摘要：微波技术广泛应用在材料的各个领域，本文介绍了微波化学的原理、用于实验的设备和在材料化学中的应用，并介绍了微波技术在其他领域的最新应用情况。
关键词：微波技术；材料化学；原理；应用进展
上个世纪70年代，微波技术首次应用于分析化学当中，1986年Gedye等发现了一篇关于微波应用于有机合成领域的文章，现在微波技术可以应用于对化学样品进行前处理，也应用于农业、化工、提取物质等领域。本文重点介绍微波技术在材料化学中的应用情况。
1微波原理
微波是频率在300和300000MHz之间的电磁波，位于红外波和中波之间。国际无线电公约规定，工业和科技中有四个可用的微波频率，最常用的是（2450±13）MHz微波频率。微波化学作用的原理，一种观点是微波的致热作用提高微波合成反应速度，另一种观点是微波作用有独有的非致热效应。
1.1微波的加热作用
微波加热的特点包括：分子的水平加热，温度的梯度小；如果是混合组成，要进行选择性的加热；加热不存在滞后。进行微波加热是材料介电位移或者材料内部电荷的极化，极化跟不上交变电场。微波中的电磁场的速度非常快，每秒可以达到数亿次甚至数十亿次，电磁场进行方向的转换，极性电介质分子中的转向运动没有交变电场快，极化滞后于电场，极化产生的电流和电场具有相同的相位分量，使材料内部发热。在电磁场中，材料的吸收微波能力用单位体积材料吸收的微波功率表示，它的表示公式=频率*电场强度的平方*介电常数*介电损耗角的正切值。如果忽略了反应热对速度的影响，加热速率和吸收微波能量的关系用加热速率来表示，它的公式=单位体积材料微波功率/（材料密度*材料的定容比热）。微波的加热效果取决于介电损耗角的正切值和反应物的颗粒、数量和介质的热容量。极性分子的介电常数大，与微波的耦合性好；非极性分子的耦合性差。
1.2微波的非热效应
微波的辐射能量界于一般化学键的键能和氢键键能之间，不会造成化学键的断裂。但是微波的频率接近于分子的转动频率，极性分子吸收微波时，分子中储存的微波能量可以分子平动能量进行交换，改变了反应的动力学，对反应过程起到了促进作用，这称为“非热效应”。微波场会对分子运动形成取向效应，增加了反应物分子同轴线上的分子运动，增加了分子的碰撞频率，在微波的作用下，分子的转动处于亚稳定状态。微波电磁场影响了化学热力学函数和化学动力学方程的变化，配分函数的变化使化学平衡点移动，引起了平衡反应的产率的变化。黄卡玛等学者认为在微波下当指数因子的作用大于反应活化能时，微波的化学反应会加快。
2微波反应装置
上个世纪七十年代美国的CEM公司创建了微波样品的实验室处理系统，该公司将反应罐的温度反馈给开关磁控管，对功率发射进行控制，从而对反应程度进行控制，这是微波化学控制的主要研究方法。现在很多实验室的微波装置是家用微波炉的改装品，后来研制成功了新的微波反应装置，分别是CMR和MBR。这两种反应装置可以用于酯化、胺化、重排、酯和酰胺水解、氧化反应等。微波化学实验系统是一种先进的实验系统，可以在可视化的屏幕下监视反应的情况，但是测温仪的探头受到微波的影响，不能动态、连续的记录实验中的反应温度。用家用微波改装的反应装置，可以在任何条件下进行微波试验，这种装置构造简单，可以进行各种微波有机反应。
现在微波的实验要求在不断的发展，微波仪器正朝智能化方向发展。智能微波反应器可以对反应进行监测，并且可以控制反应的热力学条件。设定了时间和温度的线性关系，磁控管的微波发射功率会进行变频输出调整，进行变频输出调整时要依据热力学条件的反馈数据。并可以显示功率、压力等参数，并对反应的曲线进行控制。
3微波技术在化学中的应用
微波的内加热，使物体的深度被加热，加热速度很快，并且均匀受热。强电磁场发生作用，会产生一些高能态原子、分子和离子，引发一些反应，这些反应在热力学上进行较困难或者根本无法进行。
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3.1在有机合成方面的应用
