“熔噴法非織造駐極體材料的制備”綜合型應用物理實驗設計

徐娙梅 彭輝麗 陳鋼進

[摘 要]為了讓應用物理專業學生更好地接受應用基礎研究、應用開發研究和工程技術的初步訓練，以大型熔噴生產設備微型化研究成果為基礎，將熔噴法非織造駐極體材料的制備過程轉化成本科近代物理實驗的教學內容，設計了“熔噴法非織造駐極體材料的制備”綜合型實驗，實現了在近代物理實驗教學過程中同時達到科學性、創新性和啟發性的教學目標。

[關鍵詞]綜合型實驗;實驗教學;應用物理

[基金項目]2018年度杭州電子科技大學“大學物理實驗A1”（sjkg201804）

[作者簡介]徐娙梅（1965—），女，浙江武義人，本科，杭州電子科技大學理學院高級實驗師，主要從事物理實驗教學研究;陳鋼進（1961—），男，浙江磐安人，理學博士，杭州電子科技大學理學院教授（通信作者），主要從事駐極體及其相關現象研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-08

一、引言

培養出專業基礎扎實、科研能力強、綜合素質高的創新型人才已經成為當前高等教育教學改革和可持續發展面臨的一個現實而又迫切需要解決的問題[1]。提高本科教學基礎階段，特別是實踐教學環節的教學水平，不但能夠讓學生更好掌握相應的專業基礎知識、增強理論知識點的理解力，而且對提高學生的動手與操作水平、培養學生的科研與創新能力至關重要。近年來，將先進的科研方法與成果應用到本科實踐性教學中，實現科研與教學的有機結合，已成為培養學生創新思維能力，提高本科實踐性教學水平的有效途徑[2，3]。

熔噴法非織造材料制備工藝是聚合物擠壓法非織造工藝中的一種，我國于20世紀80年代中后期開始廣泛應用，主要產品有過濾材料、醫療衛生用材料、環境保護材料、服裝材料、擦拭材料、吸油材料、保暖材料、電池隔膜等。尤其是熔噴駐極體非織造材料不僅有低流阻、高效率、除塵滅菌等功能，而且對有致癌作用的亞微米級粒子有較強的捕獲能力，是一種高科技產品[4]，在醫療設施潔凈、制藥工業和生物制品潔凈、高新科技產業潔凈及旅館酒店、家庭和公共場所潔凈及口罩等方面的應用上具有獨特優勢，已成為新一代環境凈化的主導產品。

盡管熔噴設備體積龐大、生產工藝復雜、新產品開發所需成本高，但熔噴過程涉及的知識面廣，技術發展快。將熔噴技術中的先進科研成果和產業化生產技術融合進教學過程，必將會給培養學生的創新思維能力帶來很好的促進作用。

本文在前期開發的微型熔噴設備和駐極體新材料研究成果的基礎上，將熔噴駐極體非織造材料的制備過程轉化為本科近代物理實驗的教學內容，設計并實施了“熔噴法非織造駐極體材料的制備”綜合型實驗。旨在通過采用教學與科研相結合的方式，將熔噴法非織造駐極體材料制備技術中的新方法、新思想引入教學，豐富充實教學內容，確保實驗教學的前沿性和時代性，使學生在熟悉和掌握熔噴法非織造駐極體材料制備技術和生產工藝的同時，能夠緊跟最新科技發展動態，提高創新思維能力、動手操作能力和解決實際問題的能力。

二、實驗儀器與材料

實驗儀器采用自行研發的微型熔噴試驗機，基本結構和實驗流程如圖1所示，和大型生產線的配置基本相當，具有省時、省料、操作簡單等優點，即可用于科學研究，進行新材料試驗與配方研究，也可模擬產業化生產過程，進行工藝條件優化、配色等。用該設備展開科技實驗教學，即可讓學生了解企業大規模材料生產過程，亦可使學生掌握熔噴非織造材料的基本知識、制備材料的實驗方法，引導學生分析非織造材料性能的影響因素等。

