多層次溫故知新下“化纖工藝學”課程中高分子化學知識的有效利用

金欣　王聞宇

摘 要 “化纖工藝學”作為我校材料科學與工程專業大學三年級的專業課，與專業基礎課高分子化學的知識緊密連接。在“化纖工藝學”的教學中，如何充分聯系高分子化學中聚合機理知識有助于學生更好地理解各種纖維原料合成中聚合度的控制、工藝條件及聚合實施方法等概念。本文例舉在“化纖工藝學”教學中的幾點利用高分子化學知識解釋，加深同學們對知識要點的學習和理解，得到很好的教學效果。

關鍵詞 教學 課程聯系 化纖工藝學 高分子化學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.07.053

Effective Utilization of Polymer Chemistry Knowledge in the Course of

"Chemical Fiber Technology" under Different Levels of Knowledge and Practice

JIN Xin[1]， WANG Wenyu[2]

（[1] College of Materials Science and Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387；

[2] Textile College of Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387）

Abstract "Chemical Fiber Technology" is a professional course in the third year of our university's Material Science and Engineering University， and it is closely connected with the knowledge of the specialized basic course Polymer Chemistry. In the teaching of "Chemical Fiber Technology"， how to fully link the knowledge of the polymerization mechanism in "Polymer Chemistry" helps students better understand the concepts of polymerization degree control， process conditions， and polymerization implementation methods in the synthesis of various fiber raw materials. This article exemplifies the use of "polymer chemistry" knowledge in the teaching of "chemical fiber technology" to deepen students' knowledge and understanding of the key points of knowledge and obtain good teaching results.

Keywords teaching； course contact； Chemical Fiber Technology； Polymer Chemistry

天津工業大學材料科學與工程專業的前身是化學纖維專業，是我國最早成立的高分子材料類專業之一。“化纖工藝學”課程是我校材料科學與工程專業高分子材料方向的主干課，該課程開設已有40余年的歷史。課程突出了我校在長期的辦學過程中已形成的纖維材料的傳統特色和優勢，形成了包括化學纖維概論、化纖成形原理、化纖工藝實驗和大型綜合實驗的課程體系，是一門實踐性很強的綜合性課程，是我國紡織高等教育的重點課程之一。在我校的培養體系中該課程在大學三年級上半學期進行學習。

從本專業課程體系來看，“化纖工藝學”和高分子化學課程密切相關。高分子化學是“化纖工藝學”學習的基礎。同學們在大學二年級已經完成專業基礎課高分子化學的學習，在此基礎上在進入大學三年級后進行專業課程的學習。筆者根據教學中的心得，以高分子化學的兩個知識點為例，講述“化纖工藝學”相關概念的角度出發，探討“化纖工藝學”的課堂教學。

1 聚酯纖維和聚酰胺纖維原料制備中工藝和實施方法的不同

在“化纖工藝學”中聚酯纖維和聚酰胺纖維都是通過熔體紡絲制備纖維的典型產品。聚酯和聚酰胺分別作為聚酯纖維和聚酰胺纖維的原料，都是重要的線型縮聚物，但兩者在縮聚的具體實施方法和要求的真空度確有區別。聚酯的縮聚合采取熔融縮聚且很高的真空度，而聚酰胺的縮聚合是前期在水溶液中聚合，后期轉入熔融縮聚，這一知識點在“化纖工藝學”各章原料制備部分的講解中均有涉及，但是分別在兩章中進行講述。筆者在講述這兩章時，將高分子化學中第二章縮聚和逐步聚合的平衡縮聚和聚合度控制原理進行復習和聯系講解。由于縮聚反應的特點是可逆的平衡反應，平衡常數對反應程度，繼而對聚合物將產生很大的影響。在聚合過程中應將副產物小分子排除，得到較高的聚合度。然而，聚酯和聚酰胺的平衡常數大小不同，在實際縮聚中的聚合方式和工藝會有所區別。

