chapter 1- interaction of microwaves with different materials

8/3/2019 Chapter 1- Interaction of microwaves with different materials

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C h a p t e r 1I n t e r a c t i o n o f m i c r o w a v e s w i t hd i f f e r e n t m a t e r i a l sM i c r o w a v e s a r e e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n p l a c e d b e t w e e n i n f r a r e d r a d i a t i o n a n d r a d i of re q u e n ci e s, w i t h w a v e l e n g t h s o f 1 m m t o 1 m , w h i c h c o r r e s p o n d s t o t h e f r e q u e n c ie s o f3 0 0 G H z t o 3 0 0 M H z , r e s p e ct i v e ly . T h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o f m i c r o w a v e s i n t h e f ie ldo f t e l e c o m m u n i c a t i o n s m e a n s t h a t o n l y s p e c i a ll y a s s ig n e d f r e q u en c i e s a r e a l lo w e d t o b ea l l o c a t e d f o r i n d u s t r i a l , s c i e n ti f ic o r m e d ic a l a p p l i c a t i o n s ( e .g . , m o s t o f w a v e l e n g th o f t h er a n g e b e t w e e n 1 a n d 2 5 c m i s u s e d f o r m o b i l e p h o n e s , r a d a r a n d r a d i o - l i n e t r a n s m i s s i o n s ) .C u r r e n t l y , i n o r d e r n o t t o c a u s e i n t e r f e r e n c e w i t h t e l e c o m m u n i c a t i o n d e v i c e s , h o u s e h o l da n d i n d u s t r i a l m i c r o w a v e o v e n s ( a p p l i c a t o r s ) a r e o p e r a t e d a t e i t h e r 1 2 .2 c m ( 2. 45 G H z )o r 3 2 . 7 c m ( 9 1 5 M H z ) . H o w e v e r , s o m e o th e r f r e q u e n c i e s a r e a l s o a v a i l a b l e f o r h e a t i n g [ 1 ] .M o s t c o m m o n d o m e s t i c m i c r o w a v e ov e n s u t i li z e t h e f r e q u e n c y o f 2 .4 5 G H z , a n d t h i s m a yb e a r e a s o n t h a t a l l c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e m i c r o w a v e r e a c t o r s f o r c h e m i c a l u s e o p e r a t ea t t h e s a m e f r e q u e n c y .

H e a t i n g i n m i c r o w a v e c a v i t ie s i s b a s e d u p o n t h e a b i l i t y o f s o m e l iq u i d s a n d s o li d s t oa b s o r b a n d t r a n s f o r m e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y i n t o h e a t . I n g e n e r a l , d u r i n g t h e i n t e r a c t i o no f m i c r o w a v e s w i t h m a t e r i a l s t h r e e d i ff e re n t b e h a v i o r s o f a m a t e r i a l c a n b e o b s e r v e dd e p e n d i n g w h e t h e r t h e m a t e r i a l i s c o u n t e d a m o n g :

9 e l e c t ri c a l c o n d u c t o r s ( e. g, m e t a l s , g r a p h i t e - F i g . 1 .2 a )9 i n s u l a t o r s , w h i c h a r e c o n s i d e r e d a s m a t e r i a l s w i t h g o o d d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s ( e x -

t r e m l y p o o r c o n d u c t o r s ) ( e. g. , q u a r t z g l as s , p o r c e l a i n , c e r a m i c s , T e f l o n - F i g . 1 .2 b )9 l o s s y d i e l e c t r i c s , w h ic h a r e m a te r i a l s t h a t e x h ib i t s o c a l l e d d i e l e c t r i c l o s s e s , w h ic h

i n t u r n r e s u l t s i n h e a t g e n e r a t i o n i n a n o s c i l l a t i n g e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ( e . g . , w a t e r- Fig . 1 .2c)

W h e n a s t r o n g l y c o n d u c t i n g m a t e r i a l ( e . g . , a m e t a l ) i s e x p o s e d t o m i c r o w a v e r a d i a t i o n ,m ic r o w a v e s a r e l a r g e ly r e f l e c t e d f r o m i t s s u r f a c e ( F ig . 1 . 2 a ) . H o w e v e r , t h e m a te r i a l i s n o te f f e ct i v ely h e a t e d b y m ic r o w a v e s , i n r e s p o n s e t o t h e e l e c t r i c fi e ld o f m ic r o w a v e r a d i a t i o n ,e l e c t ro n s m o v e f re e ly o n t h e s u r fa c e o f th e m a t e r i a l , a n d t h e f lo w of e l e c t ro n s c a n h e a t


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2 C H A P T E R 1. I N T E R A C T I O N O F M I C R O W A V E S

t h e m a t e r i a l t h r o u g h a re s is t iv e ( o h m i c ) h e a t i n g m e c h a n i s m . I n o p p o s i t e , i n t h e c a s e o fi n s u l a t o r s ( e . g . , p o r c e l a i n ) , m i c r o w a v e s c a n p e n e t r a t e t h r o u g h t h e m a t e r i a l w i t h o u t a n ya b s o r p t i o n , l o ss es o r h e a t g e n e r a t i o n . T h e y a r e t r a n s p a r e n t t o m i c ro w a v e s ( F i g . 1 . 2b ) .

