微波加熱原理及其應(yīng)用

前言

本文介紹了微波輻射加熱的兩種機(jī)制和微波的化學(xué)應(yīng)用。

微波加熱機(jī)制

微波輻射主要通過兩種機(jī)制觸發(fā)加熱，即偶極極化和離子導(dǎo)電。同時(shí)反應(yīng)混合物中的偶極子（例如，極性溶劑分子或試劑）都參與了偶極極化效應(yīng)，樣品中的帶電粒子（一般為離子）導(dǎo)致離子傳導(dǎo)。

偶極極化

當(dāng)微波頻率開始輻射時(shí)，樣品中的偶極子將在所施加電場的方向上排列。當(dāng)電場震蕩時(shí)，分子偶極子試圖沿著交替的電場線重新調(diào)整自己，在這個過程中，通過分子摩擦和介電損耗（介電加熱），能量以熱量的形式散失。

離子傳導(dǎo)

在離子傳導(dǎo)過程中，樣品中溶解的帶電粒子（一般為離子）在來回震蕩的微波場影響下，它們會與相鄰的分子或原子碰撞。這些碰撞引起激烈運(yùn)動，然后產(chǎn)生熱量，這些離子傳導(dǎo)途徑會比偶極子旋轉(zhuǎn)提供更強(qiáng)的熱量。當(dāng)離子液體在微波場中加熱時(shí)，這些效果會更加明顯。

微波應(yīng)用-頻率的選擇

在微波施加的場的頻率下，其產(chǎn)生的熱量與偶極子本身的能力直接相關(guān)。如果偶極子沒有足夠的時(shí)間調(diào)整（高頻輻射）或快速適應(yīng)（低頻輻射）所施加的場，則不會產(chǎn)生加熱。

在所有的系統(tǒng)中，2.45 GHz屬于高頻和低頻兩種極端之間，并且給予偶極子足夠的時(shí)間在場中排列，但不會使它們精確的跟隨場變化。

介電常數(shù)

在給定頻率和溫度的條件下，特定材料或溶劑中的mw能量轉(zhuǎn)熱率是由所謂的損耗因素（tan δ）決定。損耗系數(shù) tan δ=ε〞/ε′，其中ε″是介電損耗，指電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱量的效率，ε′是介電常數(shù)，用來說明分子在電場中的極化程度。

一般來說，在標(biāo)準(zhǔn)工作頻率（2.45GHz）微波反應(yīng)中，需要損耗系數(shù)比較大的反應(yīng)介質(zhì)才能為有效的加熱。

總體而言，微波化學(xué)中使用的溶劑介質(zhì)按照損耗系數(shù)可被分為三種：

高損耗系數(shù)介質(zhì)（tanδ>0.5）；

中損耗系數(shù)介質(zhì)（0.1<tanδ<0.5）；

低損耗系數(shù)介質(zhì)（tanδ<0.1；）。

實(shí)驗(yàn)室使用基本覆蓋整個微波吸收譜的溶劑，從強(qiáng)吸收溶劑（例如離子液體，乙二醇）到中度吸收溶劑（例如水，N-甲基吡咯烷酮，苯甲醇），再到幾乎不吸收溶劑（例如，非極性烷烴和烯烴）。

極性添加劑，例如離子液體或者由強(qiáng)微波吸收物質(zhì)做成的加熱元件，可以被特意用來增加低吸收溶劑的吸收水平。

介電特性是溫度的函數(shù)

值得注意的是：大多數(shù)溶劑（和一般其他材料）的介電特性都是關(guān)于溫度變化的函數(shù)。例如，乙醇在室溫下是一個很強(qiáng)的微波吸收溶劑，此時(shí)tanδ=0.941，100℃時(shí)，tanδ=0.270，200℃時(shí)，tanδ=0.080。

其原因是，大多數(shù)有機(jī)溶劑，例如乙醇，主要由偶極極化機(jī)制加熱，然而在2.5GHz時(shí)，隨著溫度的升高，溶劑粘度降低導(dǎo)致分子摩擦降低，它吸收微波輻射的能力也降低。與此相反，離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[BMIM] [PF 6]）由離子導(dǎo)電機(jī)制加熱，因此其吸收微波能力隨著溫度升高而增加[67]。[BMIM] [PF 6]的tanδ值，20℃時(shí)，tanδ=0.185，溫度100℃時(shí)，tanδ= 1.804，溫度200℃ 時(shí)，tanδ=3.592。

因此，離子液體在較高溫度下是極端微波吸收劑，這樣通過微波加熱很難精確測量溫度和控制反應(yīng)。

磁場組成對微波合成也有重要影響

除了微波輻射電場分量對上述材料的影響，當(dāng)磁性材料受微波輻射時(shí)，磁場對其影響也應(yīng)該考慮在內(nèi)。在這種情況下，相對應(yīng)的項(xiàng)是磁導(dǎo)率μ′,磁損耗因子μ″，其中μ″表示在交變磁場的影響下，從松弛到共振過程所產(chǎn)生的磁損耗。

雖然磁場與有機(jī)化學(xué)/高分子化學(xué)不相干，但是磁場組成還是對微波輔助合成有著很重要的影響。