1.1 教學內容

（1）聚酯化反應的平衡常數較小（K=4）。如果聚酯化生成的小分子副產物不能及時排除，由于逆反應，將得不到很高的反應程度和聚合物。因此，采用熔融縮聚方式且反應必須抽真空將縮聚體系中生成的乙二醇不斷地排除，真空度越大，殘存的乙二醇越少，聚酯的聚合度越高。若聚合過程中真空度不高，則使得縮聚時間過長，聚酯熔體粘度低，色澤泛黃。[1，2]

（2）聚酰胺化學反應平衡常數中等（K≈400）。由于其平衡常數較大，對體系中副產物水分的含量要求不像聚合縮聚中這么嚴格。在縮聚過程中，前期進行水溶液縮聚，也能達到一定聚合度；后期轉入熔融縮聚，采用真空后縮聚，便可獲得具有較高聚合度的產物。并且所要求的真空度并不像合成聚酯時那樣高，就可達到所要求的分子量。[1，2]

1.2 教學方與手段改革

（1）課堂教學中相關專業知識的銜接： 在“化纖工藝學”概論部分中聚酯纖維和聚酰胺纖維的課堂教學中，首先采用啟發式教學，在課堂中提出聚酯和聚酰胺聚合方法和工藝的不同。啟發同學們聯系高分子化學縮聚反應平衡的特點，采取提問和討論的形式，最后老師進行以上知識點的總結，讓同學們在學習專業課的同時，進一步聯系專業基礎課的理論知識，再進一步加深對專業知識點的理解。

（2）利用多媒體教學對專業知識進行鞏固：在“化纖工藝學”中充分利用多媒體教學，在課堂給同學們觀看聚酯和聚酰胺纖維生產錄像。在觀看纖維生產錄像前，通過上述課堂討論，已經使同學們對專業知識點進行了回憶，在此基礎上提醒同學們認真學習錄像中聚酯和聚酰胺合成中工藝的不同，在專業課“化纖工藝學”的學習中，再一次溫故知新，將專業基礎課高分子化學的相關知識點進行回顧與總結。

2 聚酰胺和聚丙烯腈聚合度的控制

在“化纖工藝學”第四章和第六章分別講述聚酰胺纖維和聚丙烯腈纖維，其原料聚酰胺和聚丙烯腈分別通過縮聚和自由基聚合而制備，在制備中如何控制聚酰胺和聚丙烯腈的聚合度，進而得到一定相對分子質量的聚合物是聚合中的關鍵。有關如何控制產物的聚合度已經在高分子化學第二章縮聚和逐步聚合以及第三章自由基聚合中分別學習。但聚酰胺和聚丙烯腈的聚合機理不同，分別屬于縮聚和自由基聚合。聚合機理不同，因而是采取不同方法來控制產物的聚合度。但這部分知識是分別在高分子化學中的第二章和第三章進行講解的。因此，在學習“化纖工藝學”中有必要將這部分知識要點進行復習及聯系講解。

2.1 教學內容

（1）聚酰胺屬于線型縮聚產物，采用端基封鎖來控制聚合度。對于線型縮聚物，雖然反應程度和平衡條件是影響線型縮聚物聚合度的主要因素，但在實際生產中卻不能用作控制手段。在高分子化學中指出，控制線型縮聚物聚合度的方法使在兩官能團等當量的基礎上，使某官能團稍過量或另加入少量單官能團物質，使端基封鎖，不再反應，反應程度被穩定在某一數值，就可以得到預定聚合度的產物。那么在聚酰胺的實際生產中是如何利用高分子化學的理論知識進行聚合度調控的呢？在聚酰胺實際生產中為了保證己二胺和己二酸具有相等的摩爾比，防止因為任何組分過量而導致由酸或氨基端基構成的鏈增長終止，先使得己二酸和己二胺生成聚酰胺66鹽，然后利用這種鹽作為中間體進行縮聚制取聚己二酰己二胺?？s聚時，聚酰胺66鹽中加入少量的單官能團的醋酸或己二酸進行端基封鎖，控制分子量。如要求相對分子質量在13000左右，則己二酸用量為（0.9wt%）或醋酸（0.5%）（按聚酰胺66鹽質量計算）。[1，2]

