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化学实验用微波炉的改装姓名：杨冬俊 指导老师：王桂华（上海师范大学 生命与环境学院 化学系）摘要将市售微波炉进行设计和改装。首先用微波炉做了以下几种物质的反应实验：1. a-FeOOH； 2. 瓷坩埚粉末(主要成分为Al2O3)+a-FeOOH；3. 纯AlOOH +a-FeOOH；4. Fe3O4； 5. g- Fe2O3； 6. 一块小型永磁铁+a-FeOOH等等实验，得到了设计和改装微波炉所需材料的参数。最后，设计了液相合成反应和固体反应的实验装置，并由此对微波炉进行了改装。Fe3O4制备实验证明改装后的微波炉能够满足液相合成反应的要求。关键词：微波炉；设计；改装。 Abstract We have designed and improved the commercial microwave oven for liquid and solid reactions. A several experiments have done with 1. a-FeOOH; 2.Crucial powder (the main component is Al2O3 ) +a-FeOOH; 3.Pure AlOOH +a-FeOOH；4. Fe3O4；5. g- Fe2O3；6. A small ferrite +a-FeOOH. Then we have designed and improved an instrument according to the parameters obtained from the experiments. The preparation of Fe3O4 fine particles showed that the improved instrument satisfied the requirement of liquid synthesis. Key words: Microwave oven; Design; Improvement.0.前言微波技术的应用已有很长的历史。早在第二次世界大战期间，德国就设计出了一种固定频率的微波装置作为雷达的一部分，此后微波技术在通讯领域内有了广泛的应用。随着微波技术的发展，其在分析样品的制备、器皿的干燥、食品加工方面也得到广泛的应用。但直到1986年，加拿大的Gedye及其合作者1才发现，利用微波加热，可以促进化学反应。这一发现对几个世纪来惯用的传统加热技术提出了挑战，给化学反应研究注入了新思维。利用微波炉加热化学物进行反应，其速度较传统的加热技术快数倍乃至数千倍。正是基于这个原因，微波技术引起愈来愈多化学工作者的注意。国外从有机合成到无机合成，从液相反应到干反应，从室温下合成到高温高压下合成，从聚合反应到解聚反应，均有全面研究的报道2。在该方向上应用理论技术的研究较深入，相应的微波合成化学设备均已纷纷问世3。微波在电磁波谱中介于红外和无线电波之间，波长在1cm 1m（频率30GHz300MHz）的区域内，其中1cm 25cm波长区域专门用于雷达的传输，其余部分则用于电讯传输，为了不干扰这些重要的应用，用于加热技术的微波波长一般固定在12.2cm（2.45GHz）或33.3cm（900MHz）。商业生产的微波炉一般采用12.2cm作固定波长4。目前，绝大部分利用微波技术进行的化学反应都在商业化的家用微波炉内完成。这种微波炉造价低，体积小，适合于各种实验室的应用。但是，不经改造的微波炉，很难进行回流反应。在商品家用微波炉内进行反应，反应容器只能采用封闭或敞口放置两种方法。对于一些易挥发、易燃烧的物质，敞口反应往往很危险，因而人们就对微波炉加以改造，从而设计出可以进行回流操作的微波装置。