基于新工科理念的高分子材料專業綜合教學實驗探索

方正軍， 易 兵， 李 靖， 鄔 峰

（湖南工程學院a.材料與化工學院；b.改革發展處；c.教務處，湖南湘潭411104）

0 引 言

新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新型、系統化、開放式的特征［1-3］。新工科背景下，工科專業的人才培養要求學生具有系統的工程實踐學習經驗，具備設計和實施工程實踐的能力，并能對結果進行分析［4-5］。將科研成果融入實驗教學，更新實驗教學模式，充實實驗教學內容，逐步縮小理論與實踐距離，是提高學生工程實踐能力和創新能力的重要途徑。

在新工科背景下，為了使學生受到良好的工程實踐鍛煉，一些工科專業開始探索專業綜合教學實驗內容的改革，增設應用性強的實驗項目。王忠輝等［6］在輕化工程專業開設了“基于石墨烯增強的CdTe 量子點電化學發光法測定過氧化氫” 的綜合實驗；蔣亮等［7］結合材料科學與工程專業和材料成形及控制工程專業的實踐教學實際，設計了鐵酸鎂制備的研究型綜合實驗。這些實驗項目的實施，有利于新工科人才的培養。

高分子材料專業是我校的工科專業，目前尚存在教學內容與實際應用聯系不緊密的問題，大部分學生對于如何優化高分子材料制備及成形工藝、設計功能高分子材料、調整高分子材料的特性等常見工程性問題還存在困惑［8］。針對該現象，設計了一個以培養學生綜合全面、創新能力強、面向未來的新工科人才為目的的專業綜合教學實驗——“熒光增白劑在聚丙烯中的應用”。該實驗涵蓋了高分子材料制備成形、性能測定、結構表征等多方面專業核心課程知識，融合了老師科研項目，突出了實驗的綜合性、前沿性，強化了實驗的實際應用，有利于培養學生創新思維和工程應用能力。

1 實驗背景和意義

隨著塑料工業的蓬勃發展，人們對塑料制品包括外觀性能在內的各項性能要求不斷提高以及特殊用途塑料的需求，用熒光增白劑來改善塑料制品的外觀性能已越來越受到關注［9-10］。聚丙烯（PP）具有合成工藝簡單、相對密度小、加工性及機械性能好等特點，近年來成為發展迅速的一種通用型塑料［11-12］。因此，用于增白PP的熒光增白劑成為高分子材料添加劑領域關注的一個焦點［13］。本實驗就是基于這樣一個具有前沿性和應用性的科研課題而發展的。

2 實驗設計

2.1 設計思路

本實驗圍繞熒光增白劑這條主線展開（見圖1），先制備經不同含量的兩種熒光增白劑（KSN 和CBS）增白的PP 樣板；再通過測試樣板的拉伸、白度、熱及抗紫外等性能，比較經這兩種增白劑增白的樣板性能，得出KSN較CBS 更適用于PP樣板增白這一結論；為了解釋這一現象，采用掃描電鏡對KSN和CBS增白的樣板進行結構分析，發現在PP 中添加CBS 增白劑導致PP樣板性能較差的原因是因為CBS 和PP 不能很好地相容；為了解決相容性問題，再采用馬來酸酐（MAH）對PP 進行改性，將CBS 添加至改性后的PP中，進行性能測試，發現各項性能較未改性前都有較大提高，電鏡分析結果也表明，CBS 和改性后的PP 相容性也大幅度增加。這一設計過程充分調動了學生的主動性和積極性，從生疑到釋疑，從發現問題到解決問題，有助于學生更好地理解這兩類熒光增白劑的特性和適用范圍。

圖1 實驗主要內容和設計思路

2.2 實驗目的

（1）學習高分子材料添加劑的特性及添加工藝、高分子材料制備及成形工藝，并掌握工藝優化技術；

（2）掌握高分子材料性能測試和結構表征技術，分析原因，并找到解決辦法；

（3）掌握高分子材料改性方法及改性工藝的優化；

（4）培養學生創新思維能力和實踐應用能力，提升學生團隊合作意識、意志力、責任感等綜合素質；

（5）拓寬學生視野，激發學生對高分子材料添加劑的關注，并針對該方向開展更多的研究工作。

2.3 實驗試劑與儀器

（1）實驗試劑。過氧化苯甲酰、硬脂酸、馬來酸酐，天津科密歐化學試劑有限公司；分析純丙酮、二甲苯、無水乙醇，廣東汕頭市西隴化工有限公司；KSN 和CBS熒光增白劑，東莞市山一塑化有限公司；聚丙烯，中國石油化工集團。

