用近红外光谱法测量二氧化硅颗粒的含水量
近红外光谱的广泛应用
近红外(NIR)光谱技术可以实时测量不同物质的含水量，这项技术被广泛应用于制药、食品、化学、农业和建筑等多个行业中。
制药工业：在制药工业中，通过分析样品的近红外吸收光谱，可以确定样品的含水量，这对于确保药品的安全和生产一致性来说非常重要。
食品工业：在食品工业中，近红外光谱常用于颗粒状食品，如谷物和粉末状配料的含水量分析，这有助于质量控制和生产过程优化。
化学工业：在化学工业中，近红外光谱也用于监测和控制颗粒物质的含水量。在制造过程中实时测量产品湿度水平，确保产品质量的一致性。
农业应用：近红外光谱在农业中常用于监测颗粒材料(如肥料，土壤样品和动物饲料)的含水量以评估它们的质量和有效性。另外，还可以通过测定农作物的含水量和其他参数来检测农作物的质量。
建筑行业：近红外光谱在建筑行业中常用于测量颗粒材料(如沙子，砾石和混凝土)，墙壁，油漆和木材的含水量。有了这些信息可以判断建筑材料的预期强度、耐久性，确保它们符合质量标准。
PART01 实验简介
橡胶工业用二氧化硅颗粒
的近红外光谱测量
经过硅烷化反应的二氧化硅常被用作橡胶化合物中的补强材料。添加二氧化硅到橡胶化合物中，可以提高橡胶化合物的各种机械性能，如抗拉强度、抗撕裂性、耐磨性和刚度。它还改善了橡胶化合物的动态性能，如回弹弹性和迟滞性。
同时，二氧化硅也是一种吸湿性材料，这意味着它具有很强的吸水性。但是，二氧化硅颗粒的含水量会影响其硅烷化反应，从而影响它作为橡胶复合补强材料的性能。
因此，本实验将取3种二氧化硅颗粒样品，使用Avantes近红外光谱仪检测它们的吸收光谱，以此辨别这些二氧化硅颗粒样品中是否含有水及它们的含水量。
PART02 实验仪器
本实验使用了2款不同型号的光谱仪，实验详细配置如下：
光谱仪1
描述 | |
光谱仪 | AvaSpec-NIR256-1.7-EVO |
光谱范围 | 900-1700nm |
光谱仪2：
配置 | 描述 |
光谱仪型号 | AvaSpec-NIR256-2.5-HSC-EVO |
光谱范围 | 1000-2500nm |
光源：
型号 | |
卤素灯 | AvaLight-HAL-S-Mini |
软件：
软件类型 | 型号 |
AvaSoft | 8.16.1 |
光纤类型：
光纤类型 | 光纤芯径（μm） | 长度（m） | 光纤套管 |
FCR-7UVIR | 400 | 2 | BX（不锈钢） |
参考：
白参考类型 | 型号 |
白色参考瓦 | WS-2 |
样品：
BET比表面积（m2/g） | 加热损失（2h@105℃）（%） | |
1 | 165-185 | 4-7 |
2 | 150-170 | 6-8 |
3 | 150-170 | 4.5-7.0 |
PART03 实验结果
水在近红外光谱中存在两个不同的吸收峰，这两个峰分别在1400 nm左右和1900 nm左右。因此，我们选择使用两种不同光谱范围的近红外光谱仪：NIR1.7（光谱范围900-1700nm）和NIR 2.5（光谱范围1000-2500nm）。
图1:使用NIR1.7 (图A)和NIR2.5 (图B)测量二氧化硅颗粒(样品1、2、3)的光谱图
如图所示，NIR1.7和NIR2.5都检测到了1400nm附近的水吸收峰。图A所呈现的吸收峰曲线变化幅度相较于图B更明显，这是因为NIR1.7的分辨率更高。
图2：使用NIR1.7 (图A)和NIR2.5 (图B)测量经微分处理后的二氧化硅颗粒(样品1、2、3)的光谱图
通过计算光谱的一阶导数(图2)来消除基线漂移和其他影响(如粒径和温度)，可以看到不同类型的二氧化硅颗粒之间有着细微的区别。
结论：实验结果图显示，在大约1400 nm和1900 nm处存在明显的水吸收峰，表明3种二氧化硅颗粒样品中都含有水。其中，样品1的水吸收峰曲线强度较高，表明它的含水量高于其他样品。通过比较实验结果图A和B可以发现，NIR1.7的分辨率更高，能够更精确地识别水吸收峰的变化，更细微地区分不同类型的二氧化硅颗粒。NIR2.5测量的光谱范围更大，可以同时识别1400nm和1900nm处的水吸收峰。
应用Avantes近红外光谱仪与化学计量模块可以快速，非破坏性，准确的检测水分含量。