本论文需要利用微波炉完成两种反应，（）液相反应；（）固体反应。做液相反应，就需要回流装置，因而需要在微波炉上打孔。打孔，不仅需要考虑打孔的位置，以及孔径的尺寸，更重要考虑到微波的泄漏问题。就固体反应而言，反应往往导致很高的温度，而微波炉本身却耐不住很高的温度，容易造成损坏，这就需要设计出一种内置保护装置来解决以上问题。而所设计内置保护装置，又要考虑材料，因为微波炉对材料有很严格的要求。另外，还要设计出测量反应体系温度的测温装置,因为常规的接触式测量物料温度的传感系统在微波炉中测温是很困难的。譬如，常用的水银温度计或热电偶温度计的传感元件和连接导线都是金属的，它们在微波炉腔中会使微波电磁场集中畸变，干扰原有的温度场分布，测量结果有误差，严重时甚至无法进行。以上许多问题，都将要在本论文中设法解决。1. 微波炉的选购所选购的微波炉须能满足液相合成和固体反应的要求。由于实验要求，所选购的微波炉必须具备以下几个条件：一.耐高温，因为所做实验往往温度很高，时间很长，因此微波炉要能够承受相当的温度。二.功率在0800W之间可调。不同的反应所需的功率要求不同，保证了化学反应条件的选择性。三.温度可测和可控,这样反应就能按照所设计的方向进行。而市场上并无完全符合这些条件的家用微波炉，所以只能选择条件最接近的。最终，购买了LG-2529ST温控灵微波炉。该微波炉具有如下优点：（一）有涂层内胆，不仅能抗菌，而且能耐较高的温度（与一般家用微波炉对比而言）；（二）炉箱内部的温度可测（20-120 oC），这样可以知道反应体系的温度；（三）能够精确控制反应时间，范围在10秒到10个小时，这样既能做反应时间很短的实验，又能做反应时间较长的实验。这个产品的技术指标是：输入电源220V，50Hz；输出功率 微波800W；五个功率档位，分别为160W、320W、480W、640W、800W；微波频率2.45GHz；外形尺寸512（宽）320（高）408（深）mm；炉腔尺寸337（宽）202（高）373（深）mm；输入功率微波1250W,净容积25L；有效炉腔容积19L,有效承物盘面积633cm2。2微波炉改装之前的实验准备以下实验都在微波炉中进行实验一、a-FeOOH样品用微型烧杯盛放时间（S）功率（W）现象2080060800120800实验二、瓷坩埚粉末(主要成分为Al2O3)0.4527g+a-FeOOH （黄色）0.0326g用微型烧杯盛放时间（S）功率（W）现象10160800301608005016080060160800120800a-FeOOH颜色变深实验三、纯AlOOH 0.4034g+a-FeOOH 00340g用微型烧杯盛放时间（S）功率（W）现象201608004016080060160800实验四、Fe3O4（黑色） 0.2611g用微型烧杯盛放时间（S）功率（W）现象5016060160Fe3O4部分微粒变红，整体现象不明显70160变红微粒增多80160变红微粒增多90160变红微粒增多100160变红微粒增多110160大部分Fe3O4微粒变成深红色120160变红微粒继续增多实验五、g- Fe2O3（棕黄色） 0.2593g用微型烧杯盛放时间（S）功率（W）现象6032070320有少许微粒变红，现象不明显80320又有少许微粒变红又有少许微粒变红90320现象同上100320现象同上110320现象同上120320部分g- Fe2O3变成深红色实验六、一块小型永磁铁*+a-FeOOH（黄色）粉末用微型烧杯盛放时间（S）功率（W）现象6016060320颜色加深70320颜色变成棕褐色80320颜色继续加深90320颜色变成暗红色*用于固体外浴的介质3微波炉的改装对微波加热设备的改装，要保证设备的安全性和改装的合理性，其中抑制微波泄漏是重要的技术指标，应尽可能采取安全措施来控制微波泄漏。