基于精細化學品化學課程中涂料章節多維度構筑應用化學知識體系

楊興兵,劉長路,賴 川,蔡光容,陳 曉

(四川文理學院 化學化工學院,四川 達州 635000)

精細化學品應用廣泛,因此精細化學品的發展已經成為衡量一個國家的化學工業技術,特殊精細化學的發展直接關系到一個國家的經濟發展.[1]精細化學品具有種類繁多、技術密集度高、產品附加值高、學科知識跨度大等特點,因此許多高校的應用化學或材料化學專業均開設了精細化學品化學的課程.[2-3]

《精細化學品化學》是應用化學專業本科生的必修課,該課程系統闡述各精細化學品的定義、分類、制備方法、構效關系等理論.通過課程的學習,使學生掌握精細化工的認識、特點、發展方向；了解常見精細化學品的分類、結構、生產工藝、性能、使用范圍；了解現代精細化工領域中所采用的新技術.這門課程有助于學生學習和積累從事精細化工科研工作所需的基本知識和技能；有助于培養學生綜合運用知識、靈活解決實際問題的能力.

基于創新創業人才的培養,有學校對該課程的教學進行了研究和探討,精選教學內容、改進教學方法、優化考核方式,增強了學生的學習興趣和探索意識.使學生的綜合素質和創新實踐能力得到了明顯提高,有高校提出了合理的組織教學內容、明確重難點、合理運用教學方法、多種考核方式結合等改善精細化學品化學教學的措施,在實際應用中加深了學生對專業知識的理解,提高了學生的課程學習興趣和學習主動性,展現出了良好的教學效果.[4]

精細化學品化學是我校應用化學專業的核心專業課程,主要目的是讓學生對眾多的精細化學品有一定的認識,同時該課程在大三上學期開設,讓學生在學習完化學基礎主干課程后再深入了解品種總多的精細化學品,有助于學生加深化學基礎知識的學習,同時有助于學生將基礎理論與實際化學產品相結合.經過多年教學實踐,我們摸索出了一套培養學生構建多維立體的化學知識體系的教學模式.本文以精細化學品化學課程中的涂料為例講解涂料工業的多維學科知識體系的構建.

1 培養學生對涂料的興趣

在精細化學品化學課堂教學中不僅采用其他課程常用培養學生興趣的方法,如課堂多互動交流、引入化學實驗、多舉應用實例等手段[5-7]等；還根據涂料課程內容特點引入了涂料企業情況介紹、行業發展、研究熱點等相關內容.

2020年中國涂料1968 家規模以上涂料企業實現產量2459 萬噸；2021年上半年,中國涂料行業整體經濟運行情況平穩,實現主營業務1700余億元、利潤111 億元、產量1342 萬噸.[8]通過這些行業數據的介紹讓學生對涂料行業有一定了解.涂料行業規模以上企業均為跨國大公司,通過課堂講解各公司的特色和產品類型也便于學生對涂料分類有較為全面的認識,同時也有利于學生職業發展.比如巴斯夫和PPG 公司都是跨國公司涂料產業但是各有發展重點,PPG 側重金屬涂料,巴斯夫側重工業涂料和汽車涂料；國內巴德富是的建筑涂料的龍頭,東方雨虹重點產品是防水涂料等.

涂料作為具有一定歷史的產品,產業也根據市場需求不斷提升品質,因此向同學們介紹相關的行業高水平期刊,例如《PROGRESS IN ORGANIC COATINGS》、《APPLIED SURFACE SCIENCEJCT COATINGSTECH》等國際行業知名期刊及國內的《涂料工業》及《中國涂料》等期刊；同時也向同學介紹了中國涂料工業協會網址,便于同學了解涂料技術動態和前沿科技的發展和具備一定的科研意識.

通過以上對涂料行業的整體和前沿研發的介紹,讓學生對涂料工業有了基礎認識,也對涂料的概念有了一定產品形態的認識；同時也培養了學生的主動探索行業熱點的信息獲取能力.