（2）實驗儀器。集熱式恒溫磁力攪拌器（DF-101S，鞏義予華）、循環水式真空泵（SHZ-D（Ⅲ），鞏義予華）、旋轉蒸發儀（RE-52，鞏義予華）、真空干燥箱（ZK-82，上海市實驗儀器）、白度計（WSB-2，上海昕瑞）、熱失重分析儀（HENVEN，北京恒久）、平板硫化機（50180，東莞壹銳）、防紫外線及防曬測試儀（YG902C，寧波大禾）、拉伸性能試驗機（WDW，濟南凱銳）。

2.4 實驗方案

2.4.1 增白塑料試樣的制備［14-15］

按照熒光增白劑與PP 配比分別為0.005%、0.010%、0.015%和0.020%，稱取一定量的熒光增白劑KSB，分別與0.3 g 硬脂酸混合后，加入裝有10 mL無水乙醇的燒杯中，待固體溶解后，再與30 g PP在燒杯中均勻混合，將混合物倒在模板上鋪展均勻，置于在平板硫化儀，待無水乙醇揮發后，設置參數，制備熒光增白劑KSB 增白的塑料試樣。塑料試樣成形條件設置為上板溫220 ℃，下板溫200 ℃，低壓時間4 min，高壓時間6 min，冷卻時間3 min。成形前和成形后的樣品見圖1。在同樣的方法和條件下制備熒光增白劑CBS增白塑料試樣。

2.4.2 試樣的性能測試

（1）熱穩定性能測試。對增白后的試樣進行熱穩定性能測試，觀察熒光增白劑對PP 熱性能的影響。稱量5 ～10 mg的樣品放入陶瓷小坩堝中，在加熱爐的天平上左側放置不加試樣的小坩堝，右側放置加試樣的小坩堝。通入氮氣，溫度由室溫升至600 ℃，升溫速率為10 ℃/ min。采集數據，根據熱重曲線得到Te、Ti和Tr3 個數值。

（2）拉伸性能測試。根據實際情況（主要是試樣的長度及夾具的間距）設置好限位裝置；設置參數；夾持試樣，使試樣縱軸與上、下夾具中心線相重合；運行，開始試驗，待試片拉斷后，打開夾具取出試片；重復測定5 個試樣；數據處理，繪制聚合物應力-應變曲線。

（3）白度性能測試。打開儀器電源，讓白度儀預熱30 min，調零及校正后，將試樣上光滑無氣泡的位置對準儀器光孔的位置進行測試。測量6 個點，計算平均值。

（4）抗紫外性能測試。將試樣板上找出一塊光滑無氣泡的區域剪出一塊半徑為2 ～3 cm圓形。打開電源，讓機器預熱30 min，將剪出的目標物放入防紫外線及防曬測試儀中，設定參數，進行測定。

2.4.3 試樣掃描電鏡分析

取直徑為10 ～15 mm 的試樣，置于樣品臺，噴一層約10 nm厚度的金膜導電層。在20 kV 的高壓下，改變聚光鏡電流和放大倍數，利用二次電子信號成像觀察樣品分散均勻性和表面形貌。

2.4.4 MAH改性PP［16］

在裝有攪拌桿、球形冷凝管和滴液漏斗的三口燒瓶中，加入5.0 g PP和50 mL二甲苯，電動攪拌，升溫至110 ℃，加入MAH，待物料完全混合均勻，升溫至130 ℃后，邊攪拌邊滴加溶有0.1 g過氧化苯甲酰的二甲苯溶液，滴加完畢，繼續攪拌3 h，降溫60 ℃，加入丙酮，析出膠狀固體，抽濾，丙酮淋洗，用濾紙包好置于索氏提取器，用丙酮提取24 h，在80 ℃下真空干燥，得到PP-g-MAH。

