科教融合下高分子材料阻燃性能提升實驗教學拓展探索

王圣程， 姜 慧， 黃蘭英， 張 朕， 祿利剛

（徐州工程學院土木工程學院，江蘇 徐州 221018）

0 引 言

黨的十八大報告提出，要提高自主創新能力，到2020年使我國進入創新型國家行列，這是國家發展的戰略核心［1］。2018年，教育部部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上強調：創新人才培養，要推進科教融合，讓學生盡早參與和融入科研，加大各級科研基地向本科生開放力度，提高學生科研實踐能力和創新創業能力［2］。由此可見，高校科研與教學相結合進行創新人才培養是時代的需要，也是高校堅持“以本為本”的體現。在創新人才培養過程中，高校逐漸意識到實驗教學在大學生創新能力提升中起著舉足輕重的地位，并采用各種手段強化實驗教學［3-5］。然而，大多數高校的實驗教學還以加深學生對理論教學內容理解為出發點，尚未意識到其對創新人才培養的作用［6］。因此，對實驗教學進行拓展勢在必行。而將教師的科研資源轉化為實驗教學內容，實現科研與教學深度融合，是提高實驗教學水平的有效途徑［7］。

土木工程材料是土建類專業一門專業核心課，能為后續專業課的學習及正確選擇與使用材料奠定一定的理論基礎。為了提升大學生創新能力，利用教師與課程教學有關的科研課題，從中提煉出拓展性實驗課題，不但能豐富土木工程材料課程的實驗教學體系，還能通過“科研-教學-思辨-實驗”的四位一體化訓練，使學生加深對土木工程材料課程知識更深層次的理解和認識，有助于提高教學質量。本文以聚氨酯高分子材料阻燃性能提升為例闡述科教融合下拓展實驗教學這一模式。

1 基于科研項目提煉教學實驗課題

隨著我國經濟和城市化進程的快速發展，建筑能耗的比例將達到35%［8］。因此，建筑節能勢在必行。而在建筑中使用保溫材料是建筑節能最有效的手段，經濟效益也最明顯。目前，國際上公認性能最好的保溫材料是聚氨酯高分子材料，其以導熱系數低、耐熱性好、容易與其他材料粘結等優異性能已廣泛用于建筑物各個位置的保溫隔熱［9-10］。但近些年發生的北京央視大樓火災、南京中環國際廣場火災等均是由聚氨酯高分子材料易燃引起的，嚴重影響了人員和財產安全。

為達到人們對建筑物既保溫節能又安全的需求，就必須提高聚氨酯高分子材料的阻燃性能。聚氨酯高分子材料屬于土木工程材料課程內容的一部分，教材上只是向學生傳授絕熱材料的定義、類別、性質，尚未涉及高分子保溫材料應用的安全性問題。結合科研項目“聚氨酯保溫材料阻燃性能提升關鍵技術研究”，讓學生去查找文獻，發掘已有聚氨酯高分子材料阻燃性能提升的方法，根據作用效果進行篩選，并設計相關實驗，探尋不同阻燃方法下的阻燃效果。

