微波合成简介

1、Page 1微波合成 1433591 程玉培 Page 2微波合成简介在微波的条件下，利用其加热快速、均质与选择性等优点，应用于现代合成研究中的技术，称为微波合成。1986 年Lauventian 大学化学教授Gedye 及其同事发现在微波中进行的4- 氰基酚盐与苯甲基氯的反应比传统加热回流要快240 倍,这一发现引起人们对微波加速有机反应这一问题的广泛注意。自1986 年至今短短20 年里,微波促进有机反应中的研究已成为有机化学领域中的一个热点。大量的实验研究表明,借助微波技术进行有机反应,反应速度较传统的加热方法快数十倍甚至上千倍,且具有操作简便、产率高及产品易纯化、安全卫生等特点,因此,

2、微波有机反应发展迅速。Page 3微波加热原理直流电源提供微波发生器的磁控管所需的直流功率, 微波发生器产生交变电场,该电场作用在处于微波场的物体上,由于电荷分布不平衡的小分子迅速吸收电磁波而使极性分子产生25 亿次/s 以上的转动和碰撞,从而极性分子随外电场变化而摆动并产生热效应; 又因为分子本身的热运动和相邻分子之间的相互作用, 使分子随电场变化而摆动的规则受到了阻碍, 这样就产生了类似于摩擦的效应,一部分能量转化为分子热能,造成分子运动的加剧, 分子的高速旋转和振动使分子处于亚稳态, 这有利于分子进一步电离或处于反应的准备状态, 因此被加热物质的温度在很短的时间内得以迅速升高。Page

3、4微波合成特点 (a)加热速度快。由于微波能够深入物质的内部，而不是依靠物质本身的热传导，因此只需要常规方法十分之一到百分之一的时间就可完成整个加热过程。 (b)热能利用率高，节省能源，无公害，有利于改善劳动条件。 (c)反应灵敏。常规的加热方法不论是电热、蒸汽、热空气等，要达到一定的温度都需要一段时间，而利用微波加热，调整微波输出功率，物质加热情况立即无惰性地随着改变，这样便于自动化控制。 (d)产品质量高。微波加热温度均匀，表里一致，对于外形复杂的物体，其加热均匀性也比其它加热方法好。对于有的物质还可以产生一些有利的物理或化学作用。Page 5应用 微波加热具有快速、均质与选择性的特点，己

4、被广泛应用于各种材料的合成、加工的应用中。通过设计殊的微波吸收材料与微波场的分布，可以达成特定区域的材料加工效果，如粉体表面改性、高致密性成膜、异质材料间的结合等。微波对化学反应过程的催化效果，可以使反应物有更高的反应速率，产物在微波作用下有更好的结晶性。微波的高穿透性与特定材料作用性，使原不易制作的材料，如良好结晶与分散性的纳米粉体粒子可经由材料合成设计与微波场作用来获得，微波能量的作用提供了纳米材料新结构的合成方法。 采用微波辐射在溶液中制得表面包覆改性的纳米粉体，具有高结晶性与分散性的优点，且产物的产率很高。在薄膜制备领域，在有机基板上制成厚数微米的膜层，在微波能量作用下，膜层具有高度致

5、密性，特性与直接使用粉体烧结的块材相当，对有机基板上制作高介电性、压电性、磁性、导电性膜，微波的纳米粉体成膜技术提供了新的方法。 Page 6微波在材料处理领域也应用广泛，微波场的高穿透性提供了材料均质加热的可行性，具有对特定区域瞬间加温的作用，增加材料热处理的自由度，瞬间高温作用同时提供传统加温制程无法制作的材料特性，使微波场在材料改性与加工技术产生新的应用。材料的纳米化会使材料具有很多特殊的功能，微波的引入为材料特殊功能的实现提供了一种新的思路。虽然材料在纳米尺度的微波场行为仍待研究，但微波场作用的强化效果，为纳米材料的合成提供了新的技术。Page 7粉体表面微波辅助改性所谓粉体表面微波辅

6、助改性是将被改性的粉体置于微波场中，改性剂定量喷入粉体中，通过机械搅拌使粉体与改性剂充分混合，并在微波的作用下使粉体和改性剂同时被加热与激发，实现对粉体表面的辅助和强化改性。Page 8粉体表面改性的意义粉体表面改性是以特定方法，在专门的装置中，对粉体材料进行表面处理，使粉体表面特性发生改变，从而赋予粉体材料新的功能，满足粉体各种性能的应用要求。粉体表面改性的目的可以概括为:改善或改变粉体粒子在使用介质中的分散性;弥补粉体自身的缺陷，改善其耐久性，如耐光、耐热、耐蚀、耐候性等;赋予粒子表面以新的功能，如电、光、磁、力学及化学性能。从而可扩大产品用途、开发新的产品及提高粉体材料的附加价值。因此，