例如，使用炉门联锁装置，使炉门敞开或者未完全关闭时切断电路，停止磁控管工作；在连续输送式工业微波加热设备的出入料口，加装微波漏能抑制器，将微波泄漏量降至允许范围。在对微波炉改装之前，必须清楚的了解微波特性，以及抑制微波泄漏的基本原理。微波特性可以两方面来分析：首先它是电磁波，因此它具有波动的一切特性，例如，波的迭加性，能量分布的空间性能；其次，因它的频率甚高，具有高频传输特性，例如，传输的辐射性、趋肤性等。由于这些特性决定了它不同于常规的加热方式和加热设备的电气设计原理。与常规加热方式不同点，反映在微波能量透入物料转为热量，使物料里外几乎同时受热升温。或者说，以一种物料整体分配热能的加热方式加热。而常规加热主要依靠物料表面热传导方式加热，其加热的热量在瞬时是集中分配在物料表面，然后传入内部，具有表面热量积累和较大温度梯度值的特征。从加热设备而言，微波加热和常规加热对设备的设计和工作状态也存在着较大差别。常规加热设备为热介质间接加热，需要预热加热室，加热时加热室（炉体）本身也因吸热而温度高，能耗大。而微波加热设备的加热室不需要预热，工作时加热室温度与环境温差很小。其次，在设备设计上，常规加热设备重点考虑之一是如何在工作状态下保温，不至于过多消耗热能，以及提高高温炉腔耐热质量等等。而微波加热设备因加热室温度不高，就不存在如常规加热设备的那些问题，需要重点考虑的是设备对微波的电气的密封性。即微波加热设备的设计、除设备机械特性的设计外，更重要的在于设备电气特性设计。工业微波加热设备的炉门或进出物料口总有缝隙或槽口，据电磁场理论，形成微波电磁场的波导壁电流在传输途径上被缝隙或槽口所切断，都将成为辐射微波的新源头向外辐射微波能量。因此，无论从节能或安全方面考虑都必须作出特殊设计，使微波在此部位得到足够的衰减。其原理是利用了传输线的截止特性和阻抗特性 5 。到目前为止，抑制微波泄漏的结构有梳状扼流片和四分之一波导槽6。扼流梳状片或波导槽属电抗性扼流结构，它们运用传输线特性把微波能量反射回加热区域，常作为抑制器系统中抑制微波泄漏的第一道屏障，为安全起见，抑制器中还用微波吸收材料吸收可能剩余的微波能量，使之达到安全标准。对微波有强烈衰减作用的首选材料，固态的有石墨，液态的有水。属耗散性衰减材料，对各种功率模式的微波均能起吸收作用。在工业微波加热装置中，常与扼流梳妆片、波导槽等联合使用，加强对微波抑制作用。3.1适于液相反应的装置所作液相合成反应是利用一定量的FeCl36H2O(分析纯)。过量H2NCONH2和一定量FeSO47H2O（分析纯），在水溶液溶解后混合，在微波条件下制备Fe3O4，其反应装置图（1）设计如下：图(1) 液相反应体系装置示意图1 反应物料 2.玻璃管 3.冷凝管 4.反应体系支撑物 5.微波炉炉腔由实验装置图可知，我们必须对微波炉进行改装。在这方面许多科学工作者已经作了相当多的工作，如我国台湾大学王光灿等设计的连续反应器7；澳大利亚CSIRO公司设计的连续反应器8等等。液相实验需加冷凝回流装置，那就必须在炉腔顶部打孔，以便安装实验装置。然而在炉腔顶部打孔，孔会切断壁表面电流，引起微波激励由孔向外辐射，引起微波泄漏，而且，开孔越大，所引起的微波泄漏也越大。为了防止微波泄漏，一般要在炉外的打孔处连接一定直径和长度的金属管进行保护。这里选择了铜管作为金属管，根据微波和实验对材料的要求，所用材料能耐高温，硬度大。象木质、橡胶材料，既不耐高温又硬度较差；而象铅、铝金属材料也是如此。所选的金属管除了要满足耐高温和硬度大要求之外，还有一个要求就是不能有磁性，换句话说，不能是强吸波的材料，那么就排除了铁和钢材料。选择铜管，以上条件都符合。反应器同回流冷凝装置通过玻璃管连接。孔径的大小首先取决于玻璃管的直径大小，其次，还要取决于铜管的尺寸。