具體熔噴工藝過程為：將聚合物細顆粒導入罐體中，利用超靜音空壓機對壓縮空氣進行加熱，并提供給罐體中的聚合物顆粒材料和噴頭，將細顆粒熔融并擠壓，使熔體從噴頭的噴絲孔中擠出。當熔體擠出噴絲孔時，受到噴絲孔兩側與熔體噴出方向呈一定角度的高壓熱氣流的噴吹，熔體被拉伸，形成超細長絲的纖維，同時受到外側冷空氣的冷卻而固化，在氣流作用下凝聚在滾筒接收器上，形成熔噴超細纖維自黏合形成布。通過自動控制系統完成接收滾筒在平面上的勻速左右往返運動和旋轉，同時采用負壓吸附纖維完成接收成網。

三、教學過程設計

整個實驗過程包括從聚合物粒子，經熔噴過程制備獲得聚合物非織造布，利用電暈極化裝置對熔噴非織造布進行充電，形成駐極體。教學內容按熔噴非織造布的制備、材料形貌結構和微觀結構分析、熔噴工藝條件的改變對材料微結構的影響、駐極體的形成四部分進行。該實驗要求學生掌握熔噴法的基本原理，熟悉熔噴設備的操作流程，探索不同工藝條件下的材料制備工藝，了解駐極體形成的基本物理機制。

（一）熔噴非織造布的制備

開機預熱，將準備好的原料倒入樣品罐中，打開微型熔噴實驗機的工控系統和壓縮空氣加熱器，根據實驗要求，通過計算機設定熔噴過程中的熱風溫度、熱風壓力、熔體溫度、熔體流出速度以及纖維接收距離等工藝條件。設定好接收距離，再打開料桶加熱器和熱風，原料將在微型熔噴實驗機的料桶中受熱熔化形成熔體。等到料桶溫度、熔體溫度和熱風溫度達到實驗要求時，再開啟料桶壓力，并打開滾筒裝置，設定滾筒的轉速和移動速度，在料桶壓力的作用下熔體從直徑 0.4mm的噴嘴口擠出，在噴嘴口周圍的熱空氣的牽伸下，熔體拉長，并受到室溫空氣的冷卻固化形成纖維，纖維再黏附到滾筒的表面后，利用自身的余熱使纖維熱熔黏合，隨著滾筒的轉動和左右往復移動中形成熔噴非織造布。

熔噴非織造布的制備是整個實驗的核心內容。材料的性能取決于其結構，通過改變材料制備工藝如牽伸風溫度、風量、壓力、接收距離等條件，可以控制材料結構，通過添加不同助劑可以改變材料結構。要求學生掌握制備工藝和條件，在了解熔噴法非織造原理的同時，探索不同工藝條件對非織造布微結構的影響。

（二）材料形貌結構和微觀結構分析

所獲熔噴非織造布的晶相結構采用x射線衍射儀表征。通過對所獲x射線衍射譜的分析，可獲得熔噴非織造材料的晶型和結晶度。聚丙烯材料可以有5種晶型，分別為：α、β、γ、δ和擬六方晶型。通過與標準譜的比對，可獲取熔噴非織造布的晶型。所謂結晶度就是結晶的程度，即結晶部分的重量或體積對全體重量或體積的百分數。采用特殊的分析方法，可獲得熔噴非織造布的結晶度。具體結果如圖2所示。

熔噴非織造布的形貌結構采用掃描電子顯微鏡分析。通過形貌分析，可獲得不同工藝條件下獲得的熔噴非織造布的纖維粗細、表面粗糙度等性質。如圖2所示，當噴頭溫度為200℃時獲得的非織造布纖維比220℃時獲得的粗，而且疊加緊密程度稍差。

（三）熔噴非織造布駐極體性能的賦予

為賦予熔噴非織造布以駐極體特性，需要采用一定的手段將電荷注入非織造布的體內，這一過程稱為注極（也稱充電）。實驗中采用了電暈注極方法。電暈放電是指在常壓下氣體介質在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離和激勵而出現大量帶電離子。利用這一原理將這些帶電離子沉積到電介質表面或近表面，甚至到達電介質內部形成空間電荷，這時電介質便通過電暈極化成為駐極體。注極后的PP熔噴非織造布駐極體電荷存儲性能采用表面電位表征，表面電位采用補償式非接觸方法測量。