（2）聚丙烯腈屬于自由基聚合產物，采用鏈轉移來控制聚合度。聚丙烯腈是通過自由基機理進行聚合，在自由基聚合反應中，除了鏈引發、鏈增長和鏈終止反應外，往往還伴有鏈轉移反應。在實際生產中，應用鏈轉移的原理來控制分子量。在丙烯腈的硫氰酸鈉法聚合中，將丙烯腈、第二單體、異丙醇（單體總量1%～3%）、引發劑及硫氰酸鈉水溶液等加入配料桶，然后在實際混合桶中混合調溫后，用計量泵送入聚合物進行聚合。其中，異丙醇作為相對分子質量調節劑，起著鏈轉移的作用，用來對聚丙烯腈的聚合度進行控制。在聚合過程中，異丙醇分子中與伯碳原子相連的氫原子活性大，易與增長著的大分子自由基作用而生成穩定的自由基，使鏈增產反應終止。[1，2]

2.2 教學方與手段改革

（1）課堂教學中相關專業知識的討論： 在“化纖工藝學”概論部分中聚酰胺纖維和聚丙烯睛纖維原料的制備中，讓同學們參與教學。改掉老師一言堂，學生只是聽課而較少參與討論的教學方法。首先老師提出聚酯和聚丙烯睛聚合中聚合控制方法有何不容？讓同學們帶著問題，進行思考，并引導同學們聯系高分子化學如何對逐步和連鎖聚合產物的聚合度進行控制。采取提問和討論的形式，讓同學們參與課堂教學，最后老師進行以上知識點的總結，同學們在大三專業的學習中，進一步聯系專業基礎課的理論知識，經過相關知識點的多次講解和撞基，進一步加深對專業知識點的理解。

（2）企業實踐和畢業設計環節的進一步鞏固：在同學們去相關企業進行實踐前后或畢業設計環節，專業教師應敏銳地思考出其中相關知識點，對知識點進行復習和總結，讓同學們帶著專業問題去實踐或做畢業設計；或是實踐后或在做畢業設計后對專業問題的驗證來進一步思考兩課程間的聯系，這種溫故知新下的企業實踐和畢業設計，會起到對專業知識更好的鞏固效果。

3 結語

“化纖工藝學”的教學過程中有關聚合反應中聚合度調控、工藝條件及實施方法等是以高分子化學中逐步聚合和連鎖聚合機理等知識要點緊密聯系的。[1-4]學生已經在大學二年級高分子化學中學習了有關聚合機理及動力學方面的知識。在大學三年級開設專業課”化纖工藝學”中的學習過程中，從課堂理論教學、多媒體教學、企業實踐及畢業設計等方面多層次地聯系高分子化學中的相關知識點對”化纖工藝學”中的合成纖維原料合成中聚合度調控及工藝條件等有更深的理解，勢必對學生更好地理解專業基礎課和專業課的聯系有很好的幫助，有利于學生加深理解和掌握”化纖工藝學”課程的內容，達到更好的 教學效果。

基金項目：天津市教育科學“十三五”規劃重點課題（HE1001）；天津市教育科學“十三五”規劃一般課題（HE3001）

參考文獻

[1] 肖長發，尹翠玉，等.化學纖維概論（2版）[M].北京：中國紡織出版社，2006.

[2] 潘祖仁.高分子化學（3版）[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3] 郝智，伍玉嬌，羅筑，黃彩娟.高分子化學課程教學改革與實踐初探.高分子通報，2012.5：116.

[4] 朱琳，袁新華，王保志.化纖加工工藝學課程教學內容和手段的而研究.科技創新導報，2012.28：194.