微波加热原理及其应用

前言

本文介绍了微波辐射加热的两种机制和微波的化学应用。

微波加热机制

微波辐射主要通过两种机制触发加热，即偶极极化和离子导电。同时反应混合物中的偶极子（例如，极性溶剂分子或试剂）都参与了偶极极化效应，样品中的带电粒子（一般为离子）导致离子传导。

偶极极化

当微波频率开始辐射时，样品中的偶极子将在所施加电场的方向上排列。当电场震荡时，分子偶极子试图沿着交替的电场线重新调整自己，在这个过程中，通过分子摩擦和介电损耗（介电加热），能量以热量的形式散失。

离子传导

在离子传导过程中，样品中溶解的带电粒子（一般为离子）在来回震荡的微波场影响下，它们会与相邻的分子或原子碰撞。这些碰撞引起激烈运动，然后产生热量，这些离子传导途径会比偶极子旋转提供更强的热量。当离子液体在微波场中加热时，这些效果会更加明显。

微波应用-频率的选择

在微波施加的场的频率下，其产生的热量与偶极子本身的能力直接相关。如果偶极子没有足够的时间调整（高频辐射）或快速适应（低频辐射）所施加的场，则不会产生加热。

在所有的系统中，2.45 GHz属于高频和低频两种极端之间，并且给予偶极子足够的时间在场中排列，但不会使它们精确的跟随场变化。

介电常数

在给定频率和温度的条件下，特定材料或溶剂中的mw能量转热率是由所谓的损耗因素（tan δ）决定。损耗系数 tan δ=ε〞/ε′，其中ε″是介电损耗，指电磁辐射转化为热量的效率，ε′是介电常数，用来说明分子在电场中的极化程度。

一般来说，在标准工作频率（2.45GHz）微波反应中，需要损耗系数比较大的反应介质才能为有效的加热。

总体而言，微波化学中使用的溶剂介质按照损耗系数可被分为三种：

高损耗系数介质（tanδ>0.5）；

中损耗系数介质（0.1<tanδ<0.5）；

低损耗系数介质（tanδ<0.1；）。

实验室使用基本覆盖整个微波吸收谱的溶剂，从强吸收溶剂（例如离子液体，乙二醇）到中度吸收溶剂（例如水，N-甲基吡咯烷酮，苯甲醇），再到几乎不吸收溶剂（例如，非极性烷烃和烯烃）。

极性添加剂，例如离子液体或者由强微波吸收物质做成的加热元件，可以被特意用来增加低吸收溶剂的吸收水平。

介电特性是温度的函数

值得注意的是：大多数溶剂（和一般其他材料）的介电特性都是关于温度变化的函数。例如，乙醇在室温下是一个很强的微波吸收溶剂，此时tanδ=0.941，100℃时，tanδ=0.270，200℃时，tanδ=0.080。

其原因是，大多数有机溶剂，例如乙醇，主要由偶极极化机制加热，然而在2.5GHz时，随着温度的升高，溶剂粘度降低导致分子摩擦降低，它吸收微波辐射的能力也降低。与此相反，离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM] [PF 6]）由离子导电机制加热，因此其吸收微波能力随着温度升高而增加[67]。[BMIM] [PF 6]的tanδ值，20℃时，tanδ=0.185，温度100℃时，tanδ= 1.804，温度200℃ 时，tanδ=3.592。

因此，离子液体在较高温度下是极端微波吸收剂，这样通过微波加热很难精确测量温度和控制反应。

磁场组成对微波合成也有重要影响

除了微波辐射电场分量对上述材料的影响，当磁性材料受微波辐射时，磁场对其影响也应该考虑在内。在这种情况下，相对应的项是磁导率μ′,磁损耗因子μ″，其中μ″表示在交变磁场的影响下，从松弛到共振过程所产生的磁损耗。

虽然磁场与有机化学/高分子化学不相干，但是磁场组成还是对微波辅助合成有着很重要的影响。