所选玻璃管的最大直径约25mm，从玻璃管尺寸就可确定铜管的内外直径，铜管的内直径为30mm，外直径为40mm，结构如图（2）：a.正视图 b.俯视图图(2) 铜管的结构图铜管的尺寸确定以后，所要打的孔径也确定了，直径为40+0.1mm。孔径尺寸确定以后，接下来要考虑打孔的位置。因为在微波炉的加热区域中，中央加热最均匀，所以选择在炉内顶部的正中心打孔，如图（3）：图(3) 打孔位置的示意图微波炉的打孔和铜管的制作是由学校金工厂加工完成。通过实验来证明这种改装是可行的。实验：将1.6gFeCl26H2O(分析纯)溶于二次蒸馏水中，再加入2.6g（过量）H2NCONH2(尿素)，最后加入0.8gFeSO47H2O(分析纯)，快速将溶液倒至250mL圆底烧瓶中，并按图（1）装配后，用160W的微波功率加热溶液约62分钟，有灰黑色沉淀，说明有Fe3O4生成。由此证明这种改装是成功的。与李沧江的学士毕业论文对比，在同样条件下，用常规方法加热，大约70。C左右，并不断搅拌，加热6小时，无灰黑色沉淀，无Fe3O4生成。两个实验对比，证明了微波在化学反应中的价值，微波能大大提高反应速度，明显缩短反应时间。3.2固体反应与内置保护装置的设计不同的固体材料对微波的吸收是不同的。有些材料完全不吸微波，如玻璃、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等对微波辐射全能透过。而有些物质强吸波，在微波条件下，由于吸波，自身发生相变。实验三和四证明，如Fe3O4（黑色）在160W微波功率条件下加热120秒，大部分相变成深红色的a- Fe2O3;又如：g- Fe2O3(棕黄色)在320W微波功率条件下加热120秒，部分相变成深红色的a- Fe2O3。还有些物质在低温下（低于300-500。C）不吸微波或弱吸波，如：TiO2、ZrO2，但只要达到较高的温度时，它的吸波就非常强，能使反应物质达到上千度的高温。这种高温是其它反应所需要的条件，但是温度非常高，会损坏微波炉装置，这就要求在炉内设计一种内置保护装置，或者说反应容器。这种反应容器要求非常严格，其中它的外罩和底部材料必须是不吸微波的，对微波辐射全能透过，且能耐非常高的温度，热稳定性好，绝热，这样就能保证罩内温度很高，而微波炉内的温度不会升的很高，避免损坏。这种材料，可以选择纯净的，干燥的Al2O3或者SiO2,它们都不吸微波，能耐高温，导热性差。得一提的是，Al2O3和SiO2并不是绝对不吸收微波能量，当它们表面存在少量水分子或羟基时，也会吸收一些微波而被加热。实验一证明：a-FeOOH 原本在微波条件下，由于吸微波很弱，不会相变脱水。在实验二中，将瓷坩埚（主要成分为Al2O3）碾成粉末，取粉末0.4527g盛于微型烧杯中，粉末放平，在正中挖个凹槽，放入0.0326ga-FeOOH，用800W的微波功率加热120秒，a-FeOOH由于相变脱水颜色变深。说明不纯的Al2O3能够吸收微波能。纯Al2O3的制备如下：把分析纯的硫酸铝经氢氧化钠沉淀得的Al(OH)3作为前驱物，加热回流，制得勃姆石g-AlOOH超微粒，然后经550oC脱水处理2h,使其转变为Al2O39。用这样制得的无水Al2O3替代瓷坩埚粉末做固体外浴介质，实验三结果证明a-FeOOH基本不脱水，颜色基本无变化。因此如果要选Al2O3作为反应容器的外罩和底部材料的话，必须保证Al2O3的纯度和干燥性。另外在固相反应中还有一个问题需要考虑，即某些物质在低温下不吸收微波，但当它们加热到300。C以上，会强烈吸波。这里就可以利用在低温下就能吸收微波而被加热的物质作为固体外浴，像Fe3O4、SiC等物质。实验四、五和六可证明：Fe3O4在160W微波功率下，加热110秒，相变成a-Fe2O3；又如g-Fe2O3在320W微波功率下，加热120秒，相变成a-Fe2O3。