2.4.5 數據分析

整理兩類增白劑對PP 增白后試樣的性能數據，采用Origin作圖，分析PP改性前和改性后增白試樣的熱、拉伸、白度及抗紫外性能。

2.5 思考與討論

（1）試樣制備成形后，如何初步確定樣板中增白劑的均勻程度？

（2）在試樣制備過程中，如何提高熒光增白劑與塑料PP粒子的混合均勻度？

（3）是否增白劑量越多，增白效果越好？為什么？

（4）試樣的熱穩定性能測試時，為什么要使用氮氣氣氛？

（5）掃描電鏡分析時，加速電壓對譜圖質量有何影響？

（6）哪些因素對改性后的PP質量有影響？

3 教學效果

（1）理論聯系實際，使學生從“知其然”到“知其所以然”。本實驗是功能高分子材料領域的一個研究熱點，實驗內容以特殊用途塑料這一實際應用為主線，探討不同類型熒光增白劑對塑料性能的影響。內容涵蓋了基礎化學和專業課程的多個知識點和實驗技能，在實驗過程中，學生需要將這些知識靈活運用，用以指導實驗。不僅加強了學生理論聯系實際的能力，同時鍛煉學生解決實際工程問題的能力，強化學生的工程實踐意識和專業技能訓練、探索能力開發模式。使學生對項目的原理和工藝不再僅僅只停留在表面，使學生從“知其然”過渡到“知其所以然”。符合“新工科” 建設與發展的內涵及“回歸工程實踐”工程教育理念。

（2）問題導向，助推學生創新能力培養。讓學生設計實驗方案，完成KSN和CBS這兩種熒光增白劑對PP的增白，并測試增白試樣的性能，通過數據分析，學生發現問題。例如就增白性能來說，通過對這兩種增白劑的增白效果比較，發現CBS 達到一定添加量后，樣板的白度迅速減弱，但是KSN仍然有一個上升的趨勢（見圖2），即CBS的泛黃點濃度較KSN低。為了解釋這一現象，揭開謎團，引導學生研究經這兩種增白劑增白后試樣的結構，解惑釋疑。學生帶著問題進一步查閱資料，進行知識遷移，采用MAH對PP進行改性，解決PP和增白劑不相容的問題，從而提高了CBS 的泛黃點濃度（見圖3）。整個實驗過程，從生疑到釋疑，從發現問題到解決問題，激發學生探究和學習的激情，充分發揮學生的主動性和創造性，更利于學生創新能力的培養。

圖2 KSN和CBS含量對PP增白性能的影響

圖3 KSN和CBS含量對改性后PP增白性能的影響

（3）多維度提高學生綜合素質。通過查閱文獻，了解熒光增白劑的種類，同時也了解部分熒光增白劑給環境帶來一定的污染，引導學生樹立環保意識，增強學生保護環境的責任感；在實驗前，根據同組異質、異組同質的原則，對學生進行分組，學生在文獻查閱、實驗方案確定、方案實施、實驗結果分析，都以小組合作完成，鍛煉了學生的溝通能力，培養學生團隊合作精神；在發現CBS熒光增白劑對PP增白效果差時，鼓勵學生“刨根問底”，最終明白問題所在，并找到解決問題的辦法，這一過程，不僅使學生收獲了成就感，同時在一定程度上培養學生拼搏精神與意志力。

4 結 語

該實驗通過PP 樣板的制備與成形，使學生掌握高分子材料成形加工原理、工藝影響因素及優化；通過馬來酸酐對塑料PP 的改性，對學生進行有機合成及提純方面的知識與技能訓練；通過儀器分析測試及表征，使學生掌握儀器的基本原理和操作方法；通過數據比較與分析，使學生掌握數據處理方法及相關作圖技巧。側重培養學生的綜合運用能力和創新思維，強化學生的動手實踐能力，以及學生自主獲取知識和綜合應用知識的能力，多維度提升學生的綜合素質，為培養綜合能力全面、創新能力強、面向未來的新工科人才打下良好的基礎。