2 應用化學知識體系的構建

涂料體系組成復雜,同時成膜機理理論涉及物理化學學科.涂料涉及高分子化學、有機化學、無機化學、分析化學、物理化學的相關知識,在學習過程中只有將五大基礎化學組合起來才能完整的掌握涂料的原材料性能、工藝技術、涂料配方、涂料分析等工作.因此為了加深學生運用基礎化學知識解決涂料工業實際問題,在課程中穿插了涉及到的部分基礎化學知識.

2.1 涂料中的高分子化學

涂料由成膜物質、顏料、溶劑和助劑等組成.其中,成膜物質作為涂料的主要原料,涉及聚氨酯、聚酯、醇酸樹脂、氨基樹脂、丙烯酸樹脂等涂料樹脂.相應的樹脂也是一個龐大的產業鏈,如涂料中的丙烯酸酯乳液的合成原理涉及到丙烯酸酯的自由基聚合,根據自由基聚合原理中的引發劑、乳化劑、單體配比、聚合工藝等都影響到產品的分子量和分子量分布以及最終乳液的穩定性.乳液聚合也是科學研究的熱點問題,聚合工藝和生產方式也關系到乳液質量,乳液的質量直接決定了涂料的質量.

部分熱固性涂料樹脂還涉及到高分子化學中聚合物的化學反應的原理.這種交聯反應型涂料的涂膜硬度大、力學性能優異,是很多工業涂料的首選方法.但是選擇什么樣的功能單體作為反應交聯的主體,以及如何選擇可反應的另一組分涂料樹脂都是需要相關高分子化學的理論知識.

2.2 涂料中的分析化學

涂料作為生產的精細化工產品,在原材料入庫、生產工藝過程控制、終端產品均需要相關的檢測標準和控制指標.

對于涂料生產前的原材料檢測是生產的重要控制環節,如涂料樹脂的色澤、穩定性實驗、耐高溫、耐低溫、固含量、耐溶劑等都是常規檢測,部分助劑可以通過氣相色譜、粒徑分析儀、高效凝膠色譜做比對分析.

制備出的涂料產品后檢測更為復雜,首先需要檢驗涂料的狀態、外觀、顏色、粘度、流出時間、細度、比重、遮蓋力、干燥時間、不揮發物含量、鏡面光澤、硬度、柔韌性、耐彎曲性、附著力、耐沖擊性、耐水性、耐化學試劑性、耐熱性、流掛性、耐濕熱性、、耐鹽霧性、耐老化性等,其次需要檢測特殊用途的性能檢測,如阻燃、抗靜電等.

圖1 涂料的性能檢測

2.3 涂料中的其他化學

涂料的使用最終在基材表面形成一層堅韌的薄膜.—般說來,涂料首先是一種流體,在涂布完成之后才形成固體薄膜,因此是一個玻璃化溫度不斷升高的過程.成膜方式主要有溶劑揮發與熱熔、化學、乳膠成膜三種方式.涂料的成膜過程涉及到化學反應和物理化學的吸附原理,流變學和表面化學等.涂料的生產涉及化學工藝相關知識,涂料原料及產品儲運涉及化學安全知識.

2.4 涂料常見問題涉及的化學知識

涂料使用過程中常見有厚邊現象、縮孔現象、桔子皮現象、貝納爾漩流窩、發花和浮色現象等問題.這些問題都涉及到物理化學的表面張力問題.如:

(1) 縮孔是濕的涂層上面落上一滴表面張力低的液體,可使鄰近的涂料表面張力降低,向周圍表面張力較高處鋪展,形成一個火山口的缺陷.

(2) 涂料在干燥過程中,隨著溶劑蒸發,表面濃度升高,溫度下降,表面張力升高,由于表層和底層的表面張力不同產生一種很大的推動力,使涂料從底層往上層移動,這種移動導致局部渦流,形成貝納爾漩流窩.