F o r s o m e d i e le c tr ic s , t h e r e o r i e n t a t i o n o f e i t h e r p e r m a n e n t o r in d u c e d d i p o l e s d u r i n g

F i g u r e 1 .1 . S p e c t r u m o f e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n : Ao - w a v e l e n g t h i n fr e e s p a c e , W - huq u a n t u m e n e r g y , vr - l ow e s t re s o n a n c e f r e q u e n c y i n t h e r o t a t i o n a l s p e c t r u m o f w a t e r , v v- p l a s m a f r e q u e n c y o f t h e i o n o s p h e re . R e p r i n t e d w i t h t h e p e r m i s s i o n f r o m [ 2 ].

F i g u r e 1 .2 . I n t e r a c t i o n o f m i c r o w a v e s w i t h d i f f er e n t m a t e r i a l s : ( a ) - e l e c t r i c a l c o n d u c t o r ,( b ) - i s u l a to r , ( c ) - l o ss y d i e le c tr ic .


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p a s s a g e o f m i c r o w a v e r a d i a t i o n w h i c h i s e l e c t ro m a g n e t i c i n n a t u r e c a n g i ve ri se t o a b -s o r p t i o n o f m i c r o w a v e e n e r g y a n d h e a t g e n e r a t i o n d u e t o t h e s o ca l le d d i e l e c tr i c h e a t i n gm e c h a n i s m ( F i g . 1 . 2 c ) . D e p e n d e n t o n t h e f r e q u e n c y t h e d i p o l e m a y m o v e i n t i m e t o t h ef ie ld , l a g b e h i n d i t o r r e m a i n a p p a r e n t l y u n a f fe c te d . W h e n t h e d i p o l e la g s b e h i n d t h e f ie ld(po l a r i z a t i on l o s s e s ) t he n i n t e r a c t i ons be t w e e n t he d i po l e a nd t he f i e l d l e a ds t o a n e ne rgyl os s by he a t i n g ( i. e. , by d i e l e c tr i c he a t i n g m e c ha n i s m ) , t he e x t e n t o f w h i c h is de p e nd e n ton the phase d i f fe rence of these f i e lds .

In p r a c t i c e , m os t good d i e l e c t r i c m a t e r i a l s a r e s o l i d a nd e xa m pl e s i nc l ude c e ra m i c s ,m i c a , g l a s s, p la s t ic s , a nd t he o x i de s o f va r i ous m e t a l s , b u t s om e l i qu i ds a nd ga s e s c a n s e rvea s good d i e l e c t ri c m a t e r i a l s a s w e l l . F o r e xa m pl e , d i s t il le d w a t e r i s a f a i r ly goo d d i e l e c tr ic ;how e ve r , pos s e s i ng po l a r m o l e c u l e s ( i . e . , a d i po l m om e n t ) c a n c oup l e e f f i c i e n t l y w i t hm i c row a ve s t o l e a d t o he a t ge ne ra t i on due t o po l a r i z a t i on l o s s e s . Thus , s uc h s ubs t a nc e st h a t a r e c o u n t e d a m o n g d i e l e c t r i c s b u t e x h i b i t s o m e p o l a r i z a t i o n l o s s e s t h a t r e s u l t i n t h ed i e l e c t r i c he a t i ng a r e a l s o c a l l e d d i e l e c t r i c l o s s y m a t e r i a l s o r i n ge ne ra l l o s s y m a t e r i a l s .O n t h e o t h e r h a n d , n - h e x a n e , w h i c h h a v i n g a s y m m e t r i c a l m o l e c u l e , d o e s n o t p o s s e s s ad i p o l e m o m e n t a n d d o e s n o t a b s o r b m i c r o w a v e s .

F i g u r e 1 . 3 . E le c t ri c ( E ) a n d m a g n e t i c ( H ) c o m p o n e n t s d u r i n g t h e p r o p a g a t i o n o f e l ec t ro -m a gne t i c w a ve s . R e pr i n t e d w i t h t he pe rm i s s i on f rom [1 ] .

M i c row a ve r a d i a t i on , a s al l r a d i a t i on o f a n e l e c t rom a gn e t i c n a t u r e , c ons i s ts o f t w oc om pon e n t s , i .e . m a gn e t i c a nd e l e c tr i c f ie ld c om po ne n t s (F i g . 1 .3 ) . Th e e le c t r ic f ie ldc om pone n t i s r e s pons i b l e fo r d i e l e c t r i c he a t i ng m e c ha n i s m s i nc e i t c a n c a us e m ol e c u l a rm o t io n e i t h e r b y m i g r a t i o n o f io n ic s p ec ie s ( c o n d u c t i o n m e c h a n i s m ) o r r o t a t i o n o f d i p o l a rs pe c ie s (d i po l a r p o l a r i z a t i on m e c ha n i s m ) . I n a m i c row a ve f ie ld , t he e l e c t ri c fie ld c om po-nent osc i l l a tes very quickly (a t 2 .45 GHz the f i e ld osc i l l a tes 4 .9 x 109 t imes per second) ,a nd t he s t ro ng a g i t a t i on , p ro v i de d by c yc li c r e o r i e n t a t i on o f m o l e c u l e s , c a n r e s u l t i n a n


