《高分子物理》課程建設及教學方法探討

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摘要：高分子物理作為高分子材料及相關專業的專業基礎課，受到人們的廣泛重視。本文介紹了中國地質大學（北京）高分子物理課程的內容設置，探討了特色專業中高分子物理的教學方法；以結構與性能關系為中心，從基本概念、影響因素分析入手循序漸進的教學方式，結合科研實驗教學，增進學生的互動思維能力，得到同學們的一致認可。

關鍵詞：高分子物理；教學方法；教學互動；實踐教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）38-0165-03

中國地質大學（北京）材料化學專業自1995年設立以來，一直在為自己的專業特色不斷地思索，最初的以礦物結構與性能分析為專業方向，經過了20年不斷地求索和發展逐漸過渡到了以功能礦物材料為基體的功能礦物/高分子復合材料為特色的專業方向，讓材料化學專業畢業的學生既具有系統的礦物材料的知識體系，同時掌握高分子材料、復合材料領域的基礎知識，把礦物的功能與高分子聚合物的優良性能相結合，培養出新型功能復合材料的綜合型人才，更好地適應時代的發展和社會的需求，因此在2010年修訂培養方案時，高分子物理作為專業基礎課納入了新的培養方案[1]。

《高分子物理》是高分子材料及相關專業的重點專業基礎課，主要闡述了高分子的結構與性能的關系[2]，即高分子物質的結構與各層次結構單元的運動規律的學科，涉及的概念以及內容較多，且仍在不斷豐富和完善之中，所以要講好和學好高分子物理課程都具有一定的難度。所以如何講授好《高分子物理》課程一直是我們在思考的問題，通過多年的教學實踐與經歷，對本專業的高分子物理課程教學大綱和教學方法進行改進，為新一輪教學大綱的修訂提供參考，以增強教、學效果。

一、教學內容設置

在培養方案制定時考慮到寬口徑、重特色、存個性發展的原則，盡可能壓縮課堂教學，注意學生自學能力的培養，培養方案修訂時要求壓縮課堂教學，所以高分子物理課程只設了32學時，在學時數較少的情況下如何讓學生熟練掌握高分子物理的主要內容，而是教學內容的設置尤其重要。

高分子物理闡述的是高分子的結構與性能之間的關系，我們擬通過對高分子鏈結構、凝聚態結構、高分子溶液性質、分子運動與轉變、粘彈性、聚合物的屈服與斷裂以及其光、電、阻尼性、表界面特性等相關內容的講授，讓學生掌握高分子結構與性能關系，了解高分子材料性能設計的基本原理，為今后的學習和研究打下良好的基礎。

二、教學方法探討

針對我校材料化學專業的特色和知識體系結構狀態，對高分子物理的講授采取循序漸進的方式，從基本概念的介紹、影響因素的分析來闡述高分子的結構對性能的影響，結合科研實驗教學讓學生體會從理論學習到實際應用的直觀感受，并使學生帶著問題去查閱相關資料，調動學生的學習積極性。

1.基本概念介紹。為了讓學生更好地理解高分子物理的內容，首先必須讓學生對一些基本概念充分理解，將有利于后面相關內容的學習。高分子物理的主要內容是高分子聚合物的結構與性能的關系，那么高分子的結構是什么，它包括近程結構、遠程結構和凝聚態結構。

近程結構也叫聚合物的一級結構，是構成聚合物最基本的微觀結構，包括高分子基本結構單元的化學組成和立體化學結構，即高分子鏈的原子種類、排列順序、取代基和端基的類別、單體單元的鏈接方式、支鏈的類型和長度等，也就是聚合物鏈的基本組成；除了聚合鏈的化學結構外，聚合物鏈的大小、形態也會影響聚合物的性能，叫聚合物的遠程結構又稱為二級結構，指單個大分子鏈的大小、形狀（構型、構象），如：直鏈、無規線團、折疊鏈等直接影響聚合物的宏觀性能；另外，聚合物分子鏈之間的堆砌方式形成了由微觀結構到宏觀結構的過渡，稱為聚合物的凝聚態結構，主要指大分子鏈之間的幾何排列方式（如何堆砌形式），包括晶態結構、非晶態、取向態、液晶態、織態結構等，凝聚態結構是在聚合物的加工過程中形成的，直接影響了聚合物的宏觀物理性能。只有充分理解這些基本概念的真實含義，才有利于理解聚合物的不同性能，如柔性鏈、剛性鏈、玻璃化轉變溫度等，不同材料的性能就能相應的從其結構得到合理解釋，為材料的設計打下良好的基礎。

