La química de la radiación de microondas - DAVID ARADILLA ZAPATA, RAMÓN OLIVER PUJOL Y FRANCESC ESTRANY CODA
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La química de la radiación de microondas DAVID ARADILLA ZAPATA, RAMÓN OLIVER PUJOL Y FRANCESC ESTRANY CODA
Introducción través de la sustancia pasando primera- Un incremento de la temperatura
Actualmente, dentro del mundo de la quí- mente a través de las paredes del reci- (debido al alto calentamiento instantá-
mica, existen innumerables reacciones en piente para finalmente llegar al disolvente neo de las sustancias) causa un movi-
las cuales se llevan a cabo procedimien- y los reactivos, en el caso de la radiación miento molecular más rápido, lo que
tos poco ecológicos y, por consiguiente, microondas el acoplamiento con las repercute en un mayor número de coli-
perjudiciales para el medio ambiente. En moléculas se lleva a cabo directamente siones.
este sentido, una nueva filosofía ha sur- en el interior del medio, que puede ser
gido dentro del mundo de la química, la un alimento, una disolución acuosa, o por Modelos y diseños de reactores
denominada “química verde”. La química extensión un determinado medio de reac- basados en la radiación
verde se basa en una serie de principios ción. La figura 3 ilustra esquemática- microondas
orientados hacia el diseño de productos mente este mecanismo. Los reactores basados en la radiación
y procesos químicos que impliquen la Dado que el proceso no es depen- microondas son sistemas monomodales
reducción o eliminación de productos diente de la conductividad térmica del o multimodales que difieren según el
químicos peligrosos (para los materiales, recipiente del material, el resultado es un tamaño de la cavidad y la manera de la
las personas y el medio ambiente). Por lo supercalentamiento localizado de forma orientación del campo. Estos reactores
tanto, la química sostenible se centra en instantánea. Los dos mecanismos de comerciales se encuentran equipados
las reacciones y procesos que se llevan a transferencia de energía de la radiación mediante controladores directos de tem-
cabo en la industria química e industrias microondas para conseguir el calenta- peratura basados en sensores. La figura
afines. Entre los doce principios que cons- miento de la muestra son la rotación dipo- 7 muestra algunas imágenes ilustrativas.
tituyen la química verde, el incremento lar y la conducción iónica.
de la eficiencia energética mediante el Tipos de reacciones más
empleo de técnicas renovables y ecológi- Rotación dipolar. La rotación dipolar es importantes promovidas por
cas es el que presenta un mayor interés una interacción en la cual las moléculas microondas
dentro de la comunidad científica. Por polares intentan alinearse sobre sí mis- La radiación por microondas ha sido
esta razón, en los últimos años diversas mas a medida que el campo eléctrico de estudiada en los últimos años de forma
técnicas energéticas más ecológicas que la radiación microondas cambia (figura efectiva en las siguientes reacciones, en
las convencionales han sido desarrolladas 4). El movimiento rotacional de la molé- la representadas de forma esquemática
de forma exitosa, concretamente, la elec- cula intenta orientarse en la dirección del figura 8:
troquímica, la fotoquímica, la sonoquí- campo, consiguiendo de esta forma una 1. Polimerizaciones de crecimiento
mica y la radiación por microondas. transferencia de energía (step-by-step).
En este trabajo se pretende llevar a 2. Polimerizaciones por apertura de
cabo un estudio sobre el empleo de la Conducción iónica. La conducción iónica anillo.
radiación de microondas para la sínte- se da cuando hay especies iónicas libres 3. Polimerizaciones radicalarias.
sis de compuestos, en concreto, sobre dos o iones libres presentes en la disolución. 4. Modificaciones de polímeros.
de los materiales más empleados en la El campo eléctrico genera un movi- 5. Resinas termoestables.
industria plástica, el nailon 6 y la capro- miento iónico mediante el cual las espe- Entre las diferentes reacciones des-
lactona. cies intentan orientarse al cambio del critas anteriormente, las basadas en aper-
campo eléctrico de la radiación micro- tura de anillo han despertado un gran
Fundamento ondas, y de forma análoga a la rotación interés sobre todo en dos compuestos
La radiación por microondas es una dipolar se produce un supercalenta- muy comerciales, la caprolactona y la
forma de energía electromagnética miento. caprolactama de gran uso mundial.
situada en el rango de frecuencias (300 - La temperatura de la sustancia tam-
300.000 MHz) correspondiente a una bién afecta a la conductividad iónica, Policaprolactona
longitud de onda (1m - 1mm). En la dado que la temperatura incrementa y la La policaprolactona (PCL) se prepara
figura 1 se puede ver el rango corres- transferencia de energía llega a ser más mediante la polimerización por apertura
pondiente a esta radiación dentro del eficiente (figura 5). de anillo de la ε-caprolactona. El polí-
espectro electromagnético. La radiación microondas no afecta a mero es semicristalino, presenta un
Al incidir sobre un cuerpo la radiación la energía de activación, pero propor- punto de fusión de 59-64 ºC y una tem-
de tipo microondas, se ve afectada la rota- ciona la suficiente energía (casi de forma peratura de transición vítrea de -60 ºC.