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i n t e n s e in t e r n a l h e a t i n g w i t h h e a t i n g r a t e s i n e x c es s o f 1 0 ~ p e r s e c o n d w h e n m i c r o w a v er a d i a t i o n o f a k il o w a t t - c a p a c i t y s o u r c e is u s e d [ 1 ] . T h e r e f o r e , t o a p p l y m i c ro w a v e s t oo r g a n i c r e a c t i o n s , i t i s m o s t i m p o r t a n t t o f i n d a t l e a s t o n e r e a c t i o n c o m p o n e n t t h a t i s p o -l a r i z a b l e a n d w h o s e d i p o l e s c a n r e o r i e n t ( c o u p l e ) r a p i d l y i n r e s p o n s e t o c h a n g i n g e l e c t r i cf ie ld o f m i c r o w a v e r a d i a t io n . F o r t u n a t e l y , a n u m b e r o f o r g a n i c c o m p o u n d s a n d s o l v e n t sf u l f i l l t h e s e r e q u i r e m e n t s a n d a r e t h e b e s t c a n d i d a t e s f o r m i c r o w a v e a p p l i c a t i o n s .

T o c o n s i d e r t h e a p p l i c a t i o n o f m i c r o w a v e i r r a d i a t i o n f or o r g a n i c s y n t h e s i s , t h e f ir s t s t e pi s t o a n a l y z e t h e r e a c t i o n c o m p o n e n t s t o g e t h e r w i t h t h e i r d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s a m o n gw h i c h o f t h e g r e a t e s t i m p o r t a n c e i s d i e le c t r ic c o n s t a n t ( e~ ) s o m e t i m e s c a l l e d e le c t ri c p e r -m e a b i l i t y . D i e l e c t ri c c o n s t a n t ( e ~ ) i s d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t h e e l e c t r i c p e r m e a b i l i t y o f t h em a t e r i a l t o t h e e l e c tr i c p e r m e a b i l i ty o f f re e s p a c e ( i. e. , v a c u u m ) a n d i ts v a l u e c a n d e r i v e df r o m a s i m p l i f i e d c a p a c i t o r m o d e l ( F i g . 1 .4 ) .

+ + + + + +C

LF i g u r e 1 .4 . A n e l e c tr i c a l c a p a c i t o r c o n s i s t in g o f t w o m e t a l p l a t e s s e p a r a t e d b y a n i n s u -l a t i n g m a t e r i a l c a l l e d a d i e l e c t r i c .

W h e n t h e m a t e r i a l is in t r o d u c e d b e t w e e n t w o p l a t e s o f a c a p a c i to r , t h e t o t a l c h a r g e(Co) s t o r e d i n t h e c a p a c i t o r w il l c h a n g e ( C ) ( E q . 1 .1 ). T h e c h a n g e d e p e n d s o n t h e a b i l i tyo f t h e m a t e r i a l t o r e s i s t t h e f o r m a t i o n o f a n e l e c t r i c fi el d w i t h i n i t a n d , f i n a ll y , t o g e tp o l a r i z e d u n d e r t h e e l e c t r i c f i e l d o f t h e c a p a c i t o r .

Ce . = ~ o ( I. I )w h e r e :

9 Co - t h e c a p a c i t a n c e o f t h e c a p a c i t o r w i t h v a c u u m9 C - t h e c a p a c i t a n c e o f t h e c a p a c i t o r w i t h t h e m a t e r i a l

T h u s , d i e l e c tr i c c o n s t a n ts ( e ~ ) t h a t d e t e r m i n e t h e c h a r g e h o l d i n g a b i li t y o f t h e m a t e r i a l sa r e c h a r a c t e r i s t i c f o r e a c h s u b s t a n c e a n d i t s s t a t e , a n d v a r y w i t h t e m p e r a t u r e , v o l t a g e ,a n d , f i n a ll y , f r e q u e n c y o f t h e e l e c t r ic fi el d . D i e l e c t r ic c o n s t a n t s f o r so m e c o m m o n m a t e r i a l sa r e g i v e n i n T a b l e 1 .1 .


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Table 1 .1D i el e c tr ic c o n s t a n t s ( e~ ) o f s o m e c o m m o n m a t e r i a l s a t 2 0 ~

M ate r i a l Die l ec tr i c M ate r i a l Die l ec tr i cc o n s t a n t ( e , ) c o n s t a n t ( e ,)V a c u u m 1 T i t a n i u m D io x i d e 1 00Ai r( 1 a tm ) 1 .0 0 0 59 W ate r 80Air (100 a tm ) 1 .0548 Ace ton i t r i le 38G l a s s 5 - 1 0 L i q u id a m m o n i a ( - 7 8 ~ ) 2 5Q u ar t z g l a s s 5 E th y l Alco h o l 2 5P o r c e la i n 5 - 6 B e n z e n e 2M i ca 3 - 6 C a r b o n T e t r ac h l o ri d e 2R u b b e r 2 - 4 H e x a n e 2N y lo n 3 - 2 2 P l ex ig l a s s 3P a p e r 1 - 3 P o ly v in y l ch lo r id e 3P ar a f fi n 2 - 3 P o ly e th y l en e 2Soil (d ry) 2 .5 - 3 Tef lon 2W o o d ( d ry ) 1 - 3 P o l y s t y r e n e ( fo a m ) 1 .0 5