2 實驗拓展探索

學生通過查詢發現，聚氨酯高分子材料主要通過反應型或添加型阻燃劑來實現阻燃。反應型阻燃劑是通過化學反應將溴、磷等元素加入聚氨酯分子鏈上，使聚氨酯高分子材料具有阻燃功能。而添加型阻燃劑通過物理添加，使聚氨酯高分子材料阻燃性能提高。添加型阻燃劑可分為無機和有機添加型阻燃劑［11］。無機添加型阻燃劑主要有氫氧化鎂、氫氧化鋁、膨潤土和可膨脹石墨（EG）等，最大的特點是低煙無毒性。有機添加型阻燃劑主要是一些含磷、氯、溴等元素的有機化合物，特點具有低煙、無毒、低鹵、阻燃高效等［9］。學生采用定性分析的方法分析不同方式的阻燃效果、實現難易程度，選擇添加型阻燃劑來提升聚氨酯高分子材料的阻燃性能。在此基礎上，進一步定性分析無機、有機阻燃劑的阻燃功效，最后學生決定采用無機-有機協同添加的方式對聚氨酯高分子材料進行改性。無機阻燃劑選擇EG，有機阻燃劑選擇磷系阻燃劑（PFR），分為三（1，3-二氯異丙基）磷酸酯（TDCPP）與四（2-氯乙基）二亞乙基醚二磷酸酯（CR-505）兩種。采用一步發泡法，按照聚氨酯高分子材料配方（見表1）制備實驗用品。首先將聚醚多元醇、阻燃劑、發泡劑、泡沫穩定劑、催化劑等混合均勻，形成組分A；然后，將多異氰酸酯迅速加入組分A中，攪拌均勻，倒入模具中，待化學反應結束得到聚氨酯高分子材料。其中，Z0為普通聚氨酯高分子材料，無阻燃劑添加；Z1-Z5為PFR改性聚氨酯高分子材料；Z6～Z8為PFR與EG協同改性聚氨酯高分子材料。

表1 聚氨酯高分子材料配方

采用錐形量熱儀測量材料的熱釋放速率（HRR）、引燃時間（TTI）、HRR峰值（PHRR）與到達HRR峰值時間（TPHRR）；用熱重分析儀測量物質質量隨溫度變化；用氧指數分析儀測試樣燃燒所需要氧氣的最低濃度。

2.1 錐形量熱儀使用實驗

錐形量熱儀能夠展示聚氨酯高分子材料在真實條件下的燃燒行為。圖1所示為PFR對聚氨酯高分子材料HRR的影響。從圖1可知，所有聚氨酯高分子材料的HRR曲線變化規律相似，先緩慢上升，再激增至PHRR，最后逐漸減弱并趨于平緩。PFR改性聚氨酯高分子材料阻燃效果由差到好的順序為：Z5、Z1、Z4、Z2、Z3。這反映出TDCPP／CR-505添加比為1∶1時阻燃效果最佳。

圖1 PFR對聚氨酯高分子材料HRR的影響

為研究PFR與EG添加對聚氨酯高分子材料阻燃性能的影響，在樣品Z1、Z3和Z5配方基礎上，均添加10 g EG而形成Z6、Z7和Z8，表2所示為聚氨酯高分子材料阻燃性能的變化。從表2可知，和單獨添加PFR相比（Z1、Z2、Z5），PFR與EG協同改性聚氨酯高分子材料（Z6、Z7、Z8）的PHRR進一步下降，而TTI和TPHRR增加。說明PFR與EG產生了協同效應，聚氨酯高分子材料的阻燃性能進一步提升。

表2 不同聚氨酯高分子材料阻燃性能的對比

2.2 熱重分析實驗

圖2所示為空氣氛圍下聚氨酯高分子材料的殘余質量隨溫度變化的曲線。從圖中可知，所有聚氨酯高分子材料的質量損失過程均分為2個階段。Z0的第1階段質量損失發生在180～320℃，且存在一個質量微變的緩沖期；而Z1～Z8第1階段平緩下降，無明顯緩沖期。Z0的第2階段發生在440～540℃，而Z1～Z8的第2階段也平緩下降，且存在一個過渡區間。此外，從圖中還可以得出，Z1～Z8在較低溫度時就開始出現質量衰減，質量衰減5%的溫度明顯低于Z0。但隨著溫度上升，Z0的質量衰減速度加快，質量衰減50%的溫度為391℃，而Z1～Z8質量衰減50%的溫度都大于540℃，且PFR與EG同時添加的Z6～Z8比只添加PFR的Z1、Z3和Z5質量衰減50%的溫度更高。

圖2 空氣氛圍下聚氨酯高分子材料的殘余質量隨溫度變化曲線

2.3 氧指數測定實驗

圖3所示為聚氨酯高分子材料的氧指數。從圖可知，Z0的氧指數為16.7%，為易燃材料。Z1～Z5的氧指數得到了大幅度提升，除Z5為易燃材料外，其他PFR改性聚氨酯高分子材料為可燃材料。Z6～Z8的氧指數大于30%，為難燃材料，符合《建筑材料及制品燃燒性能分級》標準。