ción de las moléculas de la sustancia que instantánea) para superar esta barrera Además, se comporta como material
lo forma, mientras que su estructura (figura 6) y completar la reacción más biocompatible y utilizado como sutura
molecular se mantiene inalterable. rápidamente y con un mayor rendimiento biodegradable. Debido a que la PCL
La energía microondas consiste en un respecto a los métodos de calentamiento tiene un intervalo de degradación ele-
campo eléctrico y un campo magnético convencionales. vado, del orden de dos años, se han pre-
(figura 2), aunque solamente el campo La radiación microondas no influye parado copolímeros con D,L-láctico
eléctrico transfiere energía en forma de en la orientación de las colisiones, ni en para aumentar la velocidad de bioab-
calor a la sustancia con la que dicha radia- la energía de activación. Sin embargo, la sorción. También se utilizan copolíme-
ción entra en contacto. energía microondas afecta a los paráme- ros en bloque de PCL-co-PGA
tros de temperatura descritos en la ecua- (MONOCRYL@), por ofrecer una
Mecanismo de calentamiento ción de Arrhenius ( 1 ) : menor rigidez comparado con el homo-
Mientras que en un proceso convencio- polímero PGA puro. La figura 9 mues-
PICTELIA
nal, por ejemplo empleando un baño –Ea tra la ecuación estequiométrica general
de aceite, el calentamiento es dirigido a K = Ae RT (1) de la reacción.
Técnica Industrial 284 / Noviembre - Diciembre 2009 55
Nylon 6 2001 2006
RESUMEN Demanda (kt) 3.510
3.940
Este artículo trata sobre una de las técnicas energéticas ecológicas que se aplica
en el marco de la nueva filosofía que ha surgido dentro del mundo de la química, Utilización 82% 89%
la denominada “química verde”, o química sostenible, respetuosa con el medio Tabla 1. Evolución de la demanda de Nilon 6 en
ambiente. Dicha técnica es la denominada radiación por microondas. Se define el los últimos años
fundamento de esta técnica y el mecanismo de actuación de la radiación para el
calentamiento de sistemas y para la promoción de reacciones químicas. Asimismo, tencia a la tensión, resistencia a agentes
también se presentan los modelos y diseños de reactores químicos empleados en químicos y a su elevado balance en sus
la aplicación de microondas, los tipos más importantes de las reacciones que tie- propiedades. Las aplicaciones se encuen-
nen lugar y los productos obtenidos. Por último, se relacionan las ventajas prácti- tran en:
cas de esta técnica. 1. Partes internas de motores.
2. Tanques radiadores, depósitos para
líquidos de frenos, sujetacables, etc.
3. Hilos para pescar.
4. Medias para damas.
Frecuency (hertz) 5. Prendas para vestir.
106 109 1012 1016 1018 1021 6. Ventiladores para radiadores.
La tabla 1 resume de forma muy clara
Short-wave radio
Millimeter waves
Far infrared light
Ultraviolet light
UHF television
VHF television
VHF television
el incremento de la demanda de este
Gamma rays
Infrared light
Microwaves
Visible light
material.
AM radio
FM radio
La aplicación de la radiación de
X rays
microondas ofrece la posibilidad de poli-
merizar con eficacia la caprolactama,
como se muestra en la figura 11.
103 1 10–3 10–4 10–9 10–12 10–15
Las mejorías en las propiedades de los
Wavelength (meters) polímeros obtenidos empleando este
método se reflejan sobre todo en las pro-
Figura 1. Rango de la radiación de microondas en el espectro electromagnético. piedades mecánicas, tiempo de reacción
Campo eléctrico
λ = longitud
de onda Oil bath
(distancia entre Convection
picos sucesivos) currents
H Conductive heat
Distancia
Campo Sample acid
magnético Localized mixture (absorbs
superheating microwave energy)
Microwave
f = frecuencia Vessel wall
(número de ciclos Velocidad Microwave heating
(transparent to
por segundo) microwave energy)
de la luz
Figura 2. Propagación de la onda Figura 3. Mecanismo de calentamiento de una sustancia en contacto con la radiación por microondas.
electromagnética.
Fig. 4. Esquema de la rotación dipolar.
Poli-caprolactama o nailon 6
Uno de los principales procesos donde
se emplea la polimerización por apertura
de anillo es en la síntesis de nailon 6. El NC N
nailon 6 se obtiene a partir de una sola N CN
clase de monómero, la ε-caprolactama, ΔT, –N2 NC
2
cuya fórmula estructural se muestra en
la figura 10.