Ai r h as n ea r ly t h e s ame d i e l ec t r i c co n s t an t a s v acu u m ( e r - - - 1 . 0 0 0 5 9 an d 1 , r e s p ec -t ive ly ) . Po la r o rga n ic so lven ts ( i. e. , w ater , ace to n i t r i le , e thy l a lcohol ) a re cha rac te r izedb y r e la t i v e ly h ig h v a lu es o f d i e l ec t ri c co n s t an t s an d , i n t u r n , can b e h ea t ed b y d i e lec -t r ic h ea t in g m ech a n i s m u n d er mic r o w av e i r r ad i a t i o n . N o n - p o la r o r g an ic s o lv en t s ( i.e .,b en zen e , ca r b o n t e t r ach lo r id e , n - h ex an e ) h av e l o w d i e l ec t r i c co n s t an t s an d , i n f ac t , s h o wn eg l ig ib le h ea t in g e ff ec ts u n d e r m ic ro w av e i r r ad i a t i o n . M o s t p l a s t i c s r an g e i n t h e l o wv a lu es o f d i e l ec tr i c co n s t an t s ( i. e., b e tw een 2 an d 3 ) , b u t s o m e o f t h es e m a te r i a l s b es id esg l a s s an d q u a r t z g l a s s a r e u s ed t o man u f ac tu r e r eac t i o n v es s e l s f o r mic r o w av e ap p l i ca t i o nd u e to t h e i r g o o d ch emica l a s w e l l a s t emp er a tu r e r e s i s t an ce ( e . g . , T e f lo n , P E T , P E E K ) .

H o w ev er , i n t h e cas e o f h ig h ly o s c i l l a t i n g e l ec t r i c f i e ld s an d mic r o w av e ap p l i ca t i o n s ,d i e l ec tr ic co n s t an t i s t u r n ed in to co m p lex p e r m eab i l i t y (e* = d - j . e ") , w h ich i s am eas u r e o f t h e a b i l i t y o f d i e l ec t ri c m a te r i a l s t o ab s o r b a n d to s to r e e l ec tr i ca l p o t e n t i a len e rg y . L ike d i e l ec t ri c co n s t a n t ( e r ) , w h ich i s co m m o n ly u s ed to d es c r ib e g o o d i s o l a to r s , t h er e a l p e r m e a b i l i t y ( e ') c o m p o n e n t c h a r a c t e ri z e s t h e a b i l it y o f t h e m a t e r i a l t o b e p o l a r i z e db y th e e l ec t r i c f i e ld an d th u s t h e ab i l i t y o f mic r o w av es t o p r o p ag a t e i n to t h e ma te r i a l .At l o w f r eq u en c i e s t h i s v a lu e r each es i t s max imu m ( i . e . , e~ ) s i n ce t h e max imu m amo u n to f e n e r g y c a n b e s t o r e d i n t h e m a t e r ia l . T h e i m a g i n a r y p a r t o f t h e c o m p l e x e l e ct ri cp e r m eab i l i t y ( e" ) i s u s u a l ly ca l l ed t h e l o s s f ac to r an d in d i ca t e s t h e ab i l i t y o f t h e m a te r i a lt o d i s s ip a t e t h e en e r g y i .e . t h e e ff ic ien cy o f co n v er s io n o f e l ec t r o m ag n e t i c r ad i a t i o n i n toh e a t . T h e l os s f a c t o r ( ~ ") r e a c h e s th e m a x i m u m w h e n t h e r e a l p e r m i t t i v i t y ( d ) g r a d u a l l yd ec r eas es (F ig . 1 .5 ). Ob v io u s ly , i t d ep en d s o n t h e mo lecu l a r s t r u c tu r e o f t h e m a te r i a l ,o n t h e f r e q u e n c y a t w h i c h e " r e a c h e s i t s m a x i m u m a n d h o w d i s t i n c t l y t h i s m a x i m u m i sex h ib i t ed .


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6 CHAPT ER 1. INTER ACTIO N OF MICROWAVES

cu~e - ~ ' r0o.0 _L_

~aE=11

Dielect ric losses du eto dipolar poladsat ion

R adio and ~ Infra-redm icrowave

E l

F r e q u e n c y (0

Dielect ric loses du eto atomic and e lect ronicpolarisat ionVisible

/ - I

F i g u r e 1 . 5 . R e la t iv e r e a l p e r m i t ti v i t y ( d ) a n d lo ss f a c to r ( e " ) d e p e n d i n g o n a n g u l a rf r e q u e n c y o f e l e c t r o m a g n e t i c w a v e s. R e p r i n t e d w i t h t h e p e r m i s s i o n fr o m [1 ].