2.影響因素分析。要從聚合物的結構預測其性能，首先必須了解影響聚合物性能的基本因素，如：聚合物的耐熱性能就是聚合物的重要指標之一，表征聚合物熱性能的基本參數是“玻璃化轉變溫度（Tg）”。那么什么是玻璃化轉變溫度，影響Tg的因素有哪些，如何從影響聚合物Tg的因素來討論聚合物的性能（從微觀分析到宏觀性能）等，作為一條主線來介紹聚合物的結構如何影響其性能。首先，玻璃化轉變是非晶態高分子聚合物的固有性質，是高分子運動形式發生轉變的宏觀體現，主要體現在恒定的外力作用下，聚合物的形變與溫度的關系，從聚合物玻璃態向高彈態發生轉變的溫度叫做“玻璃化轉變溫度（Tg）”，它直接影響到材料的加工工藝和使用性能，一直以來是高分子物理研究的重要內容。聚合物的Tg的高低決定了聚合物的應用領域，一般地，Tg是橡膠的使用下限溫度，塑料使用的上限溫度，從學科上說Tg是衡量聚合物鏈柔性高低的表征溫度，Tg越小，鏈的柔性越好，常用作橡膠；Tg越大，鏈的剛性越好，主要用作塑料。那么要考察影響聚合物的性能，首先要掌握影響聚合物玻璃化轉變溫度（Tg）的因素，從分子結構上講，玻璃化轉變是高聚物從凍結狀態到解凍狀態的一個松弛過程，在玻璃化轉變溫度時高分子鏈段開始運動，高分子鏈或鏈段的運動能力又取決于高分子鏈的柔性，聚合物玻璃化轉變實際上就是高分子鏈段運動的宏觀表現，所以考察影響玻璃化轉變溫度（Tg）的因素從討論影響高分子鏈柔性的因素即可。

討論影響高分子鏈的柔性，需要從內因和外因兩個方面來進行考慮，內因是指分子鏈結構，又回到了結構決定性能的基本觀點。首先是主鏈的結構，若主鏈全由C-C單鍵組成，內旋轉容易，鏈柔順性好，Tg低；主鏈含有芳雜環時，內旋轉難，鏈柔性差，Tg高；主鏈中含有孤立C=C雙鍵時，鏈柔順性好，Tg低；但含有共軛雙鍵時，鏈不能旋轉，是剛性鏈，Tg高。其次是取代基的結構，取代基的極性越大，極性基團數目越多，相互作用越強，單鍵內旋轉越困難，分子鏈柔順性越差，Tg高；非極性取代基的體積越大，內旋轉位阻越大，柔順性越差，Tg高；鏈段之間若能形成氫鍵，高分子鏈的柔性較差，Tg高；若分子鏈中的取代基形成對稱分布，其柔順性大于不對稱分布的鏈，Tg要低些。（3）高分子鏈的長短，對于同類非極性聚合物在一定限度內，鏈越長柔性越好，Tg有所降低。（4）分子間作用力，分子間作用力增大，阻止分子鏈內旋轉，則柔順性減小，Tg升高。（5）支化和交聯，支鏈長，則阻礙鏈的內旋轉，柔順性下降，Tg升高；當交聯度不大時（含硫2-3%的橡膠）對鏈的柔順性影響不大，但交聯度達到一定程度時分子鏈不能轉動，Tg升高。（6）分子鏈的規整性，分子結構越規整，容易形成緊密堆積，結晶能力強，則柔順性變差，Tg升高。玻璃化轉變實際上是高分子鏈段運動的宏觀表現，除了上述內因外，還與測定條件相關，如溫度、外力及檢測的頻率等，測定的溫度越高，分子鏈越容易運動，表現出較好的柔性，測得的Tg偏低；外力越大，分子鏈被強迫形變，表觀柔性增加，測得的Tg偏低；另外，反復對同一個式樣測定，會使分子鏈發生松弛，表現柔性增加，Tg偏低。endprint

玻璃化轉變溫度（Tg）是非晶態聚合物的一個重要的物理性質，在發生玻璃化轉變，許多物理性質發生急劇變化，如模量、比容、折光指數、粘度、介電常數、比熱等，聚合物的模量從玻璃態轉變為高彈態時一下跌落幾個數量級，玻璃化轉變溫度也是凝聚態物理基礎理論中的一個重要問題和難題，涉及動力學和熱力學的眾多前沿問題，玻璃化轉變的理論還在不斷的發展和完善中。

