的添加剂定量分析的应用

鸟儿—飞翔

2013/07/04
药物分析

私聊

红外光谱（IR）

摘要：轧制油是铝板带生产轧制过程中使用的重要辅助材料，在轧制过程中启到冷却、润滑的作用。而添加剂含量是轧制油中的一项主要指标。本文就傅立叶变换红外光谱仪的基本原理作扼要的介绍，总结了傅立叶变换红外光谱法的主要特点，讲解了轧制油添加剂测定的意义，阐述了傅立叶红外光谱仪在铝板带轧制油中添加剂的定量分析及其应用，并对该方法进行了曲线验证。

关键词：傅立叶变换红外光谱仪；添加剂；定量分析；

1 傅立叶红外光谱仪的发展历史

到目前为止红外光谱仪已发展了三代。第一代是最早使用的棱镜式色散型红外光谱仪, 用棱镜作为分光元件，分辨率较低，对温度、湿度敏感, 对环境要求苛刻。60年代出现了第二代光栅型色散式红外光谱仪, 由于采用先进的光栅刻制和复制技术, 提高了仪器的分辨率, 拓宽了测量波段, 降低了环境要求。第三代出现在70年代的干涉型红外光谱仪，具有宽的测量范围、高测量精度、极高的分辨率以及极快的测量速度。傅立叶变换红外光谱仪是干涉型红外光谱仪器的代表, 具有优良的特性, 完善的功能。红外光谱仪从传统的定性分析向定量分析发展，其定量分析已在多个领域得到了广泛的应用。

2 基本原理

红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2.5～25μm；4000～400cm^-1）能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域，一般所说的红外光谱大都是指这一范围。

红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红外光而产生的，化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两端的原子折合质量，也就是取决于的结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据。

红外光谱仪的定量分析理论依据是朗伯-比尔定律。

A=lg(1/T)=Kbc

A----吸光度

T----透射比,是透射光强度比上入射光强度 K为摩尔吸收系数。它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。

c----吸光物质的浓度

b----吸收层厚度

物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,与其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比.

3 仪器与方法的比较

3.1傅立叶变换红外光谱仪结构与传统红外光谱仪比较的优点

3.1.1多路优点

夹缝的废除大大提高了光能利用率。样品置于全部辐射波长下，因此全波长范围下的吸收必然改进信噪比，使测量灵敏度和准确度大大提高。

3.1.2分辨率提高

分辨率决定于动镜的线性移动距离，距离增加，分辨率提高。传统的色散型红外仪分辨能力为1～0.2 cm^-1，傅立叶变换红外光谱仪一般可达0.1cm^-1,甚至可达5^-3cm^-1。

3.1.3波数准确度高

由于引入激光参比干涉仪，用激光干涉条纹准确测定光程差，从而使波数更为准确。

3.1.4测定的光谱范围宽

一般的色散型红外分光光度计测定的波长范围为4000～400 cm^-1而傅立叶变换红外光谱仪测定的光谱围宽可达10⁴～10cm^-1。

3.1.5扫描速度极快

在不到1s时间里可获得图谱，比色散型仪器高几百倍。

3.2 FTIR与传统手工化学分析比较的优点

3.2.1速度快

用傅里叶红外光谱仪测定样品操作简单，只要几分钟结果就出来了；但是化学方法过程复杂且耗时，前后要将近1-2个小时。

3.2.2安全性好

FTIR用到的试剂只有石油醚，低毒，用来清洗液体池子。化学方法要用到多种化学试剂如：乙酸酐、盐酸、氢氧化钠、吡啶等有毒、强腐蚀、有刺激性气味，对人体伤害比较大。

3.2.3准确度好、误差小

FTIR测定过程简易，减少了很多人为误差，重复性好。

4 傅立叶变换红外光谱仪的定量实验

4.1 实验的意义

为了提高轧制油的油膜强度，使轧制时达到适当的摩擦因数，改善轧制油的润滑性能，必须在轧制油中加入脂肪酸、醇、脂类作为添加剂。这类添加剂一般为极性分子，可以定向吸附在金属表面上，形成牢固的油膜，能承受较高的强度，油膜不易破裂，但过多的添加剂会留在铝板表面上，造成后序的腐蚀不均，因此应控制添加剂的加入量。由于生产过程中经常补充新基础油和添加剂在生产过程中的消耗，应根据监测指标常常进行补充，确保控制在合理范围内，稳定产品的表面质量。