T h e v a l u e s o f r e a l p e r m i t t i v i t i e s (e') a nd l o s s f a c t o r s (e") f o r s o m e c o m m o n o r g a n i cs o l ve n t s a r e g i ve n i n Ta b l e 1 . 2 .Ta b l e 1 . 2R e a l p e r m i t t i v i t i e s (e') a nd l o s s f a c t o r s (e") of o rga n i c s o l ve n t s a t d i f f e r e n t f r e que nc i e s a t2o~ [ 3 1 .

Solvent 3 x l0 s Hz 3 x 109Hz 1 x 101~E / ~ / v E v E vv E / E l /

W ate r 77 .5 1 .2 76 .7 12 .0 55 .0 29 .70 .1 M N aC l 76 .0 59 .0 75 .5 18 .1 54 .0 30 .0M e t ha no l 30 . 9 2 .5 23 .9 15 .3 8 .9 7 .2Eth an o l 22 .3 6 .0 6 .5 1 .6 1 .7 0 .11Pro pa no l 16 .0 6 .7 3 . 7 2 .5 2 . 3 0 . 20B u tan ol 11 .5 6 .3 3 .5 1 .6 0 .2Hexane 1.97 1.97 2 x 10 -4 1.97 9 x 10 -3Carbon 2.2 2.2 9 x I0 -a 2.2 3 x 10 -3tctrachloride

S y s t e m a t i c s o l v e n t s t u d i e s h a v e d i sc l o se d t h e e x i s t e n c e o f a l in e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e p o l a r i t y o f t h e m o l e cu l es ( e v a l u a t d b y t h e i r d i e le c tr ic c o n s t a n ts ) a n d t h e t e m p e r a t u r ei n c r e a se i n d u c e d b u m i c r o w a v e ir r a d i a t i o n . T h e e f fe c t o f m i c r o w a v e a c t i v a t i o n i s t h e r e -f o r e s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e s o l v e n t n a t u r e , r a t h e r w e a k w h e n n o n - p o l a r s o l v e n t s a r ee m p l o y e d , c o n s i d e r a b l e w i t h p o l a r s o l v e n t s , a n d l a r g e w i t h s t r o n g l y p o l a r s o l v e n t s , w h i c h


7/11

c a n b e a t t h e o r i g in o f v e r y r a p i d h e a t i n g [4 ].A n o t h e r c o m m o n l y u s e d t e r m t o c h a r a c t e r i z e m a t e r i a l s u n d e r m i c r o w a v e c o n d i t i o n s i s

t h e l o ss t a n g e n t , ( t a n ( f) , w h i c h i s c a l c u l a t e d a s t h e r a t i o o f e " a n d e ' ( E q . 1 .2 , a n d t h i sp a r a m e t e r e v e n b e t t e r d e s c r i b e s t h e a b i l i ty o f a m a t e r i a l to a b s o r b m i c ro w a v e e n e rg y .A t t h e s a m e t i m e , t h i s r a t i o ( e " / d ) so m e t i m e s c a l l e d t h e l o s s a n g l e d e sc r i b e s t h e. p h a sed if fe re n c e b e tw e e n t h e e l e c t r ic f ie ld a n d t h e p o l a r i z a t i o n o f th e m a t e r i a l . T h e l os s ta n g e n ta n d l o s s a n g l e a r e a l w a y s d e p e n d e n t o n w o r k i n g f r e q u e n c y a n d t e m p e r a t u r e . T h e v a l u e so f t a n 5 o f s o m e c o m m o n o r g a n i c s o l v en t s t o g e t h e r w i t h b o i l i n g p o i n t s o f th e s o l v e n ts a n dt h e i r t e m p e r a t u r e s a f t e r 1 m i n . o f m i c r o w a v e i r r a d i a t i o n a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 1 . 3.

CHta n (f = e-7 (1 .2 )