圖3 聚氨酯高分子材料的氧指數

3 實驗教學拓展的作用

實驗教學的基礎作用是強化理論教學，調動學生積極性［12］。實驗教學改變了傳統理論教學的枯燥乏味，變被動教育為主動教育。拓展實驗教學不在于最后得到什么樣的結果，而在于實驗探索的過程，即發現問題、解決問題，從而增強學生的創新意識。發現問題并且能夠創造性地解決問題的能力和科學素養是創新人才的一個關鍵區分特征，是可以通過參與科研活動得以提高的［13］。下面從發現問題、解決問題和分析結果3個階段分析科教融合下實驗教學拓展對創新人才培養的作用。

3.1 提出問題階段

教師開展科學研究，既能保持對學科前沿知識的敏感性，也能通過教學將課本之外的新觀點、新方法等傳遞給學生。通過對聚氨酯高分子材料的真實科研問題情景激發，闡釋公認性能最好的聚氨酯高分子材料存在嚴重的安全隱患，從而提出提高聚氨酯高分子材料安全性能的問題，充分調動學生參與科研的積極性和主動性。

3.2 解決問題階段

面對聚氨酯高分子材料應用安全性問題，必須提高材料的阻燃性能。要求學生必須掌握從事科學研究的基礎方法，善于利用CNKI等網絡資源，圍繞聚氨酯高分子材料阻燃的主題去查詢、辨析、選擇、理解文獻資料，從中挖掘出效果好、價值高且方法簡單的阻燃方法，從而攻克難題。例如，學生通過查詢資料可知PFR增加聚氨酯高分子材料阻燃效果的原因，即PFR在基體燃燒初期先分解產生大量的磷氧自由基，磷氧自由基可以淬滅基體自身燃燒所產生的可燃自由基，使燃燒鏈式反應中斷并抑制火焰，從而有效地降低基體燃燒的強度［14］；而EG能提高阻燃性能，是因為EG均勻分布在聚氨酯高分子材料中，遇到外界高溫，其體積快速膨脹，形成一個絕熱碳層，該碳層熱穩定性強，能把熱源與材料隔開，抑制材料的繼續燃燒。此外，EG的導熱性能好，能將熱快速釋放，降低溫度，且EG燃燒時產生的CO2起到一定隔絕氧氣的作用，進一步阻燃［15］。這一過程就是學生創新能力提升的過程，強化學生自主學習與思考的能力、信息分析與篩選的能力、創新思維能力和自我教育能力［16］。教師從而成為了學生創新能力提升的引導者。

3.3 分析結果階段

學生根據聚氨酯高分子材料阻燃問題的解決方案進行實驗設計，從而檢驗其思想和觀點。在實驗過程中，既能鍛煉學生的動手能力，還能提高學生數據處理與分析能力、對結果驗證和討論分析能力［17］。學生通過資料還能查到：EG能降低聚氨酯高分子材料的力學性能［18］。學生就能了解到，在使用EG提高聚氨酯高分子材料阻燃性能時要注意用量。這一過程，讓學生能全身心地沉浸在實驗拓展體驗中，促進了學生整體性思考，使其養成嚴謹、創新的思維方式，最后形成創新精神，真正達到提升學生知識創新與應用能力的目的。近年來，學生通過參與有關高分子材料的科研課題，獲批大學生創新創業項目10余項（其中省重點項目和省一般項目各1項），榮獲“互聯網＋”創業大賽、徐州市建筑節能大賽等市級以上獎勵10余項，發表有關科研論文6篇，授權國家發明專利1項、實用新型專利6項。

4 結 語

“科研-教學-思辨-實驗”的四位一體化的實驗教學拓展方式的探索，實現了高校科研與教學的深度融合，強化了理論教育內容，提高了教學內容深度和廣度，給學生提供一個盡早接觸學科前沿的條件，從而達到提高學生創新能力的目的。