永磁铁具有磁性在320W微波功率下加热90秒，所载a-FeOOH相变成a-Fe2O3。物质同微波的偶合能力,除取决于微波的功率外,主要取决于物质本身的性质,一种物质在特定频率和温度下将电磁能转化为热能的能力可以用该物质的损耗因子d (dissipation factor) 来衡量,符合方程式tan d=e ”/e 。其中tan d 为介质损耗因子角正切；e ”是物质的介电损耗（dielectric loss）,表示物质将电磁能转化为热能的效率；e 是物质的介电常数（dielectric constant）表示物质被极化的能力，也可以说是反应物质阻止微波穿透的能力。一般来说，物质的值愈大对微波的偶合作用愈强，极性分子同微波有较强的偶合作用，非极性同微波产生弱偶合作用或不产生偶合作用10。吸微波能的大小取决于物质的介电损耗因子，介电损耗因子又随温度而变化。如图（4）SiC和ZrO2介电损耗因子与温度的关系图。图(4) SiC和ZrO2介电损耗因子与温度的关系图从图（4）中看出，SiC在低温时，介电损耗因子较大，所以较能吸微波；而ZrO2低温时介电损耗因子很小，故吸微波很小，但当温度较高时，ZrO2介电损耗因子却很大，以致于比SiC更能吸微波。基于以上几点，在反应容器中添加几根SiC棒作其它物质加热的固体外浴。之所以选择SiC，是因为它具有耐磨，耐高温，高强度，高热导率，热膨胀系数小，热稳定性好，高温机械强度高，以及很好的发热材料等优点。根据SiC吸微波的特点，再考虑到微波炉墙的保温问题，以及加热样品的温度测量等问题，对适于固相反应的微波炉内的反应设计如下：图(5) 固体反应体系的反应容器的示意图1.底座 2.SiC棒 3.外罩 4.样品 5.热电探测元件 6.微波炉炉腔图(5)中,1.底座和3.外罩是用纯Al2O3制成的,用来作保温装置,防止装置内热量向微波炉内散发和保护微波炉底部材料，并不影响微波的穿透；外罩和底座材料的体积结构的制作也有一定的原则,因为温度升高情况与被辐射物质的量有密切关系,被辐射物质的量在4g-200g之间吸收微波能效率较高,而这样的量下的体积尺寸(高与直径)基本上在1.22cm-12.2cm之间10; 2.SiC棒作为样品加热的固体外浴介质; 5. 热电探测元件是用来探测样品反应体系的温度,可测上千度的高温,它的导线的外壳应用铬镍铁材料特制成,对微波有特殊的屏蔽作用。上述为固相反应所做的改装设计，由于时间和所需材料的购买问题，没来得及实施，仅完成了设计，还有待今后改装完成后，用实验来证实，其设计是否可行。参考文献1 Gedye K M, Smith F E, Westaway K C et., Tetrahedron Lett., 1986,27,2792 杨秋华等，化学工业与工程，（1）17-26（1994）3 微波加速化合物的合成，现代化工,（2）60（1990）4 樊兴君,等. 化学进展,1998,10(3):2855 王绍林,微波加热工艺及国外专利精选,676 王绍林,微波加热工艺及国外专利精选,68-697 Chen S-T, Chiou S-H, Wang K T, J.Chem.Soc., Chem.Comnun,1990,807-8098 Cablewski T, Faux A F, Strauss C R, J.org.chem.,1994,59,3408-34129 吴永祥,王桂华,何其庄,上海师范大学学报(自然科学报),1998,27(4),3210 樊兴君,等. 化学进展,1998,10(3):286致 谢 在撰写论文的过程中，王桂华老师给予了悉心的指导，校加工厂加工了部分零件,另外，李沧江、陈一平、戚灵灵、赵静同学也给予了很大的帮助，在此特表感谢！