I t c a n b e s e e n ( T a b l e 1 .2 a n d 1 .3 ) t h a t f o r o p t i m u m c o u p l i n g ( i . e . , e f f e c t i v e h e a t i n g ) , ab a l a n c ed c o m b i n a t io n o f m o d e r a t e d , t o p e r m i t a d e q u a t e p e n e t r a t i o n , a n d h i g h lo ss e" a sw e ll a s t a n 5 a r e r e q u i r e d [ 5 ]. T h e h i g h e r t h e l os s t a n g e n t , t h e b e t t e r t h e t r a n s f o r m a t i o no f m i c r o wa v e e n e r g y i n t o h e a t . Ho w e v e r , w a t e r a b s o r b s m i c r o wa v e e f fi c ie n t ly a t t h e f r e-q u e n c y o f 2 .4 5 G H z h a s a h i g h a b i l it y t o t r a n s f o r m m i c r o w a v e e n e r g y i n t o h e a t , b u t i t i sw o r t h s t re s s i n g t h a t a lc o h o l s a re m u c h b e t t e r m i c r o w a v e s a b s o r b e r s w i t h v a l u es o f t h e l o s st a n g e n t ( t a n (f) a c o u p l e o f f o ld h i g h e r t h a n t h e l o ss t a n g e n t ( t a n (f) o f w a t e r . T h e r e f o r e ,a l c o h o l s o w i n g t o l o w e r v a l u e s o f h e a t c a p a c i t y t h a n w a t e r ( c . f . , w a t e r a n d e t h y l a l c o h o lh e a t c a p a c i ti e s 4 . 18 , 2 .3 1 J / g ~ r e s p e c t iv e l y [6 ]) c a n b e h e a t e d w i t h m u c h h i g h e r h e a t i n gr a t e s t h a n w a t e r t o r e a c h t h e i r b o i l i n g p o i n t s i n a s h o r t e r t i m e ( T a b l e 1 . 3 ) . B o t h w a t e ra n d a l c o h o l s c a n b e a d d e d i n a s m a l l a m o u n t t o r e a c t i o n m i x t u r e s i n o r d e r t o i m p r o v et h e i r d i e l e c tr i c p r o p e r t i e s ( i. e ., in c r e a se a b s o r p t i o n o f m i c r o wa v e s ) . D M F i s a l so c o u n t e da m o n g g o o d m i c r o w a v e a b s o r b e r s . T h e r e f o r e , i n s t e a d o f w a t e r o r a lc o h o ls , it c a n b e a l s oa d d e d t o r e a c ti o n m i x t u r e s t h a t a r e c h a r ac t e ri z e d b y w e a k a b s o r p t i o n o f m ic ro w a v e s d u et o it s h i g h e r b o i li n g p o i n t . N o n - p o l a r s o l v e n ts ( e .g . , h e x a n e , c a r b o n t e t r a c h l o r i d e ) a r en o t a g o o d s u b j e c t f o r m i c r o w a v e a c t iv a t i o n ; h o w e v e r, s m a l l a m o u n t s o f t h e m a r e a d d e dt o r e a c t i o n m i x t u r e s , i n p a r t i c u l a r u n d e r s o l v e n t l e s s s y s t e m s , i n o r d e r t o i m p r o v e t h e i rt e m p e r a t u r e h o m o g e n e i t y d u r i n g m i c r o w a v e i r r a d i a t i o n .

T h e l o ss ta n g e n t ( t a n (f) o f s o m e o t h e r c o m m o n m a t e r i a l s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 1 .4 ,w h i l e th e lo s s t a n g e n t o f w a t e r a s t h e f u n c t i o n o f f r e q u e n c y i s p r e s e n t e d i n F i g . 1 .6 t o g e t h e rwi t h e ' a n d e " . Fr o m F i g . 1 .6 a s we l l a s T a b l e 1 .2 , i t i s a p p a r e n t t h a t a p p r e c i a b l e v a l u e so f t h e l o s s f a c t o r ( e " ) e x i s t o v e r a w i d e f re q u e n c y r a n g e . Fo r e x a m p l e , f o r w a t e r , t h em o s t e f f e c t i v e h e a t i n g a s m e a s u r e d b y e " r e a c h e s i ts m a x i m u m a t c a. 2 0 G H z w h i l em o s t m i c ro w a v e o v en s o p e r a t e a t a m u c h lo w e r f r e q u e n c y i. e. , 2 .4 5 G H z . T h e p r a c t i c a lr e a s o n fo r t h e l o w e r f r e q u e n c y is t o h e a t t h e m a t e r i a l t h r o u g h o u t i ts i n te r io r . T h i s i ss o t h a t t h e r a d i a t i o n i s n o t t o t a l l y a b s o r b e d b y t h e f ir s t l a y er o f t h e m a t e r i a l t h a t i te n c o u n t e r s a n d m a y p e n e t r a t e f u r t h e r i n t o t h e m a t e r i a l , h e a t i n g i t m o r e e v en ly . I n t h eo t h e r w o r d s , i f t h e f r e q u e n c y i s o p t i m a l fo r m a x i m u m h e a t i n g r a t e , t h e m i cr o w a v e s a r ea b s o r b e d i n t h e o u t e r r e g i o n o f t h e m a t e r i a l a n d p e n e t r a t e o n l y a s h o r t d i s ta n c e ( s k i ne f f e c t ) . T h u s , f o r t h e r e a c t i o n s t h a t a r e c a r r i e d o u t u n d e r m i c r o w a v e c o n d i t i o n s o n l a r g e r


8/11


90

60~ I ~ e l l

3 0

. . . . I . . . . I 'E ' O - - - - - - --

t g 6L . - . - - , : ; ' - ', 1 " " ,00 . 01 0 . 1

I i i i f i l l

k " ',9 ~ 1 I , 9 I l l9 i I ~ , , I1

, , , I , , , , I , " , ' ' , ' ,

1 .5

1 t g 5

0 .5

1 1 0 1 00v [ G H z ]

01 0 0 0

F i g u r e 1 . 6 . T h e lo ss t a n g e n t o f w a t e r ( t a n 5 ) a s t h e f u n c t i o n o f f r e q u e n c y t o g e t h e r w i t hd a n d e " . R e p r i n t e d w i t h t h e p e r m i s s i o n f r o m [ 7 ] .