四、教學效果評價

本實驗以大型熔噴生產設備微型化研究成果為基礎，將熔噴法非織造駐極體材料的制備過程轉化成本科近代物理實驗的教學內容，教學效果主要體現在如下幾個方面。

1.實現了綜合學習物理基礎知識的目的。在所設計的實驗中包括熔噴非織造布的制備、材料形貌結構和微觀結構分析、熔噴工藝條件的改變對材料微結構的影響、駐極體的形成等四部分內容，涉及材料的物理相變、晶相結構、介電性能等物理基礎知識，實現了學生綜合能力培養的目的。

2.突出了實驗技能的培養。在本實驗中提供給學生的四部分實驗內容，另外還要求學生熟練使用計算機進行實驗過程控制、實驗數據采集、實驗結果分析。對學生實驗技能得到了綜合的培養。

3.達到了培養拓展知識能力的目的。知識的積累是一個基于已有知識、吸收新的知識的不斷拓展的過程。在本實驗中，除要求學生完成規定的實驗內容外，要求學生通過閱讀科技文獻、補充讀物，對實驗結果做出解釋，以促進、培養學生學習新知識的興趣和提高閱讀專業文獻的水平。

4.體現了科學研究屬性。本實驗源于教師的科學研究為基礎，結合學生已掌握的物理學知識，要求學生通過改變實驗條件，實現材料結構和性能的優化。體現了將基礎知識運用于科學研究的特色。通過對材料性能的測試分析，學生可直接接觸納米材料、駐極體性能等先進的科學知識。讓學生得到了從事研究工作的直接體驗。

通過本實驗，學生了解了熔噴法制備非織造材料的基本原理和方法，掌握了從固態顆粒、經液態、到固態纖維的新材料形成物理相變機制，體會了工藝條件的改變會對材料性能產生重大的影響，在較短的時間內，得到了科學研究的鍛煉。與此同時，教師可及時地把科研工作的新內容補充到實驗教學中，根據學生掌握的程度，鼓勵有潛質、有興趣的學生跟蹤學科發展前沿，繼續開展其他熔噴駐極體材料的制備以及性能分析，深入開展研究工作，為后續畢業論文選題奠定基礎。

五、結語

將科研成果轉化為實驗教學內容，實現了科研與教學的結合，不僅豐富了實驗教學內容，同時也增加了實驗教學的深度，是培養學生創新意識、創新能力和提高教師教學水平的有效途徑。通過這項教學改革，讓學生在本科階段就接觸到學科前沿的研究內容和科學研究方法，并能在實驗中經歷一個完整的科研過程，可開闊學生視野，訓練學生的創新思維，提高學生的科學素養和科研能力，培養學生嚴謹、求實的科學作風，為學生畢業以后從事教學和科研工作打下一個良好的基礎。

參考文獻

[1]葛金芳，解雪峰，吳繁榮，等.科研教學互動在培養創新型藥學人才中的探索與實踐[J].中國高等教育，2015（10）：28-29.

[2]扈旻，鄧北星，馬曉紅，等.科研成果轉化為實驗教學內容的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（10）：21-23.

[3]成協設，劉薇，王立金.開展創新性實驗教學實現理論到創新的有效對接[J].實驗室科學，2011，14（1）：200-202.

[4]何宏升，鄧南平，范蘭蘭，等.熔噴非織造技術的研究及應用進展[J].紡織導報，2016（S1）：71-80.

A Comprehensive Experiment Design of Applied Physics on

"Preparation of Melt-blown Non-woven Electret Materials"

XU Xing-mei， PENG Hui-li， CHEN Gang-jin

（School of Science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： In order to enable students majoring in applied physics to better receive initial training in applied basic research， applied development research and engineering technology， a comprehensive experiment on "preparation of melt-blown non-woven electret materials" is designed and introduced into the teaching content of Modern Physics Experiment course for undergraduates based on the research results of miniaturization of large melt-blown production equipment， which has achieved the goal of scientific， innovative and enlightening teaching in the course of Modern Physics Experiment.

Key words： comprehensive experiment; experiment teaching; applied physics