微波的有机反应包括烷基化、水解、氧化、取代、聚合、酰胺化等。Lee等对实验条件进行优化，在微波条件下合成了苯基二氢三嗪化保物，在设定的功率和温度条件下，反应时间逐渐缩短，共合成了20种化合物，其中8种化合物的产率提高了，4种未变，剩下的8种化合物产率降低了，但是产物的纯度提高了。
学者Georg等采用Ylides反应生成中间体，利用周环反应，在微波条件下合成了吡咯烷，得到了较高了产率，比传统加热法的作用时间减少了。
微波促进快速水解法是一种利用微波进行有机合成的方法，在经过改装的家用微波炉中放入硫酸，档位在2-5档之间，甲苯磺酰转化为全氮冠醚，仅需要50-120分钟，比常规的加热水解方法缩短了时间将8000倍，浓硫酸的用量也较少，收率却很高。
也可以用微波法制备N-芳基含氮化合物，如果存在醋酸铜，用聚苯乙烯-二醇做为载体，用苯基硼酸做为芳基试剂，进行N-芳基杂环化合物的制备，微波作用5秒后即可收到较高的收率，产品的纯度也较高，比常规外加热法的用时更短，收率更高。此外有学者还在微波条件下使用相转移催化剂，使环脂和环醚发生了开环反应，有的学者在微波条件下用腈水制备了酰胺。
3.2微波在高分子材料中的应用
高分子要进行合成和加工，需要对其进行加热，但是高分子的粘度很大，导热性能差，对产率和产品质量会产生影响，反应器也因为沾染反应物而难以清洗。Zhu等进行了乳胶聚合研究，反应要在苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯在微波作用下；制备脉冲微波由玻璃化温度和聚合物组成，非致热效应加速了聚合反应。
路建美等研究了甲基丙烯酸二甲胺乙脂和交联剂在微波条件下产生的共聚反应，聚合反应在的产率较高，对铜离子的吸附力较好。
张爱民等进行实验，在微波的作用下，聚合甲基丙烯酸甲酯的乳液，制备了甲基丙烯酸甲酯微球，聚合诱导期缩短了，聚合反应加快了，在微波辐射下物质的表观分解活化能降低。
Shadpour等用微波法进行缩聚，制备了具有光学活性的芳烃族聚酰胺-酰亚胺，用少量的邻甲苯酚当做介质，对微波能吸收能力强，整合反应加速，节省了反应时间。
Chen等用富勒烯为引发剂来制备N-乙烯基唑，引发浓度相同，产生的分子量相似。祁秀秀等利用微波法进行二氨基二苯砜和均苯四酸二千的聚合反应实验，提高了缩聚物的特性粘数和转化率。
3.3在无机化学中的应用
王真等用微波法研究了金属氧化物，将金属氧化物分为高损耗物质如含变价元素的金属氧化物、微波辐射一段时间后急剧升温的物质如三氧化二铁以及低损耗物质如氧化锌等。第一类金属氧化物可以做为诱导催化反应的催化剂，第三类金属氧化物适宜做为载体。
微波烧结技术得到了广泛的应用，在进行氧化铝透明陶瓷的制备时，用氧化铝粉末做原材料，添加烧结剂，置于微波炉，在1700度的条件下烧结成了透明的三氧化二铝，如果延长烧结时间，透明度更高。如果添加透光元素，可以制备出彩色三氧化二铝。
张锐等用多模块烧结系统，研究了复合材料的性能，与常压烧结不同，微波烧结可以提高陶瓷的密度、强度，提高耐磨性能。常压烧结用晶粒对不平处进行铲平，磨屑会填充在气孔内，微波烧结则是晶粒被剥离脱落，通过增加载荷使磨损量增大。
4小结
微波化学是一门交叉学科，但是由于其应用及研究较晚，存在着许多需要进一步研究的方面如非热效应，此外微波化学的试验研究手段也要进一步深入研究。
参考文献：
[1]黄卡玛.高等学校化学学报，1996，17（5）：764-768.
[2]刘福安.第十二届长春夏季化学研讨会论文集，1993，33-36.
论文作者:梁杭伟
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/19
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