Ta b l e 1 . 3L o ss t a n g e n t ( t a n S ) a t 2 .4 5 G H z ( r o o m t e m p e r a t u r e ) , b o i li n g p o i n t s a n d t e m p e r a t u r e so f c o m m o n o r g a n i c s o lv e n t s a f te r 1 m i n . o f i r r a d i a t i o n i n a m i c ro w a v e c a v i t y ( 50 m l o fs o l ve n t , 1 m i n . , pow e r : 56 0 W ) [7 -9 ] .

So l ve n tSolvent Boi l ing Loss

t e m p e r a t u r e p o i n t t a n g e n t(~ (~ t a n ~

W a t e r 8 1 100 0 .12M e t h a n o l 6 5 6 5 0 . 66E t h a n o l 7 8 7 8 0 .9 4P r o p a n o l 9 8 9 7 0 .7 6B u t a n o l 106 117 0 . 57E t h y l a c e t a t e 7 3 7 7 0 .0 6A c e t o ne 56 56 0 . 05Acet ic ac id 110 118 0 .17D M F 131 153 0 . 16M e t hy l e ne c h l o r i de 41 41 0 . 04D i oxa n e 53 101H e xa ne 25 6 8 0 . 02C a r b o n t e tr a c h l o r i d c 2 8 7 7 -


9/11

Ta b l e 1 . 4L os s t a n ge n t s ( t a n 5 ) o f d i f fe r e n t m a t e r i a l s a t 25~ (2 .45 G H z ) .

M a t e r i a l L o s s t a n g e n t M a t e r i a l L o s s t a n g e n tta n (f 10 -a t a n 5 10 -aQ u a r t z 0 . 6 P l e x i g l a s s 57C e ra m i c 5 . 5 Po l ye s t e r 28Porc e l a i n 11 Po l ye t hy l e ne 31P h o s p h a t e g l a ss 4 6 P o l y s t y r e n e 3 .3Bo ros i l i ca te g las s 10 Tef lon 1 .5

s c a l e s , a n o t h e r i m p o r t a n t f a c t o r w h i c h d e s c r i b e s t h e h e a t i n g p r o c e s s i s t h e p e n e t r a t i o nd e p t h (Dp)(Fig. 1 . 7 ) [1 ] .

F i g u r e 1 . 7 . P r o p a g a t i o n o f e l e c t ro m a g n e t i c w a v e s i n a l o ss y m a t e r i a l. R e p r i n t e d w i t h t h epe rm i s s i on f rom [1 ] .

T h e p e n e t r a t i o n d e p t h ( Dp ) o f t h e m a t e r ia l s u s e d to d e n o t e t h e d e p t h a t w h i c h t h epow e r de ns i t y o f m i c row a ve i r r a d i a t i on i s r e duc e d t o 37% ( i. e. , l / e ) o f i t s i n i t ia l va l uea t t h e s u r f a ce o f t h e m a t e r ia l . I t is p r o p o r t i o n a l t o t h e w a v e l e n g t h o f t h e r a d i a t i o n a n dde p e nd s on t he d i e l e c tr i c p ro pe r t i e s o f t he m a t e r i a l . F o r l o s sy d i e le c t r ic s ( e " / e '


10/11


M a t e r i a l s w i t h r e l a ti v e l y h i g h v a l u e s o f t h e lo s s f a c t o r ( e ") a r e c h a r a c t e r i z e d b y l o wv a l u e s o f t h e p e n e t r a t i o n d e p t h ( D p ), a n d , t h e r e f o r e , m i c r o w a v e s c a n b e t o t a l l y a b s o r b e dw i t h i n t h e o u t e r la y e rs o f t h e s e m a t e r i al . F o r ex a m p l e , t h e p e n e t r a t i o n d e p t h o f w a t e ris 1 .4 a n d 5 .7 c m a t 2 5 a n d 9 5 ~ , r e s p e c t i v e ly ( T a b l e 1.5 ). T h i s m e a n s t h a t i n t h ee x p e r i m e n t s i n a w a t e r s o l u t io n o n l a r g e r s c a le s o n l y s o m e p a r t s ( o u t e r l a y e r s ) o f t il er e a c t i o n m i x t u r e i t e r a c t w i t h m i c r o w a v e s t o g e n e r a t e h e a t w h i c h i s t h e n t r a n s p o r t e di n t o th e r e s t o f t h e m i x t u r e c o n v e n t i o n a l ly ( i. e. , b y h e a t c o n v e c t io n a n d / o r c o n d u c t i o nm e c h a n i s m ) . O n t h e o th e r h a n d , m i cr o w a v e s c a n p e n e t r a t e a n d p a s s t h r o u g h t h e s a m p l e so f t h e m a t e r i a l s w i t h l o w v a lu e s o f t h e l os s f a c t o r ( e ") . H o w e v e r, i n t h e c a s e o f c h e m i c a lr e a c t i o n s , t h i s s h o u l d n o t b e t r e a t e d a s a d r a w b a c k b e c a u s e d u e t o t h e d e s i g n o f t h em i c r o w a v e r e a c t o r s u n a b s o r b e d r a d i a t i o n p a s s i n g t h r o u g h t h e s a m p l e i s m o s t l y r e f l e c t e db a c k , a n d , f i n a l y , a b s o r b e d o n l a t e r p a s s e s , w h i c h c a n p r o v i d e e n o u g h e n e r g y t o i n i t i a t e ac h e m i c a l r e a c t i o n .