4.2 仪器

德国BRUKER傅立叶变换红外光谱仪TENSOR 27（图1）、可拆卸液体池（图3）、梅特勒万分之一天平（图2）。

图1

图2 图3

4.3 样品处理

轧制油是有基础油和添加剂组成的。添加剂的主要成分是十二醇和十二酸甲酯。

用内标法来建立标准曲线，用重量比例法，在基础油中加添加剂，称重精确到0.0001g。配置5个标样：醇1.7898%、3.5971%、5.2163%、6.1477%、7.2873%（我们生产中用的轧制油中醇的含量4%--6%之间）；酯0.1977%、0.3974%、0.5763%、0.6792%、0.8051%（我们生产中用的轧制油中酯的含量0.4%--0.65%之间）。

液体采用液体池进样，由于轧制油中含有少量水分，又根据所需测的光谱范围，选择硒化锌窗片的可拆卸液体池来测定。液膜的厚度是经过摸索选定的，液膜过厚导致检测物质的峰成饱和平头峰，液膜过薄检测物质的峰会淹没在基线噪声中，无法识别物质峰，最终选用0.1mm厚的垫片。

4.4 样品扫描

对样品进行逐一扫描，由低浓度的标准样品到高浓度的标准样品进行扫描，扫描范围4000cm^-1～400cm^-1，显示范围4000cm^-1～600cm^-1。根据扫描出来的谱图选择相应的锋。

醇的特征峰选在3590cm^-1～3220cm^-1，用所选范围两端点的连线作为基线，利用峰面积来进行积分计算建立标准曲线Y=+2.1421+0.040462*X 相关因子为0.999（图4）。

图4

酯的特征峰选在1700cm^-1~1800cm^-1，用所选范围两端点的连线作为基线（图5），利用峰面积来进行积分计算建立标准曲线Y=+0.022125+0.057267*X相关因子为1（图6）。

图5

图6

峰面积法是指测量吸收峰的峰面积，用峰面积代替朗伯一比耳定律中的A值进行定量分析，由于测量峰面积利用了吸收峰的全部信息，且峰面积受仪器的影响比较小，所以其准确性、重现性都高于峰高法，特别是在峰高不易准确测量时，更显示出峰面积的优越性。

4.5 样品测量

配出已知样品醇的含量，用做标准曲线同样的操作方式对样品进行扫描，放入曲线里评价得出结果。

理论值	2.6058%	4.4327%	5.7061%	7.0276%
测定值	2.63%	4.43%	5.69%	7.19%

配出已知样品酯的含量，用做标准曲线同样的操作方式对样品进行扫描，放入曲线里评价得出结果。

理论值	0.3974%	0.4897%	0.6304%	0.7764%
测定值	0.37%	0.46%	0.63%	0.75%

4.6 曲线验证

4.6.1准确度---回收率

醇的回收率

样品编号	1			2			3
理论值 %	4.4327			5.7061			7.0276
测定值 %	4.43	4.32	4.35	5.71	5.72	5.65	7.19	7.17	7.19
回收率 %	99.9	97.5	98.1	100.1	100.2	99.0	102.3	102.0	102.3

实验结果表明，用该方法测定的回收率可达97.5%—102.3%
酯的回收率

样品编号	1			2			3
理论值 %	0.4897			0.6304			0.7764
测定值 %	0.46	0.48	0.48	0.62	0.64	0.63	0.75	0.78	0.77
回收率 %	93.9	98.0	98.0	98.7	101.5	99.9	96.6	100.5	99.2

实验结果表明，用该方法测定的回收率可达93.9%—101.5%

4.6.2精密度

A醇

用上述方法测轧制油中醇的百分含量，得到一组数据5.71%、5.65%、5.72%、5.78%、5.75%、5.67%、5.66%。

通过数据计算：平均偏差0.034%

标准偏差S为0.049%

相对标准偏差RSD为0.86%

B酯

用上述方法测轧制油中酯的百分含量，得到一组数据0.62%、0.64%、0.63%、0.63%、0.63%、0.64%、0.63%。

通过数据计算出：平均偏差为0.004%

标准偏差S为0.007%

相对标准偏差RSD为1.1%

5 结论

用傅里叶红外光谱仪测定轧制油中的添加剂，是一种非常快速、准确、实用的定量方法。通过测量轧制油中添加剂的含量来监测生产过程，并优化工艺。

参考文献

[1] 邱颖，陈兵，贾东升. 红外光谱技术应用的进展[J]. 环境科学导刊，2008，27（增刊）：23-26.

[2] 刘敏娜，王桂清，卢其斌. 红外光谱技术的进展及其应用[J].精细化工中间体，2001，31（6）：1-3.

[3] 方惠群，于俊生，史坚.仪器分析[M].，北京：科学出版社，2002.350-355.

[4]李生华. 应用红外光谱学的进展[J] .国外分析仪器技术与应用, 1996, (4).

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