3.結合科研實驗教學。為了讓學生更好地理解相關內容，我們結合實驗與科研結果進行分析，如通過烏氏粘度計法測定聚苯乙烯的分子量，了解聚合物溶解的過程和烏氏粘度計測定聚合物分子量的基本原理。聚合物的溶解與小分子的溶解有明顯的差別，小分子化合物（如：食鹽或糖）放入其良溶劑中很快擴散到溶劑中形成均勻的溶液，而聚合物在其良溶劑中的溶解分為溶脹和溶解兩個階段，首先聚合物與溶劑接觸時，由于聚合物鏈與溶劑分子大小相差懸殊，溶劑分子向聚合物滲透快，而聚合物分子向溶劑擴散慢，結果溶劑分子從邊沿向聚合物分子鏈間的空隙滲入，鏈間距逐漸增大，體積慢慢脹大，但整個分子鏈還不能完全運動，這一階段叫聚合物的溶脹；隨著溶劑分子的不斷滲入，聚合物分子鏈間的空隙增大，加之滲入的溶劑分子還能使高分子鏈溶劑化，從而削弱了高分子鏈間的相互作用，使分子鏈得以運動，直至脫離其他鏈的作用，進入溶液中，當所有的高分子都進入溶液后，溶解過程方告完成，形成了均勻的溶液，這一階段才叫聚合物的溶解。聚合物從放入溶劑開始，經溶脹到溶解這一過程的時間較長，根據分子量的大小，要幾個小時或幾天甚至更長的時間。

前人研究證明聚合物的分子量與其特征粘度具有如下關聯：[η]=KMα，對于一定聚合物-溶劑體系，在一定溫度下，K、α是兩個恒定的參數，可以從相關手冊上查到，若能測出聚合物的特征粘度[η]，就可得其分子量M[2]。烏氏粘度計法是測定聚合物粘度的基本方法，通過對聚苯乙烯的分子量的測定，了解烏氏粘度計（圖1）法測定聚合物分子量的基本原理、影響因素以及其數據處理（圖2），圖中ηsp、ηr分別為聚合物的相對粘度、增比粘度。

利用烏氏粘度計測定聚合物的粘度時，一般都需配置聚合物的稀溶液（濃度約為10-3g/mL），稀溶液中液體的粘度可用η=k·t來表示，其中k為與粘度計及溶液密度相關的常數（10-3g/mL的稀溶液與溶劑的密度近似相等），t為液體從a線開始到b線的流經時間（圖1），所以相對粘度ηr=t/t0、增比粘度ηsp=（t-t0）/t0，t為聚合物溶液的流經時間，t0為純溶劑的流經時間。實驗時，配置不同濃度的聚合物溶液，用烏氏粘度計分別測定其流經時間，記錄實驗數據，通過對實驗數據的處理作圖（類似圖2），作反向延長線與Y軸相交即可得該聚合物的特征粘度[η]，依據[η]=KMα即可計算出該聚合物的分子量（M）。通過該實驗既可以直接觀察聚合物的溶解過程，又掌握了烏氏粘度計測定聚合物粘度的基本原理、操作方法與注意事項，了解影響聚合物粘度測定的主要因素。

4.學生互動。老師在準備課堂教學時要閱讀大量的相關資料信息，這過程學生并不了解，只是上課時被動地聽老師介紹，因學生有時缺乏系統廣泛的知識，常常一知半解，老師的辛勞有點白費。如何調動學生的學習主動性、增進教學互動、增進教學效果，是每一位老師應該深思的問題，除了課堂提問外，讓學生帶著問題聽課也是一種值得嘗試的方法[3]。為了調動學生們的學習積極性，主動思考問題，第一次上課時給同學們布置任務，讓學生幾個人一組，對聚合物的性質（導電性、耐熱性、光學性質、磁學性質、阻尼性、表面及界面性能等）任選一主題，對聚合物具有這一性能的原理、結構與性能的關系、及其應用現狀等進行資料查閱、整理，做成PPT課件后在課堂上給大家進行介紹、大家提問討論。這樣的話，當同學們選定了主題后，就會主動進行文獻資料查詢，課堂上也會自覺注意聽取相關的內容，同時培養學生的自主學習歸納總結的能力，相助合作的精神，廣泛收集相關資料，也極大地擴展了同學們的知識面，比老師一一介紹更生動，得到了同學們的一致認可。

三、結束語

高分子物理是研究聚合物結構和性能的一門學科，為從事高分子聚合物設計、改性、加工及應用的科技工作者必須掌握的基礎知識，既有較強理論性又具有很強應用性，概念多、抽象而不容易掌握其內容。在32學時內要系統地學習完這么多的內容，需要我們每一個老師認真地考慮如何組織教學內容、改進教學思路，除了講授重點突出，需要“理論與實驗”相結合便于學生直觀形象地理解，還必須引導好學生主動思考的學習習慣，培養學生的創新思維，以科學的方法和技巧去開發他們的創造才能，為他們以后從事科研開發工作打好扎實的基礎。

參考文獻：

[1]中國地質大學（北京）本科培養方案[Z].2010年9月.

[2]金光日，華幼卿，高分子物理[M].第三版.化學工業出版社，2009.

[3]黃增芳，馬軍現，王可.高分子物理課程中的互動式教學探索和實踐[J].廣州化工，2015，43（13）：196-197.endprint