T h e h e a t i n g r a t e ( i. e. , t e m p e r a t u r e i n c r e a s e ) o f t h e m a t e r i a l u n d e r m i c ro w a v e ir r a -d i a t io n d e p e n d s a l so o n t h e s h a p e a n d s i ze o f t h e s a m p l e. F o r in s t a n c e , t h e s t u d y o ft h e t h e r m a l b e h a v i o r o f a l u m i n a i n d ic a t e t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s a m p l e d u r i n g m i -c r o w a v e i r r a d i a t i o n d e p e n d s o n t h e a m o u n t o f t h e s a m p l e ( F i g . 1. 8) . I n a m u l t i - m o d ec a v it y, t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e w a s o b t a i n e d f o r c a. 2 0 0 g of a l u m i n a s in c e it h a d al a rg e r s u r fa c e a n d i n t u r n c o u ld a b s o r b e d m o r e o f t h e m i cr o w a v e e n e r g y p e r w e ig h t u n i tt h a n , f o r e x a m p l e , 1 00 g o f a l u m i n a . I n c o n t r a s t , t h e 5 0 0 g s a m p l e o f a l u m i n a w a s h e a t e dw i t h l ow e r h e a t i n g r a t e t h a n 2 0 0 g sa m p l e , b u t i n t h i s c as e th e m o s t p r o b a b l e e x p l a n a t i o nis t h a t 5 0 0 g o f a l u m i n a c o n s u m e d t h e e n t i r e m i c ro w a v e e n e rg y p r o v i d e d b y t h e r e a c t o r ,w h i c h i n f a c t c o u l d b e l es s p e r w e i g h t u n i t t h a n f o r 2 0 0 g o f a l u m i n a . M o s t l ik el y, t h ea m o u n t o f s a m p l e t h a t w o u l d b e h e a t e d m o s t e ff ic ie n tl y b y m i c ro w a v e s u n d e r s u c h e x -p e r i m e n t a l c o n d i t io n s w a s s o m e w h e r e b e tw e e n 2 0 0 a n d 5 00 g o f a l u m i n a . I n t u r n , 4 g o fa l u m i n a a p p e a r e d a s a b o u t t h e m i n i m u m a m o u n t f o r a n a p p r e c i a b l e t h e r m a l e f f e c t t o b eo b s e r v e d , w h i l e 1 g s a m p l e o f a l u m i n a w a s u n a b l e to r e a c h 1 0 0 ~ e v e n a f t e r a r e l a ti v e l yl o n g i r r a d i a t i o n t i m e c a . 2 0 m i n [ 1 0 ] .E v e n t u a l l y , t h e s a m p l e s i z e , p e n e t r a t i o n d e p t h a s w e l l a s h e a t i n g r a t e a r e s t r o n g l yc o u p l e d d u r i n g m i c r o w a v e i r r a d i a t i o n a n d m a y f i n a l l y r e s u l t i n m o r e h o m o g e n e o u s o rh e t e r o g e n e o u s h e a t i n g o f t h e m a t e r ia l , w h i c h in t u r n c a n r e s u lt i n o v e r h e a t i n g o f t h em a t e r i a l a n d c r e a t i o n o f s o ca l le d hot spots i n t h e l a t t e r c a s e .


11/11

II

~c)3 5 0

3 0 0 -

2 5 0 -

2 0 0 -150 -l O 0 -

5 0 -

q u a n t i t y ofalumina- 2 0 0 g

/ " -- l O O g~ ~ 5 0 0 g- - 5 0 g,4l g

I I I I i i i i i i3 I 2 3 4 5 6 7 8 9 I 0 t ( min )

F i g u r e 1 . 8 . T h e r m a l b e h a v i o u r o f n e u t r a l a l u m i n a a s a f u n c t i o n o f i r r a d ia t i o n t i m e a n dq u an t i t y . Rep r i n t ed w i t h t h e p e rm i s s i o n f ro m [1 0 ] .

Table 1 .5M i c ro w a v e (2 . 4 5 G H z ) p e n e t r a t i o n d e p t h (Dp) i n s o m e co m m o n m a t e r i a l s [1 1 ] .

M a t er ia l T e m p e r a t u re P e n e t r a t io n d e p t h (Dr)( ~ ( a m )W at e r 2 5 1 .4W a t e r 9 5 5 .7Ice -12 1100Pap e r , ca rd b o a rd 2 5 2 0 ..60W o o d 2 5 8 ..35 0Rub be r 25 15 ..350G lass 25 35Porcela in 25 56Poly (viny l chloride) 20 210Epox y res in (Arald i te ) 25 4100Teflon 25 9200Q ua r tz g lass 25 16000

chapter 1- interaction of microwaves with different materials

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