(3) 發花和浮色是溶劑蒸發形成,當涂料運動時帶動懸浮的顏料粒子運動,由于果顏料的大小、比重不同,就引起顏料的重新分布,于是一種顏料在表面上或表面的某些部位上呈較高的濃度.

只有掌握了相關問題的產生原因以及產生該問題的基本原理,才能更快更準確的解決涂料生產過程中或使用過程中所產生的問題.

精細化學品的生產涉及到眾多的化學知識,通過相關知識的應用,學生知道了基礎化學理論的運用,也增加了學生復習基礎知識的積極性.在精細化學品化學的涂料章節中通過相關理論的聯系運用,不僅加深了基礎化學理論知識的影響,更有利于學生將枯燥的基礎理論用于實際問題的分析.

3 理論與實驗的結合

精細化學品化學教學采用課堂理論教學與實踐教學緊密結合的方式,采用傳統教學方法和現代教育技術應用結合的方法.教學形式主要由課堂講授、小組討論、講座、實驗、實習、考核(含考查、考試、實習實驗報告、學習體會)幾部分構成.

課堂教學由主講教師按照教學大綱和教學日歷的進度要求進行講授, 在每一章講授前提出學習重點、每章授課結束后總結難點、要點,并要求學生完成課后思考題；講座要求寫心得體會；小組討論要求匯報；實踐教學按照實驗大綱和實驗指導書進行,要求學生課后完成實驗報告.

實踐教學以培養創新時代應用人才為目標,培養實踐能力為主線,培養專業技能為核心.根據應用化學專業學生的知識、能力和素質結構的要求和后續專業課程學習的需要制定實踐教學的大綱、教學內容和考核標準.

教研組通過多年的累計也在應用化學綜合實驗課程中開設了涂料相關的實驗.作為常用的環保的丙烯酸酯乳液樹脂作為了我們的實驗課程,其實驗配方和步驟如表1.

表1 丙烯酸酯乳液樹脂配方

(1) 實驗配方

(2)實驗步驟

在三頸瓶中加入去離子水、十二烷基磺酸鈉,裝好攪拌器、回流裝置和滴液漏斗,加熱到80～85℃,攪拌預乳化.同時將過硫酸銨溶解在20mL 去離子水中,并向三頸瓶中加入15mL 過硫酸銨溶液.當溫度不再升高并穩定后,開始緩慢滴加甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸單體混合液及十二烷基磺酸鈉溶液,在2～3h 內滴完.滴加完畢后,加入剩余的過硫酸銨溶液,在85℃下保溫攪拌30min,冷卻出料,得到丙烯酸乳液,觀察乳液性狀.

實驗前要求學生做好實驗預習,教師講解加入問題導向,如:從原材料比例分析,該產品適合用于什么涂料?實驗過程中有段時間為淡藍色后面變成乳白色是什么原因?為什么控制溫度為80℃?為什么聚合過程中需要滴加?帶著這些問題進入實驗過程,學生會認真觀察實驗現象、做好記錄、并分析問題.同時鼓勵實驗小組之間對不同的實驗現象進行交流和反思.同時實驗評價不簡單以實驗結果好壞作為唯一標準,也將實驗失敗的原因總結分析并做出改進方案作為實驗結果的評判依據.

同時也開設了涂料的制備實驗,讓學生將前面實驗的乳液用于制備外墻涂料,最后檢測涂料相關的性能.通過一些列的具體實驗讓學生對涂料的整個制備過程有了具體的認識.同時項目組老師也有研發氨基樹脂和丙烯酸乳液的項目,讓部分學生參與項目中,更有利于學生綜合能力的培養.

結 論

在精細化學品化學課程的涂料章節教研室引入了最新的涂料行業情況、市場分析和產業前沿熱點問題,有效的激發了學生的學習興趣.同時在教學過程將學生學習的基礎知識融入涂料課程中,有效的將知識融會貫通,同時在實驗課程的開設過程中也設置了涂料實驗,從而加上了學生對涂料的認識.通過以上方法不僅全面構筑了學生的應用化學知識體系,同時培養了學生的學習興趣.