7、粉体表面改性是材料制备过程工程的重要手段，也是新材料、新工艺和新产品开发的重要内容。Page 9微波的非热效应在微波加快某些化学反应，并使一些在通常条件下不易进行的反应迅速进行的现象中，微波的“热效应”可以解释不少实验事实，但也确实存在用热效应无法解释的实验事实。微波量子能量只有2 X 1012j，比分子间的范德华氏结合能还小，因此，人们自然会推测是否存在着除微波热效应以外的效应，并将这些效应统归为微波的“非热效应”。所谓微波的“非热效应”，目前尚未形成一个确切的定义，但非常明确的是，微波电磁场对反应分子间行为有直接作用。化学反应是一个非平衡系统，由于新旧物质的不断转化，各相界面可能发生随机的

8、变化，同时反应体系的宏观电磁特性也在发生变化，这些都导致反应系统对微波的非线性响应。Page 10微波的热效应 物质内部的极化能力取决于物质自身的介电特性，因此可对矿物或化合物中的各组分进行选择性加热，从而提高反应的选择性;微波加热无滞后效应，当关闭微波源后，即无微波能量传向物质，利用这一特性可进行对温度控制要求高的化学合成处理;微波加热是物质在电磁场中因本身介质损耗而引起的体积加热，因此，微波加热不仅能量利用率很高、升温迅速，而且具有逆温度梯度和零温度梯度加热、降低反应温度、加快反应速度等特殊功能。Page 11微波加热原理微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。物质的加热过程与物

9、质内部分子的极化有密切关系。当对某一样品施加微波时,在电磁场的作用下,样品内微观粒子产生4种类型的介电极化,即电子极化、原子极化、取向极化(分子永久偶极的重新取向)和空间电荷极化(自由电荷的重新排布)。由于前2种极化的弛豫时间远小于微波交变电场的振动周期,微波场不会引起前2种的极化。而后2种极化时间刚好与微波的频率吻合,故可产生介电加热,即通过微观粒子这2种极化过程,将微波能转变为热能。Page 12根据与微波作用的不同,物质可分为导体、绝缘体和半导体3类。导体,特别是金属物质,有很好的电导性能,但透射深度很小,大部分能量都被反射。绝缘体的电导很小,介电耗损因子也小,几乎不能吸收微波,对微波是

10、透明的。半导体的介电耗损因子较大而微波的透射深度不是很小,因而能很好地吸收微波。Page 13微波在合成纳米材料中的具体应用合成粉体材料合成半导体材料在合成载体和分子膜中的应用在合成新型材料的应用Page 14 微波-水热法合成钛酸钡纳米粉体利用常规的水热法制备钛酸钡粉体，相对于其它粉体制备方法，具有晶粒发育完整、粒度小、分布均匀、颗粒团聚较轻、原料便宜、化学计量物合适和晶形完整等优点，但反应条件的苛刻，限制该法的应用与推广。为加快水热反应速度，减少晶化时间，可将钛酸钡前驱物在水溶液中，利用微波进行加热。、Page 15微波加热是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。当有极性分子的介质材料即

11、一些能够吸收微波的吸收性介质，置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，在交变电磁场的作用下，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列， 就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用， 实现分子水平的“搅拌”， 从而产生大量的热量。由于微波频率高， 极性分子摆动速度很快，因此，快速加热是微波加热的突出特点。它不同于常规加热的传导、对流、辐射的传热方式，微波加热是一种“冷热源”，它在产生和接触到物体时，不是一般热气，而是电磁能， 要在生物体内经过分子内部作用才能转化为热能。因此，使用这种能源加热时，不会像其他能源那样由外向内传输热能，由于它能深入到物体的内部，所以是里外一起加热。 Page 16微波以其高穿透性与特定材料的作用性，使原不易制作的材料，如良好结晶与分散性的纳米粉体粒子可经由材料合成设计与微波场作用来获得。微波加热具有快速、均质与选择性的特点，特别是节能、节时降低成本；在合成纳米钛酸钡粉体方面，具有提高产物均一性和产量；改善产物显微结构和性能等特点。Page 17 微波技术具有清洁、高效、耗能低、污染小等特点,可以在有限的时间内合成纯度高、粒径小、分布均匀的纳米材料,开辟了材料合成的新领域。但同时我们在合成时要注意到:在微波辐射下纳米粒子的生长情况