二氧化硅的红外光谱特征研究

二氧化硅的红外光谱特征研究1引言二氧化硅是建筑材料的基石，化学式为SiO2，在自然界分布很广，种类繁多，如石英、石英砂、水晶、玛瑙、蛋白石、白炭黑等。随着科学技术不断发展，现在出现了很多人工合成的二氧化硅，如纳米二氧化硅、二氧化硅乳液、介空二氧化硅等。而且不同的二氧化硅具有不同的作用，如石英、石英砂，用来制造石英玻璃；纳米二氧化硅用来制造陶瓷材料、涂料、粘接剂、防水材料等[1]。红外光谱的产生源于物质分子的振动，不同的物质分子具有不同的振动频率可形成不同的红外光谱图，故红外光谱又被称为物质分子的“指纹图谱”。根据被测样品红外光谱的特征峰进行对比分析，可以作为物质识别和比较的重要依据。傅里叶变换红外(FTIR)光谱法具有操作简单、快速灵敏、重复性好和成本低等优点，可作为二氧化硅的一种定性、快速的检测技术。本文分析研究了八种不同来源的二氧化硅样品，寻找二氧化硅在其红外特征谱中的反映，比较其红外光谱的异同，提供最直接有效的鉴别方法，为人们在建筑材料上开发、研究及选用合适的二氧化硅提供理论指导。2实验2.1实验仪器红外光谱在Nexus型傅立叶变换显微红外光谱仪上进行。KBr压片法制样，KBr分束器，DTGSKBr检测器，分辨率：4cm-1，扫描次数：64，测试范围4000～400cm-1。2.2样品白炭黑（自制）、纳米二氧化硅粉末（为浙江舟山明日纳米材料有限公司产品）、二氧化硅乳液（自制）。3结果与讨论3.1白炭黑的红外光谱白炭黑是白色粉末状X-射线无定形硅酸和硅酸盐产品的总称，主要是指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅、超细二氧化硅凝胶和气凝胶，也包括粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等。白炭黑化学式SiO2.nH2O即水合二氧化硅。图6为白炭黑（由稻壳，按文献[4]方法制备）的红外光谱，由图可见，1095cm-1强而宽的吸收带是Si-O-Si反对称伸缩振动峰，798cm-1、466cm-1处的峰为Si-O键对称伸缩振动峰，3450cm-1处的宽峰是结构水-OH反对称伸缩振动峰，1638cm-1附近的峰是水的H-O-H弯曲振动峰，955cm-1处的峰属于Si-OH的弯曲振动吸收峰。其红外光谱图与文献报导一致[4]。图1白炭黑的红外光谱Fig1FTIRofwhitecarbonblack3.2纳米二氧化硅粉末的红外光谱所用纳米二氧化硅粉末（为浙江舟山明日纳米材料有限公司产品）未煅烧的样品KBr压片红外谱图见图7所示。由图7中可以看出样品吸收峰与二氧化硅凝胶标准谱图吻合[5]，均为SiO2.xH2O的特征峰。1093cm-1强而宽的吸收带是Si-O-Si反对称伸缩振动，799cm-1、467cm-1处的峰为Si-O键对称伸缩振动和弯曲振动,3449cm-1处的宽峰是结构水-OH反对称伸缩振动峰，1637cm-1附近的峰是水的H-O-H弯曲振动峰，958cm-1处的峰属于Si-OH的弯曲振动吸收峰，煅烧（550℃煅烧）后该处的峰消失（红外谱图见图8所示），说明煅烧过程中Si-OH完全缩合成Si-O-Si键。此外2961cm-1、2930cm-1、2857cm-1等吸收峰经煅烧后也消失，这主要是由煅烧除去了有机物所致[5~7]。图2未煅烧的纳米二氧化硅粉末的红外光谱Fig.7FTIRofunburnednanometersilicapowder图3纳米二氧化硅粉末550℃煅烧后的的红外光谱Fig.8FTIRofburnednanometersilicapowderat550℃3.3二氧化硅乳液的红外光谱按文献[8]方法制备二氧化硅乳液，经洗涤、离心分离后于110℃干燥4h，所得白色疏松粉末经KBr压片后进行红外光谱测试，结果如图9所示，1113cm-1附近强而宽的吸收带是Si-O-Si反对称伸缩振动，800cm-1、473cm-1处的峰为Si-O键对称伸缩振动峰,3455cm-1处的宽峰是结构水-OH反对称伸缩振动峰，1635cm-1附近的峰是水的H-O-H弯曲振动峰，972cm-1处的峰属于Si-OH的弯曲振动吸收峰，煅烧（700℃煅烧）后该处的峰消失（红外谱图见图10所示），说明煅烧过程中Si-OH完全缩合成Si-O-Si键。此外2923cm-1、2852cm-1等吸收峰经煅烧后也消失，这主要是由煅烧除去了有机物所致[5~7,9]。图4二氧化硅乳液110℃干燥4h后红外光谱Fig.9FTIRofsilicalatexofdringfourhoursat110℃图5二氧化硅乳液700℃煅烧后的红外光谱Fig.10FTIRofburnedsilicalatexat700℃4结论在以上所研究的不同来源的二氧化硅中，每种均具有1090cm-1附近的Si-O-Si反对称伸缩振动峰，800cm-1附近的Si-O键对称伸缩振动峰，470cm-1附近的Si-O键对称伸缩振动峰，但不同来源的二氧化硅，又有各自的特征峰，这些特征峰可以很好地将它们区别开来。因此，傅里叶变换红外光谱是快速、准确鉴别建筑材料基石二氧化硅的一种有效手段，也是鉴别其它建筑材料不可缺的一种手段。参考文献[1]芳明.纳米二氧化硅的制备、表面改性和应用前景[J].精细化工原料及中间体,2011,(1):19-23.[2]曹颖春,李萧,邢玉屏.矿物红外光谱图谱前言与索引[M].沈阳:辽宁省地质局中心实验室,1982:NO.,2.10.[3]曹颖春,李萧,邢玉屏.矿物红外光谱图谱前言与索引[M].沈阳:辽宁省地质局中心实验室,1982:NO.,2.36.[4]郭树军,周新木,刘厚凡.稻壳制备高纯白炭黑的工艺研究[J].粮油食品科技,2010,18(5):13-16.[5]徐子颉,吕泽霖,甘礼华.SiO2气凝胶小球热处理过程中的相变研究[J].人工晶体学报,2006,35(6):1176-1179.[6]韩静香,佘利娟,翟立新.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[J].硅酸盐通报,2010,29(3):681-685.[7]杨儒,张广延,李敏.超临界干燥制备纳米SiO2粉体及其性质[J].硅酸盐学报,2005,33(3):281-286.[8]章浩龙.一种二氧化硅乳液及其制造方法和用途:中国,03109915.7[P].2004-10-13.[9]朱振峰,李晖,朱敏.微乳液法制备无定形纳米二氧化硅[J].无机盐工业,2006,38(6):14-16.