El nailon 6 es uno de los mayores plás-
ticos consumidos dentro del mundo de
la ingeniería, dados su excelente resis-
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Tabla 2a. Comparativa de las propiedades mecánicas de la caprolactona convencional y la sintetizada a partir de radiación microondas.
Yield Strength Yield Strain Tensile Modulus Tensile Strength Strain at Break
Sample (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%)
Microwave PCL 17,3 ± 0,8 9,9 ± 1,5 406 ± 27 21,8 ± 2,5 514 ± 77
a∏
Thermal PCL – 7,0 400 16 80
Tabla 2b. Comparativa de las propiedades mecánicas de la caprolactama convencional y la sintetizada a partir de radiación microondas.
Yield Strength Yield Strain Tensile Modulus Tensile Strength Strain at Break
Sample (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%)
Microwave nylon-6, 250 °C. 2 hr 52,7 ± 5,1 5,7 ± 1,1 320 ± 70 66,9 ± 5,9 21 ± 8
Commercial Capron 8202 NL* 55,2 ± 8,6 29,6 ± 5,4 42 ± 20 61,1 ± 7,7 144 ± 45
Commercial Capron 8202 NL 79b 28b.c 70b
y pureza de los productos. La tabla 2
muestra una comparativa entre las pro- Max. 520 Max. 470
Time = 60 Surface: temperature (T) Time = 60 Surface: temperature (T)
piedades mecánicas de la policaprolac- 0,0372 0,0372 460
tona (a) y la policaprolactama (b) con- 500
vencionales, con respecto a las de los
440
polímeros sintetizados empleando la
radiación microondas. 450
420
Ventajas de la aplicación de la 0 400
0
radiación de microondas en
400
reacciones químicas de 380
aplicación industrial
Las ventajas prácticas de la aplicación 360
350
industrial de esta técnica se pueden resu- –0,0287 –0,0287
–0,0305 –0,0305
mir en la lista que se relaciona a conti- –0,0372 –0,0372 340
nuación: –0,0430 –0,0439
–0,0457 320
1. Tiene lugar un mecanismo de trans- –0,0457 300–0,05
0000000000 0000000000
ferencia de energía en lugar de transfe- Min. 200 Min. 315
Calentamiento por microondas Calentamiento convencional
rencia de calor, con las correspondiente
ventajas económico-ecológicas.
2. Se produce un calentamiento selec- Figura 5. Esquema de la conducción iónica.
tivo y orientado del material.
3. El calentamiento es rápido, ya Figura 6. Diagrama energía-coordenada de la reacción.
que se alcanzan mayores temperaturas,
y por consiguiente velocidades de reac- Reaction coordinate
ción más elevadas.
4. El calentamiento afecta directa-
mente a las moléculas, lo que asegura una
reducción de las reacciones secundarias,
la síntesis de productos más puros y, por A+B A---B A–B
tanto, rendimientos más altos. Transition
5. Los efectos térmicos son reversi- State
ETS
bles, ya que el calentamiento empieza
Activation Energy, Ea = ETS-ER
Energy
desde el interior del material, lo que per-
mite que la radiación microondas pre-
sente una mejor eficiencia que los méto- Reactants
dos de calentamiento convencionales. ER Heat of reaction, ΔH
6. Los líquidos iónicos solubles en
agua absorben radiación microondas de
Products
forma muy efectiva y, por consiguiente, EP
reacciones basadas en este tipo de sus-
tancias pueden ser calentadas rápida-
mente mediante radiación microondas.
7. El calentamiento por radiación Reaction coordinate
microondas resulta una eficaz vía alter-
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Figura 7. Ejemplos de modelos de reactores basados en radiación microondas.
nativa a los métodos convencionales res-
pecto al ahorro energético, mejor rendi-
miento de las reacciones y mayor pureza
de los productos. Este proceso representa
un sistema basado en la química verde
adaptado a la sostenibilidad del medio
ambiente.
Fig. 8. Representación esquemática de reacciones que tienen lugar con radiación tipo microondas. Bibliografía
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O
H
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Figura 10. Fórmula estructural de la ε-caprolactama. AUTORES
David Aradilla Zapata
Figura 11. Reacción de la caprolactama para la obtención del nilon 6 basada en apertura de anillo por Ingeniero de Materiales por la Escuela Técnica
radiación microondas. Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona
(U.P.C.)
Ramón Oliver Pujol
ramon.oliver@upc.edu
H Catedrático de la Sección del Departamento de
N O O
ω-Aminocaproic acid Ingeniería Química de la Escuela Universitaria
de Ingeniería Técnica Industrial de Barcelona
N (CH2)5 C (U.P.C.)
H
n
Microwave, N2 Francesc Estrany Coda
250 ºC – 280 ºC, 1-3 hrs poly (ε-vaprolactam) Profesor contratado doctor de la Sección del
nylon 6 Departamento de Ingeniería Química de la Escuela
Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de
Barcelona (U.P.C.)
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